拉曼光谱技术在植物细胞壁中的应用以及展望

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1、拉曼光谱技术在植物细胞壁研究拉曼光谱技术在植物细胞壁研究 中的应用以及展望中的应用以及展望 细胞生物学 2014年4月8日 目录 一、维管形成层及木质部细胞细胞壁概述 二、拉曼光谱技术原理及可用于研究植物细胞壁的拉曼显微技术 三、如何利用拉曼光谱技术研究植物细胞壁 2 ?截至 2010年，全世界石油储藏量为 13830亿桶，日消耗量为 8740万桶；天然气储量为 187.1万亿立方米，年消耗量为 3.1万亿立方米；煤炭储量为 8600亿吨，年消耗量为 72.7亿吨（statistical review of world energy full report 2011）。不断增加的能源消耗量使石

2、油，天然气和煤炭资源在 最多43 年，62 年和 120 年后将枯竭。 ?世界靠科技、工具与能源来改变，工业革命、科技革命和信息革命都改变了世界格局，当今的世界格局是西方掌握的先进科技与发达信息以及石油、天然气的分布划分而成的。而下一场能源革命已经悄悄在美国和加拿大展开 ?页岩气！美国已经拥有了生产页岩气的技术与批量生产的能力，五年之后就将生产出足以替代石油的新型清洁能源，加上美国国内的石油与天然气开发也逐步启动，二战后按石油储藏与生产、使用来划分的世界格局即将破局，中东的地位大幅下降，甚至会沦为一个乱摊子；俄罗斯靠出口石油的经济将会一蹶不振。互联网大数据时代让世界从此没有孤岛，能源革命直接决

3、定世界的未来！ ?仅仅是页岩气革命么？不！核能不可再生而且存在风险，太阳能，风能，地热能，尤其是生物质能植物利用太阳能，通过碳同化的过程将吸收的二氧化碳转变为有机物，储存于植物体内。生物质能的形成过程由植物体自身完成，同时消耗掉大气中的二氧化碳，维持大气平衡。同时全世界范围内生物质资源总量十分丰富。木材是人们利用生物质能源的主要形式 。木材即植物的次生木质部，它由木本植物的一种侧生分生组织维管形成层活动而 产生，因此对维管形成层发育与遗传调控的研究是使人们了解木材形成，提高木材产量和利用率的基础。 要解决的问题 ? 木材形成与形成层的活动紧密相连 ? 木材的次生木质部是形成层细胞分裂形成的,形

4、成层在活动期内的活动变化不仅影响着木质部细胞形成的数量,同时决定着木材的构造和其物理化学性能。 ? 形成层紡錘形细胞是如何分化出各种类型样式的木质部细胞? ? 分化出来的木质部细胞是怎么生长的,其在发育过程中会发生什么的变化?而这些变化又与什么因素有关? ? 从细胞生物学和解剖形态学的水平来看，木材生长发育形成过程中细胞形态结构发生了哪些变化？ ? 在细胞水平和组织水平上来说，木材生长过程中发生了哪些细胞力学性质和化学成分分布的变化？ ? 这些问题,对于实现木材性质的改良和定向培育提供重要的理论依据。 1.1 木质部细胞的细胞壁结构 ? 胞间层(intercellular layer) 细胞胞

5、间层(intercellular layer)在分裂时，最初形成的一层是由果胶质组成的细胞板(cell plate)，它把两个子细胞分开，这层就是胞间层，又称中层(middle lamella)。 ? 初生壁(primary wall) 随着子细胞的生长，原生质向外分泌纤维素，纤维素定向地交织成网状，而后分泌的半纤维素、果胶以及结构蛋白填充在网眼之间，形成质地柔软的初生壁。 ? 次生壁(secondary wall) 很多细胞只有初生壁，如分生组织细胞、胚乳细胞等。但是，某些特化的细胞，例如纤维细胞、管胞、导管等在生长接近定型时，在初生壁内侧沉积纤维素、木质素等次生壁物质，且层与层之间经纬交错

