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-4.1

<翻譯文章>國立嘉義大學園藝學系 蔡智賢  名譽教授譯

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-4.1

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

四、多種結構涉及多種功能(Multiple structures involved in many functions)-4.1

(一)細胞壁組織模型(Models of cell wall organization)

1990 年代初期，羅伯茨和麥坎(Roberts and McCann)利用快速冷凍、深蝕刻和旋轉陰影技術研究洋蔥薄壁細胞壁的架構，研究產生了一系列的影像，這些影像對細胞壁的細胞壁排列方式產生了深遠影響。這些影像顯示出多層100 nm厚的初生細胞壁，具有 10 nm的孔洞以及直徑 5 至 12 nm的纖維素微纖維(可能伴隨半纖維素)。值得注意的是，分離出的多醣鏈長度約為 700 nm，足以橫跨細胞壁並形成細胞間的交叉鏈接結構。當時已經認識到初生細胞壁的”義大利麵條型”模型(“spaghetti type” model)是有問題的。 “很明顯，對嵌入無定形基質中的纖維素微纖維的經典描述在概念上是有問題的；微纖維交叉鏈接在一起；所有細胞壁成分均為長棒狀纖維；只有用纖維素酶去除纖維素時，影像才可能顯示為無定形基質。目前仍需確定的關鍵問題是交叉鏈接的性質”。

任何綜合性的細胞壁結構模型都必須解答一個重要的未解之謎，即植物細胞壁中發現的各種組成成分是如何組織成一個執行細胞壁多樣功能的基質。雖然已經進行了許多研究，大多數模型側重於解釋細胞壁如何生長，但目前的”模型” 仍然不夠完善。大多數模型只是描述性的圖示，主要在描述重要的結構-功能關係。為了具有實用價值，這些模型應該夠具體，以便能夠解釋實驗數據並形成可供實驗測試的預測。直到最近，模型才變得足夠精細，以至於能夠提供定量的解釋和預測。

多年來，細胞壁模型的主要用途之一是解釋伸長生長過程中細胞壁成分的重組，特別是生長素刺激的生長。早在半個多世紀前，研究顯示，在許多系統中，酸性環境可以促進細胞伸長。目前已知，生長素會刺激位於原生質膜上的質子幫浦，使細胞壁酸化。然而，低 pH 值如何重組細胞壁組分以促進生長，仍未完全解析。

最早試圖描述這種結構與功能關係的研究之一是 1950 年代初由羅洛夫森和豪溫克(Roelofsen and Houwink, 1953)提出的”多網”假說( The “multi-net” hypothesis)。該假說的重點在於解釋植物細胞在非均向性伸長時纖維素微纖維方向的變化。他們觀察到，棉毛和其他細胞原生質膜附近的初級纖維呈橫向排列的，但隨著細胞伸長，微纖維逐漸改變其方向，並且在初生細胞壁的外層主要呈軸向排列。

1970 年代初，隨著細胞壁生物化學領域的先驅之一-彼得·阿爾貝斯海姆(Peter Albersheim)實驗室提出的模型，向前邁出了重要的一步，這些模型結合了對細胞壁基質多醣結構的日益深入了解。

出現；他們吸收了關於細胞壁基質多醣結構的不斷增長的知識。其中一個模型強調了纖維素/木葡聚糖/鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I網絡作為細胞壁強度的主要來源，該網絡能夠抵抗膨壓的作用，但在細胞生長時可重新組織以允許擴展。該模型的早期版本還包括實驗支持的果膠分子與細胞壁蛋白的連接。然而，所提出的木葡聚糖與鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I的連結並未被確認，因此後續模型的重點轉向纖維素/半纖維素網絡。後來，其他研究者進一步完善了這一研究，包括描述 I 型和 II 型細胞壁的差異包括透過使初生細胞壁厚度(50-100 nm)與原生質膜的厚度(7- 8 nm)進行比例調整，或按照纖維素含量合理顯示各組分的比例。這些模型皆認為細胞壁的強度由纖維素/半纖維素網絡決定，許多學者將此稱為”繫繩網絡假說”(The tethered network hypothesis)但是，如下所述，近年來多項證據對該假說的有效性提出了質疑，因此需要新的理論來解釋細胞壁的結構與功能。

