三种马铃薯品种细胞壁的结构差异：纤维素、半纤维素和果胶的空间分布与组装

《International Journal of Biological Macromolecules》：Structural variations of cell walls in three potato cultivars: Spatial distribution and assembly of cellulose, hemicellulose, and pectin

土豆品种细胞壁多尺度结构差异及其对淀粉消化的影响。通过染色、扫描电镜、氮气吸附脱附和原子力显微镜分析，揭示不同品种细胞壁在纤维素/半纤维素骨架密度、孔隙分布（XS孔隙率低但骨架致密，ZZ孔隙率高且表面积大）、微纤丝排列（XS致密交织，ZZ平行伸展）及多酚分布上的显著差异，阐明结构-功能关系为慢消化食品开发提供理论支撑。

　　

陈晓宇|张慧|史晓伟|肖建辉|朱玲

国家功能性食品工程技术研究中心，江苏省食品安全与质量控制协同创新中心，江南大学食品科学与工程学院，无锡，214122，中国

摘要

马铃薯细胞壁可能对细胞内淀粉的消化具有品种依赖性的抑制作用。本研究系统比较了三种不同马铃薯品种（Xi Sen No.1（XS，富含纤维素）、Zhong Shu Zao No. 39（ZZ，富含果胶）和Zhong Shu Hong No. 3（ZH，成分平衡））的细胞壁的多尺度结构特性。通过特定染色和自动荧光技术，明确了三种细胞壁中纤维素/半纤维素骨架、果胶基质和多酚的空间分布。高分辨率扫描电子显微镜观察发现，XS细胞壁各层的孔隙数量较少且孔径较小；而N₂吸附-脱附实验表明ZZ细胞壁的表面积（1.8603?m²/g）和总孔体积（0.004146?cm³/g）较高。透射电子显微镜显示，所有细胞壁中都存在密集层和疏松层交替排列的结构，其中XS细胞壁的层厚最大（约6?μm）。原子力显微镜观察到：XS细胞壁中的纤维素微纤维束呈密集交织状（约196.90?nm），ZH细胞壁中呈不规则交织状（约124.18?nm），ZZ细胞壁中呈平行延伸状（约119.56?nm），这些微纤维束通过半纤维素连接形成致密的骨架。这些发现突显了细胞壁结构的显著异质性，为进一步研究其功能提供了依据。

引言

马铃薯细胞壁被认为会影响淀粉酶的扩散和淀粉的消化率[1]。Shin等人[2]报道，大西洋马铃薯的细胞壁会抑制淀粉的消化，而对优良品种的影响较小。这归因于优良品种的细胞壁具有更多通道，有利于消化酶的渗透。不同马铃薯细胞壁的固有结构特性差异可能导致淀粉消化速率的不同。在植物细胞生长过程中，初生细胞壁由原生质分泌的纤维素、半纤维素和果胶形成；生长停止后，次生细胞壁在初生细胞壁内侧积累纤维素、半纤维素和少量木质素（常见于木质组织细胞壁中）。成熟马铃薯块茎的薄壁细胞仅含有中间层和初生细胞壁，不含次生细胞壁。马铃薯细胞壁通常被描述为一种由纤维素和木葡聚糖组成的微纤维相，与富含果胶的基质相相关[3]。纤维素通过氢键与木葡聚糖结合，后者又与果胶分子中的鼠李糖半乳醛酸链相互作用[4]。在细胞壁中，中间层富含果胶，而初生细胞壁富含纤维素和半纤维素[5]。尽管这些研究建立了马铃薯细胞壁的一般模型，但不同品种之间的结构异质性仍不明确。

