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植物细胞的形态行为取决于细胞壁弹性（E）和膨压（P），但此前缺乏同时量化二者的方法。研究人员基于弹性壳理论（EST）和原子力显微镜（AFM）测量展开研究，成功同时测定洋葱表皮细胞的E和P ，为植物机械生物学研究提供了新途径。
在植物的微观世界里，细胞如同一个个充满奥秘的小宇宙。植物细胞的形态和行为对其生长发育起着关键作用，而这背后的 “操控者” 便是细胞壁弹性（
E）和膨压（
P）。想象一下，细胞就像一个个小小的气球，细胞壁如同气球的外皮，而膨压则是气球内部的压力，二者共同维持着细胞的形态。然而，长期以来，科学家们一直面临着一个难题：如何同时准确地测量这两个关键因素呢？这一问题就像一道横亘在面前的大山，阻碍了植物机械生物学的发展。
为了攻克这一难题，来自日本奈良科学技术研究所（Nara Institute of Science and Technology）等机构的研究人员踏上了探索之旅。他们开展了一项极具意义的研究，旨在找到一种能够同时量化活植物细胞中细胞壁弹性和膨压的方法。最终，他们成功地通过原子力显微镜（AFM）测量和基于弹性壳理论（EST）的计算，实现了这一目标。这一成果发表在《Planta》杂志上，为植物科学领域带来了新的曙光。
在这项研究中，研究人员运用了多个关键技术方法。首先是 AFM 技术，它就像是一个微观世界的 “超级放大镜”，能够对单个细胞进行精准测量。研究人员利用 AFM 对细胞进行压痕测试，获取力 - 压痕曲线，同时测量细胞表面的几何形状。其次，基于 EST 理论，研究人员建立了相关方程，通过这些方程对测量数据进行分析计算，从而得出细胞壁弹性和膨压的值。
下面来看看具体的研究结果：
- 理论验证：研究人员将新方法应用于之前的研究数据，通过计算得到的细胞壁弹性和膨压值，与有限元方法（FEM）模拟结果高度吻合。这表明，即使在假设细胞形状不同的情况下，新方法依然具有很高的可靠性，误差可忽略不计。
- AFM 形貌和压痕测试：在渗透压控制的条件下，研究人员对细胞进行了 AFM 形貌和压痕测试。他们发现，当细胞处于高渗甘露醇溶液中时，细胞表面的曲率（κ）和表观刚度（kas）会发生变化。通过对这些变化的监测，进一步验证了新方法在不同渗透压条件下的有效性。
- 渗透压控制下的原位 AFM 测量：研究人员通过在水和不同浓度甘露醇溶液中进行渗透压控制实验，测量了细胞膨压的变化。结果显示，在高浓度甘露醇溶液中，细胞膨压迅速下降；在低浓度甘露醇溶液中，膨压逐渐下降。同时，研究人员还发现细胞壁弹性也会随着甘露醇溶液的处理而发生变化，不过变化幅度相对较小。
在研究结论和讨论部分，研究人员指出，新方法所估算的完整细胞的膨压（约 0.7MPa）与之前的理论和实验结果相符，解决了之前研究中因压痕不足导致膨压估值过低的问题。而估算的细胞壁弹性（约 200MPa）更接近 MEMS 拉伸试验的结果，与传统 AFM 基于 Hertz 接触理论（HCT）的估算值差异较大，这可能是由于细胞壁的各向异性结构以及 HCT 分析的局限性导致的。此外，研究人员还提到，虽然新方法实现了更精确的原位量化，但细胞壁厚度无法原位测量仍是一个问题，未来需要进一步改进。
总的来说，这项研究意义重大。它为植物机械生物学领域提供了一种全新的、有效的研究工具，能够帮助科学家们更深入地了解植物细胞的力学特性，以及这些特性在植物生长、发育和应对环境变化过程中的作用机制。相信在未来，这一成果将在植物科学的各个领域发挥重要作用，推动相关研究不断向前发展。
