應(yīng)力對植物細(xì)胞形態(tài)、生長及發(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)化為生物信號并最終導(dǎo)致其生長的變化。植物細(xì)胞對力學(xué)因素高度地靈敏和易感，暴露于應(yīng)力作用下會急劇地誘使細(xì)胞生長過程中形態(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－生長關(guān)系”入手，以單個的植物細(xì)胞為研究對象，并以微應(yīng)力加載和分析系統(tǒng)為實驗平臺，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，其研究結(jié)果為闡明力學(xué)因素在植物生長與發(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驗證據(jù)，并且為驗證細(xì)胞決策影響組織圖式和植物個體發(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)（已申請國家發(fā)明專利）。該系統(tǒng)包括一臺小型微應(yīng)力施加和測量設(shè)備，由應(yīng)力加載單元、應(yīng)變監(jiān)測單元、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上，通過可移動的施壓擋板和固定的豎直擋板之間的相對位移對凝膠塊進(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對其受力過程進(jìn)行計算機(jī)模擬和應(yīng)力場分布尤其是主應(yīng)力軌跡的分析。

4、 2、研究證實了植物單細(xì)胞具有以定向性的伸長響應(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，應(yīng)力強度與原生質(zhì)體的定向性伸長趨勢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)械擾動將會有助于細(xì)胞形狀的建成；這種傾向性的伸長響應(yīng)會受到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；但是，這樣的黏附復(fù)合體將會因為RGD肽的加入而無法形成，從而影響到了細(xì)胞對力學(xué)刺激的響應(yīng)。 3、研究了壁/膜黏附和完整的微管細(xì)胞骨架對植物細(xì)胞響應(yīng)于力學(xué)刺激的定向性生長的貢獻(xiàn)，以及力學(xué)刺激能夠觸發(fā)單個的植物細(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。以50 μg mL-1肌動蛋白解聚藥物細(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，但未對應(yīng)力加載后細(xì)胞伸長的定向性產(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的缺失。對纖維素的染色指出應(yīng)力加載加強了細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)，應(yīng)力條件與壁/膜黏