6、。由于次生壁质地的厚薄与形状的差别，分化出不同的细胞，如薄壁细胞、厚壁细胞、石细胞等. ? 形成层细胞分化为未成熟木质部细胞，未成熟木质部细胞继续分化。其中包括细胞壁沉积的重要过程 ML 胞间层；CW1 初生壁；S1 次生壁外层； S2 次生壁中层； S3 次生壁内层 1.2 细胞壁结构成分 ?构成细胞壁的成分中，多糖，蛋白质、酶类以及脂肪酸等 细胞壁中的多糖主要是纤维素、半纤维素和果胶类 纤维素构成微团，微团组成微纤丝，微纤丝再组成大纤丝，构成细胞壁支架 次生细胞壁中还有大量木质素 1.3 细胞壁形成 ?细胞壁的形成是多种细胞器配合作用的结果。 ?新细胞壁的形成开始于细胞分裂的晚后期或早期。

7、 ?细胞分裂时，在母细胞的赤道板面上，分泌囊泡(secretory vesicles)不规则地汇聚在一块，逐渐整齐地排列成片，组成成膜体(phragmoplast)。成膜体中的囊泡膜相互融合与连接形成细胞的质膜，其中的内含物连成一体构成细胞板，这是雏形的中层结构。 ?细胞板组成后，高尔基体小泡运输造壁物质释放到质膜外，以充实新形成的壁。当细胞板中逐渐有果胶质和少量纤维素分子不断地填充和掺入时便构成了中层，在中层两侧陆续有纤维素和半纤维素等物质的沉积则形成了质地柔软的初生壁，这时两个子细胞便形成。 ?此后，大多数细胞的初生壁内侧又分层、定向地沉积着纤维素分子，它们经纬分明地交叉加固，这是增强植物

8、体支持能力的重要基础。纤维素分子的定向分层沉积与微管的活动有关，秋水仙素(colchicine)可阻止微管的形成，抑制纤维素分子的定向排列。 ?微管的另一个重要作用是使新形成的细胞板上保留某些通道，参与胞间连丝的形成，使原生质在两个子细胞间能保持联系。 1.4 胞间连丝 ?当细胞板尚未完全形成时，内质网的片段或分支，以及部分的原生质丝 (约400nm)留在未完全合并的成膜体中的小囊泡之间，以后便成为两个子细胞的管状联络孔道，这种穿越细胞壁、连接相邻细胞原生质 (体)的管状通道被称为胞间连丝 (plasmodesma) 。 ?胞间连丝的数量和分布与细胞的类型，所处的相对位置和细胞的生理功能密切相

9、关。 ?胞间连丝的功能：物质交换 &信号传递 1.5 细胞壁的功能 对于细胞壁的功能，目前较肯定的有以下几个方面： ? 维持细胞形状，控制细胞生长 细胞壁增加了细胞的机械强度，并承受着内部原生质体由于液泡吸水而产生的膨压，从而使细胞具有一定的形状，这不仅有保护原生质体的作用，而且维持了器官与植株的固有形态。另外，细胞壁控制着细胞的生长，因为细胞要扩大和伸长的前提是要使细胞壁松驰和不可逆伸展。 ? 物质运输与信息传递 细胞壁允许离子、多糖等小分子和低分子量的蛋白质通过，而将大分子或微生物等阻于其外。因此，细胞壁参与了物质运输、降低蒸腾作用、防止水分损失(次生壁、表面的蜡质等)、植物水势调节等一系

10、列生理活动。细胞壁上纹孔或胞间连丝的大小受细胞生理年龄和代谢活动强弱的影响，故细胞壁对细胞间物质的运输具有调节作用。另外，细胞壁也是化学信号(激素、生长调节剂等)、物理信号(电波、压力等)传递的介质与通路。 ? 防御与抗性 细胞壁中一些寡糖片段能诱导植保素（phytoalexin）的形成，它们还对其它生理过程有调节作用，这种具有调节活性的寡糖片断称为寡糖素(oligosaccharin)。 光谱分类发射光谱 2 拉曼光谱技术原子发射光谱（AES）、原子荧光光谱（AFS）、X射线荧光光谱法（XFS）、分子荧光光谱法（MFS）等 吸收光谱 紫外可见光法（UV-Vis）、原子吸收光谱（AAS）、红外

11、观光谱（IR）、核磁共振（NMR）等 联合散射 光谱 拉曼散射光谱（Raman） 2.1拉曼散射效应的发现19231923年，德国物理学家年，德国物理学家A.SmekalA.Smekal从理论上预言了光的非弹性散射的存在。从理论上预言了光的非弹性散射的存在。 （A. Smekal，Nature 11 (1923) 873） 19281928年，印度物理学家年，印度物理学家C. V. RamanC. V. Raman在用汞灯的单色光来照射在用汞灯的单色光来照射CClCCl4 4液体时，在液体的散射光中观测到了频率液体时，在液体的散射光中观测到了频率低于入射光频率的新谱线。在拉曼等人宣布了他们的发

