植物细胞壁力学特性的被动与主动调控：从纤维素微纤丝各向异性到FERONIA与Ca2+介导的机械感知

《Biochemistry and Cell Biology》：Passive and active regulation of cell wall mechanical properties

　　

植物细胞处于膨压充盈状态，并对坚硬的细胞外基质（ECM）——植物细胞壁——施加压力；细胞壁抵抗膨压并防止细胞因渗透压而破裂。在生长过程中，细胞壁在膨压下屈服并发生形变，以引导细胞质扩张。这些表明，细胞壁力学特性在发育过程中受到严格调控，并且膨压与细胞壁塑性之间需要紧密协调。本综述探讨细胞壁的各向异性力学特性及其调控机制。研究人员讨论支持细胞壁被动调控的一些理论，如多网理论（multinet theory）和支架理论（scaffolding theory）。随后，研究人员讨论CrRLK1Ls（如FERONIA）和机械敏感离子通道（如MSL8）在机械应力感知中的作用，以及Ca²⁺作为机械应力响应中心第二信使的作用。最后，研究人员强调由机械感知通过小信号肽（如SCOOP和Pep1）及细胞壁重塑酶（如TCH4）诱导的一些转录响应。

**Introduction**
植物细胞壁是多糖基细胞外基质（ECM），决定细胞扩张的方向和程度。植物生长由细胞分裂与细胞扩张共同完成；分裂需在子细胞间合成新壁，扩张是细胞和器官大小的重要贡献因素。细胞扩张需要质膜内生长、壁松弛及新壁物质合成。细胞通常被 modelled 为坚硬壁围绕高渗胞质，壁抗性与膨压需保持平衡，生长需壁软化打破平衡。植物细胞形状由各向异性壁驱动，而非细胞突起。壁由纤维素微纤丝（CMFs）、半纤维素、果胶和蛋白构成，CMFs多层定向赋予壁各向异性。基质多糖在高尔基体合成后经囊泡分泌，并由胞外酶修饰。纤维素由质膜上纤维素合酶复合体（CSCs）合成，CSC运动部分受皮层微管（CMTs）引导，CMT组织在很大程度上镜像CMF沉积模式；纤维素对生长壁力学贡献最大，微管而非肌动蛋白主导细胞形状与力学。壁拉伸应力感知对维持细胞形状和生长关键；本综述区分被动与主动调控，并讨论机械应力感知、信号整合和响应激活；激素作用不广泛展开。

**Mechanical properties and passive remodelling of the cell wall**
CMFs纵向抗拉伸、横向允许拉伸，CMF间距可增大。洋葱表皮细胞机械延伸显示，垂直于CMF净取向的壁延展性高30–90%，赋予各向异性。沿CMF主排列生长仍可能，或通过CMFs相互滑动类似纤维剪切。CMFs还可与半纤维素互作形成生物力学热点（biomechanical hotspots），提供局部机械抗性。

**Tension-induced CMF reorientation: the multinet growth theory**
壁拉伸应力传至CMF网络，伸长时最大应变沿主生长轴。CMFs间为非共价互作，故可在生长中重排并部分与主生长轴对齐。新合成CMFs将旧CMFs向外推，初始垂直主轴的CMFs逐渐斜向主轴。延伸仪和原子力显微镜显示应力下CMFs角度重排，支持该理论；提示纤维网络组织可被动调控壁力学。

**Tension-induced CMT reorganisation**
CMT组织可反映CMF沉积调控及对机械应力的响应。表皮细胞消融后周围细胞CMTs快速重排，可能因细胞或器官形状改变导致组织张力场“断裂”而触发。未扰动细胞中CMTs常沿最大张力方向。尚不清楚是否需要分子信号和主动重排，或张力场改变引起CMF变化再影响CMT。

**Pre-existing cellulose as template for new CMF deposition: the scaffolding theory**
CMTs方向在很大程度上定义CMF方向，但CMF网络影响CSC轨迹并可提供微管空间线索。同时破坏CMT和CMF后新合成CMFs无优先方向，说明CMF方向需CMT引导；破坏后残留CMFs足以促进新CMFs横向排列，说明原有CMFs可作模板。结合张力诱导CMF重排，支持被动机制调控壁力学。

**Perception and integration of cell wall mechanical stress**
机械应力感知间接依赖细胞壁完整性（CWI）感知。

**CrRLK1Ls and wall-membrane linkage**
CrRLK1L家族受体参与盐胁迫、耐旱、壁组成变化、细胞伸长、花粉管生长和免疫等。其结构含胞外果胶结合malectin样域、可结合小分泌肽快速碱化因子（RALFs）的胞外域及胞质激酶域；拟南芥有17个CrRLK1L基因，可能通过感知壁和信号肽及蛋白磷酸化传递CWI信号。叶片表皮铺面细胞呈拼图状，产生各向异性张力；FERONIA经ROP6-GTPase信号影响铺面细胞复杂形状，feronia突变体形状丢失提示壁力学调控受损。FERONIA可结合10–50残基同型半乳糖醛酸聚糖（HG）片段，RALFs协助短HG片段相分离并诱导FERONIA聚集、反式磷酸化及与LLG1等激活伙伴互作；机械应力可能诱导壁多糖断裂，故RALF-果胶相分离可能在壁机械应力时触发，FERONIA可能为间接机械传感器。FERONIA还维持质膜-壁黏附：高渗下质膜与壁分离（质壁分离），MalA域必要且充分形成Hechtian strands；FERONIA纳米域在壁-膜界面促进下游信号。MalA/MalB功能差异及张力展开胞外域释放MalB的模型提示FERONIA可能直接机械感知。其他跨膜蛋白也参与CWI感知：壁关联激酶（WAKs）含HG结合域和胞质激酶域，关键于细胞伸长；CORK1/IGP1结合纤维素寡聚体等多糖片段，诱导MAPK级联、胞质Ca²⁺升高、ROS产生、CSC磷酸化及CWI相关基因调控。

