<翻譯文章>國立嘉義大學園藝學系 蔡智賢教授(退休)譯
植物細胞壁-具有動態性、強韌性和適應性-是一個天然的變形者-3.3.3
The plant cell wall—dynamic, strong, and adaptable-is a natural shapeshifter
Deborah Delmer, Richard A. Dixon , Kenneth Keegstra, and Debra Mohnen
THE PLANT CELL 2024: 36: 1257-1311
(三)果膠-3.3.3
3.果膠的體內功能(Functions of pectins in vivo)
(1)細胞壁中果膠結構的假設模型(Hypothetical model for pectin structure in the wall)
要對果膠突變體表型進行生物學上意義的解釋，至少需要了解細胞壁中存在多少種不同類型的果膠聚合物，以及它們如何以共價或非共價的方式相互連接並與其他聚合物連接。目前的果膠聚合物模型(pectic polymer models)尚未提供這些信息。因此，我們面臨一個兩難的局面。一方面，建立一個結構上不準確的模型可能會導致錯誤的分子基因學結論。另一方面，沒有模型又無法提出功能假設。
測試果膠功能假設需要了解在相關突變體或變異體中，受影響的是哪一種果膠聚醣(圖6A)、果膠異聚醣(圖6、B 和C)或醣共聚物(glycoconjugate)(圖6、D 和E)。例如，圖6A 所示的同型半乳糖醛酸聚糖結構已被證明是在體外透過GAUT 10、11、13、14 和GAUT1:7 複合物合成為非甲基酯化的同型聚合物。然而，目前幾乎沒有證據說明純同型半乳糖醛酸以分離的多醣形式存在於細胞壁中。
為了建立一個以果膠聚合物為基礎的術語，用於討論果膠結構和果膠突變體表型，提出了一個果膠聚合物結構的假設模型，用於植物細胞壁中的工作分析。果膠異聚醣和醣共聚物模型 (圖 8)將果膠描述為由 5 種不同的聚糖(glycans)、果膠異聚醣和醣共聚物(glycoconjugate)組成。這些包括共價鍵結的果膠異聚醣，如同型半乳糖醛酸聚糖:鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I-同型半乳糖醛酸聚糖-鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-II-同型半乳糖醛酸聚糖(HG:RG-I-HG-RG-II-HG)、分離的果膠異聚醣，如同型半乳糖醛酸聚糖-鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I-同型半乳糖醛酸聚糖(HG-RG-I-HG)和同型半乳糖醛酸聚糖-鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-II-同型半乳糖醛酸聚糖(HG-RG-II-HG)、單獨存在的同型半乳糖醛酸聚糖以及果膠醣共聚物的果膠-阿拉伯半乳聚糖蛋白質。果膠聚合物透過離子化的同型半乳糖醛酸聚糖-鈣鹽橋和共價鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-II硼酸二酯進行相互作用。果膠的阿拉伯半乳聚糖蛋白質透過阿拉伯半乳聚糖蛋白質蛋白核心的糖磷脂醯肌醇錨定於原生質膜(雖然可能會被磷酸二酯酶裂解將其溶解到細胞壁中)。模型中展示了代表性的同型半乳糖醛酸聚糖骨架的甲基酯化和乙醯基酯化，但未暗示任何特定的模式。甲基酯化和乙醯基酯化的程度和模式可能取決於發育、組織、細胞類型和壓力程度。此模型的支持證據包括：經內切聚半乳糖醛酸酶處理後從細胞壁釋放的鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I和鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-II，雖然它們可能在一個單一的網絡中以共價連接存在，但它們也可能在細胞壁中作為獨立的果膠異聚醣存在。一些鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I和同型半乳糖醛酸聚糖也被描述為果膠-阿拉伯半乳聚糖蛋白質，這是因為鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I在阿拉伯芥中以這種形式存在。聚合物的骨架被描繪出來，但已知鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I根據組織和發育階段具有多樣化的側鏈。未來需要對果膠合成及突變表型進行研究，以驗證假設的果膠聚合結構模型(the hypothesized pectic polymeric structure)。
(2)果膠的位置(Pectin location)
植物生物學家很早就認識到，果膠是細胞之間中膠層的主要成分，並且與纖維素、半纖維素和少量的木質素一起存在於初生細胞壁中。包括曼金(Mangin, 1893b)和邦納(Bonner, 1936)在內的一些研究者提出，中膠層中的果膠以果膠酸鈣的形式存在，而其他研究者則認為它們以“原果膠(果膠原; protopectin)”和/或果膠-蛋白質複合物(pectin-protein complex)的形式存在。最近利用能識別鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I的抗體以及表達低濃度果膠代謝酶的轉基因植物的研究清楚地顯示，中膠層中的果膠不僅含有同型半乳糖醛酸聚糖，還含有鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I。