12、现的几个月后，苏联物理学家兰德斯别尔格等也独低于入射光频率的新谱线。在拉曼等人宣布了他们的发现的几个月后，苏联物理学家兰德斯别尔格等也独立地报道了晶体中的这种效应的存在。立地报道了晶体中的这种效应的存在。（C.V. Raman, K.S. Krishman, Nature 121(1928) 501） 光照射到物质上时会发生非弹性散射，散射光中除有与激发光波长相同的弹性成分（瑞利散射）外，光照射到物质上时会发生非弹性散射，散射光中除有与激发光波长相同的弹性成分（瑞利散射）外，还有比激发光波长长的和短的成分，后一现象统称为拉曼（还有比激发光波长长的和短的成分，后一现象统称为拉曼（RamanRam

13、an）效应。）效应。 从理论到技术拉曼散射效应的进展?1928928年，年，印度物理学家印度物理学家 拉曼（拉曼（C.V.RamanC.V.Raman ）首次发现拉曼散射效应，荣获首次发现拉曼散射效应，荣获 19301930年的诺贝尔物年的诺贝尔物理学奖，拉曼也成为自然科学亚洲诺奖第一人。理学奖，拉曼也成为自然科学亚洲诺奖第一人。 ?1928-19401928-1940 年，年，拉曼光谱成为研究分子结构的主要手段。因为拉曼光谱频率及强度、偏振等拉曼光谱成为研究分子结构的主要手段。因为拉曼光谱频率及强度、偏振等标志着散射物质的性质。从这些资料可以导出物质结构及物质组成成分的知识。这就是拉曼标志着

14、散射物质的性质。从这些资料可以导出物质结构及物质组成成分的知识。这就是拉曼光谱具有广泛应用的原因。光谱具有广泛应用的原因。 ?1940-19601940-1960 年，年，拉曼光谱的地位一落千丈。主要是因为拉曼效应太弱（约为入射光强的拉曼光谱的地位一落千丈。主要是因为拉曼效应太弱（约为入射光强的1010- -6 6），并要求被测样品的体积必须足够大、无色、无尘埃、无荧光等。），并要求被测样品的体积必须足够大、无色、无尘埃、无荧光等。4040年代中期，红外技术年代中期，红外技术的进步和商品化更使拉曼光谱的应用一度衰落。（原始的拉曼光谱以汞弧灯为光源的进步和商品化更使拉曼光谱的应用一度衰落。（原始

15、的拉曼光谱以汞弧灯为光源, ,用常规摄用常规摄谱仪做色散系统谱仪做色散系统 , ,出现的谱线极其微弱出现的谱线极其微弱 , ,限制了拉曼光谱的发展。）限制了拉曼光谱的发展。） ?19601960年以后，年以后，激光技术的发展使拉曼技术得以复兴。由于激光束的高亮度、方向性和偏振性激光技术的发展使拉曼技术得以复兴。由于激光束的高亮度、方向性和偏振性等优点，成为拉曼光谱的理想光源。而过滤器的发展过滤掉瑞利散射，计算机技术的发展使等优点，成为拉曼光谱的理想光源。而过滤器的发展过滤掉瑞利散射，计算机技术的发展使大数据分析成为可能。随探测技术的改进和对被测样品要求的降低，目前在物理、化学、生大数据分析成为

16、可能。随探测技术的改进和对被测样品要求的降低，目前在物理、化学、生物、工业等各个领域拉曼光谱得到了广泛的应用，越来越受研究者的重视。并且形成了一门物、工业等各个领域拉曼光谱得到了广泛的应用，越来越受研究者的重视。并且形成了一门光谱学的分支光谱学的分支拉曼光谱学。拉曼光谱学。 重要学术会议重要学术会议 ： 国际拉曼光谱学大会国际拉曼光谱学大会 (Thelnternational Confer-enceon Raman Spectroscopy,ICORS) 2.2拉曼(Raman)光谱基本原理 拉曼光谱是研究分子和光相互作用的散射光的频率 散射光 入射光 ?0透射光 ?0散射是光子与分子发生碰撞