**Ion channels and calcium ions**
机械敏感离子通道检测质膜张力变化并诱导阳离子内流；其不直接互作壁，但与渗透胁迫、触摸、向重力性和病原响应相关。MCA等通道可产生瞬态Ca²⁺波，并可能通过调节膨压缓解壁张力；动物中通道与ECM/细胞骨架的系连或支架组织提示膜张力之外激活途径，植物尚未阐明。拟南芥MscS样（MSL）家族有10个机械敏感通道，MSL8位于质膜；msl8突变体花粉萌发位点胼胝质异常定位，过表达FERONIA/ANXUR下游效应因子MRI的功能获得突变体可抑制msl8表型，提示MSL8参与FER/ANXUR-MRI通路并通过调节胼胝质沉积触发壁力学调控；过表达MSL8可阻止anxur1/2花粉管破裂。PZO1位于液泡膜而非质膜，参与根穿透和触摸感知，提出壁机械感知边界问题。

**Wall-membrane continuity**
提供壁与质膜连续性的蛋白可通过二者间张力变化感知机械应力。CSCs是候选：其跨膜域连接质膜，最新模型每个CSC含18个纤维素合酶、共126个跨膜域；纤维素合成与跨膜转运同步，可能从复合体挤出时缠结于壁基质，从而连接质膜与壁。

**Regulation of cell wall stress**
机械感知后通过直接调节壁刚度、转录调控和壁合成调控实现响应。

**Direct modulation of cell wall stiffness**
机械感知常伴胞质Ca²⁺流，刺激后2–5 s开始、30 s内峰值、2 min内消退。Ca²⁺直接结合串联孔钾通道（TPKs）改变胞质K⁺浓度以缓解膨压突变；也调控IQ67结构域（IQDs）家族，其与钙调素和细胞骨架互作，IQD5与CMTs共定位，iqd5突变体铺面细胞形状异常。Ca²⁺峰还经钙依赖性蛋白激酶（CDPKs）、鸟嘌呤核苷酸交换因子（GEFs）和MAPK级联导致差异基因表达。FERONIA介导质外体碱化，RALF刺激经失活自抑制H⁺-ATPase（AHA）质子泵；酸性pH倾向软化壁，碱性pH促进硬化。机械刺激后数秒可见ROS爆发。EXPANSINs在低pH下增加壁延展性，模型提出其破坏纤维素链间氢键促进CMF蠕变；酸性pH也提高壁水合、弱化纤维素-果胶互作。HG甲酯化修饰重要：去甲酯化增加负电荷，与胞外Ca²⁺交联；果胶甲酯酶（PMEs）及其抑制剂（PMEIs）调节该交联，过表达PME5使茎尖分生组织壁更软，过表达PMEI3使壁更硬；PME3与PMEI7形成pH依赖复合物，提示pH多层级调控壁刚度。

**Transcriptional regulation of cell wall stiffness**
光刷机械刺激后数小时内拟南芥1589个基因上调、676个基因下调；钙调素结合转录因子CAMTA3参与诱导TOUCH基因TCH2和TCH4，TCH转录水平约30 min最高。TCH4为木葡聚糖内糖基转移酶/水解酶，修饰木葡聚糖；xxt1 xxt2双突变体壁软化，提示木葡聚糖水解酶促进壁机械软化。壁损伤诱导SCOOP18表达，SCOOP18经MIK2诱导壁木质化（不可逆硬化）；茉莉酸诱导PROPEP1表达，生成Pep1并诱导PEPR；Pep1-PEPR通路包括Ca²⁺流、Ca²⁺依赖激酶激活及胼胝质和木质素沉积。小肽诱导与感知可反馈至机械感知响应。

**Regulation of cell wall synthesis**
纤维素合成受CSC分泌和内吞调控，仅CSC定位质膜时合成纤维素。pom2-8突变体减少CSC与CMT关联，机械应力下促进CMT重排，提示POM2介导CSC-CMT系连防止CMT重排；prc1-1保持CSC-CMT互作但降低纤维素，机械应力下无CMT重排，确认该系连阻碍CMT重排。机械应力或渗透冲击下CSC内化，高渗下质膜CSC密度降低；REMORIN在渗透胁迫下于壁-膜界面形成纳米域，可能招募CSC外排抑制剂SHOU4/4L。质膜CSC密度降低有三效应：解耦壁-质膜-CMT连续体；快速释放功能性CSC合成新壁；机械解耦利于CMT重排，而CSC系连可能阻止重排。

**Conclusion**
壁力学调控机制多样复杂；被动调控机制可能通过促进CMF网络重排和引导CMT组织而贡献主动壁调控。FERONIA在机械应力感知中居中心，Ca²⁺为中心信使促进机械应力响应。壁力学感知与壁力学性质调谐对植物生长和胁迫适应至关重要。激素也关键；受体样蛋白44（RLP44）与油菜素内酯共受体BAK1互作参与果胶修饰诱导响应，提示生长、激素信号与CWI感知交叉是未来方向。