《SCIENCE ADVANCES》：The mechanical properties of Arabidopsis thaliana roots adapt dynamically during development and to stress
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为解决植物细胞和组织机械特性在体测量技术的局限，以及其在发育和逆境响应中变化规律未知的关键问题，研究人员结合Brillouin显微技术和分子转子探针，开展了对拟南芥幼苗根部在分化、胁迫及基因操控过程中刚度、粘度和孔隙度特性的高分辨原位研究。结果揭示了机械特性以细胞和组织的特异性方式动态变化，并受脱落酸代谢和细胞壁完整性信号调控，为理解植物细胞壁稳态、信号转导与力学行为间的调控机制奠定了基础。
想象一下，植物的根部如同在土壤中探索的微小“探险家”，它们需要感知环境的软硬、干湿，并据此调整自己的生长策略。这一过程的核心在于其细胞和组织的机械特性——通俗地说，就是它们的“软硬程度”和“粘稠程度”。这些特性像建筑的钢筋骨架，决定了植物能否顺利生长、应对外界压力。然而，长久以来，科学家们对这些特性的认识存在一个巨大的“黑箱”：我们大多只能测量植物表面或整个器官的力学性质，对于内部不同组织乃至单个细胞的实时、动态的机械变化，特别是它们在活体状态下如何随发育和逆境而调整，所知甚少。这限制了我们对植物生长、发育和适应环境能力的根本理解。为此，一项发表在顶级期刊《SCIENCE ADVANCES》上的研究，为我们打开了窥探植物体内力学世界的精密窗口。
为了深入探究这些奥秘，研究人员采用了两种前沿的无创显微技术。其一是基于自发布里渊散射的Brillouin显微术，它能以亚细胞分辨率无标记地测量材料的本征刚度（通过布里渊频移表征）和粘度（通过布里渊线宽表征）。其二是基于BODIPY的分子转子探针，它通过荧光寿命的变化来报告细胞壁基质的孔隙度。研究对象为模式植物拟南芥的6天龄幼苗根部。研究通过转基因标记（如p35S::LTI6b-GFP标记质膜）识别不同组织层，并系统分析了在正常发育、遗传突变（影响纤维素、木葡聚糖、果胶代谢及细胞壁完整性信号）以及高渗胁迫处理下，根部各组织的机械特性图谱。
组织特异性的拟南芥根尖机械图谱
研究人员首先绘制了根尖分生组织至伸长区的机械特性图谱。他们发现，四种主要组织层（表皮、皮层、内皮层和中柱）的刚度（频移）和粘度（线宽）沿发育轴线呈现组织特异性的动态变化模式。中柱在整个发育过程中都表现出最高的刚度和粘度值，暗示其承受着周围组织的压缩力。出乎意料的是，最外层的表皮细胞壁的刚度始终低于内部细胞壁，这与“表皮最坚硬”的传统假设不同。同时，利用分子转子进行的细胞壁孔隙度测量结果与布里渊数据一致，进一步证实了机械特性沿根轴动态变化。
单细胞的机械特性
聚焦于皮层细胞，研究人员在分生区、过渡区和伸长区三个发育阶段，分别测量了纵向壁和横向壁的力学性质。结果显示，在分生区，纵向壁和横向壁的刚度相似，但横向壁的粘度和孔隙度更高。在过渡区和伸长区，横向壁的刚度显著高于纵向壁，这种各向异性有助于细胞沿纵向定向伸长。对细胞壁代谢突变体（如纤维素合成缺陷的prc1-1、木葡聚糖缺失的xxt1 xxt2、果胶合成缺陷的qua2）的分析表明，细胞壁组成和结构的改变对不同的力学特性（刚度、粘度）产生差异化的影响，说明力学各向异性的维持需要多种细胞壁组分的协同作用。
伸长区组织层间的机械特性差异
在伸长区中部，细胞壁和细胞质的机械特性表现出明显的组织层次差异。表皮外层细胞壁的刚度最低，而从表皮-皮层交界处开始的内层细胞壁刚度升高。细胞质的刚度和粘度则从表皮到中柱呈梯度增加。这表明外壁与内壁、以及不同组织层的细胞质，其力学性质被精细调控以适应各自的功能。
细胞壁生物合成和完整性受损影响机械特性
通过分析一系列影响细胞壁代谢、细胞壁完整性信号和脱落酸合成的突变体，研究揭示了这些遗传扰动对伸长区机械特性的组织特异性影响。例如，仅影响纤维素合成（prc1-1）对刚度影响不大，但会降低特定组织的粘度。而影响木葡聚糖合成（xxt1 xxt2）、果胶修饰（pme3）或细胞壁完整性信号（the1-1）则会导致皮层等组织刚度的广泛降低，并且细胞质的刚度也相应改变。这暗示细胞壁稳态的改变会协调性地影响亚细胞水平的机械特性。
伸长区机械特性在高渗胁迫下快速变化
研究人员用山梨醇（诱导高渗胁迫）和纤维素合成抑制剂异恶唑草胺处理幼苗3小时，观察机械特性的快速响应。山梨醇处理显著降低了皮层-内皮层、中柱等内部细胞壁以及所有组织层细胞质的刚度，但粘度未变。有趣的是，在脱落酸合成缺陷突变体aba2-1和细胞壁完整性信号突变体the1-1、fer-4中，山梨醇诱导的细胞壁刚度降低现象被阻断或减弱，说明高渗胁迫下细胞壁刚度的适应性降低依赖于完整的ABA代谢和CWI信号通路。
综上所述，这项研究系统揭示了活体拟南芥根部机械特性在发育和逆境中的动态变化规律与调控机制。结论指出：1）植物根部的机械特性（刚度、粘度、孔隙度）以高度动态和组织特异性的方式变化，支持生长和发育；2）皮层细胞在分化过程中通过建立细胞壁刚度的各向异性来引导定向伸长；3）细胞壁组成和结构的遗传改变会以组织特异性的方式影响机械特性，且细胞壁与细胞质的力学变化常协调发生；4）高渗胁迫能快速（3小时内）改变组织的刚度，这一过程依赖于ABA和CWI信号通路的完整功能。该研究的意义重大，它首次在活体、无创的条件下，以高时空分辨率绘制了植物器官的力学图谱，将机械特性的变化精确到了单个细胞和亚细胞结构。这不仅为植物机械生物学建立了关键的研究框架和技术范例，更重要的是，它揭示了细胞壁稳态、激素信号与机械特性之间存在着精密的反馈调控网络，为了解植物如何通过调控自身“软硬件”来适应不断变化的环境提供了全新的视角。未来，这一研究范式将有助于深入解析植物生长和抗逆的力学原理，并为作物改良和仿生材料设计提供理论基础。