”繫繩網絡假說”(The tethered network hypothesis)廣泛強調木葡聚糖，木葡聚糖是許多植物物種初生細胞壁中最豐富的半纖維素。在木葡聚糖作為繫繩連接微纖維的背景下，研究人員提出了多種關於該網絡如何在生長過程中重新組織的假設。一個廣受支持的想法是木葡聚糖轉葡糖基酶水解酶蛋白的作用，可裂解或重組木葡聚糖繫繩。然而，近期的證據顯示，對於木葡聚糖轉葡糖基酶水解酶在細胞擴張中的作用是有爭論的，但它們可能在植物對生物和非生物逆境的反應中發揮作用。重組網絡的另一種選擇是擴展蛋白的突破性發現，這種蛋白質以 pH 依賴性方式刺激細胞擴張而不破壞共價鍵。擴展蛋白由植物中的一大基因家族編碼。雖然有大量關於擴展蛋白的分子訊息，但它們如何在分子層面實現細胞伸長生長仍不清楚。

阿拉伯芥雙突變體(xxt1/xxt2)和三突變體(xxt1/xxt2/xxt5)，其基因突變破壞了負責添加木糖到木葡聚糖骨架中的基因，其木葡聚糖濃度低於偵測的極限。但這些突變植物仍能生長和發育，僅表現出輕微的缺陷，，這對於木葡聚糖在初生細胞壁的機械性質中的重要性假說提出了質疑。更近期的研究發現，一種阿拉伯芥五重突變體，其所有5 個類纖維素合成酶C(CSLC: cellulose synthase-like C)基因(編碼合成木葡聚糖葡聚糖骨架的蛋白質)均被破壞，導致木葡聚糖的濃度無法檢測到，但該突變體仍能生長和發育，僅表現出輕微的表型變化，例如根毛與花粉管生長的異常。

值得注意的是，異常形式的木葡聚糖對植物生長和發育的影響比缺乏木葡聚糖更為嚴重。例如，阿拉伯芥mur3-3 突變體缺乏岩藻糖，且木葡聚糖上半乳糖含量極低，導致其表現出嚴重的矮化及其他生長異常表型。但當mur3-3 突變體與缺乏木葡聚糖的xxt1/xxt2 雙突變體雜交後，所得的三突變體植株恢復了正常大小。這些研究結果強調了細胞壁多醣的物理性質在決定聚合物間相互作用方面的重要性。

幾個研究團隊利用缺乏木葡聚糖的阿拉伯芥突變體來探討與細胞壁擴展生長相關的功能。透過應力/應變(stress/strain)測試發現，xxt1/xxt2 突變體的細胞壁相較於野生型更具延展性，但在α-擴展蛋白調控的蠕變測試中，其延展性卻較低差。同一研究團隊使用多種內切葡聚醣酶處理野生型和xxt1/xxt2突變植物的組織，並檢測其細胞壁的生物力學特性。根據他們的觀察，他們得出結論：“我們的結果與木葡聚糖作為跨越纖維素微纖維之間 20 至 40 nm 間距的承載繫繩(load-bearing tether)的常見描述不符……”為了解釋他們的觀察結果，他們提出假設”… 木葡聚糖調控的細胞壁延伸控制可能僅限於初生細胞壁內，微纖維之間相對難以接近的接觸表面”。後續的研究將這些接觸表面稱為“生物力學熱點”。這一假設的某些版本仍認為突變體細胞壁中仍殘留有木葡聚糖，但這點尚未得到證實。科斯格羅夫(Cosgrove, 2022)認為，另一種可能性是，這些“生物力學熱點” 是由纖維素微纖維之間的直接相互作用構成。在這種情況下，基質多醣(無論是木葡聚糖、其他半纖維素還是果膠)的功能可能是防止微纖維凝聚成束，形成剛性且無法伸縮的網絡。另一項研究由久木等人(Kuki et al., 2020)採取不同策略，他們從阿拉伯芥xxt1/xxt2 突變體的葉片中製備了原生質體。在原生質體再生細胞壁的過程中，他們觀察到”…xxt1/xxt2 和野生型(WT)之間的纖維素微纖維網絡結構僅存在輕微差異存在”。根據這些觀察，他們得出結論是” ……木葡聚糖對纖維素網絡的初始組裝並非必需，而在沒有木葡聚糖的情況下形成的纖維素網絡，仍能為從原生質體再生的初生細胞壁提供足夠的抗張強度。

