Science | 宾夕法尼亚州立大学Cosgrove/张素琳团队揭示植物表皮细胞壁的力学机制！

一层层相互交织的纤维构成了植物细胞壁（PNAS | 英国约克大学利用多组学方法揭示真菌新的植物细胞壁降解酶活性！PNAS | 西班牙植物生物技术和基因组中心揭示拟南芥细胞壁组成决定抗病特异性和适应性！）。各种类型的纤维对变形的反应是不同的。例如，纤维素微纤维可以伸展或弯曲，改变其从一端到另一端的长度，还可以相互滑动，调整相对方向，并与邻近的微纤维捆绑在一起。

2021年5月14日，国际顶级学术期刊Science发表了美国宾夕法尼亚州立大学Daniel J. Cosgrove教授和张素琳教授团队合作的最新相关研究成果，题为Molecular insights into the complex mechanics of plant epidermal cell walls的研究论文。这篇文章中，科研人员根据对洋葱表皮的观察建立了一个计算模型，描述了这些复杂的空间变化如何支配细胞壁力学。这些结果为设计多功能纤维材料的方法提供了参考。

植物已经进化出复杂的基于纳米原纤维的细胞壁，以满足不同的生物和物理约束。长期以来，生长中的细胞壁的纳米尺度到中尺度的组织如何产生强度和延伸性一直没有得到解决。科研人员试图澄清纤维素和基质多糖的机械作用，通过开发一个基于聚合物物理学的粗粒度模型，再现表皮细胞壁的组装和拉伸力学的各个方面。该模型中简单的非共价结合作用产生了类似于初生细胞壁的纤维素束状网络，并具有应力依赖的弹性、刚度和超过屈服阈值的可塑性。可塑性源于对齐的纤维素网络中原纤维-原纤维的滑动。这个物理模型为植物机械生物学的基本问题提供了定量的见解，并揭示了生物材料的设计原理，即把刚度与屈服强度和伸展性相结合。

图1 植物初生细胞壁的CGMD模型的组装

图2 初生细胞壁的应力-应变行为

图3 单轴拉伸单个薄片过程中纤维素微纤维的独特运动

图4 循环加载和卸载期间细胞壁的应力-应变反应

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