胞間聯(lián)絲的結(jié)構(gòu)、類型及其在植物發(fā)育中的作用（2）

劉 寧 （北京師范大學生命科學學院 北京 100875）

（上接2020年第1 期第10 頁）

4 胞間連絲與植物生長發(fā)育

植物正常的生長發(fā)育依賴細胞間的交流，胞間連絲在植物體內(nèi)形成網(wǎng)絡，不僅介導電偶聯(lián)和小分子物質(zhì)在細胞間的擴散交換，而且還調(diào)控作為非細胞自主調(diào)節(jié)因子的大分子的靶向或非靶向的細胞質(zhì)交換，決定細胞的有絲分裂活動、細胞的命運、分生組織的維持、器官的發(fā)育模式等活動，因此胞間連絲在植物生長發(fā)育過程中發(fā)揮著核心的作用。

目前的研究己經(jīng)明確植物體中胞間連絲在結(jié)構(gòu)、數(shù)量及功能上都是高度動態(tài)的結(jié)構(gòu),它們通過準確的修飾變化以適應植物發(fā)育過程中特殊的需要。

4.1 胞間連絲結(jié)構(gòu)變化與分子擴散上限 早年的研究認為胞間連絲只允許相對分子質(zhì)量（Mr）≈1×103大小的分子例如蔗糖、氨基酸、植物激素等通過被動擴散自由通過，近來的研究發(fā)現(xiàn)不同類型細胞的胞間連絲有不同的分子擴散上限。一些蛋白在其中發(fā)揮作用，早期發(fā)現(xiàn)植物病毒編碼的運動蛋白在轉(zhuǎn)基因植物中表達時，運動蛋白作用于胞間聯(lián)絲，導致分子擴散上限的增大，幫助病毒在細胞間傳播；后來發(fā)現(xiàn)植物韌皮部中的篩管汁液蛋白也可誘導胞間連絲分子擴散上限的擴大。這些蛋白與胞間連絲的蛋白互作，影響到分子擴散上限的大小。近年來，一些定位于胞間連絲的蛋白成分被鑒定，例如肌動蛋白、肌球蛋白Ⅷ、中心蛋白、鈣網(wǎng)蛋白、原肌球蛋白，以及鈣依賴蛋白激酶等，這些蛋白的變化被認為是胞間連絲孔和微通道大小改變的原因。

已被鑒定的多種在胞間連絲中移動的分子，有一些是植物轉(zhuǎn)錄因子，它們對于植物的生長發(fā)育十分重要。轉(zhuǎn)錄因子可穿過胞間連絲，在轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控非細胞自主的基因表達；能夠介導自身mRNA 的轉(zhuǎn)運，并在某些情況下擴大胞質(zhì)連絲的分子擴散上限，例如玉米的轉(zhuǎn)錄因子KN1（KNOTTED1），參與未分化狀態(tài)的莖端分生組織維持，編碼KN1 的RNA 分布在除L1 層以外的細胞中，但是，KN1 蛋白在所有層細胞中分布，包括L1 層，暗示著KN1 蛋白在內(nèi)層細胞產(chǎn)生并被運輸?shù)搅薒1 層。將KN1 注射到玉米或煙草的葉肉細胞中，KN1 蛋白能在細胞間進行運輸，并能增大胞間連絲的分子擴散上限，從Mr=1×103至Mr=4×104。此外,圍繞著胞間連絲頸區(qū)形成的胼胝質(zhì)括約肌和胞質(zhì)套筒的變化也可改變胞間連絲的結(jié)構(gòu)，影響胞間連絲通訊。已發(fā)現(xiàn)幾種參與胼胝質(zhì)代謝的胞間連絲蛋白，它們通過影響胼胝質(zhì)的沉積和降解，對分子擴散上限進行調(diào)節(jié)。胼胝質(zhì)的變化可能受到外源變化的影響，在白樺和雜交楊（歐洲山楊×美洲山楊）的休眠芽中，胞間連絲的胞外胼胝體括約肌在受冷后被降解，從而誘導了莖端分生組織解除休眠。胞質(zhì)套筒的改變也受到外源環(huán)境變化的影響，適度的滲透脅迫作用于豌豆根部，使其胞質(zhì)套筒的尺寸增大，韌皮部的卸載作用增強；冷敏玉米系葉片在亞最適溫度下表現(xiàn)為光合活性下降、同化物輸出減少，這時維管束鞘和維管薄壁細胞之間的胞間連絲細胞質(zhì)套筒減小,同時，維管束鞘細胞/花環(huán)葉肉細胞界面的胞間連絲內(nèi)括約肌收縮。不過在適度低溫條件下，相同的細胞界面上，胞間連絲密度顯著增加，可能會作為一定的功能補償［3，5］。

