Science：我国科学家发现植物细胞壁调节植物干细胞机制

想象一下，如果我们的身体能在一生中不断生长出新器官会怎样？植物就能做到这一点，这得益于它们微小而强大的干细胞储备库。但这些细胞如何知道何时分裂？又如何确保每一次分裂的方向都完美无缺，从而构建出叶片、茎干或花朵？

答案不仅存在于细胞内部，更在于包裹它们的细胞壁之中。中国科学院分子植物科学卓越创新中心Weibing Yang博士领导并发表在《Science》上的一项新研究，发现了一个隐藏的"分子守门员"，它控制着这些细胞壁的刚度，直接引导植物干细胞的命运。

植物细胞壁如何控制生长

所有植物细胞都被包裹在细胞壁中，这是一种刚性但动态的结构，长期以来被认为只是一种简单的支架。在这项新研究中，科学家们证明这种细胞壁绝非静态。他们在干细胞枢纽——茎顶端分生组织中发现了一种惊人的"双模态"模式。

可以这样理解：老化、成熟的细胞壁是"僵硬"的，如同建筑的承重梁。与此同时，每次细胞分裂产生两个新细胞时，它们之间形成的新细胞壁最初是"柔软"且柔韧的。这种刚度差异是通过对细胞壁中一种称为果胶的凝胶状成分进行简单的化学修饰来控制的。僵硬的细胞壁含有高度"甲酯化"的果胶，而柔软的新细胞壁则含有"去甲酯化"的果胶。

这种精确的模式引出了一个疑问：植物如何确保"软化"酶只作用于新细胞壁，而不会意外地削弱那些关键的老化细胞壁？

PME5与核滞留的作用

科学家们确定了一个名为PME5的关键酶基因，它是软化果胶的主开关。但他们发现了一个巧妙的机制：细胞将这种酶的指令手册——PME5信使RNA，牢牢锁定在细胞核内。这就像将一件强大的工具安全地存放在工具箱里。

只有当细胞正在进行活跃分裂时，"工具箱"才会打开。随着细胞核暂时解构，PME5 mRNA被释放出来，并立即被翻译成PME5酶，该酶被精准地输送到正在形成的新细胞壁位点，在需要的时间和地点精确地软化它。这确保了成熟细胞壁保持坚硬的结构性，而新的分裂壁则足够柔韧，从而被正确定位。

为了证明其重要性，科学家们破坏了这一机制。他们通过基因工程改造植物，让PME5 mRNA过早地逃离细胞核，导致软化酶在错误的时间和地点产生。这引起了混乱：细胞分裂模式变得无序，干细胞活性急剧下降，植物生长受阻并结出奇怪、簇生的果实。这证实了精确控制细胞壁刚度对于植物的健康发育至关重要。

对作物科学与产量的意义

这种"核滞留"机制是一种复杂的基因调控形式。科学家们发现这是一种常见策略，并非PME5独有，也被几种相关酶所使用。此外，这种"双模态"细胞壁模式在玉米、大豆和番茄等多种作物中都被发现，表明这是植物生长的一个保守的基本原理。

诸如分蘖数、穗长和籽粒数等关键作物性状，都由干细胞活性决定。通过破解这个细胞壁密码，科学家们未来或许能够通过微调支撑植物的细胞壁，来设计出具有更优结构和更高产量的作物。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Xianmiao Zhu et al, Cell wall patterning regulates plant stem cell dynamics, Science (2025). DOI: 10.1126/science.ady4102.

Scientists discover how plant cell walls guide stem cells
https://phys.org/news/2025-12-scientists-cell-walls-stem-cells.html