“細胞壁是質膜外具有一定硬度和彈性的細胞結構，廣泛存在于植物、細菌和真菌中。”這是中國科學院院士鄒承魯主編的《當代生物學》對細胞壁的定義。

中國科學院分子植物科學卓越創新中心（以下簡稱分子植物卓越中心）研究員楊衛兵團隊研究發現，細胞壁不僅扮演了植物細胞“外骨骼”的角色，還能充當“指揮官”，影響并引導植物干細胞的命運。相關研究成果近日發表于《科學》。

找到“核心開關”

1665年，英國科學家羅伯特·胡克在使用自制的顯微鏡觀察木栓組織時發現了許多小室結構。由此，“細胞”概念首次被提出。事實上，這些結構是細胞的細胞壁。

此后很多年，人們對細胞壁進行了更系統的研究并逐漸得出結論——在植物細胞中，細胞壁作為“外骨骼”，不僅維持細胞形態，還參與細胞間的信號傳遞和機械應力調控。

植物為何能展現出如此綿延不絕的生命力？為何能夠在整個生命周期中持續不斷地產生新的枝、葉、花與果實？

秘密就在植物中直徑不足0.1毫米的區域。在植物莖頂端、根尖等“生長中樞”，分布著一群活躍的植物干細胞。它們通過精確的分裂與分化，繪制出植物生長的藍圖。也正是由于干細胞活性的精妙調控，塑造了植物的多樣形態。

自2014年在英國劍橋大學從事博士后研究起，楊衛兵便開始關注這群特殊的細胞。

“最初受到了動物干細胞的啟發。”楊衛兵介紹，動物干細胞雖然沒有細胞壁，卻包裹著一層細胞外基質。

科學家發現，細胞外基質的“軟硬”特性對于動物干細胞的命運具有重要的引導作用。把干細胞放在堅硬的基質上培養，最終會分化為骨細胞；放置在中等硬度的基質上，會得到肌肉細胞；倘若基質很“松軟”，則會發育為神經細胞。

考慮到細胞壁同樣位于細胞外部，且主要成分也為多糖和蛋白質，楊衛兵推測，植物細胞壁可能發揮著類似的作用。于是，他把目光鎖定在植物干細胞細胞壁上。

博士后期間，楊衛兵用6年時間系統分析了干細胞的細胞壁組成，并初步明確了細胞壁合成調控的機制。相關論文先后發表于《當代生物學》《科學》。

2020年，在回國加入分子植物卓越中心并獨立組建實驗室后，楊衛兵又帶領團隊繼續深挖。

隨著研究逐漸深入，團隊發現，在植物莖頂端干細胞區域，細胞壁的主要成分果膠呈現獨特的“二元分布”模式。具體而言，新形成的細胞壁偏“軟”，富含去甲酯化果膠，而成熟的細胞壁則更“硬”，以高度甲酯化的果膠為主。

那么，這里的“軟”“硬”有什么作用？

“細胞壁結構的動態變化，就像一個控制干細胞命運的‘核心開關’，引導其在分裂、分化等不同狀態間轉換?！睏钚l兵解釋，在新生的細胞壁中，果膠成分的去甲酯化過程使其變得較為柔軟、易調整，從而幫助細胞靈活確定分裂的方向和位置。在成熟的細胞壁中，果膠保持高甲酯化狀態，有利于維持干細胞持續分裂的能力及組織的穩定。值得一提的是，當團隊采用遺傳學方法使果膠無法形成高甲酯化狀態時，植物無法生長。

備好“儲備糧”

在微小的分生組織中，果膠竟然同時呈現兩種截然不同的修飾狀態。對此，楊衛兵的第一反應是“很矛盾”，第二反應是“應該存在一套精細的調控機制”。不久，團隊就在一次實驗中偶然發現了端倪。結合熒光定量分析等方法，他們找到了負責“軟化”細胞壁的關鍵酶PME5，并發現了一個不同于傳統中心法則的新現象。

一般而言，信使RNA（mRNA）在體內轉錄后，會被立即轉運到細胞質中進行翻譯。而團隊卻在顯微鏡下看到了不同現象。PME5轉錄的mRNA并不會立即進入細胞質，而是被RNA結合蛋白RZ-1B“抓住”，在細胞核內“滯留”，形成一個與細胞周期同步的mRNA儲備庫。只有當細胞分裂啟動、核膜解體時，這些被禁錮的mRNA才被同步釋放，迅速翻譯為功能蛋白，精準作用于新生細胞壁，實現細胞壁局部定時、定點的“軟化”調控。

在楊衛兵看來，這種mRNA的核內隔離機制就像一個預設的時間膠囊，確保細胞壁修飾程序僅在細胞分裂的關鍵時間窗口被激活，從而實現新舊細胞壁性質的精確區分。

“植物干細胞分裂時，形成細胞壁的時間只有20分鐘，如果完整走完轉錄到翻譯的過程，可能來不及給細胞‘塑性’?！睏钚l兵說，而提前在核內備好mRNA“儲備糧”，在需要時即可釋放出來，確保植物干細胞分裂過程的高效。

開辟“育種新途”

中國科學院院士、分子植物卓越中心主任韓斌強調：“植物生長有其規律，我們只有知道了哪些環節‘可控’，才能進一步在特定條件下人工改造植物?！?/p>

因此，在解決基礎科學問題的同時，團隊初步探索了該研究成果的應用潛力。在模式植物擬南芥中，一旦調控機制遭到破壞，植株就會表現出細胞分裂模式紊亂、干細胞活性降低、分生組織發育終止等一系列缺陷。

更為重要的是，細胞壁“軟硬兼備”的時空構型在演化中高度保守。目前，團隊已經在玉米、大豆、番茄等多種作物中發現了同樣的調控機制。而作物的株高、分蘗數、穗型和果實大小等關鍵農藝性狀，都與干細胞活力密切相關。

楊衛兵表示，基于“細胞壁精準設計”策略，有望提升作物分生組織活性和產量，為培育高產高效作物、保障國家糧食安全提供關鍵的理論支撐和技術路徑。

此外，植物細胞壁是地球上規模最大、存儲量最驚人的生物質形式。提高植物分生組織的活性，可以增加生物質產量，將更多大氣中的二氧化碳固定為有機物，從而提升植物的碳匯能力。

“這項研究更多是從固碳的角度服務于‘雙碳’目標。”分子植物卓越中心研究員、植物高效碳匯重點實驗室（中國科學院）主任王佳偉補充說，“簡單來說，讓一棵樹長得更大一些、活得更久一些，就能固定更多的碳?！?/p>