多糖组装与互作在植物细胞壁力学性能中的分子机制研究

研究人员针对植物初生细胞壁复杂微观结构导致的力学机制解析难题，通过粗粒化分子动力学模型模拟洋葱表皮细胞壁，揭示了纤维素-纤维素粘附在壁负荷承载中的主导作用，发现木葡聚糖(XyG)可作为纤维素微纤丝间的力传递粘合剂而非传统认知的机械系链。该研究为仿生细胞壁材料设计提供了新思路。

　　

植物王国中看似柔弱的嫩芽能顶开坚硬的土壤，蒲公英种子能随风飘散数百公里，这些令人惊叹的生物学现象背后，都离不开植物细胞壁这个天然智能材料的神奇力学性能。作为地球上最丰富的生物聚合物复合体，植物初生细胞壁由纤维素微纤丝(cellulose microfibrils)、木葡聚糖(xyloglucan, XyG)、果胶等多糖网络构成，其精妙的组装方式赋予了细胞壁刚柔并济的特性。然而，由于细胞壁具有纳米级复杂异质结构和显著非线性力学响应，科学界长期难以解析多糖分子间相互作用与宏观力学行为的关系，这严重制约了仿生材料开发与作物抗逆性改良。

研究人员通过创新的粗粒化分子动力学(coarse-grained molecular dynamics)模型，以洋葱表皮细胞壁为研究对象，首次在分子尺度揭示了多糖组装体的力学密码。研究发现纤维素微纤丝间的直接粘附(cellulose-cellulose adhesion)是细胞壁负荷承载的主要决定因素，这一结论颠覆了传统认为纤维素间距决定力学性能的认知。当人为破坏纤维素间粘附时，木葡聚糖与纤维素的相互作用(XyG-cellulose adhesion)开始显现关键作用——有趣的是，木葡聚糖并非如经典"系链模型"描述的那样机械连接远距离纤维素，而是作为相邻微纤丝间的"分子胶水"，通过界面粘附实现应力传递。

研究主要采用三项关键技术：基于洋葱表皮细胞壁真实参数的粗粒化力场开发、多尺度分子动力学模拟（包含>1μs级模拟时长）、结合原子力显微镜数据的模型验证。通过系统调控多糖相互作用参数，建立了微观相互作用与宏观力学性能的定量关系图谱。

在"纤维素-纤维素粘附主导壁力学"部分，模拟显示当纤维素微纤丝间距<4nm时，直接接触产生的范德华力贡献了>80%的壁刚度，此时木葡聚糖的力学贡献不足5%。"木葡聚糖的界面粘附机制"章节揭示，在纤维素粘附缺陷情况下，XyG通过其葡萄糖主链与纤维素(100)晶面的特异性结合，能建立0.5-1.2nN/分子的桥接力，使壁强度恢复达原始值的65%。最后"仿生材料设计启示"指出，模仿这种"刚性骨架+柔性界面"的多级结构，可开发具有自适应力学性能的新材料。

该研究不仅为理解植物生长过程中的细胞壁重塑提供了分子基础，更启示了新型仿生材料的开发策略。通过精确调控纳米级粘附界面而非单纯增强组分强度，可创造出类似天然细胞壁的智能力学系统。这些发现对农业领域作物抗倒伏改良、食品工业细胞壁加工工艺优化，以及开发环境响应型生物材料都具有重要指导价值。论文创新性地将分子尺度机制与宏观性能相关联，为复杂生物聚合物系统的研究建立了新范式。