胞间联丝的结构、类型及其在植物发育中的作用（1）

刘 宁 （北京师范大学 北京 100875）

胞间连丝是穿过植物细胞壁将植物细胞的原生质连接起来的细胞质通道。作为细胞共质体的联系途径,胞间连丝为细胞间信号传导、分子交换提供了交流的途径，在控制植物的发育及植物生理功能的协调中发挥至关重要的作用。

1 胞间连丝的结构

人类最早观察到胞间连丝是在厚壁胚乳细胞的细胞壁上。1879年,植物生理学家Tangl 在利用碘对柿等植物胚乳组织进行染色时,发现胚乳细胞有很多横跨相邻细胞壁的细胞质丝。1901年Strasburger将这种细胞质丝命名为胞间连丝（plasmodesma 单数，plasmodesmata 复数）［1］。

在电子显微镜下，胞间联丝呈现为直径20～50 nm 的小管状结构（图1）。管道周围的质膜是相邻2 个细胞质膜的延续，中间是压缩变形的圆柱形内质网（endoplasmic reticulum，ER），称压缩内质网（appressed ER）。压缩内质网的内质网膜紧密贴合而成，直径约为15 nm，两端与相邻细胞中的内质网囊相连，压缩内质网膜的内页（inner leaflet of ER membrane）变化形成中心棒（central rod）。压缩内质网也称连丝微管（desmotubule）,这是因为早年有研究认为，胞间连丝中间的小管状结构可能是细胞分裂时纺锤丝包埋在新细胞壁中形成的，虽然后来证实情况不是这样，但连丝微管的名词被保留了下来。有些植物的连丝微管不压缩或不完全压缩，例如玉米叶肉细胞之间的胞间连丝，压缩只发生在颈区，两颈区之间的部分是开放的小管；烟草叶的毛状体胞间连丝中，整个都是开放的。有研究认为开放的连丝微管可能作为脂质的运输通道，脂类分子的扩散可通过连丝微管双分子层发生。压缩内质网与质膜之间的空间是胞质套筒（cytoplasmic sleeve） 或称胞质环（cytoplasmic annulus）。通常认为胞质套筒是共质运输的主要通道，胞质套筒在胞间联丝的中部略有扩张；两端变窄形成颈区（neck region），即所谓的颈缩（neck constrictions），可能对物质的交流有控制的作用。颈缩处质膜外的细胞壁物质为胼胝质，由胼胝质形成了特别的细胞壁环（collars）（图2a 的外括约肌），具有括约肌的作用。有些胞间连丝类似括约肌结构分布在颈口周围，例如玉米叶花环状叶肉细胞之间的胞间连丝。为了有所区分，前者称为外括约肌，后者称为内括约肌［1-2，4-5］。

图1 胞间连丝的结构模式图［2］

进一步采用冰冻固定和冰冻置换技术研究发现，在胞间联丝中，压缩内质网膜的外页（outer leaflet of ER membrane）和质膜的内页（inner leaflet of plasma membrane）有球形颗粒蛋白（globular protein particles）分布，压缩内质网上的蛋白颗粒螺旋状排列，通过条形的“辐状（spokelike）”蛋白与质膜上的蛋白颗粒相连。横切面上，连丝微管的颗粒蛋白有7 ～10 枚，这样将胞质套筒分隔成8～10 个直径2.5～4 nm 的微通道（microchannels）（图1；图2a）。一些研究提出这些“辐状”蛋白可能由F-肌动蛋白、肌球蛋白Ⅷ和中心蛋白组成，肌球蛋白Ⅷ可能在胞间连丝门控（gating）调节过程中发挥作用，进而影响到胞间连丝的分子扩散上限（size exclusion limit，SEL）。

图2 胞间连丝的结构与形成［3］

2 胞间连丝的类型

按照起源的不同，胞间连丝被分为2 种类型：初生胞间连丝（primary plasmodesma）和次生胞间连丝（secondary plasmodesma）。初生胞间连丝是胞质分裂时，在新细胞壁上形成的胞间连丝（图2b-h）；次生胞间连丝与胞质分裂无关，完全从头开始在已有的细胞壁上重新产生（图2i-k）。