植物能夠在缺乏木葡聚糖的情況下存活，可能的解釋之一是其他細胞壁分子可以取代其功能，即所謂的功能冗餘。索溫斯基等人(Sowinski et al., 2022)透過對 xxt1/xxt2 雙突變體和 xxt1/xxt2/xxt5 三突變體的組成進行詳細分析，探索了這種可能性。他們觀察到葡甘露聚糖的濃度略有增加，但果膠聚醣的濃度則顯著增加。有趣的是，這些增加並非由負責合成這些聚合物的轉錄物顯著增加所導致。游等人(Yu et al., 2022)提出，特定的半乳葡甘露聚糖可能具有類似木葡聚糖的功能。缺乏合成該甘露聚糖的能力的突變體現幾乎正常，但當與xxt1/xxt2 突變體雜交時，形成的三重突變體表現出比缺乏任何一種聚合物的突變體更嚴重的表型，然而，即便如此，三重突變體仍能夠生長並完成其生命週期。

雖然有證據反對涉及纖維素和木葡聚糖的繫繩網絡假說(The tethered network hypothesis)，但該模型仍難以被完全放棄，主要有幾個原因。首先，木葡聚糖的結構在所有陸地植物中都高度保守，這說明它具有重要的保守功能。其次，木葡聚糖在具有I 型初生細胞壁的植物中含量豐富，雖然其豐度在不同物種之間差異很大，甚至同一物種的不同組織內部差異很大，而在具有II 型初生細胞壁的植物中其豐度較低。然而，儘管木葡聚糖豐富且結構保守，但尚未有人(包括作者)能夠提出一個合理的假說來解釋其在初生細胞壁中的功能。

繫繩網絡假說(The tethered network hypothesis)的另一個版本提出，果膠多醣可能與木葡聚糖共同發揮作用，或者完全取代木葡聚糖，在纖維素微纖維之間形成繫繩。雖然這一假說未受到與木葡聚糖模型相同程度的關注，但考慮到木葡聚糖缺乏突變體的表現型，我們認為該假說或其某種變體值得進一步探討。

彼得·阿爾貝斯海姆(Peter Albersheim)在加州理工學院詹姆斯·邦納(James Bonner)實驗室進行博士論文研究時，探討了生長素透過改變果膠代謝來促進細胞伸長的可能性。他們關注燕麥胚芽鞘(coleoptile)在生長素處理下，半乳糖醛酸的甲酯化程度變化。雖然以今天的標準來看顯得很簡陋的，但它們探討的核心概念與當今研究果膠如何調控細胞擴展的想法相同。

博耶及其同事(Boyer and colleagues)研究了珊瑚輪藻 (一種具有與高等植物類似細胞壁的綠藻生長中的節間。在長達 13 年的一系列實驗中，他們提供了令人信服的證據，證明在輪藻中果膠酸鈣細胞壁聚合物提供了調控細胞擴展的關鍵性的相互作用。他們提出了一個”果膠酸鈣循環”模型(“calcium pectate cycle” model)，將果膠酸鈣說成輪藻細胞壁的承載成分。

在對細胞壁力學和植物細胞生長的回顧中，波塞勒等人(Peaucelle et al., 2012)提出了令人信服的論點，即輪藻類(Charophycean algae)細胞壁延展性的機制，透過現存的果膠酸鈣和新合成的果膠酸鈣之間的鈣交換，將細胞壁合成與細胞壁延伸性耦合，此也存在於陸地植物，同時稱這種機制為”古老的過程”。他們進一步提出，陸地植物至少有兩種承載成分，即果膠酸鈣成分和纖維素-木葡聚糖網絡，其中後者與擴展蛋白依賴性過程有關。他們提出，最近的基於擴展蛋白的過程” 增強”了果膠酸鈣機制並”允許更快的生長”。  

這些觀點已在一系列研究中被探討，在這些研究中調查了黑暗環境下生長的阿拉伯芥下胚軸的伸長過程。在其中一項研究中，研究人員使用原子力顯微鏡並結合可區分甲基化同型半乳糖醛酸聚糖和去酯化同型半乳糖醛酸聚糖的抗體，來研究在操控果膠甲基酯酶和果膠甲基酯酶抑制劑表達的植物中所產生的影響。雖然篇幅限制無法詳細解釋該研究，但作者得出的結論是：”……生長對稱性的破壞在細胞層級上受到雙極性果膠去甲基酯化的調控……”。在後續研究中，達赫爾(Daher et al., 2018)使用相同的實驗系統發現，細胞壁的彈性不對稱與生長非均向性一致，並與果膠同型半乳糖醛酸聚糖的去甲基酯化變化相關。他們的結論是，下胚軸表皮細胞中的果膠不對稱性有助於非均向性的生長。