17、的结果 瑞利（rayleigh）散射： 弹性碰撞；无能量交换，仅改变方向； 拉曼（raman）散射： 非弹性碰撞；方向改变且有能量交换； 激发虚态 E1 + h? ?0 E0 + h? ?0 h? ?0 h? ?0 E1 E0 h? ?0 V=1 V=0 h(? ?0 - ? ) h(? ?0 + ? ) h ? Rayleigh散射散射 Raman散射散射 E0基态， E1振动激发态； E0 + h? ?0 ， E1 + h? ?0 激发虚态； 获得能量后，跃迁到激发虚态. Raman散射: Raman散射的两种跃迁能量差： ? ?E=hE=h( (? ?0 0 - - ? ) ) 产生产生

18、stokesstokes 线；强线；强；基态分子多；基态分子多； ? ?E=hE=h( (? ?0 0 + + ? ) ) 产生产生anti-stokesanti-stokes 线线；弱；弱； RamanRaman位移：位移： RamanRaman散射光与入射散射光与入射光频率差光频率差? ； E1 + h? ?0 E2 + h? ?0 h(? ?0 - ? ) E1 V=1 V=0 h? ?0 h(? ?0 + ? ) E0 h ? STOKES Rayleigh ? ?0 - ? ? ?0 ANTI-STOKES ? ?0 + ? 斯托克斯线和反斯托克斯线统称为拉曼谱线。由于在通常情况下，

19、分子绝大多数处于振动能级基态，所以斯托克斯线的强度远远强于反斯托克斯线。 CCl4的拉曼光谱 Rayleigh scattering Stocks lines anti-Stockes lines /cm-1 拉曼位移（Raman shift） v即散射光频率与激发光频之差。 由于拉曼位移v只取决于散射分子的结构而与vo无关，所以拉曼光谱可以作为分子振动能级的指纹光谱。 与入射光波长无关 适用于分子结构分析 2000020000 甲醇vs. 乙醇 拉曼是指纹光谱 15000 1500010000 100005000 50000 CH3OH vs. CH3CH2OH CH3 Stretching

20、 Modes OH Bending CCO CH3 and CH2 Skeletal modes Bending Modes OH Bending stretching 500 1000 1500 2000 2500 3000 5001000150020002500300035003500 ? ?i = ? ?o-? ? (cm-1) Intensity (A.U.) 02.3拉曼光谱的特征 ?对不同物质Raman 位移不同； ?对同一物质 ? 与入射光频率无关 ；是表征分子振 -转能级的特征物理量；是定性与结构分析的依据； ?拉曼线对称地发布在瑞利线两侧，长波一侧为斯托克斯线，短波一侧为反斯

21、托克斯线； ?斯托克斯线强度比反斯托克斯线强 2.4拉曼光谱技术在植物学研究中的优势 ?分辨率高（at the micrometer level ;0.5um ） 由于激光束的直径在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米,所以,常规拉曼光谱只需要少量的样品就可以得到。 而且,拉曼显微镜物镜可以将激光束进一步聚焦至20微米甚至更小,因此可分析更小体积的样品。 ?非损伤性测量（比如超薄切片用锇酸） ?样品用量少（ug级） 由于激光束的直径在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米,所以,常规拉曼光谱只需要少量的样品就可以得。而且,拉曼显微镜物镜可以将激光束进一步聚焦至20微米甚至更小,因此可分析更小体积的样

22、品。 ?灵敏度高 利用共振拉曼效应,可以用来有选择性地增强大生物分子特个发色基团的振动,这些发色基团的拉曼光强能被选择性地增强1000到10000倍。 ?不受水溶液影响（水的红外吸收非常强烈） ?固体样品可直接测定，无需制样 2.5 适用于植物细胞壁研究的 拉曼光谱显微技术 ?傅立叶变换拉曼光谱分析技术( FTIR) ?共振拉曼光谱技术( RRS) ?表面增强拉曼光谱技术( SERS) ?针尖增强拉曼光谱技术（TERS） ?共聚焦显微拉曼光谱技术( CRM) ?受激拉曼散射光谱技术（SRS） ?相干反斯托克斯拉曼散射光谱技术（CARS） 傅立叶变换拉曼光谱分析技术( FTIR) 简介 835c

