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完整的植物植株能在一定范围内通过调整生长速率、改变形态、产生向性等方式避免不利的或非正常的物理环境对自身造成伤害,这是植物的运动方式之一。那么,离体的植物单细胞在外加机械应力作用下能否进行“运动”呢?如果会的话,其运动方式是怎样的呢?机械应力又是以什么途径传达这种运动指令,需要哪些细胞成分和结构的参与呢?如果这些问题得以回答,那么我们其实得到了一个关于机械应力信号传导机制的解释。这是不同于化学信号传导通路的一种新的信号传导体系。在动物细胞研究中,已就这种机械信号传导机制作了比较深入的研究,取得了很多有影响的研究成果。而在植物方面,这个领域的研究相对比较薄弱。因此,本文试通过合理的实验设计对植物细胞应力响应过程加以剖析,对涉及的分子或结构进行初步确定,以期能对植物细胞应力响应机制作出比较合理的、初步的描述。
本文采用了一种计量精确、操作方便的体外机械应力加载装置对低溶点琼脂糖包埋的菊花单细胞进行单向的体外机械应力加载实验,对植物单细胞在外界应力刺激下的分裂方向的变化进行了研究。结合RGD多肽辅以温和质壁分离的方法对细胞进行壁膜连接中断处理,再以细胞骨架药物细胞松弛素B和秋水仙素对微丝、微管进行阻断,就两个可能的应力响应关键环节进行实验论证。
主要实验结果如下:
1通过机械应力加载和培养后统计分析比较加载组和对照组细胞形态,主要以伸长细胞的长轴与应力加载方向间的夹角为比较对象,揭示出植物单细胞在单向机械应力加载条件下有沿垂直主应力方向进行分裂的趋势;采用Calcofluor进行细胞壁荧光染色,比较加载组和未加载组以及GRGDS五肽处理组发现经过应力加载会造成植物细胞壁增厚现象,而GRGDS五肽处理组细胞壁增厚不明显,但细胞质出现很大程度皱缩,并且皱缩部分出现明亮荧光。可以说明GRGDS五肽扰乱了正常的细胞壁膜连接。
2用GRGDS五肽处理后实施加载,培养4天后同样以夹角为对象分析细胞形态,进行统计比较,结果显示经壁膜连接阻断处理的细胞夹角与细胞数量间的相关性消失,说明壁膜中断处理后细胞无法再响应外加机械应力,证明这种有关RGD识别的细胞壁膜连接确实参与了植物细胞对机械应力的响应过程。
3采用细胞松弛素B和秋水仙素阻断细胞骨架后实施机械应力加载,经统计分析显示,骨架药物处理也抑制了细胞对机械应力的响应,其夹角与所对应的西部数量间无显著相关性。说明细胞骨架对于植物细胞响应外加机械应力同样不可缺少。
综合以上实验结论,并考虑到壁膜连接和细胞骨架在细胞中的位置,参考相关结构在动植物中的其它研究数据,我们可以初步描述出外界机械应力经细胞壁膜连接感受进而传递到细胞骨架,再由细胞骨架影响下游细胞事件的信号传递过程。