第二章 细胞壁：结构，功能和其扩张
与动物细胞不同，植物细胞被机械强度高的细胞壁包围。这种物理结构是许多生物体在独立进化事件中产生的。由于起源不同，原核生物、真菌、异鞭毛生物（例如硅藻和褐藻）、藻类和植物界成员的细胞壁在化学组成和分子结构上各不相同。但它们都具有三个共同的功能：调节细胞体积、确定细胞形状以及对脆弱的原生质体进行机械保护，以抵御生化和物理攻击。
植物光合作用吸收的大部分碳（见第 10 章）被输送到构成细胞壁的多糖中。最简单的概念是，细胞壁由嵌入多糖和蛋白质基质中的纤维素fibrils支架组成。基质成分和纤维素fibrils组装成由共价键和非共价键混合而成的网络。植物细胞壁的功能与其组成和结构密切相关，我们将在本章中对此进行探讨。
虽然我们这里的重点是植物细胞壁的内在生物功能，但值得注意的是，细胞壁还为许多对人类和社会很重要的产品提供原材料。植物细胞壁是纸张、纺织品（如棉花、亚麻和亚麻布）、木质结构产品、合成纤维、塑料、薄膜、涂层、粘合剂、凝胶、增稠剂和其他工程材料的物质基础。在全球范围内，聚集的细胞壁（称为纤维素生物质）被广泛用于发电、供热和燃料。作为自然界中最丰富的有机碳储存库之一和光合作用捕获碳的主要吸收器，植物细胞壁在生态系统的碳流动中也发挥着不可或缺的作用。
本章首先介绍植物细胞壁的一些一般功能，然后概述其组成、生物合成和组装。然后，我们讨论初生细胞壁在细胞扩张和细胞形状中的作用，这可以说是其最基本的生理功能。最后，我们研究了次生细胞壁是如何通过木质化产生的，以及它们对水运输和植物结构生理学的重要性。
2.1 植物细胞壁功能和结构概述
我们不可能知道如果植物的祖先没有进化出细胞壁，植物会是什么样子；然而，我们知道，如果我们通过酶消化去除它们的细胞壁，我们就会剩下脆弱的、球形的、膜结合的原生质体，它们没有有组织的细胞外结构或功能。细胞壁是任何植物的重要组成部分。事实上，细胞壁对于植物生长、发育和生理的许多基本过程都至关重要：
● 连接相邻细胞的细胞壁可防止细胞滑动、滑脱和运动。因此，细胞粘附对于组织完整性和防御至关重要。细胞粘附的选择性解除对于生长、用于气体交换的细胞间气隙的发育以及叶片脱落期间的细胞分离同样重要。
● 作为包裹细胞的机械强度层，细胞壁充当细胞“外骨骼”，控制细胞形状并允许高膨压存在。如果没有细胞壁来抵抗膨压产生的力量，植物与水的关系就会截然不同（见第 3 章）。正因为如此，细胞壁决定了植物结构的机械强度，从而使植物能够长到很高的高度。
● 植物形态发生最终取决于对细胞壁特性的控制，因为植物细胞的物理增大主要受制于细胞壁何时以及如何屈服于膨压力。
● 细胞壁充当扩散屏障，通过筛分效应以及离子和疏水相互作用限制了能够到达质膜的分子的大小和种类。细胞壁上的固定负电荷极大地影响了离子和带电大分子的分布。
● 大量感觉蛋白部分锚定在细胞壁中，形成通向质膜的桥梁，为感知细胞完整性提供了一种机制。
● 细胞壁是阻止病原体入侵和传播、寄生虫进入和繁殖以及食禾草动物吞食组织的主要结构和化学屏障。此外，入侵微生物的溶解酶作用下从细胞壁释放的寡糖是引发对病原体的防御反应的重要信号分子。
● 木质部中的蒸腾水流需要机械强度高的壁来抵抗寒冷对木质部负压的反应失效。细胞壁形成缺陷常常导致木质部崩溃（?xylem collapse）。
细胞壁的功能多样性和不同作用需要不同的细胞壁组成和结构。本节我们从植物细胞壁的形态和基本结构简要描述开始。然后我们讨论细胞壁的组织、组成和合成及其一些不同形式。
植物细胞壁的结构和功能各不相同
1665 年，罗伯特·胡克 (Robert Hooke) 出版了《显微图谱》，这是一本详细介绍早期生物材料显微镜的书。他对栓皮栎 (Quercus suber) 树皮切片的观察使他创造了细胞一词来表示组成该样本的离散微观单位。但胡克实际上描述的是细胞壁！细胞壁是植物器官染色切片中可观察到的最明显的视觉对象，不同细胞类型的细胞壁在外观和组成上差异很大（图 2.1）。例如，髓和皮层中薄壁组织的细胞壁通常很薄（~100 纳米），几乎没有什么区别性特征。相比之下，表皮细胞、厚角组织、木质部导管和管胞、韧皮部纤维和其他形式的厚壁组织细胞的细胞壁较厚（~1,000 纳米或更厚，通常是多层的）。这些细胞壁可能经过精心雕刻intricately sculpted，并浸渍有木质素lignin、角质cutin、木栓质suberin、蜡waxes、硅酸盐聚合物silicate polymers或结构蛋白structural proteins等物质，这些物质会改变细胞壁的化学和物理性质。
细胞不同侧面的细胞壁厚度、浸渍物质的量和类型以及pitting和胞间连丝的频率可能有所不同——胞间连丝，微小的膜内衬通道，允许小分子的被动运输和相邻细胞细胞质之间蛋白质和核酸的主动运输（见图 1.4）。例如，表皮的外壁缺乏胞间连丝，比细胞的其他壁厚，外部覆盖有角质和蜡质。在某些禾草中，表皮壁也可能含有一层聚合硅酸盐。在气孔的保卫细胞中，与气孔相邻的壁比细胞其他侧面的壁厚得多。单个细胞内壁结构和组成的这种变化反映了细胞的极性和分化功能。这些变化通常源于壁成分向细胞表面的定向分泌。
尽管形态多样，但细胞壁通常分为三层：初生壁、中层和次生壁。如第 1 章所述，植物细胞分裂过程中形成的细胞板富含酸性多糖（果胶pectins）。在有丝分裂后的细胞壁中，该区域变为富含果胶的中间层（图 2.2）。该层通常含有富含羟脯氨酸的糖蛋白（HRGP），可作为细胞之间的柔性粘合层或衰老过程中细胞脱落的部位（参见第 22 章）。细胞板形成后不久，纤维素和其他成分在生长过程中沉积，形成初生壁。初生细胞壁通常很薄，结构简单（图 2.3A和 2.4A），但有些初生壁可能很厚且多层，例如在厚角组织或表皮中发现的初生壁（图 2.3B 和 C）。次生壁是在细胞扩大停止后形成的，因此通常是最年轻的细胞壁成分。它们沉积在质膜和初生细胞壁之间。次生壁的结构和组成可能高度特殊化，反映了细胞的分化状态（图 2.4B 和 C）。在负责导水的组织（木质部）中，纤维细胞、管胞和导管显著地拥有增厚的多层次生壁，这些次生壁由木质素加固和防水（本节和其他部分后面将讨论）。然而，并非所有的次生壁都是木质化或增厚的。
换言之，木质素大抵确实是疏水的。
纹孔pits和纹孔场pit fields是初生细胞壁的薄区域，其中填充了其中没有次生壁的胞间连丝 (参见第 6 章)。
初生细胞壁和次生细胞壁的成分不同