马铃薯细胞壁的孔隙率和密度对淀粉酶的跨膜运输及淀粉酶与淀粉的结合至关重要。虽然已知马铃薯细胞壁孔隙可渗透淀粉酶[6]，但关于不同品种细胞壁孔隙的物理尺寸、空间分布和体积的信息仍有限。细胞壁孔隙是由细胞壁骨架与半纤维素或果胶之间的疏松连接形成的空隙[7]。果胶中的半乳糖醛酸侧链与细胞壁骨架紧密结合，降低了细胞壁的通透性[8]。加热和水合作用导致的纤维素与果胶之间的松散结合会促进细胞内成分的溶解[9]。尽管半纤维素通过物理缠结填充孔隙可以增强小麦细胞壁的密度[10]，但其对马铃薯细胞壁结构的具体作用仍不清楚。此外，纤维素微纤维束的交织方式通过弥补细胞壁中的裂纹和凹陷来调控细胞壁的密度和孔隙率[11]。然而，目前还缺乏对不同马铃薯品种细胞壁这些关键结构特征的系统性分析。揭示马铃薯细胞壁微观结构的异质性将有助于马铃薯育种者培育适合慢消化食品加工的品种，也有助于食品科学家利用品种特性设计慢消化马铃薯产品。

本研究通过从毫米到纳米尺度的逐步分析，研究了三种马铃薯品种细胞壁的结构异质性。将马铃薯块茎切片并用不同染料染色，观察细胞壁成分的原位分布。分离出完整的薄壁细胞以检测关键参数，包括细胞壁组成、孔隙形态、孔隙体积和孔隙大小。清晰地可视化了不同细胞壁层的结构密度和组织结构，并进一步揭示了纤维素微纤维束网络的交织模式。马铃薯细胞壁微观结构的异质性为解码结构-功能关系提供了理论基础，为后续的功能评估奠定了基础。

材料

黑色马铃薯（Xi Sen No. 1，XS）、红色马铃薯（Zhong Shu Hong No. 3，ZH）和黄色马铃薯（Zhong Shu Zao No. 39，ZZ）由中国农业科学院蔬菜花卉研究所提供。这三种马铃薯品种于2025年在同一试验田种植，整个生长季节采用相同的田间管理措施（包括灌溉、施肥以及病虫害控制）。

三种马铃薯品种细胞壁的成分和组分分布差异

本研究认为，三种马铃薯样本之间的主要差异源于遗传背景（品种），而非遗传因素（如生长环境、收获时间和储存条件）得到了有效控制。表1列出了马铃薯细胞壁中的主要多糖成分。三种马铃薯品种的纤维素含量范围为32.57%至44.69%，高于先前的研究结果[16]。XS细胞壁主要由纤维素组成，而

局限性与未来研究

本研究对马铃薯块茎细胞壁的结构异质性进行了详细的多尺度分析，尽管取得了有价值的见解，但仍存在局限性。

我们利用高分辨率扫描电子显微镜和N₂吸附-脱附实验提供了细胞壁孔隙的视觉观察和定量数据。需要指出的是，样品制备过程（尤其是干燥步骤）可能会改变细胞壁的原始结构，尽管始终采用相同的操作规程。

结论

本研究采用逐层分解的方法研究了三种马铃薯品种细胞壁的结构特征，分析了细胞壁的组分分布、孔隙形态和大小以及分子组装情况。特定染色结果表明，纤维素/半纤维素主要位于细胞壁骨架中，而果胶则分布在基质中。XS细胞壁的纤维素和多酚含量最高，骨架更为坚固

作者贡献声明

陈晓宇：撰写初稿、软件操作、实验研究。张慧：软件操作、项目管理工作。史晓伟：数据验证、实验研究。肖建辉：软件操作、项目管理工作。朱玲：撰写稿件、审稿与编辑、资源协调、项目管理工作及资金申请。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

由于朱玲担任该期刊的编辑，她未参与本文的同行评审工作，也未获取任何与评审相关的信息。本文的编辑工作由另一位期刊编辑负责。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2023YFD1000602）、山东省重点研发计划（2024CXGC010918、2025CXGC010805）以及江苏省研究生研究与实践创新计划（KYCX25_2764）的财政支持。