雖然這一點不太被重視，但大量數據顯示果膠在跨越初生-次生細胞壁 定義的細胞壁體中具有功能。多個例子顯示，在所謂的厚角組織次生細胞壁中存在果膠和纖維素交替排列的層次結構，這與阿拉伯芥中半乳糖醛酸轉移酶 1在在初生細胞壁和次生細胞壁(木質部)細胞壁中的表達一致。對新鮮切開的番茄的顯微觀察提供了層狀細胞壁結構及纖維素-果膠相互作用的早期證據，包括在厚角組織次生細胞壁中交替分布的原果膠和纖維素層(圖9A)，這一發現也在芹菜厚角組織細胞壁中得到確認，這些細胞壁被作者定義為增厚的初生細胞壁，因為細胞仍在延長。固態核磁共振顯示，隨著細胞壁成熟和擴展停止，果膠和纖維素的流動性降低(圖 9B)。
有研究提出，張力木(tension wood)的G層纖維、亞麻和大麻的外木質部(extraxylary)纖維以及攀緣植物的纖維的特殊次生細胞壁與其他次生細胞壁不同，因為它們具有非常高的纖維素含量(85%到90%)、非常低的木質素和木聚糖含量，以及含有大量以半乳聚糖高度取代的獨特鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I。
在這些纖維中，鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I最初合成具有長的半乳聚糖側鏈，並插入纖維素微纖維之間，防止鄰近微纖維的橫向結合。隨著時間推移，β-1,4-半乳糖苷酶會裂解半乳聚糖側鏈，而鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I裂解酶會裂解其骨架，使纖維素纖維能夠橫向結合，從而產生張力，導致纖維具有收縮特性。這些結果說明果膠在獨特的次生細胞壁中扮演著重要作用，並促進莖部彎曲和攀爬。
(3)果膠在細胞間黏附與果實成熟中的作用(Pectins in cell:cell adhesion and fruit ripening)
弗雷米(Fremy, 1847, 1848) 提出在蔬菜、水果和根部中存在一種不溶性果膠，稱為果膠糖/原果膠(pectose/protopectin)，它可以轉化為可溶性果膠(，他認為，大多數人研究的果膠只是植物組織中原果膠(protopectin)的一部分。弗雷米(Fremy, 1848)和卡雷(Carre, 1922)還將果實在成熟過程中細胞壁變薄歸因於“不溶性原果膠的分解和可溶性果膠的形成”，並且已經鑑定出催化這種降解的酶。由此可見，早在1800 年代和 1900 年代初，就已經認識到果膠在細胞間黏附和果實質地中的作用，並且了解到易於提取的果膠僅代表細胞壁中果膠的一部分。隨後，同型半乳糖醛酸聚糖和鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I)都已被證實在細胞間黏附中具有功能，從而引發了一個問題：它們是否在某一特定細胞類型中共同作用，還是在不同細胞類型和組織中具有獨特功能的問題。同型半乳糖醛酸聚糖和鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I 在生長細胞與非生長細胞中的差異分布，分別支持了後者的假設(在不同細胞類型和組織中具有獨特功能)。
(4)果膠纖維
在過去的50多年裡，大量證據顯示果膠纖維或單纖維結構的存在，但大多數現代果膠模型並未呈現這種結構。在1951年，羅洛夫森和克雷格(Roelofsen and Kreger, 1951)使用偏光顯微鏡、繞射顯微鏡和電子顯微鏡研究發現，蜂斗菜的厚角組織細胞壁中的果膠以定向纖維的形式存在，而非先前認為的無定形和光學等向性的形式存在。斯泰勒林和皮克特-希普斯(Staehelin and Pickett-Heaps, 1975)報告了綠藻綱(Chlorophyceae)綠藻柵藻屬(Scenedesmus)中，存在直徑 3 至 13 nm 的果膠酶敏感纖維。此後不久，雷帕德和科爾文(Leppard and Colvin, 1972)在根表皮細胞中鑑定出了電子不透明且可用釕紅染色果膠纖維。近期的研究顯示，阿拉伯芥表皮細胞的平鋪細胞(pavement cell) 證實了果膠奈米纖維的存在，並提出了這些纖維可能參與細胞擴張。有關果膠纖維的證據凸顯了果膠的三級和四級結構的問題，尤其是同型半乳糖醛酸聚糖。隨著越來越多的證據顯示果膠與纖維素微纖維和纖維之間存在相關性，對果膠結構和細胞壁中果膠與纖維素之間結構關係的理解變得愈加重要。最近，利用洋蔥表皮細胞壁的共振 X 射線散射顯示了纖維素微纖維的間距為 20 nm，且在纖維間存在果膠基質。
(5)果膠在細胞生長與擴展中的作用(Pectins in cell growth and expansion)
在適應於2,6-二氯苯甲腈(DCB:2,6-dichlorobenzonitrile)上生長的番茄細胞能夠在”幾乎不存在纖維素-木葡聚糖網絡”的情況下仍能進行分裂和擴展。隨後對 2,6-二氯苯甲腈適應細胞的後續研究顯示，其細胞壁與細胞膜的連接增強，同時細胞質壁分離能力降低，這種能力可以透過 50 mM 1,2-環己二胺四乙酸(CDTA:1,2-Cyclohexylenedinitrilotetraacetic acid)和純內切聚半乳糖醛酸酶處理後，細胞的質壁分離能力得以恢復。這些結果顯示鈣-同型半乳糖醛酸聚糖鹽橋作為承載結構，可以支持2,6-二氯苯甲腈處理的細胞的生長。對2,6-二氯苯甲腈適應細胞的影像顯示了在缺乏纖維素-木葡聚糖網絡的情況下，存在纖維狀的果膠網絡 (圖 9C)。在經過1,2-環己二胺四乙酸過夜處理，導致2,6-二氯苯甲腈適應菸草和番茄細胞發生裂解，而未適應細胞則未出現裂解，這個研究中果膠承載假說(pectin load-bearing hypothesis)得到了進一步支持。雖然 2,6-二氯苯甲腈適應細胞的抗拉強度僅為正常細胞的一半以下，但鈣交叉鏈接果膠酸鹽 (即同型半乳糖醛酸聚糖)的能力足以提供承重力，保持細胞完整並促進其生長，這為果膠交叉鏈接基質在雙子葉細胞擴展和生長中的作用提供了有力證據。有關果膠在細胞擴展中作用的更多證據，請參見下文(細胞壁組織模型(Models of Cell Wall Organization))部分。