细胞壁含有几种类型的多糖，这些多糖以其所含的主要糖类命名 (图 2.5 和 WEB TOPIC 2.1)。例如，葡聚糖glucan是葡萄糖单元首尾相连的聚合物，半乳聚糖galactan是半乳糖的聚合物，木聚糖xylan是木糖的聚合物，甘露聚糖mannan是甘露糖的聚合物，等等。聚糖Glycan是由糖组成的聚合物的通用术语，与多糖polysaccharide同义。
多糖可能是糖残基（单元）的线性无支链的链，也可能包含连接到主链的侧链。对于支链多糖，多糖的主链通常由名称的最后一部分表示。例如，木葡聚糖xyloglucan具有葡聚糖主链，木糖作为侧链连接。阿拉伯木聚糖Arabinoxylan具有木聚糖主链，阿拉伯糖侧链。名称可能很长。例如，葡糖醛酸阿拉伯木聚糖 (glucuronoarabinoxylan ， GAX) 是一种以低频率的葡糖醛酸单元修饰的阿拉伯木聚糖arabinoxylan。
然而，化合物名称并不一定意味着分支结构。例如，鼠李半乳糖醛酸 Ⅰ ，rhamnogalacturonan Ⅰ是一种主链中同时含有鼠李糖和半乳糖醛酸的聚合物的名称（它还具有名称中未包括的半乳聚糖和阿拉伯聚糖侧链）。因此，名称基于聚合物中的主要糖，但并未表明其结构细节。
糖和半乳糖之间的具体连接，包括连接在一起的特定碳和连接的配置（参见 WEB 主题 2.1），对于多糖的性质很重要。例如，纤维素是由 β(1,4) 连接的葡萄糖制成的葡聚糖，而胼胝质由 β(1,3) 连接的葡萄糖制成；两者都是葡聚糖，但它们的功能和机械性能非常不同。
细胞壁多糖分为三类：纤维素、果胶、半纤维素。纤维素Cellulose是细胞壁的主要纤维成分，由一系列 β(1,4) 连接的葡聚糖组成，这些葡聚糖聚结形成具有有序区域和较无序区域的microfibril。它不溶于水，具有高抗拉强度（参见第 2.2 节）。果胶Pectin是一类复杂多样的亲水性凝胶多糖的名称，富含酸性糖残基。第三类壁多糖统称为半纤维素hemicelluloses。从化学上讲，半纤维素被定义为具有 β(1,4) 连接骨架的多糖，这些骨架以equatorial configuration连接（意味着残基之间的连接与环的平面一致）。果胶和半纤维素也被称为基质多糖matrix polysaccharides，因为它们有助于形成纤维素嵌入的基质。
基质多糖的组成因植物种类、细胞类型和细胞壁区域而异（表 2.1）。真双子叶植物的典型初生细胞壁富含果胶，纤维素和半纤维素含量较少，而次生细胞壁则富含纤维素和不同形式的半纤维素，并含有不同数量的木质素（见第 2.4 节）（苯丙烷代谢衍生单元的聚合物）。
由于果胶含量高，初生壁具有相对较高的含水量，这对于维持细胞壁在细胞增大过程中扩张的能力非常重要。相比之下，次生细胞壁的纤维素-半纤维素-木质素结构密集堆积，含水量较少，这种结构非常适合强度和抗压性。
细胞壁基质还含有蛋白质。其中一些蛋白质可以催化细胞壁结构的生化变化。在初生细胞壁中，2% 到 10% 的干物质由非酶蛋白组成，其确切功能尚不确定。这些蛋白质可能位于特定细胞类型的细胞壁中，也可能分布更广泛（表 2.2）。它们通常通过短基序或重复氨基酸序列或高度糖基化来识别。这些蛋白质有多种功能，包括细胞分裂后细胞板的巩固和根毛生长过程中细胞壁的强化。原代细胞壁还含有阿拉伯半乳聚糖蛋白 (arabinogalactan proteins，AGP)，其含量通常不到细胞壁干重的 1%。这些水溶性蛋白质被大量糖基化（图 2.6）。超过 90% 的 AGP 质量可能是糖残基——主要是半乳糖和阿拉伯糖（见图 2.5）。植物组织中存在多种 AGP 形式，它们要么在细胞壁中，要么与质膜的外表面相关（通过糖基磷脂酰肌醇锚），并且它们表现出组织和细胞特异性的表达模式。AGP 可能在细胞分化过程中在细胞粘附和细胞信号传导中发挥作用。
按干重计算，初生细胞壁通常含有约 40% 的果胶、25% 的纤维素和 20% 的半纤维素，可能含有 5% 的蛋白质，其余百分比由各种其他材料组成。然而，植物器官和物种之间可能存在与这些典型值的巨大偏差。例如，禾本科植物胚芽鞘的壁由 60% 至 70% 的半纤维素、20% 至 25% 的纤维素和仅约 10% 的果胶组成。谷类胚乳壁可能只含有 2% 的纤维素，而半纤维素则构成了壁的大部分。芹菜和甜菜的薄壁细胞壁主要含有纤维素和果胶，半纤维素含量仅为 4%。花粉管尖端的壁似乎主要是果胶，还有少量纤维素来加强尖端结构。由于合成模式的改变和细胞壁中酶的作用，细胞壁的组成和多糖结构也会在整个发育过程中发生变化，这些酶可以修剪侧链或消化果胶和半纤维素。
纤维素microfibrils具有有序的结构，在质膜上合成
纤维素是地球上最丰富的多糖。它在植物中的功能和对人类的实用性基于它被包装成microfibrils。最简单的纤维素microfibrils是狭窄的结构，大约 3 纳米宽，可强化细胞壁，有时在一个方向上的强化程度比在另一个方向上的强化程度更高，这取决于微纤维在壁中的沉积方式（即，它们产生结构偏差；参见图 2.3B）。每个微纤维由大约 18 到 24 条（通常为 18 条）平行的（1,4）连接的 β-D-葡萄糖链紧密堆积在一起，形成高度有序（结晶）的核心，葡聚糖链内和链间存在大量氢键（图 2.7）。核心周围的链更灵活，它们的位置受表面与水和基质多糖相互作用的影响。此外，有证据表明微纤维存在周期性无序，即短片段中结晶顺序以 150 到 300 纳米的间隔中断。这些无序区域被认为是果胶或半纤维素编织入纤维素microfibril的位置。
植物中的天然纤维素有两种不同的晶体形式，称为同质异形体 Ⅰα 和 Ⅰβ，它们在平行葡聚糖链的堆积方式上略有不同。纤维素 Ⅰβ 是陆生植物中占主导地位的同质异形体。这两种晶体形式的生物学意义目前尚不清楚。Microfibrils具有亲水表面，由从堆叠的葡萄糖链侧面延伸的极性 OH 基团填充，以及疏水表面，由糖环平面上的非极性 C—H 基团填充（见图 2.7E）。这些表面以不同的方式结合水和基质聚合物，因此微纤维形状是壁构造的重要因素。它对于微生物纤维素酶的酶促攻击也很重要，微生物纤维素酶停靠在疏水表面上并一次去除一个葡聚糖链。酶促纤维素攻击的主要障碍是从这种结晶微纤维中剥离单个葡聚糖的能量成本。