23、m-1:果胶多糖 1541cm-1,1650cm-1可能有细胞质蛋白 1734cm-1，1240cm-1：木聚糖 1629cm-1：非常复杂 Micro-Raman 简介 ?一个 MCF-7 细胞的Micro-Raman ，以及随后的定量分析 (A & B) Visible image of an MCF-7 cell and chemical imaging specific for the intensity of CH stretching throughout the cell (80 ? 80 pixels and a 0.5 mm spot size). (C) Hierarchi

24、cal clustering of the spectral image specific for the fingerprint region (1800675 cm?1) displays the localities of sub-cellular components. Clustering可以用来量化亚细胞成分，就像细胞核 , 在这个细胞的例子里占了 12% (768 像素) 表面增强拉曼(SERS)简介 ? 优势：可以得到常规技术不易得到的信息 ? 什么是表面增强? SERS 效应是在激发区域内，由于样品表面或近表面的电磁场的增强导致的拉曼散射信号极大的增强。 ? 怎么得到表面增强

25、? 远小于激发波长的金属颗粒(Au, Ag)会使电磁场增强，增强的电磁场可以使在金属颗粒表面的分子拉曼信号极大的增强目前吸附分子产生表面增强拉曼散射的金属 激光激发了金属表面的等离子体 、K、In、 Al、Pt、 有Ag、Au、Cu、 Li 、Na Rh、 Ni|、 Ti、Hg、Cd、Pd等，化合物有TiO2、NiO等 针尖增强拉曼光谱技术（TERS）简介 扫描探针技术扫描探针技术(SPM ) 相干拉曼散射显微术（CARS&SRS）简介 CARS优势：高灵敏度，高空间分辨率，高时间分辨率 ?可以对脂类等小分子成像，重要的生命物质脂类进行观察。（谢晓亮院士说，因为美国人比较胖，所以 ） ?可以通

26、过选择振动光谱，对体内特定小分子物质如药物，或者生物大分子如核酸蛋白质进行无需标记的成像，是重要的活体成像手段 ?可以进行视频速率的活体监测 ?可以很好的研究植物细胞壁中木质素的分布，有助于理解生物质转换过程中的各种处理与反应的发生机理 SRS优势：比CARS更灵敏，且可以完成定量分析 1999年，谢晓亮实验室采用新的激光控制技术，使 CARS显微术走向实用 2009年，谢晓亮实验室开发出 SRS显微镜，很大程度上弥补了 CARS的不足 CARS与SRS技术的创立者谢晓亮，纵横生命科学世界的华人 美国国家科学院院士，哈佛大学终身教授，Nature杂志编委 http:/www.chem.harv

27、ard.edu/research/faculty/sunney_xie.php 闵玮，哥伦比亚大学教授。博后期间以第一作者发表有关SRS显微技术 CARS tissue image of small adipocytes of the subcutaneous layer from mouse ear tissue. The image was taken at a Raman shift of 2845 cm-1 to address the CH2 stretching frequency. ?RNAi screening of new fat storage regulatory gen

28、es based on in vivo lipid quantification using label-free SRS microscopy. SRS images at 2845 cm-1 for wild-type worm (a), the daf-2 mutant (b), and the transgenic worm intestinally overexpressing the lipase (c). (d) Quantification of fat content by SRS (n = 5 worms) and thin-layer chromatographygas

29、chromatography. (e) SRS signal increase compared to the control for genes that resulted in a fat content increase of more than 25% when inactivated by RNAi (P 0.0001, n = 5 worms). 3 拉曼光谱在植物细胞壁中的应用 ? 细胞壁成分很复杂，是一种纳米复合材料，微纤丝嵌入在不同基体复合物中（纤维素，果胶，木质素），得到的光谱是多种物质光谱的重叠。 ? 植物的形状和机械强度由植物细胞壁决定，而植物细胞壁是由结构组件在复杂组

30、合而成。细胞壁必须能够增长，因此,细胞壁具有灵活性和弹性。 ? 细胞壁的功能特性不仅取决于细胞壁的聚合物组成,还在于聚合物大分子结构和构象,和从几纳米尺度(即规模略高于分子)到几微米高度有序的架构。而利用经典的化学技术来处理细胞壁聚合物会让这些细节丢失。 ? 因此光谱方法发挥了重要作用检查植物细胞壁的原生状态。不仅化学成分本身的利益,还构造和组成与细胞壁层以及不同聚合物的取向和变形的变化。 ? 关于细胞壁的主体结构的研究已经完成,在接下来的重点将次要的植物纤维以及更细小更细节的部分。 3.1微纤丝 存在的技术难点： ?如果有合适的角度，拉曼光谱的强度取决于微纤丝之间的角度和激光偏振方向。 ?改

