SCLS | 多专家联合深度解析植物细胞骨架：从细胞形态建成到作物抗逆的调控网络

植物不具备像动物一样的自由移动能力，却依然能够在复杂多变的环境中完成生长、发育和繁殖，这背后依赖的是高度精细而协调的细胞调控机制。其中，细胞骨架（cytoskeleton）作为连接细胞结构、信号传递与功能执行的核心系统，在植物生命活动中发挥着至关重要的作用。

近日，Science China Life Sciences在线发表了题为Cytoskeletal control of development and environmental adaptation in plants的综述文章。该综述由北京师范大学任海云教授牵头组织，中国农业大学毛同林教授、郭岩教授、傅缨教授、清华大学黄善金教授、中国科学院微生物研究所/山西农业大学孔照胜研究员为论文共同通讯作者；北京师范大学张毅教授、李杰婕教授、兰州大学向云教授、华中农业大学王鹏蔚教授、中国科学院植物研究所乐捷研究员和北京林业大学荆艳萍教授为论文共同第一作者。该综述系统总结了细胞骨架在植物细胞形态建成、器官发生及环境适应中的作用及其调控机制，全面介绍了激素对细胞骨架的调控作用以及细胞骨架调控农作物重要农艺性状的研究进展，并对该领域的研究前景做出了展望。

综述的第一部分对植物细胞骨架进行了概述。植物细胞骨架主要由微丝和微管构成，它们是处于持续装配、解聚和重组中的动态系统。正是这种高度动态性，使细胞骨架能够快速响应内外环境信号，并将这些信号转化为具体的细胞行为。在植物细胞中，细胞骨架广泛参与细胞分裂、细胞内运输、极性建立和信号转导等关键过程。与动物细胞不同，植物细胞缺乏典型的微管组织中心，其微管网络主要在细胞皮层形成，并与细胞壁结构紧密耦联。这一独特特性使细胞骨架在植物中不仅承担内部结构调控的功能，还直接参与细胞壁的构建与重塑，从而在更大尺度上影响植物体的形态和生长模式。

图1 细胞骨架及其调控因子

综述的第二部分对细胞骨架参与植物细胞形态建成进行了概述。细胞形态发生是植物发育的基础，而细胞骨架在这一过程中发挥着核心调控作用。通过调控细胞壁组分的定向沉积、细胞内囊泡运输以及细胞极性，细胞骨架决定了细胞是均匀扩张、定向伸长，还是形成高度极性的结构。典型例子包括根毛和花粉管等顶端生长细胞，在这些细胞中，微丝形成精细而高度有序的网络，引导分泌囊泡持续输送至生长端，从而维持细胞的快速定向延伸。与此同时，微管则通过调控纤维素微纤丝的排列方向，限制细胞扩张的空间方向，使细胞形态得以稳定维持。二者的协同作用，确保了植物细胞形态建成过程的精确性和可塑性。

图2 植物细胞中微丝和微管的空间分布

综述的第三部分是关于器官发生过程中细胞骨架的作用与调控机制。从单个细胞到完整器官，植物形态的构建离不开细胞分裂方向、细胞排列方式以及组织层次结构的精确调控。细胞骨架在器官发生过程中不仅参与单细胞层面的调控，还通过影响细胞群体行为，塑造组织和器官的整体形态。细胞骨架并非简单地执行发育指令，而是作为调控网络的重要组成部分，主动参与植物器官形态的形成与优化。在叶片、根和茎等器官的形成过程中，微管网络通过调控细胞分裂平面的取向，决定了细胞排列方式和组织结构；微丝系统则通过影响细胞间物质运输和信号传递，参与器官模式的建立。

图3 细胞骨架在器官发生中的作用及其调控机制

综述的第四部分主要讲述植物环境适应中的细胞骨架重塑。面对干旱、高盐、低温和病原侵染等环境胁迫时，植物需要迅速调整生理状态以维持生存。近年来的研究显示，细胞骨架的快速重排是植物环境适应反应中的早期事件之一。在逆境条件下，微丝和微管网络会发生显著的结构变化，这些变化不仅影响细胞形态和物质运输，还可能直接参与胁迫信号的感知和传递。

图4 不同环境响应下的细胞骨架动态与调控示意图

综述的第五部分介绍了植物激素与细胞骨架之间的调控作用。激素是调控植物生长发育和环境响应的重要信号分子，而细胞骨架正是激素信号发挥作用的重要执行平台。生长素、赤霉素、脱落酸等激素能够通过调控细胞骨架的组织状态，影响细胞扩张、分裂和分化过程。反过来，细胞骨架的动态变化也会影响激素的运输和分布，形成精细的反馈调控机制。

图5 细胞骨架和上游信号

该综述系统梳理了植物细胞骨架在细胞形态建成、器官发生以及环境适应过程中的关键作用与调控机制，为相关领域研究者提供了清晰而全面的理论框架。随着高分辨率活细胞成像技术、分子遗传学工具以及多组学分析方法的不断发展，我们期待未来关于植物细胞骨架的研究能够在解析复杂调控网络、揭示细胞结构与功能耦合机制等方面取得更多突破，并为作物抗逆性改良和农业可持续发展提供重要的理论支持。

文章全文：

https://www.sciengine.com/SCLS/doi/10.1007/s11427-024-3067-y