細胞生長：如何生長以及在哪裡生長
<翻譯文章>
[資料來源:Mathur J. and M. Hülskamp. 2001. Cell growth: How to grow and where to grow. Curr. Biol. 11:R402–R404.]
根毛是研究植物頂端生長(tip growth)的理想模式系統。近期對於頂端生長所需基因的定序，為離子調控、細胞壁組裝與細胞骨架在細胞生長中的關聯，帶來了新的理解。
植物細胞的生長分為兩種：一種是擴散性生長(diffuse growth)，發生在較廣的區域；另一種則是頂端生長(tip growth)，局限於細胞的最前端。一般而言，植物細胞的生長需要細胞內運輸過程的協調、離子平衡的調節(進而影響細胞膨壓)、細胞壁的鬆弛與再組裝。頂端生長的細胞特別適合研究這些過程及其空間調控，因為這些細胞可透過遺傳學、分子生物學、生理學與細胞生物學等多種方法進行分析。
阿拉伯芥的根毛已成為頂端生長的研究模式。在野生型植物中，根毛的發育從毛狀細胞(trichoblast)基部形成一個突起開始。接著，從突起頂端開始頂端生長，分為兩個階段。第一生長期速度較慢；當根毛長達約20–40微米時，進入第二生長期。第二生長期為快速生長期。在這個過程中，細胞顯現出明顯的區域分化：最前端堆積大量含細胞壁成分的分泌囊泡，其後是富含胞器的區域，而液胞(vacuole)則從細胞基部形成，並在頂端生長結束前延伸至頂端。
對於具特定根毛生長缺陷的突變株進行分離與表現型分析，讓我們能夠劃分根毛形態發生的不同階段：第一階段是生長位置的選擇，通常在毛狀細胞毛狀細胞(trichoblast)的基部。在rhd6突變株及某些生長素與乙烯訊號缺陷的突變株中，根毛也可能從毛狀細胞毛狀細胞(trichoblast)的中部或頂部長出。第二階段受到tip1與rhd1突變的影響，是從一個大的膨起，而不是從一個小而明確的部位開始生長。第三階段是真正的頂端生長。影響此階段的突變株可分為三個子類別：一是根毛的發育在第二快速生長期開始前即停止；二是根毛尖端破裂的突變株；三是啟動第二生長期但隨後不久即停止的突變。第四階段為極性延伸；在此階段出現缺陷的突變株會表現出波狀或分枝的根毛。這些階段背後的分子機制為何？近年的基因定序與細胞生物技術的進步，揭示了運輸過程、膨壓調控與細胞壁重塑在生長中的相互關係。
要使植物細胞生長，內部的靜水壓(internal hydrostatic pressure)是必不可少的，這種壓力能迫使堅硬的細胞壁擴張。在根毛中，這種膨壓(turgor)是由原生質膜上的H⁺-ATPase產生的跨膜質子梯度所驅動，進而推動滲透活性的離子吸收。在根部，兩種鉀離子(K⁺)吸收機制同時運作：一種是具有通道調控轉運蛋白(channel-mediated transporter)的低親和力途徑(a low-affinity pathway)，另一種是高親和力途徑(a high-affinity pathway)。細胞膜片鉗(patch-clamping)實驗顯示，高親和力途徑不需要 ATP，因此很可能是 H+-偶聯的鉀離子轉運蛋白(H+- coupled K+ transporter) [4]。使用四乙基銨(tetraethylammonium)對內向整流鉀離子通道(inward-rectifying K+ channels)的抑制被發現會阻礙頂端生長，這說明鉀離子依賴的滲透調節(K+-dependent osmoregulation)確實對頂端生長非常重要。然而，由於其效應的短暫性，這也顯示可能存在其他機制可以替代鉀離子(K⁺)輸入。