瓊森等人(Jönsson et al., 2021)研究了下胚軸伸出後頂端鉤的彎曲過程。該過程已知受生長素調控，並涉及下胚軸兩側的差異性生長。由於篇幅限制，無法對實驗進行完整描述，但作者發現“… …阿拉伯芥下胚軸表皮層的機械特性與不對稱的生長素分布、甲基酯化同型半乳糖醛酸聚糖果膠之間存在空間相關性。

在阿拉伯芥表皮鋪列細胞擴增的突破性研究中，哈斯等人(Haas et al., 2020)使用超高解析度三維直接隨機光學重建顯微鏡、冷凍掃描電子顯微鏡和以及能夠區分甲基化同型半乳糖醛酸聚糖和去酯化同型半乳糖醛酸聚糖的同型半乳糖醛酸聚糖專一性抗體，發現在子葉的垂周細胞壁中，同型半乳糖醛酸聚糖是被組織成同型半乳糖醛酸聚糖奈米細絲形式，並推測其結構類似於沃金肖和阿諾特(Walkinshaw and Arnott, 1981a, b)所描述的果膠酸鹽多鏈螺旋結晶纖維。他們進一步顯示，去酯化同型半乳糖醛酸聚糖奈米細絲的尺寸是甲基化同型半乳糖醛酸聚糖奈米細絲的 1.4 倍，並提出同型半乳糖醛酸聚糖奈米細絲的去甲酯化四級結構導致鋪列細胞擴展。他們將此機制稱為鋪列細胞擴展的“擴展樑”模型(the “expanding beam” model)。此外，他們透過建立三維非線性有限元素方法模型進一步測試了該模型，該模型成功預測了鋪列細胞的生長模式。進一步的經由電腦模擬測試，透過過度表達果膠甲基酯酶和果膠甲基酯酶抑制劑來改變同型半乳糖醛酸聚糖的甲基酯化程度，結果顯示，正如預期的那樣，果膠甲基酯酶抑制劑的過表達導致生長抑制。

最近，哈斯等人(Haas et al., 2021)提出假設，除了膨壓外，認為細胞壁中同型半乳糖醛酸聚糖透過酵素的去甲基酯化誘導細胞壁中的鈣交叉鏈接同型半乳糖醛酸聚糖，從而推動了細胞壁結構的相分離和相關的植物細胞擴展。根據甲基酯化狀態，同型半乳糖醛酸聚糖可能帶有高度部分電荷或相對較低的電荷。由於同型半乳糖醛酸聚糖在體內合成並插入細胞壁時通常是高度甲基酯化的，因此當細胞壁中的果膠甲基酯酶對同型半乳糖醛酸聚糖去酯化時，會導致電荷增加，並在鈣離子(Ca²⁺)存在的情況下，形成鈣與相鄰同型半乳糖醛酸聚糖鏈之間的鹽橋(。這種同型半乳糖醛酸聚糖去甲基酯化會引發同型半乳糖醛酸聚糖的四級結構變化及體積轉變，類似於相分離的現象。

根據上述證據以及在多篇回顧中更詳細的解釋，果膠在決定細胞形狀和調控生長方面發揮重要作用。此外，不斷增多的核磁共振數據顯示，纖維素和果膠聚醣之間存在大量相互作用。此外，基因證據支持果膠的重要作用。與缺乏木葡聚糖且僅具有輕微表型的各種突變體相比，幾種果膠缺失突變體表現出嚴重的表型，甚至可能是致死的。因此，一個重要的結論是，在試圖解釋細胞壁結構如何在生長過程中重組的模型中，果膠聚醣必須被納入考量。深入了解果膠在初生細胞壁中的結構，對於理解細胞生長至關重要。

目前，建立初生細胞壁模型的努力類似於著名的「瞎子摸象」寓言，每個人都只能描述自己觸摸到的部分，例如腿、象鼻或象牙等。然而，這一問題變得更加複雜，因為初生細胞壁是動態結構，在其生命週期的不同階段執行不同的功能，如下文各節所述。