31、变激光偏振平行(0)垂直于纤维轴(90)会导致几乎所有带非常大的拉曼强度的变化，因此,在每一个植物细胞壁拉曼实验中,纤维方向(轴)和激光偏振调整在一个已知或者定义的角度。 可以研究的内容： ?可以由于纤维取向的改变造成的强度变化,由此发生不同的纤维素含量 ?次生细胞壁内的纤维素纤维与纤维轴变化之间的不同的壁层(S1-S2-S3),可以通过拉曼成像可视化观察 ?值得注意的纤维取向的变化往往对应于纤维素结晶度的变化 3.2细胞壁聚合物 纤维素半纤维素较为复杂，而幸运的是木质素和果胶都有非常明显的特征峰，因此可以利用拉曼光谱来研究。(图示杨树木材截面的拉曼图像) ?3.3细胞壁分子的取向 细胞壁组件

32、是高度有组织的，可以通过激光平行和垂直于纤维轴来验证，而研究细胞壁分子的取向。 R.H. Atalla and U.P. Agarwal, Science 227 (1985), 636638. 3.5力学上的应用 ? 监测分子压力 在分子水平上的力学压力监测，给分子变形 Experiments on different cell wall types during deformation will help to deepen the micromechanical understanding of plant cell walls and its macromolecules. This

33、technique can also give important insights into the micromechanics of other biomaterials, e.g. of spider silk and of newly created bioinspired composites. ? 识别和定位植物代谢产物 ? 识别植物中的矿物质 3.6 细胞壁毒理 ?植物的环境毒理方面。具有代表性的是Kamnev 等对植物根际细菌的重金属培养实验, 研究表明细菌的细胞壁或膜积累重金属可以引起其拉曼谱线的变化, 提示拉曼光谱技术在植物细胞壁环境毒理方面应用具有可能性 Kamnev

34、A A. Journal of Molecular Structure, 2002, 610( 1- 3) : 127- 131. 3.7 细胞壁无标记成像 展望1 ?2014.3.2 Nature Method ?哥伦比亚大学 prof.Wei Min(闵玮) 将受激拉曼散射显微镜技术，与一种小型但非常有活力的炔烃标记（即CC，碳碳三键）相结合，C = C是一种化合物键，当其拉伸时，会以独特的“频率”（不同于细胞内的自然分子）发出强烈的拉曼散射信号。活细胞 全程可视化跟踪生命过程 ?SRS显微镜可捕获小分子携带的CC键的独特拉伸运动，生成活细胞和动物体内分子的三维图像 ?闵玮说：“我们的新技

35、术将开启用其他方式难以实现的、针对活细胞和动物中一些生物小分子的许多研究。除了基础研究，我们的技术还可能大大推动转化应用。我相信SRS成像炔烃标记能够像GFP荧光团荧光成像一样，在大型物种中成像生物小分子。” 展望2 RRS 可提供花青素糖基化修饰的典型光谱变化特征。这为次生产物的酶代谢调控机制研究提供了手段, 植物次生代谢产物定位的无损分析较多集中在植物器官水平。 那么，甲基化，磷酸化修饰的光谱变化特征？能否用拉曼光谱技术观察甲基化磷酸化？ ?细胞壁的结构成分 1.纤维素 纤维素(cellulose)是植物细胞壁的主要成分，它是由1 00010 000个-D-葡萄糖残基以-1,4-糖苷键相连

36、的无分支的长链。分子量在50 000400 000之间。纤维素内葡萄糖残基间形成大量氢键，而相邻分子间氢键使带状分子彼此平行地连在一起，这些纤维素分子链都具有相同的极性，排列成立体晶格状，可称为分子团，又叫微团(micellae)。微团组合成微纤丝(microfibril)，微纤丝又组成大纤丝(macrofibril)，因而纤维素的这种结构非常牢固，使细胞壁具有高强度和抗化学降解的能力。 存在于细胞壁中的纤维素是自然界中最丰富的多糖。据推算，每年地球上由绿色植物光合作用生产的纤维素可达1011t之多，而1990年全球粮食产量只有2.2109 t。如何把纤维素转化成为人类可利用的食物或者有效能源

