洋蔥表皮，帶來材料研發新靈感

植物細胞壁的力學特性長期以來令人著迷：既具有足以支撐植物形態的強度，又能在不破裂的前提下延伸，對應力的非線性響應方式甚至能夠主動變化以適應植物在不同階段的生長需求。這些特性都是新型材料設計研發者們夢寐以求的。但即使是在明確發現了這些特性的80年后，科學家們仍不清楚它們的成因。最近，美國賓夕法尼亞州立大學的一項研究對細胞壁進行了建模，向揭開植物細胞壁獨特力學性能背后的秘密邁進了一大步。

該項研究從全新的角度審視了植物細胞壁。研究者們發現，植物細胞壁強度高、延伸性好的力學性能主要歸功于細胞壁內纖維素框架的運動。細胞壁內的纖維素聚集成束保證了強度，同時可以在細胞拉伸時彼此滑動，帶來了延展性。這一研究幫助生物學家更好地理解了植物細胞的生長過程，并有望為具有更好的強度與延展性的高分子材料提供設計靈感。

“長久以來，對于植物細胞壁最普遍的認識是‘細胞壁是由纖維素加固的膠質，如同由鋼筋加固的混凝土，”賓夕法尼亞州立大學的生物學教授、這一研究的作者 Daniel Cosgrove 說，“但我們發現細胞壁的結構并非如此。纖維素鏈粘連成束，纖維束形成了網絡，這種結構的力學強度比桿狀纖維懸浮在膠質中的結構高得多。而在細胞受到拉伸時，有效地限制細胞壁擴展的并非其他成分，正是彼此間能夠發生滑動的纖維鏈。”

過去對植物細胞壁進行的建模研究尺度不是過大就是過小：要么從宏觀入手，并未整合單個細胞的行為;要么從原子水平入手，不能關注細胞壁實際的力學特征。在這項研究中，研究者在細胞壁所含的聚合物（纖維素和其他糖分子的長鏈）水平上應用了粗粒度計算模型，使用類似彈簧的珠鏈結構而非單原子建模來表征纖維等成分，希望能準確復制其物理特性。

Cosgrove 說：“與其他模型不同，我們還對分子間的非共價鍵進行了建模，顯示出分子相互粘附的趨勢，這使得我們能夠研究鏈之間的相互作用。”

團隊對洋蔥表皮細胞的細胞壁結構進行了建模，以將模型給出的力學特性與洋蔥皮實驗得到的實際數據進行比對。通過以多種方式拉伸洋蔥細胞壁，研究者探索了其獨特力學特性背后的結構。

“植物細胞壁很獨特，它需要足夠堅固，為植物提供保護和支持作用，但又要同時具有延展性，使自身能夠在植物生長時擴展。”這項研究的第一作者、賓夕法尼亞州立大學的生物博士后研究者 Yao Zhang 說，“我們發現纖維素的微纖維承擔了大部分的張力，這是維持細胞壁強度和延展性的關鍵。”

研究者確認了纖維素的單個纖維之間的并列粘附關系。在纖維束形成的網絡中，超細纖維會在細胞被拉伸時伸縮式滑動，將力在網絡中傳導，最終導致了細胞的延伸。

“早在很久以前，研究者們就已經在干、濕等不同條件下，對植物細胞壁的應力和應變等力學性能的變化進行了測量。”Cosgrove 說，“但直到現在，我們都沒有在分子水平上對這些測量結果進行解釋。在這一研究中，我們闡明了植物細胞壁中各成分的作用，并為植物研究中解釋性的實驗提供了定量框架。”

對于那些研究植物細胞壁特性及其調節機制的課題來說，這項研究提出的見解可能尤其有用。例如，莖部新芽在春季迅速伸長，而果實卻會長成球形。

研究人員希望將研究模型的適用范疇進一步擴展，用來模擬其他植物物種的細胞壁，同時將模擬規模擴展到整個細胞。

“從細胞壁所具有的強度和延展性這一點來看，人類技術目前還無法與大自然相提并論。”Yao 說，“植物細胞壁的鬼斧神工或許將為綠色材料多種多樣的設計與應用提供新的啟示。”