自然界中的纤维素microfibrils在宽度和有序程度上差异很大，这取决于它们的生物来源。例如，陆生植物的初级细胞壁中的纤维素microfibrils大约有 3 纳米宽，而一些绿藻形成的纤维素microfibrils可能宽达 20 纳米，并且可能比陆生植物中的纤维素microfibrils更有序(more crystalline)。这种变化与构成microfibril横截面的链数相对应。单个microfibril也可以捆绑在一起形成更大的macrofibrils；这种现象在木质组织（woody tissues）的细胞壁中最为常见，其中纤维素的有序度（结晶度）比初生细胞壁更高。纤维素链长（或 DP，聚合度）范围从大约 2000 到超过 25,000 个葡萄糖残基，相当于 1 到 13 μm 的完全延伸长度。由于微纤维中葡聚糖的重叠和交错，微纤维可能比单个葡聚糖更长。很难准确测量细胞壁中微纤维的长度，但我们最好的估计是在 1 到 13 μm 的范围内。
电子显微镜的证据表明，纤维素微纤维是由大型有序蛋白质复合物（称为纤维素合酶复合物，cellulose synthase complex）合成的，这些复合物嵌入质膜中（图 2.8）。这些玫瑰花结状结构由六个亚基组成，每个亚基被认为含有三到六个纤维素合酶单元，这种酶合成构成微纤维的单个葡聚糖。纤维素合酶复合物可能含有其他蛋白质，但这些蛋白质尚未被鉴定。
植物中的纤维素合酶是糖核苷酸多糖糖基转移酶sugar–nucleotide polysaccharide glycosyltransferases，由名为 CESA（纤维素合酶 A）(Cellulose Synthase A)的多基因家族编码。该家族存在于所有陆生植物中，但任何给定物种中的 CESA 基因都有所不同。模式植物拟南芥中的遗传证据表明，三种不同的 CESA 家族成员参与了初生细胞壁中的纤维素合成，而三种不同的成员用于在维管组织的次生壁中制造纤维素。在实验中，特定的 CESA 单元已在初生壁和次生壁的纤维素合酶复合物之间进行了交换，并且复合物仍然能够合成纤维素微纤维。
纤维素合酶的催化域位于质膜的细胞质侧，可将葡萄糖残基从供体UDP-葡萄糖转移到生长中的葡聚糖链。最近对细菌纤维素合酶结构的研究使人们深入了解了葡聚糖的形成及其通过合酶中的通道跨膜运输的细节（见图 2.8C）。计算建模表明，类似的催化机制在植物 CESA 中起作用。该建模还引发了关于多种合酶如何在纤维素合成复合物中分组以产生多个平行葡聚糖链的假设，这些葡聚糖链在合成后立即聚结形成微纤维（见图 2.8D 和 E）。有证据表明，半纤维素可能在微纤维形成时被困在微纤维中；这可能会造成结晶微纤维的紊乱，并将微纤维锚定在基质上。
其他蛋白质也与纤维素微纤维的形成有关，但它们的具体功能以及它们的作用是直接的还是间接的尚不清楚。一大群由 CESA 样 (CSL) 基因编码的相关蛋白质似乎在其他特定类型多糖的合成中起作用。另一类膜相关 (1,4)-β-D-内切葡聚糖酶似乎在纤维素结晶中起作用，而其他蛋白质组在纤维素晶体组装中起作用。
基质多糖通过囊泡输送到壁上
最简单的概念是，壁基质可以被认为是一种水凝胶，纤维素microfibrils嵌入其中。基质多糖由高尔基体中的膜结合糖基转移酶合成，并通过囊泡在称为胞吐的过程中输送到细胞壁（图 2.9 和 WEB 主题 2.2；另见第 1 章）。CSL 基因家族的一些成员编码有助于基质半纤维素的主链构建的聚糖合成酶。其他糖基转移酶组可能会将额外的糖残基作为分支添加到这些多糖主链上，可能在膜结合复合物中协同作用。果胶也在高尔基体中合成并通过胞吐输送到细胞壁。常见的果胶，即同型半乳糖醛酸 (homogalacturonan，HG)，是由一种名为 GAUT1 的糖基转移酶在高尔基体中合成的，该酶将半乳糖醛酸从 UDP 供体转移到 HG 受体。GAUT1 是蛋白质复合物的一部分，该复合物通过一种相关但酶促无活性的蛋白质 GAUT7 锚定在高尔基体膜的内表面上。高尔基体被认为含有许多其他参与其他壁多糖合成的酶，但这些酶尚未得到很好的表征。
与形成结晶微纤维的纤维素不同，基质多糖的有序性要差得多，通常被描述为无定形的。这种非晶体特性是这些多糖结构的结果——它们的分支和非线性构象。尽管如此，使用各种物理技术（包括红外光谱copy和核磁共振 (NMR) ）的研究表明细胞壁中半纤维素和果胶的取向存在部分顺序，这可能是由于这些聚合物的物理倾向沿着纤维素原纤维的长轴排列，从而改变纤维素的结晶性。果胶沉积到细胞壁后重新排列的现象，已通过共聚焦显微镜结合与荧光染料偶联的岩藻糖分子代谢标记法进行了可视化。此外，最近的研究表明，硼（果胶的离子交联剂）的缺乏可能会改变纤维素微纤维在沉积后在细胞壁内的排列。
半纤维素是与纤维素结合的基质多糖
半纤维素由一组异质多糖（图 2.10）组成，这些多糖通常紧密结合在细胞壁上，正如刚刚介绍的那样。半纤维素通常具有显著的在体外与纤维素结合的能力，并且可能在纤维素微纤维组装以在体内形成连贯的细胞壁方面发挥重要作用（例如，通过改变纤维素结晶度）。
大多数陆生植物的初生细胞壁中的主要半纤维素是木葡聚糖，它由修饰有（1,6）β-D-木糖基残基的（1,4）-β-D-葡聚糖组成（见图 2.10A）。木葡聚糖结构在物种之间表现出一定的差异。在大多数真双子叶植物中，30% 到 40% 的木糖残基上附加有半乳糖残基，而半乳糖残基又可能带有末端岩藻糖残基。已经开发出一种简明的命名法来指代木葡聚糖的分支模式（见图 2.10B）：例如，G 表示未取代的葡萄糖残基；X 表示葡萄糖仅被木糖取代；L 表示木糖-半乳糖侧链；F 表示木糖-半乳糖-岩藻糖侧链。
木葡聚糖具有重复的亚结构，其中主链中每四个葡萄糖残基中有一个是未取代的（不带有糖侧链）。来自大多数双子叶植物来源的木葡聚糖的内切葡聚糖酶消化产生三种主要的寡糖，主链中有四个葡萄糖残基，为 XXXG、XXFG 和 XLFG。茄科植物（例如番茄）使用阿拉伯糖残基代替半乳糖，这似乎在细胞壁力学方面具有功能等效性。糖苷酶能够去除侧链糖，从而产生取代度较低的木葡聚糖，这种木葡聚糖与纤维素的结合更紧密。
与大多数其他陆生植物不同，禾本科 (Poaceae) 初生细胞壁中占主导地位的半纤维素是阿拉伯木聚糖arabinoxylan (也称为葡糖醛酸阿拉伯木聚糖或 GAX；见图 2.10C)。存在的少量木葡聚糖主要由 XXGG、XXGGG 和 XXGGGG 重复单元组成。果胶也存在于禾草细胞壁中，但数量大大减少。GAX 具有 (1,4)-β-D-木聚糖骨架，被 (1,3)-α-l-阿拉伯糖残基取代（作为侧链）；大约 50 个残基中 1 个被 (1,2)-α-D-葡糖醛酸取代。阿拉伯糖取代度差异很大，从 80% 以上到 10% 以下不等。与大多数半纤维素不同，高取代度 GAX 与细胞壁结合不紧密，体外不与纤维素结合，在用于提取果胶的温和条件下很容易从细胞壁中溶解。一些阿拉伯糖残基带有通过酯键连接的阿魏酸基团。阿魏酸基团的氧化偶联导致 GAX 之间发生交联；这种交联降低了禾草的消化率（如用于喂养牛和羊时），并可能降低细胞壁的延展性。阿魏酸还可作为禾草壁中木质素聚合的成核位点。