37、，是人们长期渴望解决的重大课题！ ?2.半纤维素 半纤维素(hemicellulose)往往是指除纤维素和果胶物质以外的，溶于碱的细胞壁多糖类的总称。半纤维素的结构比较复杂，它在化学结构上与纤维素没有关系。不同来源的半纤维素，它们的成分也各不相同。有的由一种单糖缩合而成，如聚甘露糖和聚半乳糖。有的由几种单糖缩合而成，如木聚糖、阿拉伯糖、半乳聚糖等。半纤维素在纤维素微纤丝的表面，它们之间虽彼此紧密连接，但并非以共价键的形式连接在一起。因此，它们覆盖在微纤 ?3.果胶类 果胶物质(pectic substances)也是细胞壁的组成成分。胞间层基本上是由果胶物质组成的，果胶使相邻的细胞粘合在一起。

38、果胶物质是由半乳糖醛酸组成的多聚体。根据其结合情况及理化性质，可分为三类：即果胶酸、果胶和原果胶。 (1)果胶酸 果胶酸(pectic acid)是由约100个半乳糖醛酸通过-1，4-键连接而成的直链。果胶酸是水溶性的，很容易与钙起作用生成果胶酸钙的凝胶。它主要存在于中层中。 (2)果胶 果胶(pectin)是半乳糖醛酸酯及少量半乳糖醛酸通过-1，4-糖苷键连接而成的长链高分子化合物，分子量在25 00050 000之间，每条链含200个以上的半乳糖醛酸残基。果胶能溶于水，存在于中层和初生壁中，甚至存在于细胞质或液泡中。 (3)原果胶 原果胶(protopectin)的分子量比果胶酸和果胶高，

39、甲酯化程度介于二者之间，主要存在于初生壁中，不溶于水，在稀酸和原果胶酶的作用下转变为可溶性的果胶。果胶物质分子间由于形成钙桥而交联成网状结构。它们作为细胞间的中层起粘合作用，可允许水分子自由通过。果胶物质所形成的凝胶具有粘性和弹性。钙桥增加，细胞壁衬质的流动性就降低；酯化程度增加，相应形成钙桥的机会就减少，细胞壁的弹性就增加。 ? 4.木质素 木质素(lignin)不是多糖，是由苯基丙烷衍生物的单体所构成的聚合物，在木本植物成熟的木质部中，其含量达18%38%，主要分布于纤维、导管和管胞中。木质素可以增加细胞壁的抗压强度，正是细胞壁木质化的导管和管胞构成了木本植物坚硬的茎干，并作为水和无机盐运

40、输的输导组织。 ? 5.蛋白质与酶6.矿质 细胞壁的矿质元素中最重要的是钙。据研究，壁中Ca2+浓度远远大于胞内，估计为10-510-4molL-1，所以细胞壁为植物细胞最大的钙库。钙调素(calmodulin,CaM)在细胞壁中也被发现，如在小麦细胞壁中已检测出水溶性及盐溶性两种钙调素。 激光器试样室单色仪 如具有外激光器；30 nmAr，激光器一般在351 nm发射线的紫488.0nm, 514.5nm而Nd:YaG (钇铝石榴石等可见区发光；)激光器则在1064 nm的近红外区使用。 ?发射透镜 使激光聚焦在样品上 ?收集透镜 使拉曼光聚焦在单色仪的入射狭缝 ?仪器心脏 ?1个光栅，2个

41、狭缝 ?减少杂散收光 2.4拉曼光谱技术在植物学研究中的优势 1、水的拉曼散射强度很微弱 ,生物大分子处于水溶液中，因此拉曼光谱是研究水 溶液中的生物样品和化学化合物的理想工具。 2、拉曼一次可以同时覆盖很广波数的区间 ,可对有机物及无机物等多种物质进行分析。相反 ,若让红外光谱覆盖如此广阔的区域则必须改变各种器件的参数 ,相比较而言程序复杂不具有通用性。 3、拉曼光谱的谱峰清晰尖锐 ,适合定量研究以及运用差异分析进行定性研究。在化学结构分析中 ,独立的拉曼区间的强度和功能集团的数量相关。 生物分子鉴定 拉曼光谱法对于蛋白质中的酪胺酸可以测出它是埋藏在內或暴露于外。如果酪胺酸是被埋藏在內部，則

