劉 寧 （北京師范大學(xué) 北京 100875）

胞間連絲是穿過(guò)植物細(xì)胞壁將植物細(xì)胞的原生質(zhì)連接起來(lái)的細(xì)胞質(zhì)通道。作為細(xì)胞共質(zhì)體的聯(lián)系途徑,胞間連絲為細(xì)胞間信號(hào)傳導(dǎo)、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(diào)中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

1 胞間連絲的結(jié)構(gòu)

人類最早觀察到胞間連絲是在厚壁胚乳細(xì)胞的細(xì)胞壁上。1879年,植物生理學(xué)家Tangl 在利用碘對(duì)柿等植物胚乳組織進(jìn)行染色時(shí),發(fā)現(xiàn)胚乳細(xì)胞有很多橫跨相鄰細(xì)胞壁的細(xì)胞質(zhì)絲。1901年Strasburger將這種細(xì)胞質(zhì)絲命名為胞間連絲（plasmodesma 單數(shù)，plasmodesmata 復(fù)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(jié)構(gòu)（圖1）。管道周圍的質(zhì)膜是相鄰2 個(gè)細(xì)胞質(zhì)膜的延續(xù)，中間是壓縮變形的圓柱形內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（endoplasmic reticulum，ER），稱壓縮內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（appressed ER）。壓縮內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜緊密貼合而成，直徑約為15 nm，兩端與相鄰細(xì)胞中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)囊相連，壓縮內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的內(nèi)頁(yè)（inner leaflet of ER membrane）變化形成中心棒（central rod）。壓縮內(nèi)質(zhì)網(wǎng)也稱連絲微管（desmotubule）,這是因?yàn)樵缒暧醒芯空J(rèn)為，胞間連絲中間的小管狀結(jié)構(gòu)可能是細(xì)胞分裂時(shí)紡錘絲包埋在新細(xì)胞壁中形成的，雖然后來(lái)證實(shí)情況不是這樣，但連絲微管的名詞被保留了下來(lái)。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(xì)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(gè)都是開放的。有研究認(rèn)為開放的連絲微管可能作為脂質(zhì)的運(yùn)輸通道，脂類分子的擴(kuò)散可通過(guò)連絲微管雙分子層發(fā)生。壓縮內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與質(zhì)膜之間的空間是胞質(zhì)套筒（cytoplasmic sleeve） 或稱胞質(zhì)環(huán)（cytoplasmic annulus）。通常認(rèn)為胞質(zhì)套筒是共質(zhì)運(yùn)輸?shù)闹饕ǖ?，胞質(zhì)套筒在胞間聯(lián)絲的中部略有擴(kuò)張；兩端變窄形成頸區(qū)（neck region），即所謂的頸縮（neck constrictions），可能對(duì)物質(zhì)的交流有控制的作用。頸縮處質(zhì)膜外的細(xì)胞壁物質(zhì)為胼胝質(zhì)，由胼胝質(zhì)形成了特別的細(xì)胞壁環(huán)（collars）（圖2a 的外括約?。哂欣s肌的作用。有些胞間連絲類似括約肌結(jié)構(gòu)分布在頸口周圍，例如玉米葉花環(huán)狀葉肉細(xì)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(nèi)括約?。?-2，4-5］。

圖1 胞間連絲的結(jié)構(gòu)模式圖［2］

進(jìn)一步采用冰凍固定和冰凍置換技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，在胞間聯(lián)絲中，壓縮內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的外頁(yè)（outer leaflet of ER membrane）和質(zhì)膜的內(nèi)頁(yè)（inner leaflet of plasma membrane）有球形顆粒蛋白（globular protein particles）分布，壓縮內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的蛋白顆粒螺旋狀排列，通過(guò)條形的“輻狀（spokelike）”蛋白與質(zhì)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(zhì)套筒分隔成8～10 個(gè)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(dòng)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(diào)節(jié)過(guò)程中發(fā)揮作用，進(jìn)而影響到胞間連絲的分子擴(kuò)散上限（size exclusion limit，SEL）。

圖2 胞間連絲的結(jié)構(gòu)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(zhì)分裂時(shí)，在新細(xì)胞壁上形成的胞間連絲（圖2b-h）；次生胞間連絲與胞質(zhì)分裂無(wú)關(guān)，完全從頭開始在已有的細(xì)胞壁上重新產(chǎn)生（圖2i-k）。