除了 GAX 之外，禾草的初生细胞壁还有(1,3;1,4)-β-D-葡聚糖。混合键葡聚糖被认为紧密结合在纤维素表面，从而减少纤维素与纤维素之间的相互作用，而取代度较低的 GAX 可能起到交联作用。
木质组织的次生壁几乎不含木葡聚糖或果胶；相反，基质多糖主要是侧链取代度较低的木聚糖和葡甘露聚糖。这些半纤维素与纤维素紧密结合，需要强碱才能从壁中溶解。次生壁的主要半纤维素因来源而异：在真双子叶植物的次生壁中，占主导地位的半纤维素是葡糖醛酸木聚糖glucuronoxylan，葡甘露聚糖glucomannans的含量较少。葡糖醛酸木聚糖类似于 GAX（见图 2.10C），但没有阿拉伯糖侧链，葡萄糖醛酸是 4-O-甲基取代的。
葡甘露聚糖Glucomannan的主链由 β(1,4) 连接的葡萄糖和甘露糖残基组成，并带有少量半乳糖侧链（见图 2.10D）。在裸子植物木材中，主要的半纤维素是葡甘露聚糖，少量的阿拉伯木聚糖被 4-O-甲基葡糖醛酸残基取代。取代度较低的 GAX 是禾草类次生壁的主要半纤维素。这些半纤维素中侧链的频率较低，使它们能够更紧密地与纤维素结合，并更紧密地堆积在细胞壁中。
果胶是初生细胞壁的亲水性凝胶形成成分
果胶是大多数初生细胞壁中最丰富的成分，形成水合凝胶相，纤维素和半纤维素嵌入其中。它们充当亲水性填料，防止纤维素网络聚集和崩塌，还决定细胞壁对大分子的孔隙度。它们通常是中间层（细胞壁最古老的部分）的唯一成分。真菌入侵植物组织时，果胶中释放的寡糖会引发防御反应，限制病原体入侵（见第 24 章）。
果胶构成一组异质多糖，特征是含有半乳糖醛酸和中性糖，如鼠李糖、半乳糖和阿拉伯糖。这些不同的多糖通常（但并非总是）以共价键相互连接，形成大的大分子结构（~10^6 Da）。 NMR 研究表明果胶与细胞壁中的纤维素表面接触，结合研究表明果胶的中性侧链可以与纤维素表面结合，尽管结合力比半纤维素弱。NMR 结果还表明果胶与半纤维素木葡聚糖紧密接触。也有证据表明果胶和半纤维素之间存在共价键，最近的一项研究发现了一种共价复合物，其中含有阿拉伯半乳聚糖蛋白、果胶和木聚糖，但这种交联对原代细胞壁功能的程度和重要性尚不确定。
三种主要的果胶多糖组是同型半乳聚糖 (homogalacturonan,HG)、鼠李半乳聚糖 I (rhamnogalacturonan Ⅰ,RG I) 和鼠李半乳聚糖 II (rhamnogalacturonan Ⅱ，RG II)（图 2.11）。 HG是 (1,4) β-D-半乳糖醛酸残基的直链，其中一些残基被甲酯化。它是原代细胞壁中最丰富的果胶。RG I 具有交替的鼠李糖和半乳糖醛酸残基的长主链，并带有阿拉伯聚糖、半乳聚糖和 1 型阿拉伯半乳聚糖的长侧链，统称为中性果胶多糖。RG II 是这些果胶域中最不丰富的，它包含一个 HG 主链，上面装饰有由至少十种不同的糖组成的侧链，这些侧链以复杂的模式连接。虽然 RG I 和 RG II 的名称相似，但它们的结构却大不相同。
当 HG 最初合成时，许多酸性羧基被甲基酯化，从而产生带电较少的多糖。随后，果胶甲酯酶去除细胞壁中的甲酯，促进 HG 的离子交联和凝胶形成（图 2.12A）。HG 的大量块状脱酯化可恢复带电羧基，并使钙离子在相邻链之间形成离子桥，从而形成相对较硬的凝胶。Ca2+ 螯合剂对果胶的溶解是基于这些 Ca2+ 桥的去除。HG 形成的离子凝胶对于细胞与中间层的粘附很重要，并使初生细胞壁的延展性降低。HG 的脱酯化还在茎尖分生组织叶原基的起始和花粉管生长中发挥作用。通过产生游离羧基，脱酯化还增加了元素细胞壁中的电荷密度，进而可能影响细胞壁中离子的浓度、细胞壁酶的活性，甚至可能影响带电信号分子的分布。果胶凝胶化在细胞壁力学和细胞扩张中的可能作用将在第 2.2 和 2.3 节中讨论。
果胶多糖交联在一起形成这种水凝胶主要基于由阳离子（例如 Ca2+、B+ 和 Na+）形成的离子交联。交联程度与细胞壁材料的刚性、孔隙率和粘度有关。有人提出，果胶域也在细胞壁中首尾共价连接。图 2.12B 说明了 HG、RG I 和 RG II 连接的假设方案。然而，不是所有果胶多糖都附着在如此大的结构上。例如，在生长中的豌豆茎中，大多数阿拉伯聚糖和半乳聚糖不与酸性多糖相连，而在玉米 (Zea mays) 中，HG 可以通过温和的非酶促方法与其他果胶成分分离。
2.2 动态初生细胞壁
在植物细胞的生命早期，其初生细胞壁具有延展性，并能够在细胞生长过程中吸收新的结构材料。如第 2.1 节所述，初生细胞壁通常很简单，由嵌入非纤维素多糖和少量蛋白质的水合基质中的长纤维素微纤维薄层组成（见图 2.3）。这种结构赋予生长中的细胞壁理想的柔韧性和强度组合，细胞壁必须同时具有延展性和强度。
初生细胞壁在细胞生长过程中不断组装
如第 2.1 节所述，初生壁在细胞分裂的最后阶段从头开始形成，此时新形成的细胞板将两个子细胞分开并凝固成稳定的壁，能够承受膨压产生的物理应力。您可能还记得，中间层与细胞板平行形成（见图 2.2）。随着每个子细胞的生长，新的成分不断添加到主细胞壁中。因此，作为主细胞壁一部分的单个聚合物的“生命”可以概括如下：
合成→沉积→组装→修饰
在活性壁形成的任何给定时刻，壁聚合物都在沉积、组装和修饰。因此，新形成的细胞壁由掺入和未掺入聚合物的异质混合物组成。在这里，我们考虑将壁聚合物组装到现有的粘结网络中；在第 2.3 节中，我们考虑影响细胞增大的修饰。在分泌到细胞壁空间后，壁聚合物必须组装成粘结结构；也就是说，单个聚合物必须达到原代（生长）细胞壁特有的物理排列和键合关系，并赋予其抗拉强度和延展性。虽然细胞壁组装的细节尚未完全了解，但这种整合过程的主要候选者是自组装和酶介导组装。
- 自组装 自组装是一个有吸引力的概念，因为它在机制上很简单。许多多糖具有明显的自发聚集成有组织结构的趋势。例如，半纤维素经常聚集，使其分离成不同的聚合物在技术上很困难。然而，在半纤维素整合到细胞壁的情况下，仅靠自组装很可能不足以解释：当半纤维素在体外与纤维素结合时，它们的结合比在真实细胞壁中的情况要弱得多，并且这些人工复合材料表现出不同的酶可及性。相反，有证据表明，果胶凝胶的组装和拆卸可能受到机械力的影响，例如来自膨压的机械力；要破坏果胶凝胶内的离子交联，这些力只需要超过这种键的强度。考虑到这一点的模型表明，自组装可能在果胶凝胶结构动力学中发挥作用。因此，自组装似乎可能在细胞壁聚合物整合中发挥一定作用，但它不太可能是唯一涉及的过程。