根据形态结构不同，将胞间连丝分为简单的（simple）和分支的（branched）2 种类型。简单的胞间连丝是直的，结构相对简单（图2b、c、e）；分支的胞间连丝在细胞壁的中部会形成特别大的中央腔，由中央腔向外发出多个分支，结构比较复杂（图2h、k）。

通常初生胞间连丝多为简单的胞间连丝，但随着细胞壁的发育，进一步也会形成分支的结构（图2，d-h）；次生胞间连丝多为分支的胞间连丝，但也有形成简单结构的次生胞间连丝。因此，在胞间连丝的起源无法得到确认时，更多地采用形态特征的分类方式［2，5］。

3 不同类型胞间连丝的形成、修饰与其在植物体中的分布

3.1 初生胞间连丝 初生胞间连丝在细胞分裂过程中形成。在有丝分裂的后期，许多来自于高尔基体、含有细胞壁物质或物质前体的小泡，在赤道面相互融合，组装形成细胞板。与此同时，赤道面上分布的内质网小管和其周围的细胞质束陷入到融合的高尔基小泡中，穿过融合的高尔基小泡形成的细胞板平面。随着细胞板的生长，细胞质束变得越来越狭窄，由原高尔基体小泡膜衍生的质膜内衬在胞间联丝管的外围，其中的内质网转化为连丝微管，并与两侧细胞中的内质网相连，最终成为横贯2 个子细胞壁的胞间连丝。

初生胞间连丝存在于植物不同分生组织新生成的分裂壁中，来源于同一前体（母）细胞的衍生（姐妹）细胞通过初生胞间连丝连接彼此。新形成的初生胞间连丝通常是简单的胞间连丝，可见到加宽的胞质套筒。简单的初生胞间连丝在细胞壁增厚过程中进一步被修饰成延长的或分支的胞间连丝。当新的壁物质由高尔基小泡向细胞壁添加时，与连丝微管相连的内质网腔被逐渐包围，这些内质网被合并到胞间连丝的细胞质束中，使胞间连丝随着壁的增厚而延长。合并的内质网小管的形状决定了延长的胞间连丝形状。在新形成的细胞壁部分，直线内质网小管的加入使初生胞间连丝仍然保持直线形的简单形态（图2b、c、d左侧的胞间连丝）；而分支内质网小管的加入导致形成了复杂结构的分支胞间连丝（图2b、c、d 右侧的胞间连丝）。颈缩似乎在胞间连丝发育后期形成，可能伴随着胞间连丝通透极限的下调而产生。

在分支胞间连丝的中央常有一个扩大的中央腔（central cavity，median cavities）（图2h、k），它的形成可能是由于细胞生长的过度扩张，对细胞壁产生压力，使最初形成的细胞壁层松弛所导致的结果。

有研究认为，初生的分支胞间连丝也可能来源于邻近2 个简单初生胞间连丝的融合。距离很近的相邻初生胞间连丝的中间部分略微扩张，结果，2 个简单的胞间连丝融合形成了x 形或h 形的分支胞间连丝（图2，发育方向从e-f-g），可能也是由于对细胞壁的压力，使细胞壁层中间部分松动，导致了这种融合。但是也有另外的观点认为，x 形或h 形的分支胞间连丝是一个由简单的胞间连丝裂开形成的一对双胞间连丝（twinned plasmodesmata）的中间阶段，结果使分裂壁上胞间连丝的数目翻倍增加（图2，发育方向从g-f-e）。因为有观察报道，在一些早期胞质分裂的壁上，开始只有随机分布的简单胞间连丝，迅速地转变为双生胞间连丝密集排列的纹孔场。2 种观点代表了顺序完全相反的胞间连丝发育过程［2－3］。