4.2 胞間連絲數(shù)量與類型的變化 次生胞間連絲的產(chǎn)生會導致胞間連絲數(shù)量增加，研究認為次生胞間連絲可能具有特殊的運輸能力。在擬南芥根尖組織柱間切向非分裂壁的胞間連絲密度較低，而細胞列橫向分裂壁的胞間連絲密度較高。物質(zhì)運輸主要向頂擴散，胞間連絲的分布與功能研究基本一致。但是，根細胞的切向面對于根組織模式的確定尤其重要，因為一些形態(tài)發(fā)生信號例如轉(zhuǎn)錄因子，通過切向面進行共質(zhì)交換。決定根結(jié)構(gòu)徑向模式轉(zhuǎn)錄因子的SHR（SHORT ROOT）在后生木質(zhì)部細胞產(chǎn)生，通過切向壁的胞間連絲運輸?shù)絻?nèi)皮層細胞，在這里起作用，決定根的皮層/內(nèi)皮層結(jié)構(gòu)。由此看來，對根的結(jié)構(gòu)模式起決定性作用的并不是高的胞間連絲密度，而更可能是切向非分裂界面的次生胞間連絲的豐度。同樣，在莖尖，為了在莖端分生組織（shoot apical meristem，SAM）中發(fā)揮其干細胞維持功能，轉(zhuǎn)錄因子WUS（WUSCHEL）必須越過L1、L2 和L3 層的平周非分裂界面、向頂端方向共質(zhì)移動，其非分裂面上的胞間連絲大多數(shù)是次生起源。還有前面提到的KN1 的移動也是如此。因此有觀點認為次生胞間連絲具有特殊的大分子轉(zhuǎn)運功能,對細胞的命運和器官的模式形成更加重要。

胞間連絲數(shù)量的變化受到外源條件變化的影響。在玉米和其他禾本科C4 植物中，在維管束鞘／花環(huán)葉肉細胞界面，以及維管束鞘／維管薄壁組織界面處，隨著光照強度的增加，胞間連絲密度增加。說明細胞可能通過形成額外的胞間連絲，提高運輸能力以適應光合產(chǎn)物的增加。短日照植物紫蘇和長日照植物二色金光菊的莖端分生組織在光周期開花誘導后，產(chǎn)生花器官的中央?yún)^(qū)，除了L1 和L2 之間的垂周壁，大多數(shù)界面伴隨著胞間連絲密度的增加，而在形成莖組織的髓區(qū)其胞間連絲的密度降低。在黑楊的形成層區(qū)，活動狀態(tài)時細胞具有高的胞間連絲連接，休眠狀態(tài)時細胞間的胞間連絲連接比較低。前面提到在亞最適溫度下的冷敏玉米系葉片，胞間連絲的胞質(zhì)套筒減小,內(nèi)括約肌收縮，但相同的細胞界面上，胞間連絲密度卻顯著增加［3］。

胞間連絲的丟失或刪除是另一種調(diào)節(jié)胞間連絲數(shù)目的方式。在氣孔器的分化發(fā)育過程中，未成熟的氣孔保衛(wèi)細胞與鄰近表皮細胞之間的胞間連絲中開始有細胞壁物質(zhì)的沉積，逐漸堵塞胞間連絲，截斷二者間的細胞連接，并在保衛(wèi)細胞分化成熟時胞間連絲完全消失，因此，高度特化的成熟氣孔器與周圍的表皮細胞是共質(zhì)體分離的，這樣可確保調(diào)節(jié)氣孔孔徑大小的靶向離子流通過保衛(wèi)細胞的細胞膜。同樣的胞間連絲丟失發(fā)生在韌皮部未成熟的篩分子和相鄰的韌皮薄壁細胞之間,至篩管分子成熟時，二者的交界壁上只存在有極低數(shù)目的胞間連絲,但是同時在篩分子與伴胞之間的細胞壁上，形成了大量特化的胞間連絲。成熟篩分子與伴胞之間緊密的共質(zhì)體連接是維持無核篩分子存活所必需的，而與薄壁細胞的共質(zhì)體隔離則可防止同化物沿韌皮部途徑運輸時的滲漏。在擬南芥根中，成熟的細胞橫壁上胞間連絲數(shù)量的減少明顯超過細胞壁的擴張速度，暗示已存在的初生胞間連絲有被定向刪除的可能。在黑楊活動的形成層區(qū)，較老的、正在分化的衍生細胞上也有大量的胞間連絲刪除，導致胞間連絲數(shù)目下降。生殖生長時，花藥中絨氈層和小孢子母細胞之間的胞間連絲消失；大孢子母細胞與珠心細胞之間也發(fā)生這樣的情況，這種共質(zhì)體的中斷表明即將發(fā)育的配子體與母體孢子體的分離，新世代的自發(fā)發(fā)育開始［1，3］。