42、它可做为强的氢键供给者（即提供氢原子給临近的氢鍵接受者）。此时拉曼光谱上850cm-1/830cm-1为的比值反之，若酪胺酸暴露在蛋白质外部，0.5，即830cm-1的光谱峰较高。 則比值将升高，亦即850cm-1峰较高。 的光谱同 同属分子振(转)动光谱 红外：适用于研究不同原子的极性键振动异：红外 分子对红外光的吸收 强度由分子偶极距决定OH, CO，CX 拉曼：适用于研究同原子的非极性键振动异：拉曼 分子对激光的散射 强度由分子极化率决定 NN, CC 互补 同 同属分子振(转)动光谱 红外：适用于研究不同原子的极性键振动异：红外 分子对红外光的吸收 强度由分子偶极距决定OH, CO，C

43、X 拉曼：适用于研究同原子的非极性键振动异：拉曼 分子对激光的散射 强度由分子极化率决定 NN, CC 互补 拉曼光谱与红外光谱的关系 O=C=O 对称伸缩 偶极距不变无红外活性 极化率变有拉曼活性 O=C=O 反对称伸缩 偶极距变有红外活性 极化率不变无拉曼活性 互排法则：有对称中心的分子其分子振动 对红外和拉曼之一有活性，则另一非活性 互允法则：无对称中心的分子其分子振动 对红外和拉曼都是活性的。 参考资料 Fig. 2 Raman images of the aerenchymatic parenchyma, sclerenchyma and a vascular bundle at p

44、osition 1 (P1) calculated by integrating from 2,769 to 3,087 cm-1 (apolymers witha main part of c all cell wall cellulose), from 1,075 to 1,114 cm-1 (df changes in cellulose orientation), from 842 to 872 cm-1 (gfrom i pectin) and 1,641 to 1,546 cm-1 (jl lignin) Fig. 3 Raman images of the squeezed pa

45、renchyma at position 3 (P3), the sclerenchyma and vascular bundle at position 4 (P4) calculated by integrating from 2,769 to 3,087 cm-1 (ac all cell wall polymers witha main part of cellulose), from 1,075 to 1,114 cm-1 (d f changes in cellulose orientation), from 842 to 872 cm-1 (g i pectin) and fro

46、m 1,641 to 1,546 cm-1 (j l lignin) ? SRS tissue imaging of fresh mouse skin. For the acquisition of this image stack in mouse ear, SRL image contrast was tuned into the CH2-stretching vibration. As such, lipid rich structures of the skin were highlighted. From top (beginning of the movie) to bottom

47、(end of the movie): ? Polygonal intercellular space of the stratum corneum ? Viable epidermis with hair follicle ? Sebaceous gland ? The image stack was taken on fresh tissue, without any preparation or labeling. 拉曼显微应用等植物很远,从结构的调查 聚合物对矿物质代谢产物。化学和结构信息可以获得 原生状态没有任何染色和复杂的样品制备。 NIRFT的引入 拉曼技术导致许多应用程序在绿色

48、植物通过消除的问题 样品荧光。 而对于映射和成像全植物器官(种子、水果、树叶)外侧 决议NIR-FT技术是足够的,细胞的低层次水平调查 和细胞壁需要获得的高分辨率的可见激光系统。 化学成像 研究木材细胞壁说明暴露在化学变化的巨大潜力和方向 高空间分辨率( 1m)。除了计算化学图像,显示了 各种官能团的强度分布归因于细胞壁聚合物,潜在的光谱 可以从非常定义区域和协助数据分析,给更多的见解。 3.4 ? CRM 技术成功产生了黑云杉植物细胞壁木质素和纤维素的分布图像和白杨的木材细胞壁的结构 26, 27 ? Aga rwal U P. Raman imaging to investigate ul

49、trastructur e and composition of plant cell walls: ? distr ibution of lignin and cellulose in black spruce ? wood ( Picea ma ria na ) J . Planta, 2006, 224 ? ( 5) : 1141- 1153. ? Gierlinger N, Schwanninger M. Chemical ima2 ? ging of popla r wood cell walls by confocal Raman ? microscopy J . Plant Physiology, 2006, 140 ? ( 4) : 1246- 1254.