- 酶介导的组装 酶还可以通过促进共价键的断裂和形成来引导细胞壁组装。酶介导的细胞壁组装的主要候选者是木葡聚糖内转葡糖基酶 (xyloglucan endotransglucosylase，XET)。这种酶属于一个大型酶家族，称为木葡聚糖内转葡糖基酶/水解酶 (XTH)，它有助于切断木葡聚糖的主链，并将切割的木葡聚糖的一端与受体木葡聚糖的自由端重新连接起来 (图 2.13)。这种转移反应将新合成的木葡聚糖整合到细胞壁中，从而可能增强细胞壁的强度。最近在植物细胞壁中检测到了具有其他底物特异性的转糖基酶，但尚未评估其生物学功能。其他可能有助于细胞壁组装的细胞壁酶包括糖苷酶、果胶甲酯酶、果胶酰基转移酶和各种氧化酶。一些糖苷酶会去除半纤维素的侧链，从而增加半纤维素相互粘附和粘附在纤维素微纤维表面的趋势。正如我们在第 2.1 节中所述，果胶甲酯酶会去除阻断 HG 酸性基团的甲酯，从而增强 HG 形成 Ca2+ 桥接凝胶网络的能力；在这种情况下，酶活性和自组装之间可能存在相互作用。过氧化物酶等氧化酶会催化细胞壁蛋白、果胶和其他细胞壁聚合物中酚基（酪氨酸、苯丙氨酸、阿魏酸）之间的交联。这种氧化交联也是木质素形成的基础，我们将在第 2.4 节中讨论这一点。
2.3 细胞扩张机制
在植物细胞增大过程中，新的细胞壁聚合物不断合成和分泌，同时现有的细胞壁也在扩张。细胞壁扩张可能高度localized（如尖端生长的情况）或更分散地分布在壁面上（弥散生长）（图 2.14）。尖端生长是根毛和花粉管的特征；它与细胞骨架过程密切相关，尤其是肌动蛋白微丝的过程（见 WEB ESSAY 2.1）。植物体内的大多数其他细胞都表现出弥散生长，这与微管和肌动蛋白微丝都有关。诸如纤维、一些石细胞和毛状体等细胞的生长模式介于弥散生长和尖端生长之间。
然而，即使在弥散生长的细胞中，壁的不同部分也可能以不同的速率或不同的方向扩大。例如，在幼苗下胚轴的茎皮层细胞或表皮细胞中，端壁的生长速度远低于侧壁。细胞表面之间的生长差异可能是由于特定细胞壁的结构或酶的变化，或不同细胞壁所承受的压力的变化。由于这种不均匀的细胞壁扩张模式，植物细胞可能呈现不规则的形状，这通常对它们的功能很重要。
微纤维方向影响生长方向性
具有弥散生长的细胞在生长过程中，松散的细胞壁被延伸y 细胞膨压产生的物理力。膨压产生向外的力，在各个方向上均等。虽然膨压没有方向性，但由于其结构特征（本节后面将详细介绍），细胞壁可能在一个方向上比另一个方向产生更多力。生长的方向性在很大程度上取决于壁内纤维素微纤维的方向。当细胞最初在分生组织中形成时，它们是等直径的；也就是说，它们在所有方向上的直径相等。如果初生细胞壁中纤维素微纤维的方向是随机排列的，则细胞各向同性地（在所有方向上均等地）生长，径向扩展以形成球体（图 2.15A）。然而，在大多数植物细胞壁中，纤维素微纤维都沿着主要方向排列。纤维素纤维的排列使细胞壁能够在与主要纤维排列平行的方向上承受更多的应力（由膨压产生），而在与纤维排列垂直的方向上屈服更多。结果就是各向异性生长（如茎中，细胞的长度增加远大于宽度增加）。在伸长细胞的侧壁中，例如某些茎和根的皮层和维管细胞，或丝状绿藻 Nitella 的巨型节间细胞，纤维素微纤维沿细胞长轴的直角沿圆周（横向）沉积。纤维素微纤维的圆周排列限制了周长的生长并促进了长度的生长（图 2.15B）。值得注意的是，在多细胞器官中，并非所有细胞都必须在纤维素纤维中显示这种圆周排列；只要有足够多的细胞这样做，它们就可以拉动邻居进入各向异性生长——这只有在细胞壁提供的相邻细胞之间的连接下才有可能。
多层细胞壁中的微纤维方向随时间变化
随着细胞膨胀和细胞壁的继续建造，细胞壁的横截面通常呈现分层结构。根据多网络生长假说multinet growth hypothesis，随着细胞的生长，每个连续的壁层都会被拉伸和变薄，因此随着细胞的伸长，较老的细胞壁层中的微纤维预计会在纵向上被动地重新定向。拟南芥根部生长细胞被荧光染料染色，从而可以通过共聚焦显微镜对纤维素微纤维束进行成像，并且观察到被动重定向的证据。然而，这种被动重新定向很可能受到基质特性的影响，需要主动重塑细胞壁结构。对生长中的下胚轴和洋葱鳞茎表皮细胞分离的细胞壁进行的实验表明，如果没有作用于将微纤维结合在一起的连接处的酶，单靠力量无法重新定向纤维。这些和其他结果表明，细胞壁扩张涉及微纤维之间连接的选择性松弛，而不是基质的普遍松弛。我们将在本节后面更详细地讨论此类“热点”。
其他实验表明，细胞壁最老的层（即最外层）可能由于其扩大的历史而破碎，以至于它们可能对控制细胞扩张贡献甚微。根据这一假设，内部的四分之一壁控制着细胞扩张的控制（见 WEB 主题 2.3）。最近的数学建模也支持逐渐减少较老的壁层对细胞扩张方向的影响。
皮质微管影响新沉积微纤维的方向
新沉积的纤维素微纤维通常与细胞质中的微管阵列共线，靠近质膜（图 2.16）。一个引人注目的例子发生在木质部导管分子中，皮质微管带标记了次生壁增厚的位置以及 CESA 定位的位置。此外，用药物或遗传缺陷对微管组织的实验性破坏通常会导致壁结构混乱和生长混乱。例如，几种药物与微管蛋白（微管的亚基蛋白）结合，导致微管解聚。当用微管解聚药物（如 oryzalin）处理正在生长的根时，伸长区域会横向扩展，变成球状和肿瘤状（图 2.17A 和 B）。这种生长中断是由于细胞的各向同性扩张造成的；也就是说，它们像球体一样扩大，而不是以定向方式扩大。药物诱导的生长细胞微管破坏会干扰纤维素的横向沉积。在没有微管的情况下，纤维素微纤维继续合成，但它们是随机沉积的，并且结晶性发生了改变，因此细胞在所有方向上均匀扩张。这些和相关观察结果导致了这样的假设：微管充当引导或指挥 CESA 复合物在合成微纤维时移动的轨道（见 WEB ESSAY 2.1）。通过表达 CESA 与荧光蛋白的融合，可以看到活细胞中 CESA 的运动。观察到标记的 CESA 单元沿着微管轨道在质膜内移动（图 2.17C）；还发现它们从微管束缚区的高尔基体插入质膜。CESA 和微管之间的分子接头最近被鉴定为 CSI1（CESA 相互作用蛋白 1），为细胞骨架和纤维素取向提供了联系。这些结果由共聚焦显微镜和遗传学获得，揭示了细胞骨架如何指导细胞壁组织的新细节，并为微管引导纤维素微纤维方向的假设提供了依据。
许多因素影响细胞生长的程度和速度