根據(jù)形態(tài)結(jié)構(gòu)不同，將胞間連絲分為簡(jiǎn)單的（simple）和分支的（branched）2 種類型。簡(jiǎn)單的胞間連絲是直的，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單（圖2b、c、e）；分支的胞間連絲在細(xì)胞壁的中部會(huì)形成特別大的中央腔，由中央腔向外發(fā)出多個(gè)分支，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜（圖2h、k）。

通常初生胞間連絲多為簡(jiǎn)單的胞間連絲，但隨著細(xì)胞壁的發(fā)育，進(jìn)一步也會(huì)形成分支的結(jié)構(gòu)（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(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的次生胞間連絲。因此，在胞間連絲的起源無(wú)法得到確認(rèn)時(shí)，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(xì)胞分裂過(guò)程中形成。在有絲分裂的后期，許多來(lái)自于高爾基體、含有細(xì)胞壁物質(zhì)或物質(zhì)前體的小泡，在赤道面相互融合，組裝形成細(xì)胞板。與此同時(shí)，赤道面上分布的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)小管和其周圍的細(xì)胞質(zhì)束陷入到融合的高爾基小泡中，穿過(guò)融合的高爾基小泡形成的細(xì)胞板平面。隨著細(xì)胞板的生長(zhǎng)，細(xì)胞質(zhì)束變得越來(lái)越狹窄，由原高爾基體小泡膜衍生的質(zhì)膜內(nèi)襯在胞間聯(lián)絲管的外圍，其中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)化為連絲微管，并與兩側(cè)細(xì)胞中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相連，最終成為橫貫2 個(gè)子細(xì)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(lái)源于同一前體（母）細(xì)胞的衍生（姐妹）細(xì)胞通過(guò)初生胞間連絲連接彼此。新形成的初生胞間連絲通常是簡(jiǎn)單的胞間連絲，可見到加寬的胞質(zhì)套筒。簡(jiǎn)單的初生胞間連絲在細(xì)胞壁增厚過(guò)程中進(jìn)一步被修飾成延長(zhǎng)的或分支的胞間連絲。當(dāng)新的壁物質(zhì)由高爾基小泡向細(xì)胞壁添加時(shí)，與連絲微管相連的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔被逐漸包圍，這些內(nèi)質(zhì)網(wǎng)被合并到胞間連絲的細(xì)胞質(zhì)束中，使胞間連絲隨著壁的增厚而延長(zhǎng)。合并的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)小管的形狀決定了延長(zhǎng)的胞間連絲形狀。在新形成的細(xì)胞壁部分，直線內(nèi)質(zhì)網(wǎng)小管的加入使初生胞間連絲仍然保持直線形的簡(jiǎn)單形態(tài)（圖2b、c、d左側(cè)的胞間連絲）；而分支內(nèi)質(zhì)網(wǎng)小管的加入導(dǎo)致形成了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分支胞間連絲（圖2b、c、d 右側(cè)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(diào)而產(chǎn)生。

在分支胞間連絲的中央常有一個(gè)擴(kuò)大的中央腔（central cavity，median cavities）（圖2h、k），它的形成可能是由于細(xì)胞生長(zhǎng)的過(guò)度擴(kuò)張，對(duì)細(xì)胞壁產(chǎn)生壓力，使最初形成的細(xì)胞壁層松弛所導(dǎo)致的結(jié)果。

有研究認(rèn)為，初生的分支胞間連絲也可能來(lái)源于鄰近2 個(gè)簡(jiǎn)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(kuò)張，結(jié)果，2 個(gè)簡(jiǎn)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(duì)細(xì)胞壁的壓力，使細(xì)胞壁層中間部分松動(dòng)，導(dǎo)致了這種融合。但是也有另外的觀點(diǎn)認(rèn)為，x 形或h 形的分支胞間連絲是一個(gè)由簡(jiǎn)單的胞間連絲裂開形成的一對(duì)雙胞間連絲（twinned plasmodesmata）的中間階段，結(jié)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?yàn)橛杏^察報(bào)道，在一些早期胞質(zhì)分裂的壁上，開始只有隨機(jī)分布的簡(jiǎn)單胞間連絲，迅速地轉(zhuǎn)變?yōu)殡p生胞間連絲密集排列的紋孔場(chǎng)。2 種觀點(diǎn)代表了順序完全相反的胞間連絲發(fā)育過(guò)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(xì)胞壁上新形成的細(xì)胞連接。關(guān)于次生胞間連絲形成的描述是通過(guò)嫁接結(jié)合面和原生質(zhì)體再生細(xì)胞培養(yǎng)中的研究進(jìn)行的。在嫁接面和再生細(xì)胞的異型融合壁上，相鄰細(xì)胞之間的細(xì)胞壁局部區(qū)域變薄，在變薄的細(xì)胞壁兩側(cè)，質(zhì)膜與細(xì)胞質(zhì)中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)緊密地貼附在一起；隨著壁物質(zhì)的消失，2個(gè)細(xì)胞的質(zhì)膜接觸；經(jīng)過(guò)質(zhì)膜融合及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的融合，然后降解的細(xì)胞壁的修復(fù)，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(diǎn)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)小管進(jìn)一步被合并到胞間連絲中，胞間連絲延長(zhǎng)或者結(jié)構(gòu)變得更為復(fù)雜，最終形成了具有復(fù)雜分支結(jié)構(gòu)的次生胞間連絲（圖2k）。

