Cell：百年谜题终破解！植物细胞用“纤维素缝线”锁住膜结构，干旱后更快恢复

植物对水分亏缺的抵抗能力长期以来一直是培育稳产作物的重要研究方向。有些植物会改变地上结构以锁住水分，另一些则发展出深而发达的根系去寻找难以触及的水源。虽然这些反应肉眼可见，但我们对环境胁迫在微观细胞水平上引发的应答知之甚少。

一百多年前，一位名叫



Karl Hecht



的德国植物学家记录到：当植物细胞失水时，细胞膜会从细胞壁上剥离下来。然而，膜的一部分仍然附着在壁上，形成一张奇怪的锚点网络，后来被称为



“Hechtian 结构”



。这些结构的物质组成和功能长期以来一直困扰着科学家，直到最近。

如今，由斯坦福大学领导的一个研究团队证明：在失水过程中，这些锚点维持了膜与壁的连接。而且拥有更多这类锚点的植物细胞，在水分恢复后生长得更好。

这项发表在《细胞》（



Cell



）杂志上的研究，描述了



构建细胞壁的“分子机器”同样也在膜上造就了这些关键的锚点



。为了深入了解这些结构，第一作者、博士后学者



Yue Rui



需要通过活细胞成像、蛋白质定位以及基因突变比较来观察植物根系的细胞。

“能对一个已被描述超过一百年的过程，最终确定其分子基础，我感到非常满意。”该研究的资深作者、斯坦福大学人文与科学学院生物学教授



José Dinneny



说。“图像非常漂亮，而且



Yue



解析细胞结构极细微变化的能力，对我们来说是一种享受和馈赠。”

进行“突变体调查”

Rui



首先通过比较野生型与基因突变型拟南芥（一种与常见粮食及能源作物有很多相似之处的小型杂草）对水分胁迫的反应，来探索 Hechtian 结构的功能。

与我们自身细胞类似，植物细胞由质膜界定，质膜内含有执行重要细胞功能的组分。此外，植物细胞还被包裹在细胞壁中，按



Dinneny



的说法，就像一个“盒子里的气球”。

正常情况下，气球被水和溶质充盈，紧贴着盒子壁。当植物细胞遭遇胁迫而失水时，就像气球释放了压力。然而，在植物细胞中，膜不会完全脱离，气球的某些部分仍然拴在盒子的壁上。

为了更仔细地观察这些黏性栓系物，



Rui



与 SLAC 国家加速器实验室光子科学局、斯坦福大学医学院结构生物学系助理教授



Peter Dahlberg



合作，进行了



冷冻电子断层扫描（cryoET）



——一种能以近原子分辨率对样本进行三维重建的成像技术。

“这篇论文中的 cryoET 成像，反映了在纳米尺度探索细胞生物学的最先进方法。”



Dinneny



说。“因此，这篇论文很好地衔接了生物学中先进显微术的应用历史：从



Karl Hecht



的初步观察到利用 cryoET 观测 Hechtian 结构。”

编织韧性

Rui



观察到：在胁迫期间能够维持更多数量栓系物的植物，其恢复能力远优于那些只有较少栓系物的植物。

关于栓系物分子身份的线索，来自对不同遗传品系差异的表征。具有纤维素缺陷突变的植物表现出最小的根系生长和最弱的胁迫韧性，这使



Rui



和



Dinneny



相信：纤维素以及合成纤维素的酶，是这些锚定丝的关键组分。

活细胞成像、遗传学和蛋白质定位揭示了两种关键蛋白的作用：



纤维素合酶复合体（CSC）



和



remorin（REM）



。这两种蛋白以相反的方式工作：CSC 强化膜与细胞壁的附着，而 REM 则充当“刹车”，限制每个附着位点上 CSC 蛋白的数量。

CSC 就像纳米级的编织工，围绕细胞缝制出一条纤维素线，如同一个茧。在 CSC 铺设纤维素线的同时，它也在这个过程中将膜拴系在壁上。而 REM 则像一只手将它们拉出来，控制着任何时候有多少个“缝线”保持固定。

当缺少 REM 时，膜中的 CSC 数量增加，从而在胁迫期间将膜更牢固地锚定在壁上。识别每种蛋白在该生存策略中的作用，为通过生物工程改良作物开辟了可能性。

细胞失水存在于干旱、盐碱、高温和冰冻等条件下。因此，随着气候波动日益剧烈，理解植物细胞如何应对这种失水比以往任何时候都更为紧迫。

“对我而言，下一个有趣的方向是在更耐旱的物种中观察这一机制，看看它们是否拥有更稳定或更密集的膜附着位点。”



Rui



说。未来的研究还可能包括在拟南芥生命周期的不同阶段（例如在可以存放数年但之后仍能生长成植株的干燥种子中）检查这些附着结构。

总体而言，



Dinneny



发现植物细胞既使用纤维素作为建筑材料又作为生命线，这令他着迷。

“生命和生物进化过程中有一种修修补补的特性。植物细胞使用相同的蛋白质机器来构建细胞壁，同时也在水分亏缺胁迫下维持细胞韧性，这指向了自然界中丰富的、多方面的创造力。”



Dinneny



说。

（

生物谷）

参考文献：

Yue Rui et al,

Plant cell wall-plasma membrane attachments mediate stress resilience through cellulose synthase complexes and remorins

, Cell (2026). DOI: 10.1016/j.cell.2026.05.009.