胞間聯(lián)絲的結構、類型及其在植物發(fā)育中的作用（1）

劉 寧 （北京師范大學 北京 100875）

胞間連絲是穿過植物細胞壁將植物細胞的原生質連接起來的細胞質通道。作為細胞共質體的聯(lián)系途徑,胞間連絲為細胞間信號傳導、分子交換提供了交流的途徑，在控制植物的發(fā)育及植物生理功能的協(xié)調中發(fā)揮至關重要的作用。

1 胞間連絲的結構

人類最早觀察到胞間連絲是在厚壁胚乳細胞的細胞壁上。1879年,植物生理學家Tangl 在利用碘對柿等植物胚乳組織進行染色時,發(fā)現(xiàn)胚乳細胞有很多橫跨相鄰細胞壁的細胞質絲。1901年Strasburger將這種細胞質絲命名為胞間連絲（plasmodesma 單數(shù)，plasmodesmata 復數(shù)）［1］。

在電子顯微鏡下，胞間聯(lián)絲呈現(xiàn)為直徑20～50 nm 的小管狀結構（圖1）。管道周圍的質膜是相鄰2 個細胞質膜的延續(xù)，中間是壓縮變形的圓柱形內質網（endoplasmic reticulum，ER），稱壓縮內質網（appressed ER）。壓縮內質網的內質網膜緊密貼合而成，直徑約為15 nm，兩端與相鄰細胞中的內質網囊相連，壓縮內質網膜的內頁（inner leaflet of ER membrane）變化形成中心棒（central rod）。壓縮內質網也稱連絲微管（desmotubule）,這是因為早年有研究認為，胞間連絲中間的小管狀結構可能是細胞分裂時紡錘絲包埋在新細胞壁中形成的，雖然后來證實情況不是這樣，但連絲微管的名詞被保留了下來。有些植物的連絲微管不壓縮或不完全壓縮，例如玉米葉肉細胞之間的胞間連絲，壓縮只發(fā)生在頸區(qū)，兩頸區(qū)之間的部分是開放的小管；煙草葉的毛狀體胞間連絲中，整個都是開放的。有研究認為開放的連絲微管可能作為脂質的運輸通道，脂類分子的擴散可通過連絲微管雙分子層發(fā)生。壓縮內質網與質膜之間的空間是胞質套筒（cytoplasmic sleeve） 或稱胞質環(huán)（cytoplasmic annulus）。通常認為胞質套筒是共質運輸?shù)闹饕ǖ?，胞質套筒在胞間聯(lián)絲的中部略有擴張；兩端變窄形成頸區(qū)（neck region），即所謂的頸縮（neck constrictions），可能對物質的交流有控制的作用。頸縮處質膜外的細胞壁物質為胼胝質，由胼胝質形成了特別的細胞壁環(huán)（collars）（圖2a 的外括約?。?，具有括約肌的作用。有些胞間連絲類似括約肌結構分布在頸口周圍，例如玉米葉花環(huán)狀葉肉細胞之間的胞間連絲。為了有所區(qū)分，前者稱為外括約肌，后者稱為內括約?。?-2，4-5］。

圖1 胞間連絲的結構模式圖［2］

進一步采用冰凍固定和冰凍置換技術研究發(fā)現(xiàn)，在胞間聯(lián)絲中，壓縮內質網膜的外頁（outer leaflet of ER membrane）和質膜的內頁（inner leaflet of plasma membrane）有球形顆粒蛋白（globular protein particles）分布，壓縮內質網上的蛋白顆粒螺旋狀排列，通過條形的“輻狀（spokelike）”蛋白與質膜上的蛋白顆粒相連。橫切面上，連絲微管的顆粒蛋白有7 ～10 枚，這樣將胞質套筒分隔成8～10 個直徑2.5～4 nm 的微通道（microchannels）（圖1；圖2a）。一些研究提出這些“輻狀”蛋白可能由F-肌動蛋白、肌球蛋白Ⅷ和中心蛋白組成，肌球蛋白Ⅷ可能在胞間連絲門控（gating）調節(jié)過程中發(fā)揮作用，進而影響到胞間連絲的分子擴散上限（size exclusion limit，SEL）。

圖2 胞間連絲的結構與形成［3］

2 胞間連絲的類型

按照起源的不同，胞間連絲被分為2 種類型：初生胞間連絲（primary plasmodesma）和次生胞間連絲（secondary plasmodesma）。初生胞間連絲是胞質分裂時，在新細胞壁上形成的胞間連絲（圖2b-h）；次生胞間連絲與胞質分裂無關，完全從頭開始在已有的細胞壁上重新產生（圖2i-k）。