相鄰細(xì)胞間合作的失敗可能導(dǎo)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(jīng)常觀察到不匹配的半胞間連絲穿過(guò)一個(gè)細(xì)胞的一半細(xì)胞壁，這表明相鄰細(xì)胞間需要同步構(gòu)建2 個(gè)相對(duì)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(chǎn)生的次生胞間連絲均表現(xiàn)為正常的超微結(jié)構(gòu)。

在由不同母細(xì)胞衍生而來(lái)的相鄰細(xì)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(xì)胞之間、葉的表皮和葉肉細(xì)胞之間、次生維管組織細(xì)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(jìn)入木質(zhì)部導(dǎo)管分子的接觸壁等。而對(duì)于來(lái)源于同一前體細(xì)胞的衍生細(xì)胞，隨著細(xì)胞的生長(zhǎng)發(fā)育，細(xì)胞壁的表面積擴(kuò)大，要保持單位壁面積胞間連絲的一定數(shù)量，也會(huì)形成次生胞間連絲，只不過(guò)在這些細(xì)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(jiǎn)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(xì)胞L1 層和L2 層只進(jìn)行垂周分裂，這樣L1 細(xì)胞層和L2 細(xì)胞層之間通常不存在細(xì)胞分裂，因此它們之間由一層非分裂的細(xì)胞壁隔開。在這個(gè)特殊的非分裂界面上的胞間連絲多為簡(jiǎn)單的形態(tài)，但一定是次生起源的。隨著細(xì)胞的生長(zhǎng)分化，該細(xì)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(fù)雜的分支次生胞間連絲占主導(dǎo)地位,在表皮與皮下組織之間的細(xì)胞壁上偶爾會(huì)觀察到半胞間連絲。這些結(jié)果表明不同形態(tài)類型的次生胞間連絲是在細(xì)胞壁延展生長(zhǎng)過(guò)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(fù)雜的分支胞間連絲可能是從簡(jiǎn)單的次生胞間連絲結(jié)構(gòu)修飾而發(fā)展而來(lái)，其修飾過(guò)程與簡(jiǎn)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(guò)程 初生胞間連絲的形成與胞質(zhì)分裂相關(guān)，次生胞間連絲在已有的細(xì)胞壁上形成。以前認(rèn)為兩者可能通過(guò)不同的過(guò)程完成，但現(xiàn)在越來(lái)越多的證據(jù)顯示，一種共同的機(jī)制參與了初生胞間連絲的建立和修飾，以及次級(jí)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(xì)胞壁生長(zhǎng)過(guò)程中形成，可能先前存在細(xì)胞壁的在重建之前需要局部變松變薄，有局部細(xì)胞壁降解酶的活動(dòng)，包括纖維素酶、果膠酶和半纖維素酶等；2）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)小管被動(dòng)地困在融合的高爾基囊泡中，囊泡釋放新的壁物質(zhì)，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(zhì)膜，質(zhì)膜沿著胞間連絲束排列。包繞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)小管發(fā)育為胞間連絲的連絲微管。4）在壁生長(zhǎng)過(guò)程中，包圍著連絲微管的胞質(zhì)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(jié)構(gòu)，難以區(qū)分；5）初生胞間連絲幼時(shí)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(fù)雜的分支形態(tài)，但是初生和次生胞間連絲都既有簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)分，而是需要仔細(xì)追溯它們的起源進(jìn)行判斷。

（待續(xù)）