TRH1 (TINY ROOT HAIR1) 基因的定序顯示它編碼一個屬於AtKT/AtKUP/HAK家族的鉀離子(K⁺)轉運蛋白。有趣的是，trh1突變株無法透過培養基中增加鉀離子(K⁺)濃度以及因此增加的擴散性鉀離子(K⁺)吸收來補救恢復正常生長，說明該突變株的生長停滯非僅僅由於缺乏鉀離子(K⁺)吸收所引起，而是該基因對於創造一個具有滲透活性的鉀離子(K⁺)梯度是必不可少的。雖然四乙基銨(tetraethylammonium)處理導致生長短暫停止僅僅略微證明了離子依賴的滲透調節(K+-dependent osmoregulation)的重要性，但對 trh1 突變株的分析則明確說明，在根毛中有一個特定的轉運蛋白負責與生長相關的鉀離子 (K+)吸收調控。令人期待的是，trh1 突變株的生長停止是否確實由於膨壓減少而引起的。
在內部膨壓的驅動下，根毛的實際生長發生於最頂端。此處的細胞壁需要以協調的方式進行鬆解和修復。細胞壁鬆解涉及植物細胞外腔(即質外體)的局部酸化，據認為這種酸化啟動了催化纖維素纖維(cellulose fibers)間聚醣鍵(glycan bonds)裂解的酶。在阿拉伯芥根毛中，發現頂端生長期間存在著頂端高濃度的H⁺梯度，當 pH 增加到高於 5.5 時生長停止，顯示酸化對生長是必要的。擴展蛋白(expansin)被認為調控了依賴於低 pH 的受控細胞壁鬆弛，因為它們已被證實能促使分離的細胞壁延展和應力鬆弛。Baluska 等人最近顯示擴展蛋白的存在與玉米根毛的定位生長相關，顯示擴展蛋白不是局部被活化，而是被積極定位到生長位置。
細胞壁的鬆弛必須伴隨新細胞壁合成，以維持其厚度。若使用纖維素合成酶抑制劑2,6-二氯苯腈(2,6-dichlorobenzonitrile)處理根毛來抑制細胞壁合成，細胞會在頂端破裂。阿拉伯芥突變株kojak中，根毛的表現型與 2,6-二氯苯腈(2,6-dichlorobenzonitrile)處理後的表現型相似。最近對KOJAK基因的克隆顯示，它編碼了一種屬於類纖維素合成酶 (CSL: cellulose synthase-like)蛋白 D 亞家族的成員。Kojak 蛋白擁有負責纖維素合成的催化亞基，這說明其可能參與纖維素合成。然而，這一假設被觀察到的現象相矛盾：即Kojak–GFP 融合蛋白定位於內質網(ER)，而纖維素則直接在原生質膜上合成。因此，有人推測 Kojak 可能參與其他細胞壁化合物(如 β-木聚糖(β-xylans)、木葡聚糖(xyloglucans)或甘露聚糖(mannans))的合成，這些化合物已知在內質網/高爾基體複合體中合成，並隨後以囊泡形式運輸到細胞表面 。
雖然這些研究為實際生長如何受控提供了新的見解，但特定指向頂端生長的機制仍然大多未知。在一個極性生長受阻的突變株rhd3中，其受影響的基因已被克隆，並發現其編碼了一種新型的 GTP 結合蛋白，其生化功能目前尚未被確定。多項證據說明鈣離子(Ca2+)和微管(microtubule)在頂端生長的空間調控中扮演著重要作用。已知細胞漿內的鈣離子(cytosolic Ca2+)在頂端高度集中 。當鈣離子(Ca2+)流入在頂端區域透過光活化(photoactivation)封閉型鈣離子(caged Ca2+)或局部應用鈣離子離子載體(Ca2+ ionophores)人工極性化時，進一步的生長會重新定向至鈣離子(Ca2+)濃度最高的區域 。通常，僅頂端區域對升高的鈣離子(Ca2+)濃度有反應，但在使用影響微管(microtubule)的藥物處理後，升高的鈣離子(Ca2+)也可以在根毛的非頂端區域引發新的生長。這說明這種反應性與微管(microtubule)細胞骨架有關。此外，使用藥物破壞微管(microtubule)動態會導致形成多分枝的根毛。這些結果顯示，在頂端生長的細胞中，微管(microtubule)對於限制生長至細胞頂端相當重要。
利用根毛作為研究高等植物頂端生長現象的系統已經開始產生新的見解，並且隨著對阿拉伯芥中眾多根毛突變株在分子、生物細胞學及生理學特性進一步研究，預期會有更多新發現。
