研究洋葱表皮的实验(洋葱表皮结构特点)

植物细胞壁的力学特性长期以来一直令人着迷:它有足够的强度来支撑植物形态，它可以延伸而不会断裂。对胁迫的非线性反应甚至可以主动改变，以满足植物不同阶段的生长需求。这些特性是新材料的设计者和开发者的梦想。但是，即使在明确发现这些特征80年后，科学家仍然不知道它们的原因。最近，美国宾夕法尼亚州立大学的一项研究对细胞壁进行了建模，这朝着揭示植物细胞壁背后的秘密的独特力学特性迈出了一大步。

这项研究从一个新的角度研究了植物细胞壁。研究人员发现，强度高、延展性好的植物细胞壁的力学性能主要归功于细胞壁中纤维素骨架的运动。细胞壁中的纤维素聚集成束保证强度，同时在细胞拉伸时可以相互滑动，带来延展性。这项研究有助于生物学家更好地理解植物细胞的生长过程，并有望为具有更好强度和延展性的聚合物材料提供设计灵感。

“长期以来，对植物细胞壁最常见的理解是‘细胞壁是由纤维素加固的树胶，就像钢筋加固的混凝土’，”宾夕法尼亚州立大学生物学教授、这项研究的作者丹尼尔·科斯格罗夫说。“但是我们发现细胞壁的结构不是这样的。纤维素链粘结成束，纤维束形成网络。这种结构的机械强度比杆状纤维悬浮在胶体中的结构高得多。当细胞被拉伸时，有效限制细胞壁膨胀的不是其他成分，而是可以相互滑动的纤维链。”

以往对植物细胞壁建模研究的尺度不是太大就是太小:要么从宏观角度看，单个细胞的行为没有被整合；要么从原子层面，我们无法关注细胞壁的实际力学特性。在这项研究中，研究人员在细胞壁所含的聚合物(纤维素和其他糖分子的长链)水平上应用了粗粒度计算模型，并使用弹簧状的珠链结构代替单原子建模来表征纤维和其他成分，希望能够准确地再现其物理特性。

科斯格罗维说，“与其他模型不同的是，我们还对分子之间的非共价键进行了建模，显示了分子之间相互粘附的趋势，这使我们能够研究链之间的相互作用。”

该团队对洋葱表皮细胞的细胞壁结构进行了建模，以将模型给出的力学特性与洋葱皮实验获得的实际数据进行比较。通过以各种方式拉伸洋葱细胞壁，研究人员探索了其独特机械性能背后的结构。

“植物细胞壁是独一无二的。它需要足够坚固，为植物提供保护和支持，但同时它应该具有延展性，以便在植物生长时能够膨胀。”这项研究的第一作者、宾夕法尼亚州立大学生物学博士后研究员张尧说，“我们发现纤维素微纤维承担了大部分张力，这是维持细胞壁强度和延展性的关键。”

研究人员证实了纤维素单个纤维之间的并排粘附关系。在纤维束形成的网络中，超细纤维在细胞拉伸时会伸缩滑动，传导网络中的力，最终导致细胞的延伸。

“早在很久以前，研究人员就已经测量了植物细胞壁在干湿等不同条件下的应力、应变等力学性质的变化。”科斯格罗维说，“但到目前为止，我们还没有在分子水平上解释这些测量结果。在这项研究中，我们阐明了植物细胞壁中各种成分的功能，并为植物研究中的解释性实验提供了定量框架。”

这项研究提出的见解可能对那些研究植物细胞壁特征及其调控机制的课题特别有用。比如春天茎上的新芽迅速伸长，但果实会长成一个球。

研究人员希望进一步扩大研究模型的应用范围，以模拟其他植物物种的细胞壁，同时将模拟尺度扩展到整个细胞。

“从细胞壁的强度和延展性来看，人类的技术目前还不能和大自然相比。”姚说:“植物细胞壁的独创性可能为绿色材料的各种设计和应用提供新的灵感。”