3.2 次生胞间连丝 次生胞间联丝是在已存在的细胞壁上新形成的细胞连接。关于次生胞间连丝形成的描述是通过嫁接结合面和原生质体再生细胞培养中的研究进行的。在嫁接面和再生细胞的异型融合壁上，相邻细胞之间的细胞壁局部区域变薄，在变薄的细胞壁两侧，质膜与细胞质中的内质网紧密地贴附在一起；随着壁物质的消失，2个细胞的质膜接触；经过质膜融合及内质网膜的融合，然后降解的细胞壁的修复，形成了分支的次生胞间连丝（图2i、j），随后次生胞间连丝的修饰与初生胞间连丝的情况相同，连接到膜融合位点的内质网小管进一步被合并到胞间连丝中，胞间连丝延长或者结构变得更为复杂，最终形成了具有复杂分支结构的次生胞间连丝（图2k）。

相邻细胞间合作的失败可能导致半胞间联丝（half plasmodesmata）的形成。在种间嫁接面的异型融合壁中，经常观察到不匹配的半胞间连丝穿过一个细胞的一半细胞壁，这表明相邻细胞间需要同步构建2 个相对的、匹配的半胞间连丝，才能形成连续的次生胞间连丝。同种嫁接或异种嫁接产生的次生胞间连丝均表现为正常的超微结构。

在由不同母细胞衍生而来的相邻细胞壁上的胞间连丝一定是次生胞间连丝，例如植物茎尖的L1 层与L2 层细胞之间、叶的表皮和叶肉细胞之间、次生维管组织细胞的径向壁与横向壁，以及心皮原基之间的生殖后融合壁或侵填体进入木质部导管分子的接触壁等。而对于来源于同一前体细胞的衍生细胞，随着细胞的生长发育，细胞壁的表面积扩大，要保持单位壁面积胞间连丝的一定数量，也会形成次生胞间连丝，只不过在这些细胞壁上，既有初生胞间连丝也有次生胞间连丝。

典型的次生胞间联丝为分支的胞间连丝，但也有简单的次生胞间连丝。在被子植物的茎端分生组织中，最外层的2 层细胞L1 层和L2 层只进行垂周分裂，这样L1 细胞层和L2 细胞层之间通常不存在细胞分裂，因此它们之间由一层非分裂的细胞壁隔开。在这个特殊的非分裂界面上的胞间连丝多为简单的形态，但一定是次生起源的。随着细胞的生长分化，该细胞壁被不断拉伸，形成成熟的表皮和皮层。到了成熟组织中,复杂的分支次生胞间连丝占主导地位,在表皮与皮下组织之间的细胞壁上偶尔会观察到半胞间连丝。这些结果表明不同形态类型的次生胞间连丝是在细胞壁延展生长过程中不断形成的。另一方面，在成熟组织的分裂面上，至少有部分复杂的分支胞间连丝可能是从简单的次生胞间连丝结构修饰而发展而来，其修饰过程与简单初生胞间连丝相似［2－3］。

3.3 初生和次生胞间连丝的形成过程 初生胞间连丝的形成与胞质分裂相关，次生胞间连丝在已有的细胞壁上形成。以前认为两者可能通过不同的过程完成，但现在越来越多的证据显示，一种共同的机制参与了初生胞间连丝的建立和修饰，以及次级胞间连丝的从头形成和修饰，包括下列阶段：1）初生和次生胞间连丝均在细胞壁生长过程中形成，可能先前存在细胞壁的在重建之前需要局部变松变薄，有局部细胞壁降解酶的活动，包括纤维素酶、果胶酶和半纤维素酶等；2）内质网小管被动地困在融合的高尔基囊泡中，囊泡释放新的壁物质，它决定了发育中的胞间连丝束的位置和形状；3）融合的高尔基小泡膜形成质膜，质膜沿着胞间连丝束排列。包绕的内质网小管发育为胞间连丝的连丝微管。4）在壁生长过程中，包围着连丝微管的胞质连丝逐渐收缩。在它们发育的最后阶段，所有初生和次生形成的胞间连丝都具有几乎相同的大小和相同的结构，难以区分；5）初生胞间连丝幼时通常为单束，而大多数次生胞间连丝即使在发育早期也大多具有复杂的分支形态，但是初生和次生胞间连丝都既有简单胞间连丝类型又有分支胞间连丝类型，因此不能仅根据两者的结构进行区分，而是需要仔细追溯它们的起源进行判断。

（待续）