植物細胞壁是植物細胞最外層的重要結(jié)構(gòu)，不僅在維持細胞形態(tài)、支撐植株生長方面發(fā)揮基礎(chǔ)作用，同時也是影響木質(zhì)纖維利用效率、生物質(zhì)能源開發(fā)及作物抗逆性能的關(guān)鍵物質(zhì)基礎(chǔ)。然而，細胞壁由纖維素、半纖維素、果膠及木質(zhì)素等多種高分子復(fù)雜交織而成，其在不同發(fā)育階段及不同細胞類型中的化學(xué)組成和空間分布具有高度動態(tài)性與異質(zhì)性。然而，由于空間分辨率與化學(xué)特異性難以兼顧，原位解析細胞壁復(fù)雜化學(xué)組成與動態(tài)裝配，一直是植物科學(xué)的核心技術(shù)瓶頸。

近日，北京林業(yè)大學(xué)林金星團隊在國際權(quán)威期刊Trends in Plant Science在線發(fā)表題為Beyond static structure: high-throughput chemical cartography of dynamic cell wall assembly的技術(shù)前沿論文（Technology of the Month）。該研究圍繞如何實現(xiàn)細胞壁化學(xué)組成的高分辨、動態(tài)與高通量解析這一關(guān)鍵問題，提出了一種融合共聚焦拉曼顯微技術(shù)（confocal Raman microscopy, CRM）與受激拉曼散射成像（stimulated Raman scattering, SRS）的高通量化學(xué)成像策略，構(gòu)建了面向植物細胞壁復(fù)雜體系的多維解析新框架，實現(xiàn)了多組分的原位、動態(tài)與高分辨表征，突破了傳統(tǒng)依賴染色或單一成像手段的靜態(tài)觀察局限。這是該研究團隊繼Trends in Plant Science (2019), SCIENCE CHINA-Life Sciences (2024) 后，第三次就植物活細胞檢測細胞壁撰寫相關(guān)論文。

在技術(shù)層面，該研究充分發(fā)揮CRM與SRS兩種成像手段的互補優(yōu)勢：CRM能夠獲取完整的分子“指紋譜”信息，用于識別未知或復(fù)雜聚合物；而SRS則可針對特定化學(xué)鍵實現(xiàn)視頻速率的快速成像，從而滿足大尺度樣本篩選與動態(tài)過程觀測的需求。在此基礎(chǔ)上，研究進一步結(jié)合主成分分析（PCA）與K-means聚類等無監(jiān)督學(xué)習(xí)方法，對復(fù)雜重疊的光譜信號進行解混與自動分割，顯著降低人為分析偏差，從而在單細胞尺度上揭示纖維素、果膠及木質(zhì)素等關(guān)鍵組分的空間異質(zhì)性及其動態(tài)裝配過程。

在應(yīng)用驗證方面，研究以蓖麻（Ricinus communis）種皮發(fā)育過程為模型體系，系統(tǒng)展示了該技術(shù)平臺在復(fù)雜生物體系中的解析能力。在無需外源熒光標(biāo)記和破壞性處理的條件下，該方法以亞微米級空間分辨率實時捕捉到木質(zhì)素組分由愈創(chuàng)木基（G-lignin）向兒茶酚型（C-lignin）的大規(guī)模轉(zhuǎn)變過程，并通過二維核磁共振技術(shù)（2D-HSQC NMR）進行了驗證，充分展示了該策略在解析細胞壁化學(xué)重塑與發(fā)育調(diào)控中的優(yōu)勢。

綜上，該研究整合高分辨成像、高通量檢測與智能數(shù)據(jù)解析手段，推動植物研究從靜態(tài)結(jié)構(gòu)觀察向動態(tài)化學(xué)表征轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)了植物表型組學(xué)研究范式的重要升級。該技術(shù)體系的建立，將為深入解析植物抗逆機制、優(yōu)化林木生物質(zhì)加工利用效率以及推動作物分子設(shè)計育種提供關(guān)鍵技術(shù)支撐，并在植物科學(xué)與材料科學(xué)交叉領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。

本研究由北京林業(yè)大學(xué)崔亞寧副教授為第一作者，林金星教授為通訊作者，北京林業(yè)大學(xué)的張曦副教授，王水眾副教授，以及崖州灣國家實驗室科研助理吳衛(wèi)倩也參與了該工作。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、北京市科技新星等項目的支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.tplants.2026.02.012