微生物所孔照胜团队合作揭示棉纤维极性伸长的细胞机制

近日，中国科学院微生物研究所孔照胜团队首次揭示了棉纤维细胞壁中纤维素沿轴向的梯度分布是驱动棉纤维偏向顶端生长的关键因素，为理解植物单细胞极性生长及细胞壁力学调控机制提供了新的证据。

植物细胞形态建成依赖初生细胞壁的力学性质，但究竟是哪类细胞壁成分主导细胞壁延展性、并进一步决定植物细胞的定向扩张，仍存在争议。棉纤维长期以来被视为研究植物细胞伸长、细胞壁形成和纤维素合成的重要模型。本研究以快速伸长阶段的棉纤维为研究对象，利用原子力显微镜对不同发育时期和不同区域的棉纤维细胞壁进行力学测量，发现快速伸长阶段的棉纤维细胞壁在不同区域存在明显力学异质性：顶端区域更软、更易变形，而杆部区域更硬。进一步分析表明，这种差异与纤维素在棉纤维细胞壁中的梯度沉积密切相关。药理学实验证明，干扰纤维素合成或降解纤维素都会破坏棉纤维原有的定向生长行为。这种纤维素的差异沉积对细胞壁力学属性的塑造，支持了团队前期提出的棉纤维“偏向顶端的扩散性生长”模式（Nature Plants, 2019）。

进一步地，研究团队利用活细胞成像技术，首次在活体棉纤维中实现了纤维素合酶复合体（CSC）的动态可视化。结果表明，棉纤维细胞质膜上的CSC在杆部区域分布更密集，而在顶端区域相对较少，这一分布模式受到周质微管组织的调控。计算模拟进一步表明，纤维素沉积梯度可以重塑纤维细胞壁生长方向的应变分布，从而驱动棉纤维表现出偏向顶端的扩散性生长。上述结果明确了纤维素在塑造细胞壁力学属性中的关键作用，拓展了人们对植物细胞形态建成机制的认识，也为未来通过分子育种手段优化棉纤维长度与品质提供了新的理论依据。

中国科学院微生物研究所已出站博士后王光达为论文第一作者，宁波大学周吕文副教授和微生物所孔照胜研究员为论文共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后创新人才支持计划等项目支持。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-71314-1

活细胞成像分析与计算机模拟揭示纤维素的空间特异分布决定棉纤维细胞的生长模式