宾夕法尼亚州立大学生物学家开发了一种新方法，使他们能够将剥离的植物细胞转化为其他类型的细胞，类似于干细胞分化成不同细胞类型的方式。利用这种方法，研究小组探索了增加植物细胞壁稳定性的带状图案(很像纸板上的波纹图案)及其形成方式。此外，研究人员还揭示了这些结构的组装如何在不同的突变植物细胞中出错，他们表示，这最终可能为分解植物细胞以制造生物燃料的方法提供信息。

纤维素是植物细胞壁的结构成分，是一种丰富且有前途的生物燃料来源。然而，从细胞壁中提取纤维素的常用技术需要去除其他缠绕在一起的大分子(称为聚合物)，这需要化学溶剂、酶和高温反应，这增加了该过程的成本和复杂性。研究人员表示，加深对细胞壁构造的理解可以启发新的、更具成本效益的纤维素提取方法。

这项研究的负责人、宾夕法尼亚州立大学埃伯利科学学院博士后学者 Sarah Pfaff 说道： “近年来，研究人员已经探索了多种方法来潜在地提高纤维素提取过程的效率，例如通过操纵细胞壁中可能阻碍提取过程的其他聚合物，如木聚糖和木质素。”

“但是，这些突变植物中，‘木质部导管分子’细胞形成的独特结构往往无法正常发育，导致细胞崩溃，最终导致植物生长减少和可提取纤维素的量减少。在这项研究中，我们探索了这些独特的细胞壁如何在健康植物细胞中组装，以及这个过程在突变体中是如何出错的。”

木质部导管分子 (XTE) 是一种允许水从植物根部移动到叶子的细胞，它们的细胞壁非常厚。Pfaff 说，与其他细胞不同，纤维素、木聚糖和木质素等聚合物沉积在 XTE 细胞壁的特定位置，形成带状图案。当这些图案在突变细胞中无法正确形成时，细胞可能会因流动水的压力而崩溃。

“木质部导管分子中的带状图案与纸板中的波纹图案非常相似，可以增加细胞壁的稳定性，”Pfaff 说。“使用传统方法，很难看到单个细胞，因此很难了解这种带状图案在突变细胞中是如何分解的。因此，我们开发了一种方法，让我们可以观察单个细胞，而不会受到任何邻近细胞的干扰。”

新方法利用原生质体，即被剥离了细胞壁的单个细胞，研究人员为原生质体提供营养，并给其提供 Pfaff 所称的“遗传触发器”，使其分化为一种新型细胞。尽管原生质体之前已在多种植物研究中使用，但新方法可让研究人员观察细胞分化为独特的 XTE 细胞类型。

“我们为原生质体提供一种转录因子——一种遗传触发因子——这样它们就能根据这种线索发育成一种新的细胞类型，”普法夫说。“这有点像干细胞，我们可以重新编程它们的发育命运，观察它们变成完全不同的细胞类型。在这项研究中，我们专门诱导健康和突变植物的原生质体变成木质部导管元素，并观察它们细胞壁上的带状图案是如何形成的。”

由生物学博士后学者 Sarah Pfaff 领导的团队开发了一种分离植物细胞并将其重新编程为其他细胞类型的方法，类似于干细胞分化成不同细胞类型的方式。图片来源：Michelle Bixby/宾夕法尼亚州立大学

研究人员发现，纤维素和木聚糖之间的某些相互作用对于条带的正确形成必不可少，而正确组装的细胞壁聚合物网络可充当支架，决定条带模式。他们还发现，在不同的突变细胞中，条带模式以不同的方式失效。

“之前的研究主要关注细胞内部如何影响细胞壁，细胞壁是在细胞外部合成的，但我们发现它也能反过来起作用，”Pfaff 说。“细胞壁结构也会影响细胞内部发生的事情，它们可以相互反馈。这项研究为细胞壁的形成方式以及这类突变体在未来如何生存提供了重要的见解。”

据 Pfaff 介绍，了解细胞壁的形成方式对林业、材料科学以及生物燃料生产都具有重要意义。研究小组计划利用他们的新方法探索其他类型细胞壁的形成方式。

“现在，你无需再培育突变植物，从而获得一株植物的多种不同遗传特性，而这可能需要花费数月时间，而是可以在单个细胞中探索不同的组合，”普法夫说。“你还可以使用不同类型的遗传触发因素来研究其他细胞类型，这可能对整个植物生物学都有影响。”

除了普法夫之外，宾夕法尼亚州立大学的研究团队还包括高级研究技术员爱德华·瓦格纳 (Edward Wagner) 和埃伯利家族生物学主席丹尼尔·科斯格罗夫 (Daniel Cosgrove)。

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