圖1、由纖維素微纖絲、半纖維素和果膠組成的植物細胞壁結(jié)構(gòu)，摘自[1]。

     與動物細胞不同，植物細胞被堅固的細胞壁所包圍。植物細胞壁由纖維素、半纖維素、果膠和細胞壁蛋白質(zhì)構(gòu)成，它們的組成和排列方式會隨細胞內(nèi)部和外部刺激而動態(tài)變化[2]。目前已有多種技術(shù)應(yīng)用于植物細胞壁成像，比如原子力顯微鏡、掃描電鏡、傅里葉變換紅外光譜和拉曼顯微鏡等，然而這些技術(shù)都有化學(xué)分辨率或空間分辨率低的缺陷。

     2020年，Science雜志發(fā)表了巴黎薩克雷大學(xué)Alexis Peaucelle和英國劍橋大學(xué)Kalina T. Haas等研究人員合作的題為“Pectin homogalacturonan nanofilament expansion drives morphogenesis in plant epidermal cells”的研究論文。

     該研究的創(chuàng)新點在于將傳統(tǒng)的能夠準確標記細胞內(nèi)多種大分子的免疫組織化學(xué)染色技術(shù)與多色三維隨機光學(xué)重構(gòu)超分辨率顯微鏡（3D-dSTORM）結(jié)合，使對細胞壁多糖高靈敏度、高分辨率成像成為可能。STORM超分辨技術(shù)由華人科學(xué)家莊小威發(fā)明，其將顯微鏡分辨率推進到幾納米，比光學(xué)衍射極限高近兩個量級，極大地促進了生物醫(yī)學(xué)研究（圖2）。

圖2、普通成像與STORM成像效果對比。微管（綠色）和網(wǎng)格蛋白小窩（紅色）經(jīng)過免疫熒光標記(摘自莊小威實驗室網(wǎng)站)。

     作者指出，植物細胞壁是多糖 (例如纖維素，半纖維素和果膠) 的復(fù)雜復(fù)合物。細胞壁被認為是雙相的: 被半纖維素束縛的結(jié)晶纖維素微纖維被淹沒在果膠和蛋白質(zhì)的凝膠狀基質(zhì)中。果膠構(gòu)成了結(jié)構(gòu)多樣的多糖家族，具有1,4-連接的 α-半乳糖糖醛酸 (GalpA) 的定義特征。作者專門研究了僅包含GalpA線性鏈的高半乳糖醛酸 (HG) 多糖。高半乳糖苷在含有更復(fù)雜和分支的果膠的雜聚糖 (鼠李糖半乳糖苷I和II型) 以及糖綴合物 (如蛋白聚糖APAP1) 中也以HG聚糖結(jié)構(gòu)域的形式存在。

     作者使用超分辨率三維直接隨機光學(xué)重建顯微鏡 (3D-dSTORM)和低溫掃描電子顯微鏡 (cryoSEM) 展示了 HG 的同聚糖聚合形式的 muro 納米結(jié)構(gòu)。作者發(fā)現(xiàn)，在子葉背斜壁中，HG 組裝成離散的納米絲，而不是連續(xù)互連的網(wǎng)絡(luò)。作者認為它們可能是類似于 X 射線衍射觀察到的四元結(jié)構(gòu)。由此，作者制定了路面細胞形態(tài)發(fā)生的內(nèi)在細胞壁膨脹“擴展梁”模型。在該模型中，局部同型半乳糖醛酸去甲酯化導(dǎo)致納米絲徑向膨脹，這是由具有不同包裝的四元結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)換引起的。作者通過證明單獨 HG 的去甲基酯化足以誘導(dǎo)組織擴張來進一步檢驗這一假設(shè)。最后，作者將該模型形式化為預(yù)測組織拓撲、局部細胞壁厚度、張力和生長的三維非線性有限元方法 (FEM) 模型。

3D-dSTORM納米鏡可深入了解納米級的生物結(jié)構(gòu)。作者在4微米厚的組織切片上結(jié)合3D-dSTORM和使用針對高甲基酯化 (LM20) 和低或未酯化 (2F4) HG的抗體進行免疫標記，獲得了約40-50納米的橫向和約80納米的軸向分辨率和約800納米的深度重建。兩種抗體在靠近質(zhì)膜的細胞壁中結(jié)合，但很少在中間薄片中結(jié)合，這表明抗原表位對抗體的可及性有限，或者在該位置缺乏這種表位(圖3B)。

圖3、3D-dSTORM納米鏡和cryoSEM揭示了同型alacturonan納米絲。

     3D-dSTORM揭示了在背斜壁中HG形成垂直于子葉表面的排列細絲，作者稱之為HG納米絲 (圖3C)。它們的估計寬度為?40 nm (圖3D)。相反，在周壁中，作者沒有檢測到絲狀模式，這表明在相同細胞的不同壁中具有獨特的HG組織 (圖3E)。作者發(fā)現(xiàn)改變果膠的甲酯化程度會影響細胞生長，挑戰(zhàn)了此前公認的細胞膨壓驅(qū)動細胞生長的理論。

圖4、HG甲基化不對稱性影響葉形成。(A) 在WT，PME5oe和PMEI3oe子葉中使用3d dstorm成像的代表性葉狀壁段。橙紫色色圖編碼Z位置。比例尺，500 nm。

     同時，作者整理了其中關(guān)鍵的實驗技術(shù)方法，并以“Multitarget Immunohistochemistry for Confocal and Super-resolution Imaging of Plant Cell Wall Polysaccharides”為題發(fā)布在Bio-protocol期刊[4]，以期使更多科研人員能夠?qū)⒚庖呓M化與3D-dSTORM結(jié)合的思路應(yīng)用到自己的研究中。若有需要可按文末文獻名稱搜索。

參考文獻