植物细胞在成熟前体积通常会扩大 10 到 1000 倍；这是植物生长的一个重要而显著的特征，植物体的体积是由细胞体积的大量增加而不是细胞数量的增加而形成的。在极端情况下——例如木质部导管分子——细胞的体积可能比分生组织初始细胞大 10,000 倍以上。细胞壁允许这种大规模扩张，而不会失去其整体的机械完整性或变得显著变薄。因此，正如我们在第 2.1 节中所描述的，新合成的聚合物被整合到壁中而不会破坏其稳定性。
这种整合过程对于表现出极快扩张的细胞（例如尖端生长的根毛和花粉管）可能特别重要。在尖端生长的快速生长细胞中，尖端生长的壁的表面积加倍，并在几分钟内移位到细胞的非扩张部分。这种壁扩张率比通常扩散生长的细胞中要高得多，扩散生长的细胞的增长率约为每小时 1% 到 10%。由于尖端生长的细胞扩张速度快，因此它们极易发生壁变薄和破裂。花粉管尖端生长的机械和细胞学模型已经提示了如何协调扩张和壁成分的添加以实现稳定的尖端生长。尽管弥散生长和尖端生长似乎是不同的生长模式，但两种类型的壁扩展必须具有类似的（如果不是完全相同的）聚合物整合、壁应力松弛和壁聚合物滑移过程。
有迹象表明，细胞壁基质可以调节细胞扩展率。转基因改变果胶以增加或减少 HG 甲基化会导致拟南芥下胚轴细胞伸长率同时发生变化。还有与生长率变化一致的组织和细胞水平的 HG 甲基化模式。例如，在各向异性生长的下胚轴表皮细胞中，生长较慢的端壁具有更多的 Ca2+ 交联果胶。改变基质特性如何影响细胞伸长率仍不清楚，但可能是通过直接和间接影响。直接地，基质力学的变化（可能通过基质水合的变化）可能会影响纤维素原纤维的移动能力。间接地，果胶甲基化的变化可能会改变细胞壁的孔隙度和电荷分布，这两者都可能影响对纤维素原纤维改性很重要的因素的移动性。
许多内在和外在因素都会影响细胞壁扩张的速度。细胞类型和年龄是重要的发育因素。生长素、赤霉素和油菜素类固醇等激素也是如此，它们发出细胞何时何地生长的信号。光照和水分等环境条件也可能调节细胞扩张。这些内在和外在因素最有可能通过改变细胞壁松弛的方式来改变细胞扩张，从而使其产生不同的屈服（不可逆拉伸）。在这种情况下，我们谈论的是细胞壁的屈服特性yielding properties of the cell wall。然而，这些因素也可能改变膨压，这同样也会影响扩张率。细胞壁的屈服特性和膨压可能都在生长过程中受到调节，可能在不同程度上取决于所考虑的具体环境。
细胞壁的应力松弛驱动水分吸收和细胞扩张
由于细胞壁是限制细胞扩张的主要机械约束，因此人们对其物理特性给予了极大关注。作为一种水合聚合物材料，植物细胞壁的物理特性介于固体和液体之间。我们称之为粘弹性viscoelastic或流变rheological（流动flow）特性。正在生长的细胞壁通常比成熟细胞的细胞壁刚性更小，流动性也更小，在适当的条件下，它们会表现出长期不可逆的拉伸或屈服yielding，而成熟细胞壁则没有或几乎没有这种现象。这种不可逆拉伸也可称为塑性变形。
应力松弛Stress relaxation是理解细胞壁如何扩大的关键概念。应力一词在这里以机械意义使用，即单位面积上的力。正如我们之前所暗示的，壁应力是细胞膨压的必然结果。生长中的植物细胞的膨压通常在 0.3 到 1.0 兆帕 (MPa) 之间；相比之下，典型的汽车轮胎充气后约为 0.2 MPa。膨压拉伸细胞壁并产生平衡力细胞壁中产生的物理应力或张力。由于植物细胞在相对较薄的细胞壁内包裹着较大的加压体积，因此细胞壁内产生的拉伸应力相当于 10 到 100 MPa，比膨压高 10 到 100 倍——这确实是一个非常大的压力。
这个简单的事实对细胞增大的机制有重要的影响。要改变形状，植物细胞必须控制细胞壁扩张的方向和速率。细胞壁扩张的方向性由以偏向沉积纤维素决定。扩张速率由微纤维之间和其他基质多糖之间的键的控制松动决定。这种生化松动使纤维素微纤维及其相关基质多糖能够移动或滑动，从而增加细胞壁表面积。同时，这种松动减少了细胞壁中的物理应力。
通过松动来减少细胞壁应力至关重要，因为它会降低膨压，从而降低水势，从而实现膨胀生长所需的水分吸收。水最终主要进入液泡，随着细胞的增大，液泡占据了细胞体积的越来越大的比例。WEB ESSAY 2.2 描述了生长中的细胞如何调节其水分吸收，以及这种吸收如何与细胞壁屈服相协调。
叶表皮细胞为受控的细胞壁扩张提供了模型
叶表皮细胞具有互锁的拼图状结构，为研究结构约束调节的压力驱动扩张的相互作用提供了模型。表皮细胞最初形状简单，边缘为直线或曲线。然而，随着它们的生长，它们会形成相互交错的裂片和不规则的形状（见图 1.6）。
使用原子力显微镜和细胞骨架结构成像的研究表明，裂片最显著地发生在细胞微管和微丝结构（见第 1 章）不均匀的区域。受 ROP2 GTPase 调控的微丝网络在裂片区域特别丰富，与可塑性相关的细胞壁结构也是如此。建模和直接测量表明，膨压驱动裂片区域细胞壁的差异扩张。表皮细胞裂片的动态在多种植物物种中相似。在组成性过表达 ROP2 GTPase 的转基因植物中，铺路细胞的肌动蛋白丝网络密集且相对均匀，细胞延展性和弹性也同样均匀。因此，在 ROP2 过表达株系中几乎完全不存在裂片。裂片的建模需要考虑每个细胞内的力以及相邻细胞边缘遇到的差异阻力。
酸诱导生长和壁应力松弛由扩张蛋白介导
生长细胞壁的一个共同特征是它们在酸性 pH 下比在中性 pH 下延伸得更快。这种现象称为酸生长。在活细胞中，当用酸性缓冲液或真菌毒素 fusicoccin 处理生长细胞时，酸生长很明显，——fusicoccin 通过激活质膜中的 H+-ATPase 来诱导细胞壁空间的酸化。细胞壁酸化的这些变化可以通过分泌比率荧光蛋白报告基因直接可视化。这些报告基因使用相对不受 pH 影响的红色荧光蛋白作为标准化对照，并使用荧光因低 pH 而淬灭（降低）的黄色荧光蛋白融合物（pHusion）来监测 pH 的局部变化。
酸诱导生长的一个例子可以在根毛的起始阶段找到，当表皮细胞开始向外凸出时，局部壁 pH 值下降到 4.5。在生长素诱导的生长过程中也会发生壁酸化，但可能不足以解释这种激素诱导的所有生长，也可能涉及其他壁松动过程。尽管如此，这种依赖于 pH 的细胞壁延伸机制似乎是一种进化保守的过程，是所有陆生植物共有的，并参与各种生长过程。
在孤立的冷冻、解冻或热处理的细胞壁片段中也可以观察到酸生长，而这些片段缺乏正常的细胞、代谢和合成过程。这种观察需要使用伸长计将细胞壁置于张力中并测量长期细胞壁延伸或“creep”（图 2.18）。术语creep是指在固定力或负载下随时间变化的不可逆延伸，通常是细胞壁聚合物相对于彼此滑动的结果。当生长的细胞壁在 pH 为 7 的中性缓冲液中孵育并夹在伸长计中时，在固定负载（creep试验）下，当施加张力时，壁面会短暂伸展，但伸展很快就会停止。当转移到 pH 为 5 或更低的酸性缓冲液中（图 2.18 中为 30 分钟）时，细胞壁开始迅速延伸，在某些情况下会持续数小时。