根據(jù)形態(tài)結構不同，將胞間連絲分為簡單的（simple）和分支的（branched）2 種類型。簡單的胞間連絲是直的，結構相對簡單（圖2b、c、e）；分支的胞間連絲在細胞壁的中部會形成特別大的中央腔，由中央腔向外發(fā)出多個分支，結構比較復雜（圖2h、k）。

通常初生胞間連絲多為簡單的胞間連絲，但隨著細胞壁的發(fā)育，進一步也會形成分支的結構（圖2，d-h）；次生胞間連絲多為分支的胞間連絲，但也有形成簡單結構的次生胞間連絲。因此，在胞間連絲的起源無法得到確認時，更多地采用形態(tài)特征的分類方式［2，5］。

3 不同類型胞間連絲的形成、修飾與其在植物體中的分布

3.1 初生胞間連絲 初生胞間連絲在細胞分裂過程中形成。在有絲分裂的后期，許多來自于高爾基體、含有細胞壁物質或物質前體的小泡，在赤道面相互融合，組裝形成細胞板。與此同時，赤道面上分布的內質網小管和其周圍的細胞質束陷入到融合的高爾基小泡中，穿過融合的高爾基小泡形成的細胞板平面。隨著細胞板的生長，細胞質束變得越來越狹窄，由原高爾基體小泡膜衍生的質膜內襯在胞間聯(lián)絲管的外圍，其中的內質網轉化為連絲微管，并與兩側細胞中的內質網相連，最終成為橫貫2 個子細胞壁的胞間連絲。

初生胞間連絲存在于植物不同分生組織新生成的分裂壁中，來源于同一前體（母）細胞的衍生（姐妹）細胞通過初生胞間連絲連接彼此。新形成的初生胞間連絲通常是簡單的胞間連絲，可見到加寬的胞質套筒。簡單的初生胞間連絲在細胞壁增厚過程中進一步被修飾成延長的或分支的胞間連絲。當新的壁物質由高爾基小泡向細胞壁添加時，與連絲微管相連的內質網腔被逐漸包圍，這些內質網被合并到胞間連絲的細胞質束中，使胞間連絲隨著壁的增厚而延長。合并的內質網小管的形狀決定了延長的胞間連絲形狀。在新形成的細胞壁部分，直線內質網小管的加入使初生胞間連絲仍然保持直線形的簡單形態(tài)（圖2b、c、d左側的胞間連絲）；而分支內質網小管的加入導致形成了復雜結構的分支胞間連絲（圖2b、c、d 右側的胞間連絲）。頸縮似乎在胞間連絲發(fā)育后期形成，可能伴隨著胞間連絲通透極限的下調而產生。

在分支胞間連絲的中央常有一個擴大的中央腔（central cavity，median cavities）（圖2h、k），它的形成可能是由于細胞生長的過度擴張，對細胞壁產生壓力，使最初形成的細胞壁層松弛所導致的結果。

有研究認為，初生的分支胞間連絲也可能來源于鄰近2 個簡單初生胞間連絲的融合。距離很近的相鄰初生胞間連絲的中間部分略微擴張，結果，2 個簡單的胞間連絲融合形成了x 形或h 形的分支胞間連絲（圖2，發(fā)育方向從e-f-g），可能也是由于對細胞壁的壓力，使細胞壁層中間部分松動，導致了這種融合。但是也有另外的觀點認為，x 形或h 形的分支胞間連絲是一個由簡單的胞間連絲裂開形成的一對雙胞間連絲（twinned plasmodesmata）的中間階段，結果使分裂壁上胞間連絲的數(shù)目翻倍增加（圖2，發(fā)育方向從g-f-e）。因為有觀察報道，在一些早期胞質分裂的壁上，開始只有隨機分布的簡單胞間連絲，迅速地轉變?yōu)殡p生胞間連絲密集排列的紋孔場。2 種觀點代表了順序完全相反的胞間連絲發(fā)育過程［2－3］。