4.3 共質(zhì)體域 通過胞間連絲的產(chǎn)生與刪除，以及結(jié)構(gòu)的改變，植物體形成許多不同的共質(zhì)體模塊，這些模塊稱為共質(zhì)體域（symplasmic fields，symplasmic domains）。在發(fā)育組織的特定細胞界面上，通過胞質(zhì)轉(zhuǎn)運的暫時性或永久性下調(diào)及胞間連絲的中斷，形成了胞質(zhì)屏障（symplasmic barriers）。單個細胞或細胞群與相鄰的細胞或細胞群之間通過胞質(zhì)屏障發(fā)生共質(zhì)體解偶，這就是共質(zhì)體分離（symplasmic isolation）。成熟組織中某些特定的細胞類型明顯與相鄰的細胞完全分離，這些細胞作為獨立的共質(zhì)體域行使功能，對于特定生理任務的完成是不可或缺的，例如氣孔器和篩管-伴胞復合體。共質(zhì)體分離經(jīng)常與分化過程同時發(fā)生,或者發(fā)生在分化過程之前,因此可能代表了分化的先決條件，似乎是限定了發(fā)育決定因子向?qū)嶋H靶細胞區(qū)域的轉(zhuǎn)移方向。已經(jīng)證明共質(zhì)體域或共質(zhì)體分離對氣孔保衛(wèi)細胞、根毛，以及韌皮部篩管分子／伴胞復合體的模式形成、細胞命運的決定與恰當發(fā)育起著至關重要的作用。在龍葵的愈傷組織中，胞質(zhì)間的連通性與有絲分裂活動的協(xié)調(diào)有嚴格的相關性。共質(zhì)體偶聯(lián)細胞的分裂是同步的，而異步分裂則需要通過胞間連絲封閉進行短暫的解偶聯(lián)。表明細胞質(zhì)的連續(xù)性程度與它們的發(fā)育同步程度之間存在著直接的關系。推測在植物生長發(fā)育過程中，胞間連絲轉(zhuǎn)運的信號參與細胞分裂活動和細胞分化過程的同步化。為了允許相鄰細胞的差異的、自主的發(fā)育，可能需要胞質(zhì)屏障來限制這些信號的細胞質(zhì)交流。共質(zhì)體結(jié)構(gòu)域的分離可使單個細胞或細胞群獲得一定程度的自主性，以經(jīng)歷獨立的、同步的發(fā)育途徑，并完成特殊的、協(xié)調(diào)的生理功能［2-3］。

植物有機體的共質(zhì)體組織是高度動態(tài)的，以滿足發(fā)育過程或生理變化過程中不斷變化的需求。擬南芥胚胎早期的所有細胞通過胞間連絲互相聯(lián)系，構(gòu)成完整的單一共質(zhì)體，胞間連絲具有高的分子擴散上限，但在魚雷形胚的中期，胚胎已分化為不同的共質(zhì)體域，其邊界表現(xiàn)出不同的胞間連絲分子擴散上限。共質(zhì)體域的建立通常認為對于細胞亞集合體進行特化發(fā)育途徑，以及作為可區(qū)別的部分行駛功能是必要的。在擬南芥中由于共質(zhì)域與胚胎的基本器官相對應，即子葉、莖端分生組織和根，表明胞間連絲的轉(zhuǎn)運能力似乎與形態(tài)發(fā)生事件相一致［3］。

5 結(jié)語

胞間連絲是植物細胞壁上的一種高度動態(tài)的結(jié)構(gòu)，其數(shù)量、結(jié)構(gòu)和功能可根據(jù)植物特定的生長發(fā)育需求進行調(diào)節(jié)，對于植物的生長發(fā)育十分重要。植物細胞的分裂分化、組織的形成、器官的發(fā)生及一些特殊的生理功能，可潛在地歸因于胞間連絲的調(diào)節(jié)。目前有關胞間連絲的研究很多，涉及到物理、化學、生物化學和分子生物學等諸多領域，但是對于胞間連絲的了解依然很少。有太多的問題無法解答，諸如初生和次生胞間連絲形成時的位置是如何決定的？內(nèi)質(zhì)網(wǎng)在胞間連絲發(fā)育中的作用如何？次生胞間連絲是否具有特別的功能確保轉(zhuǎn)錄因子的通過？胞間連絲的形成、結(jié)構(gòu)修飾與刪除的控制機制是什么？控制分子擴散上限的蛋白質(zhì)之間是如何相互作用的？相信隨著科學技術(shù)的進步和科學家的不懈努力,有關胞間連絲的研究一定會取得更多的結(jié)果。

（完）