原子力显微镜在细胞壁中的应用

细胞壁是由多糖、蛋白质、芳香族化合物组成的复合体,是植物的重要组成部分,也是区别于动物的特征之一。它主要起支撑作用,同时参与细胞识别、保护植物细胞免受外界病菌的侵扰等。1665年,罗伯特.胡克首先用显微镜发现了植物细胞壁的微观结构。随着实验手段的改进,包括各种染色技术和显微镜技术的发展,使人们对细胞壁的结构有了进一步的认识。近几年,AFM逐渐应用到细胞壁的相关研究中。

细胞壁多糖纤维素以微纤丝(microfibril)的形式存在,光学显微镜无法看到微纤丝的结构。1996年,Kirby等用AFM分别观察了苹果(Maluspumila)、荸荠(Eleocharisdulcis)、马铃薯(Solanumtuberosum)和胡萝卜(Daucuscarota)几种植物软组织细胞壁的超级结构(Kirbyetal.,1996)。他们将样品分为冻融和鲜样两组,测得微纤丝的直径为25nm。单个细胞壁多糖分子(Morrisetal.,1997)、洋葱(Alliumcepa)和拟南芥初生壁的结构(DaviesandHarris,2003)、细胞壁多糖复合物鼠李半乳糖醛酸聚糖(RG-Ⅱ)分子(Perezetal.,2003)的AFM成像相继获得成功;Yan等(2004)对原始细胞壁进行观察,发现细胞壁表面覆盖一层蜡质,初生壁和次生壁的纤维素和半纤维素呈网状排列,木质素位于网络表面,次生壁中有单晶和三晶的纤维素晶体结构存在,同时对相图(phase)进行了分析。与以往的提取方式不同,Ding和Himmel(2006)直接观察玉米(Zeamays)初生壁微纤丝,提出了纤维网络理论及其合成过程。一些针对细胞壁结构和功能相关的化学、物理处理先后展开。分析纤维素酶对棉花纤维的作用时,AFM图像提供了最直观的证据。CBHI纤维素酶单独作用6小时,沿微纤丝伸展方向出现明显的缝隙;EGⅡ纤维素酶单独作用6小时,纤维表面剥落且光滑;EGⅡ先作用6小时,然后CBHⅠ作用6小时,纤维膨胀且光滑,无缝隙,可能是由于吸附EGⅡ后影响了CBHⅠ的作用;而CBHⅠ和EGⅡ同时加入作用6小时,无法辨认出微纤丝的轮廓,推断两种纤维素酶同时存在时才会使棉花纤维降解(Leeetal.,2000)。Thimm等(2000)对芹菜(Apiumgraveolens)软组织细胞的研究表明,在脱水过程中微纤丝的直径增加,冻干后微纤丝的直径大于空气干燥的直径。Yoshino等(2000)利用AFM观察经过氙气处理过的大麦(Hordeumvulgare)胚芽鞘细胞,与对照相比,在空气中经0.1MPa氙气处理,细胞壁变得粗糙,120nm宽、5nm高的纤维结构分布于初生壁中;而在溶液中经0.38MPa氙气处理后的细胞壁局部粗糙,局部平滑;0.48MPa处理的则变得光滑。经紫外线处理后,葡萄(Vitisvinifera)细胞壁表面出现了果胶分子链,证明细胞壁具有抵抗紫外线的能力(Lesniewskaetal.,2004)。由黑云杉(Piceamariana)制成的牛皮纸纸浆样品经过过氧化氢(H2O2)漂白后,纤维表面出现球状的木质素分子堆积,证明了H2O2能够氧化纤维素和木质素两种生物大分子。