崔勇教授团队揭示植物细胞中液泡生物发生的机制

　　

2025年3月20日，学院崔勇教授团队联合香港中文大学生命科学学院姜里文教授团队在《The Plant Cell》期刊上在线发表了题为“Seeing is believing: Whole-cell electron tomography models of vacuole morphology and formation in the early-stage root cortex of Arabidopsis”的研究论文，该研究揭示了植物细胞中液泡起源的奥秘。

液泡是成熟植物细胞中体积最大且功能最为多样的细胞器之一，在植物生长发育过程中发挥着重要的调控作用。其功能涵盖细胞内物质的降解与循环利用、蛋白质与糖类等储存物质的积累、通过调控细胞膨压和细胞体积维持细胞稳态，以及参与植物对环境胁迫的响应与防御反应。尽管液泡的结构与功能均表现出高度的复杂性与多样性，但其生物发生机制，特别是溶解型液泡的起源，一直以来都存在争议。目前存在两种主要的模型：一种假设认为液泡通过多个内体之间的融合而形成，液泡间彼此独立；另一种假设则提出液泡源自内质网（ER），且能形成相互连通的网络状结构。这两种模型主要基于二维透射电子显微镜（TEM）与三维共聚焦显微镜所获得的观察结果。然而，鉴于植物液泡结构的动态性及复杂性，仅凭上述方法难以完全明确其发生机制。因此，我们借助全细胞三维电子断层扫描技术，以纳米级分辨率对植物细胞特别是早期发育阶段细胞进行全面、系统的超微结构解析，以期为液泡的起源与生物发生机制提供更加清晰且可靠的形态学证据。

研究人员利用全细胞三维电子断层扫描技术，对拟南芥根部皮层初始细胞及其相邻不同发育阶段的细胞进行了系统性的超微结构分析，以探讨液泡在皮层细胞早期发育过程中的形态变化及生物发生机制。研究结果表明，皮层初始细胞中液泡主要以独立的球状结构存在（图1A–D, H），虽然在细胞中观察到个别管状液泡结构（图1E–G, H），但未发现其与内质网等其他细胞器之间的结构连接。随着皮层发育的推进，细胞经历了明显的轴向伸长阶段，这一点可通过第二与第三皮层细胞长度的逐渐增加予以体现（图1I–L）；紧接着进入细胞分裂阶段，表现为第四皮层细胞尺寸显著减小（图1M–N）。与细胞结构的变化相适应，液泡也呈现出“先增大、后分裂”的动态变化特征（图1K–N, 1Q）。第四皮层细胞随后进入新一轮细胞增大与分裂周期，此过程通过第五至第十一皮层细胞体积变化可得到验证。此外，在第四皮层细胞中出现了大量新生的小液泡，其腔内包含多个腔内囊泡（图1O）。由于此类小液泡在初始细胞中并未观察到，因此推测其在第四皮层细胞中新生合成，并可能起源于多囊泡体。同时，在部分管状液泡中也发现了类似的腔内囊泡结构，提示多囊泡体可能在早期皮层细胞的管状液泡结构延伸过程中发挥重要作用（图1P）。此类管状液泡可能起源于种子萌发过程中蛋白质贮藏型液泡的结构重塑，亦可能由多个小液泡的相互融合形成。

图1. 全细胞电子断层扫描分析揭示根皮层早期细胞中液泡的结构特征

此外，研究人员利用全细胞三维电子断层扫描技术，还对拟南芥根部表皮细胞、静止中心细胞及其邻近的根冠柱状细胞等其他类型细胞中的液泡结构进行了深入分析。结果显示，在早期发育的表皮细胞中，观察到多个彼此独立的球状液泡，其形态特征与皮层细胞中所见相似（图2A–B）。同时，在静止中心细胞及邻近的根冠柱状细胞内也发现了类似的独立球形液泡结构（图2C–H），进一步支持了“多个相互独立液泡”模型在拟南芥不同类型细胞中的普遍适用性。

图2. 全细胞电子断层扫描分析揭示了根表皮细胞、静止中心及其相邻根冠柱状细胞中液泡的结构特征

综上所述，本研究通过全细胞三维电子断层扫描获得的直接证据，不仅进一步验证了此前关于液泡生物发生的研究成果，还将相关理论模型拓展至根皮层发育的早期阶段，揭示了该阶段液泡呈现先增大后分裂的动态变化特征，并伴随小液泡的新生合成。这些发现为深入理解植物液泡的生物发生提供了重要的结构学依据。

厦门大学生命科学学院崔勇教授与香港中文大学生命科学学院姜里文教授为共同通讯作者。厦门大学生命科学学院崔勇教授、香港中文大学生命科学学院高嘉阳博士和厦门大学生命科学学院博士研究生李彦斌为共同第一作者，厦门大学生命科学学院张海副教授、博士研究生郑晓慧、齐青、张晟奇参与了本项工作。香港中文大学生命科学学院Byung-Ho Kang教授为本研究提供了重要指导。该研究得到了国家自然科学基金、福建省自然科学基金和香港研究资助局基金等项目的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1093/plcell/koaf057

(文/图 崔勇教授团队)