3.2 次生胞間連絲 次生胞間聯(lián)絲是在已存在的細胞壁上新形成的細胞連接。關于次生胞間連絲形成的描述是通過嫁接結合面和原生質體再生細胞培養(yǎng)中的研究進行的。在嫁接面和再生細胞的異型融合壁上，相鄰細胞之間的細胞壁局部區(qū)域變薄，在變薄的細胞壁兩側，質膜與細胞質中的內質網緊密地貼附在一起；隨著壁物質的消失，2個細胞的質膜接觸；經過質膜融合及內質網膜的融合，然后降解的細胞壁的修復，形成了分支的次生胞間連絲（圖2i、j），隨后次生胞間連絲的修飾與初生胞間連絲的情況相同，連接到膜融合位點的內質網小管進一步被合并到胞間連絲中，胞間連絲延長或者結構變得更為復雜，最終形成了具有復雜分支結構的次生胞間連絲（圖2k）。

相鄰細胞間合作的失敗可能導致半胞間聯(lián)絲（half plasmodesmata）的形成。在種間嫁接面的異型融合壁中，經常觀察到不匹配的半胞間連絲穿過一個細胞的一半細胞壁，這表明相鄰細胞間需要同步構建2 個相對的、匹配的半胞間連絲，才能形成連續(xù)的次生胞間連絲。同種嫁接或異種嫁接產生的次生胞間連絲均表現(xiàn)為正常的超微結構。

在由不同母細胞衍生而來的相鄰細胞壁上的胞間連絲一定是次生胞間連絲，例如植物莖尖的L1 層與L2 層細胞之間、葉的表皮和葉肉細胞之間、次生維管組織細胞的徑向壁與橫向壁，以及心皮原基之間的生殖后融合壁或侵填體進入木質部導管分子的接觸壁等。而對于來源于同一前體細胞的衍生細胞，隨著細胞的生長發(fā)育，細胞壁的表面積擴大，要保持單位壁面積胞間連絲的一定數(shù)量，也會形成次生胞間連絲，只不過在這些細胞壁上，既有初生胞間連絲也有次生胞間連絲。

典型的次生胞間聯(lián)絲為分支的胞間連絲，但也有簡單的次生胞間連絲。在被子植物的莖端分生組織中，最外層的2 層細胞L1 層和L2 層只進行垂周分裂，這樣L1 細胞層和L2 細胞層之間通常不存在細胞分裂，因此它們之間由一層非分裂的細胞壁隔開。在這個特殊的非分裂界面上的胞間連絲多為簡單的形態(tài)，但一定是次生起源的。隨著細胞的生長分化，該細胞壁被不斷拉伸，形成成熟的表皮和皮層。到了成熟組織中,復雜的分支次生胞間連絲占主導地位,在表皮與皮下組織之間的細胞壁上偶爾會觀察到半胞間連絲。這些結果表明不同形態(tài)類型的次生胞間連絲是在細胞壁延展生長過程中不斷形成的。另一方面，在成熟組織的分裂面上，至少有部分復雜的分支胞間連絲可能是從簡單的次生胞間連絲結構修飾而發(fā)展而來，其修飾過程與簡單初生胞間連絲相似［2－3］。

3.3 初生和次生胞間連絲的形成過程 初生胞間連絲的形成與胞質分裂相關，次生胞間連絲在已有的細胞壁上形成。以前認為兩者可能通過不同的過程完成，但現(xiàn)在越來越多的證據(jù)顯示，一種共同的機制參與了初生胞間連絲的建立和修飾，以及次級胞間連絲的從頭形成和修飾，包括下列階段：1）初生和次生胞間連絲均在細胞壁生長過程中形成，可能先前存在細胞壁的在重建之前需要局部變松變薄，有局部細胞壁降解酶的活動，包括纖維素酶、果膠酶和半纖維素酶等；2）內質網小管被動地困在融合的高爾基囊泡中，囊泡釋放新的壁物質，它決定了發(fā)育中的胞間連絲束的位置和形狀；3）融合的高爾基小泡膜形成質膜，質膜沿著胞間連絲束排列。包繞的內質網小管發(fā)育為胞間連絲的連絲微管。4）在壁生長過程中，包圍著連絲微管的胞質連絲逐漸收縮。在它們發(fā)育的最后階段，所有初生和次生形成的胞間連絲都具有幾乎相同的大小和相同的結構，難以區(qū)分；5）初生胞間連絲幼時通常為單束，而大多數(shù)次生胞間連絲即使在發(fā)育早期也大多具有復雜的分支形態(tài)，但是初生和次生胞間連絲都既有簡單胞間連絲類型又有分支胞間連絲類型，因此不能僅根據(jù)兩者的結構進行區(qū)分，而是需要仔細追溯它們的起源進行判斷。

（待續(xù)）