这种酸诱导creep是生长细胞壁的特征，但在成熟（非生长）细胞壁中未观察到。当用热、蛋白酶或其他使蛋白质变性的试剂对细胞壁进行预处理时，它们会失去酸生长能力。这些结果表明，酸生长不仅仅是由于细胞壁的物理化学性质（例如果胶凝胶变弱），而是由细胞壁蛋白催化的。
蛋白质是酸生长所必需的这一观点在重建实验中得到了证实，在重建实验中，通过添加从生长细胞壁中提取的蛋白质，热灭活的细胞壁恢复到几乎完全的酸生长响应性（图 2.19）。在这些实验中，活性成分被证明是一组名为扩张蛋白expansins的蛋白质。扩张蛋白催化 pH 依赖性的细胞壁延伸和应力松弛。它们在催化量下有效（按干重计算，每 5000 份细胞壁约 1 份蛋白质），并且不表现出溶解或其他酶活性。扩张蛋白与另一组已鉴定的植物内切葡聚糖酶表现出结构相似性，但被归类为细胞壁修饰蛋白，因为无法证明酶活性。
随着几种植物基因组的完整测序，我们现在知道扩张蛋白属于一个大型蛋白质超家族，分为两个主要的扩张蛋白家族，α-扩张蛋白 (EXPA) 和 β-扩张蛋白 (EXPB)，以及两个功能未知的小家族。在分离细胞壁的延伸试验中，EXPA 在真双子叶植物细胞壁上更活跃，而 EXPB 在禾本科植物细胞壁上更活跃。目前的证据表明，EXPA 会松动含有木葡聚糖的纤维素-纤维素连接，而 EXPB 会松动含有 GAX（葡糖醛酸阿拉伯木聚糖）的细胞壁复合物；考虑到真双子叶植物和禾本科植物之间半纤维素组成的普遍差异，这是有道理的。在一小部分细菌和真菌中也发现了扩展蛋白，它们促进植物组织的定植。进化分析表明，细菌扩展蛋白可能起源于一种或多种从植物到细菌的水平基因转移，随后在定植于植物维管系统的各种细菌物种之间进行额外的水平基因转移。
扩张蛋白对细胞壁流变学作用的分子基础仍不确定，但大多数证据表明，扩张素通过松动细胞壁多糖之间的非共价粘附而引起细胞壁creep。结构和结合研究表明，扩张素在细胞壁中纤维素微纤维相互粘附的位置起作用。这些假设的“热点”似乎是短而紧密连接的连接点，也可能是果胶和半纤维素与纤维素相互作用的位置。
细胞壁模型是关于分子成分如何组合在一起形成功能性细胞壁的假设
要了解植物细胞如何生长，必须了解细胞壁聚合物如何连接以产生具有足够抗拉强度以抵抗膨压的结构，同时又具有足够的柔韧性以允许细胞壁结构不可逆膨胀并加入新的聚合物以增强细胞壁。植物细胞壁的复杂性使得结构解析十分困难。随着新的结构细节被发现，细胞壁的结构模型也不断修订。
最早的初级细胞壁结构分子模型设想了一种共价连接的半纤维素（木葡聚糖）、果胶和结构蛋白的基质，这些基质与纤维素微纤维非共价结合。该模型后来被另一种模型取代，其中木葡聚糖完全覆盖纤维素微纤维的表面，并直接将它们束缚成一个承重网络，果胶和糖蛋白形成一个独立的、相互渗透的基质（图 2.20A）。
近年来，随着新数据的收集，“系留网络”（“tethered-network” ）模型经历了重大修订。NMR 数据表明，只有约 10% 的纤维素微纤维表面被木葡聚糖覆盖，而果胶直接接触纤维素表面。用底物特异性内切葡聚糖酶消化的细胞壁的生物力学分析表明，大多数木葡聚糖对壁力学没有贡献，纤维素没有通过广泛的木葡聚糖系链直接连接。相反，结果表明，数量较少的木葡聚糖池与纤维素交织在一起，形成结构上重要的连接点，控制细胞壁creep和机械延展性。此外，已发现扩张蛋白靶向具有相似特性的位点，即包含木葡聚糖和纤维素且晶体结构发生改变的位点。最后，已经产生了完全缺乏木葡聚糖的拟南芥突变体，但表现出相对较小的生长缺陷。这一令人惊讶的结果表明木葡聚糖对植物生长并非必不可少，也强调了植物细胞壁组成的令人印象深刻的可塑性和适应性。从这些研究中，一种关于生长细胞壁功能结构的新模型正在出现。修订后的观点认为，微尺度网络包含生物力学“热点”，即成束纤维素微纤维的有限连接点，其中细胞壁的延展性和力学受到控制（图 2.20B 和 C）。为了支持这一想法，计算建模表明，夹在纤维素微纤维之间的单层木葡聚糖可以为细胞壁提供可观的机械强度。与之前的模型一样，这种“热点”模型必须被视为一种假设，需要进一步测试、验证，并且随着实验的进展，可能需要修订。
许多结构变化伴随着细胞壁扩张的停止
细胞成熟过程中发生的生长停止通常是不可逆的，并且通常伴随着细胞壁延展性的降低，这可以通过各种生物物理方法测量。细胞壁的这些物理变化可能由以下因素引起：(a) 细胞壁松弛过程减少，(b) 细胞壁交联增加，和/或 (c) 细胞壁成分改变，使细胞壁结构更坚固或更不易松弛。有证据支持这些观点。
成熟细胞壁的几种变化可能有助于细胞壁硬化：
● 新分泌的基质多糖可能改变结构，从而与纤维素或其他细胞壁聚合物形成更紧密的复合物，或者它们可能对细胞壁松弛活动具有抵抗力。
● 禾草细胞壁中 (1,3;1,4)-β-D-葡聚糖的去除与这些细胞壁的生长停止同时发生，并可能导致细胞壁硬化。
● 果胶脱酯化，导致果胶凝胶更坚硬，同样与禾本科植物和双子叶植物的生长停止有关。
● 细胞壁中酚类基团的交联（例如富含羟脯氨酸的糖蛋白中的酪氨酸残基、附着在基质多糖上的阿魏酸残基）细胞壁的生长（包括纤维素、纤维素和木质素）通常与细胞壁成熟同时发生，据信是由过氧化物酶（一种假定的细胞壁硬化酶）介导的。
● 在一些各向异性伸长的细胞中，微管和相关的纤维素合酶复合物显示出与生长轴平行的排列重新定向，与生长减慢同时发生。
因此，在生长停止期间和停止后，细胞壁会发生许多结构变化，目前还无法确定单个过程对于细胞壁扩展停止的重要性。
2.4 次生细胞壁结构和功能
次生细胞壁 (SCW) 是一种分层结构，由一些活细胞在细胞壁扩展停止后在原代细胞壁内组装而成（图 2.21A 和 B）。研究最深入的 SCW 来自高度木质化且成熟时死亡的细胞，例如管胞、木质部导管和木质组织中的纤维，但其他值得注意的例子包括韧皮部和束间纤维（interfascicular fibers）、石细胞和表皮细胞（如棉纤维），它们没有木质化，但通过积聚富含纤维素的坚固壁而变得非常厚。
SCW 通常起着结构和加固作用。与能够动态延伸、吸收新材料并承受细胞膨压产生的拉力的初生细胞壁相比，SCW 的结构设计能够抵抗重力产生的压缩力和拉力、导致器官弯曲的外力以及蒸腾过程中产生的负静水压力；它们甚至可以阻止食草动物的进食。SCW 的机械性能稳定，即使在细胞死亡后也能持久，并且由壁结构和细胞壁聚合物之间的物理相互作用决定。
