测量计算植物细胞壁承压

NAIST的研究人员使用有限元模拟来测试一种计算植物细胞壁刚度的新方法。这使得他们能够更准确地解释AFM数据。

　　

   

   

用原子力显微镜(AFM)和激光射孔研究了膨压对细胞壁刚度的贡献，并利用弹性壳理论进行了分析。    

奈良科学技术研究所(NAIST)的科学家们用弹性壳理论描述了植物细胞壁的刚度是如何依赖于它们的弹性和内部膨胀压力的。通过利用原子力显微镜(AFM)结合有限元计算机模拟，他们能够显示细胞刚度对内部膨压非常敏感。

许多人都会对学生时代在显微镜下看洋葱皮有美好的回忆。当单个细胞看起来像简单的矩形时，植物细胞的稳定性反映了力量的复杂组合。除了类似于动物的细胞膜外，植物细胞也有坚硬的细胞壁，以提供结构的完整性。膨压是指细胞因其内容物的压力而产生的正常刚性，也是维持与环境平衡的关键因素。压力过小会导致细胞收缩。细胞可以调节它们的膨压渗透流，从而平衡细胞壁内外的盐浓度。然而，由此产生的植物细胞的机械特性仍然模糊不清。例如，仅使用AFM从细胞壁变形确定刚度，就很难分离细胞壁张力、细胞几何形状和膨压的影响。

现在，由NAIST领导的一个研究小组使用有限元方法(FEM)模拟验证了一个基于弹性壳理论的新公式。这使他们能够解释使用AFM观察到的表观刚度。该团队研究了洋葱表皮细胞，这是了解植物细胞物理特性的一个模型系统。资深作者Yoichiroh Hosokawa说:“对力与压痕数据的观察表明，标准方程不足以解释植物细胞的表观硬度。”基于有限元模拟的结果表明，弹性壳理论方程能够较好地描述洋葱细胞的AFM响应，而对于无内部膨压的物体，弹性壳理论方程所使用的传统模型则不能。此外，他们的研究结果表明，由膨压引起的张力调节细胞的刚度，可以通过0.1兆帕斯卡量级的微小变化进行调整。Hosokawa说:“我们的理论分析为更全面地理解植物细胞中固有的力量铺平了道路。”

这项工作有助于推广我们对生命系统刚度的理解。这些知识可以用于帮助确保植物即使在有压力的情况下也能保持其结构，例如在缺水时期。

Elastic shell theory for plant cell wall stiffness reveals contributions of cell wall elasticity and turgor pressure in AFM measurement