應(yīng)力對(duì)植物細(xì)胞形態(tài)、生長(zhǎng)及發(fā)育的影響.pdf

1、為了在復(fù)雜多變的環(huán)境中獲得較為適宜的生存條件，植物必須對(duì)外源性和內(nèi)源性的刺激做出應(yīng)答：將化學(xué)或者物理的環(huán)境因素轉(zhuǎn)化為生物信號(hào)并最終導(dǎo)致其生長(zhǎng)的變化。植物細(xì)胞對(duì)力學(xué)因素高度地靈敏和易感，暴露于應(yīng)力作用下會(huì)急劇地誘使細(xì)胞生長(zhǎng)過程中形態(tài)和發(fā)育的改變?；谥参矬w及組織水平的植物應(yīng)激響應(yīng)研究背景，本文從“應(yīng)力－生長(zhǎng)關(guān)系”入手，以單個(gè)的植物細(xì)胞為研究對(duì)象，并以微應(yīng)力加載和分析系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在可控應(yīng)力環(huán)境下，研究了細(xì)胞膨脹、細(xì)胞分裂、細(xì)胞壁發(fā)育等形

2、態(tài)學(xué)變化和生理活動(dòng)，其研究結(jié)果為闡明力學(xué)因素在植物生長(zhǎng)與發(fā)育過程中的調(diào)節(jié)和誘導(dǎo)作用以及采用力學(xué)刺激方法改變植物生理狀態(tài)的可能性提供了直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，并且為驗(yàn)證細(xì)胞決策影響組織圖式和植物個(gè)體發(fā)育這一假設(shè)從而探討植物細(xì)胞與植物體之間交互作用關(guān)系提供了全新的思維方式和研究手段。 1、自主設(shè)計(jì)和開發(fā)了離體細(xì)胞微應(yīng)力加載和分析系統(tǒng)（已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利）。該系統(tǒng)包括一臺(tái)小型微應(yīng)力施加和測(cè)量設(shè)備，由應(yīng)力加載單元、應(yīng)變監(jiān)測(cè)單元、數(shù)據(jù)采集和處理單

3、元，以及反饋控制單元構(gòu)成。原生質(zhì)體和具有完整細(xì)胞壁的細(xì)胞被分別包埋于凝膠塊內(nèi)并置于該裝置的工作臺(tái)上，通過可移動(dòng)的施壓擋板和固定的豎直擋板之間的相對(duì)位移對(duì)凝膠塊進(jìn)行擠壓，從產(chǎn)生持續(xù)的單軸加載。加載一定時(shí)間后將凝膠塊取出，浸沒于液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)數(shù)天后切片并進(jìn)行細(xì)胞的形態(tài)學(xué)分析。在此我們將細(xì)胞-凝膠塊理想化為一種均質(zhì)、各向同性的線彈性材料，并采用基于有限元方法的軟件ABAQUS對(duì)其受力過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬和應(yīng)力場(chǎng)分布尤其是主應(yīng)力軌跡的分析。

4、 2、研究證實(shí)了植物單細(xì)胞具有以定向性的伸長(zhǎng)響應(yīng)于力學(xué)刺激的能力。研究發(fā)現(xiàn)：受到應(yīng)力刺激的原生質(zhì)體傾向于以60~90°于應(yīng)力張量的主方向伸長(zhǎng)，應(yīng)力強(qiáng)度與原生質(zhì)體的定向性伸長(zhǎng)趨勢(shì)遵照非線性的劑量依賴關(guān)系，提示發(fā)生在原生質(zhì)體細(xì)胞壁再生前的機(jī)械擾動(dòng)將會(huì)有助于細(xì)胞形狀的建成；這種傾向性的伸長(zhǎng)響應(yīng)會(huì)受到40 μmol L-1含Arg-Gly-Asp (RGD)序列的多肽的抑制，而它的反序列DGR則不具有這種作用，這可能是凝膠包埋原生質(zhì)體的方式

5、允許了原生質(zhì)體與胞外凝膠基質(zhì)的跨膜黏附復(fù)合體的形成，這種復(fù)合體將原生質(zhì)體錨定于它們的胞外基質(zhì)并向胞內(nèi)傳遞外部的力學(xué)信號(hào)；但是，這樣的黏附復(fù)合體將會(huì)因?yàn)镽GD肽的加入而無(wú)法形成，從而影響到了細(xì)胞對(duì)力學(xué)刺激的響應(yīng)。 3、研究了壁/膜黏附和完整的微管細(xì)胞骨架對(duì)植物細(xì)胞響應(yīng)于力學(xué)刺激的定向性生長(zhǎng)的貢獻(xiàn)，以及力學(xué)刺激能夠觸發(fā)單個(gè)的植物細(xì)胞細(xì)胞壁發(fā)育的變化。研究發(fā)現(xiàn)：應(yīng)力加載誘導(dǎo)了具有完整細(xì)胞壁的菊花單細(xì)胞伸長(zhǎng)的優(yōu)先性取向，且這種定向性可能

6、在細(xì)胞分裂平面建立過程中存在。繼高滲溶液導(dǎo)致的質(zhì)壁分離之后，加入含有RGD序列的多肽干擾了細(xì)胞質(zhì)膜和細(xì)胞壁的黏附，抑制了細(xì)胞在應(yīng)力條件下的定向性生長(zhǎng)。以50 μg mL-1肌動(dòng)蛋白解聚藥物細(xì)胞松弛素B處理細(xì)胞導(dǎo)致了細(xì)胞膨脹程度的抑制，但未對(duì)應(yīng)力加載后細(xì)胞伸長(zhǎng)的定向性產(chǎn)生明顯的影響，而5 mM抗微管蛋白藥物秋水仙堿則引起了細(xì)胞膨脹方向性特別是響應(yīng)于應(yīng)力條件的定向性生長(zhǎng)的缺失。對(duì)纖維素的染色指出應(yīng)力加載加強(qiáng)了細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)，應(yīng)力條件與壁/膜黏