如第 2.1 节所述，木质组织中的 SCW 纤维素是由一组三种 CESA 合成的，这三种 CESA 与用于合成初生细胞壁纤维素的三种 CESA 不同。目前尚不清楚这一事实对纤维素结构的意义，但它可能对纤维素合酶复合物如何发挥作用产生影响，无论是单独发挥作用还是成簇发挥作用以形成大纤维（作为微纤维的集合）。SCW 纤维素合成缺陷的一个显著后果是木质部导管塌陷。SCW 的另一个重要区别是，它们的半纤维素具有低取代度（少量侧链）的木聚糖和（葡萄糖）甘露聚糖骨架，而原代细胞壁的半纤维素取代度很高。这种差异对半纤维素的性质（如构象、溶解度和与纤维素的结合）有重大影响，并且可能对细胞壁中纤维素微纤维的堆积有重大影响。
次生细胞壁富含纤维素和半纤维素，通常具有层次结构
次生细胞壁的时间历史反映在其层状结构中，比初生壁的时间历史更加明显。研究最深入的次生细胞壁由顺序形成的同心层组成，从最老到最年轻依次命名为 S1、S2、S3 等；层数因细胞类型而异（见图 2.21B）。木材和纤维中通常有两层或三层的次生细胞壁。
每层的纤维素取向都不同，第一沉积层 (S1) 取向为浅的、近乎横向的螺旋，而较厚的 S2 层中的纤维素取向更纵向。在纤维细胞中（见第 1 章），常有一种特殊类型的次生细胞壁在最后一步沉积并形成“胶状”层。这部分壁面富含纤维素和果胶（通常是鼠李半乳糖醛酸），使其既坚固又柔韧。这种结构允许在需要时收缩以平衡不断增加的外力，就像拉伸木材中观察到的那样。关于这层胶状层是否应被视为三生壁（ tertiary wall），存在一些争议。
MACROFIBRIL的形成、结构和粘附 SCW 薄层含有高度排列的纤维素微纤维，这些微纤维组装成紧密堆积的MACROFIBRIL，而这些大纤维又相互排列，并被半纤维素和木质素隔开（图 2.21C）。大纤维是众多单个微纤维的集合体，这一概念主要基于脱木质素和部分解构的细胞壁的高分辨率电子显微镜。壁中大纤维的出现表明它们的形成是有序的，并且始于纤维素微纤维形成的最早阶段。一种可能性是，纤维素合成复合物簇（每个基本微纤维一个）协同产生微纤维，这些微纤维立即对齐并聚结形成大纤维，随后发生半纤维素相互作用。该过程可能由 COBRA 和 KORRIGAN 家族中的辅助蛋白介导，因为它们的突变表型包括减少的细胞壁组织。
SCW 的分子模型远不如为原代细胞壁开发的模型那么发达。 Terashima 和同事提出的一个假设模型（图 2.21D）说明了纳米级大纤维构造的一些基本概念。该模型提出了一种结构化的基质聚合物排列，其中葡甘露聚糖覆盖大纤维表面，木聚糖位于下一层，木质素连接木聚糖并填充大纤维之间的剩余空间。其他模型表明木质素插入并缠绕在半纤维素链中。不同半纤维素组成的物种的大纤维结构细节也可能不同。
物理和计算研究表明，水被困在组成微纤维之间，阻止大纤维融合成一个巨大的纤维素晶体。单个微纤维的错位和扭曲也可能有助于防止这种结晶。大纤维直径也因细胞类型和壁层而异，与木质素含量相关。
木质化将 SCW 转化为抗解构的疏水结构
SCW 经常被木质化，这一过程在 SCW 形成顺利进行后开始。木质化甚至可能在某些细胞类型的细胞死亡后继续进行，并由邻近的活细胞提供代谢贡献。木质素的主要组成部分称为单体木质素，包括芥子醇和松柏醇，以及少量的对香豆醇（图 2.22A）。单体木质素是在细胞中通过苯丙烷途径从苯丙氨酸合成的（参见网络附录 4）。
木质素单体穿过质膜输出到细胞壁。尽管这种运输可能由转运蛋白（例如 ABCG 转运蛋白）介导，但最近的模拟表明，单体木质素可能被动地扩散穿过膜。一旦进入细胞壁空间，单体木质素就会发生氧化偶联，产生紫丁香基 (S)、愈创木基 (G) 和对羟基苯基 (H) 木质素单元。S 单元不分枝，而 G 和 H 单元能够形成分枝结构。大多数物种的木质素是这三种单元的混合物，但其比例在空间和发育上以及物种之间可能有所不同。被子植物木质素主要由 G 和 S 单元组成，而裸子植物木质素主要含有 G 单元。禾草类的 H 单元含量略高。最近的研究表明，木质素聚合非常灵活，可以结合各种酚类亚基。这是壁结构共同主题的另一个证明，其中成分有一些基本趋势，但不同物种之间也存在多样性。
木质素合成涉及壁中氧化自由基介导的单体木质素偶联，由过氧化物酶和漆酶催化形成随机组合聚合物（图 2.22B）。最近对拟南芥的研究表明，根部的木质化主要依赖于过氧化物酶。大量的研究已经描述了木质素的结构、单木质素生物合成途径以及修改该途径以操纵木质化的策略。在木质组织中，木质素聚合通常从原代细胞壁和中间层的细胞角落开始，然后逐渐扩散到 SCW 层。这种木质化模式的基础尚不清楚，但一般推测成核位点存在于富含果胶的中层，木质化从这里开始，而壁基质的物理特性可能影响基于自由基的单木质素聚合和交联到壁多糖。
木质化的一种特殊情况发生在根内皮壁的一个狭窄区域，称为凯氏带（见第 1 章），它在中柱和皮层之间形成疏水屏障。 凯氏带含有在细胞壁非常狭窄的部分聚合的木质素。控制其合成的关键因素包括凯氏带蛋白 1 (CASP1)，它在凯氏带组织膜蛋白； 一种产生过氧化氢的 NADPH 氧化酶；以及产生单木质素自由基中间体的过氧化物酶（图 2.23）。此外，壁蛋白增强型木栓质 1 (ESB1) 对于细胞壁这一狭窄区域的正确木质化至关重要。ESB1 属于被称为指导域蛋白（来自拉丁语 dirigere，“指导”）的一类蛋白质，它可以指导由其他酶合成的化合物的立体化学。ESB1 的确切功能尚不清楚，但它可能在内胚层细胞壁的凯氏带中特异性地成核木质素形成。漆酶同工酶（LACCASE3）似乎在 CASP1 上游发挥作用，定位凯氏带，尽管在木质素形成中没有明显的功能。
尽管木质化与细胞壁强化有关，但这种效应的物理基础尚不清楚。以前人们认为木质素形成一个巨大的大分子，可以渗透和交联细胞壁，但最近的结果表明，天然木质素（或“原木质素”）比以前认为的要小。值得注意的是，过表达阿魏酸 5-羟化酶的转基因杨树的富硫木质素的聚合度仅为 10，但植物的表型似乎正常。技术障碍使得很难评估木质素在其他细胞壁中的交联程度，但广泛的交联似乎对杨树的木材形成并不是必不可少的。
为了支持木质素在植物细胞壁中提出的功能，在实验室中制备的复合水凝胶材料中添加木质素可提高抗压强度和抗拉强度、变形可恢复性和断裂力。随着 SCW 木质化，水被去除并被疏水性木质素分子取代。这往往会增强木质素和植物之间的非共价相互作用，可能部分造成了细胞壁强化。也有证据表明细胞壁多糖和木质素之间的广泛共价连接，但难以细致地表征。在禾草的细胞壁中，木质素-糖连接很大程度上是通过阿魏酸连接在GAX的阿拉伯糖残疾上形成的。