细胞壁作为植物重要的结构与组成部分，是生物质能源储存与开发的重要资源。在微观结构上，植物细胞壁位于原生质体外围，由相互连接的多糖、酚类聚合物和结构蛋白组成的复杂且动态的网络结构，是植物细胞区别于动物细胞的重要特征之一。

过去，对细胞壁成分的研究通常采用染料或荧光标记等方法对某一组分进行特异标记并成像，这类方法不仅耗费时间，也无法同时保留细胞壁多种成分的原位分布信息。红外光谱技术是常用的细胞壁非标记技术，可基于成分化学键红外吸收特征的差异对多种组分进行分析，但水分子的干扰使得红外光谱并不适用于活体植物研究。拉曼光谱是研究分子振动和鉴定化学结构的一类光谱研究方法，在成分检测过程中不受水的干扰，可以同时获取光谱和光学成像信息，进而对细胞壁进行非标记的无损原位成像，在植物细胞壁组分含量与沉积、组分转变检测等方面具有重要作用。

2024年4月19日，北京林业大学生物科学与技术学院林金星教授团队在SCIENCE CHINA Life Sciences发表了最新研究成果，题目为“Single-cell characterization of major components of plant cell walls in situ by Raman spectroscopy”的研究论文。该研究以油松、水稻和麻风树等为材料，采用拉曼光谱技术在单细胞水平上对主要成分的含量和分布进行了原位检测，确定半纤维素乙酰化和C型木质素的特征拉曼光谱及其在细胞壁中的沉积分布规律，同时进一步采用主成分分析和聚类分析等方法对光谱数据进行优化分类，这为植物细胞壁多组分原位无损检测提供了新的研究方法。

图1 植物细胞壁主要成分的拉曼光谱检测和单细胞水平的原位成像

A：野生型和darx1水稻维管束细胞壁的拉曼光谱以及半纤维素乙酰化的CRM成像。B：野生型水稻维管束细胞壁成分分布的CRM成像。C：油松树干和根次生木质部细胞壁的平均拉曼光谱。D-E：油松次生木质部细胞壁成分分布的CRM和SRS成像。F-H：油松次生木质部的主成分分析与聚类分析。I：C型木质素单体和二聚体的实验和DFT预测拉曼光谱。J：麻风树种皮中植物细胞壁成分的SRS成像。K：C型木质素的二维 HSQC NMR 光谱。

C型木质素是一类完全由咖啡醇单元合成的均质聚合物。为表征C型木质素的化学结构，研究人员提取了C型木质素并进行了核磁共振分析。进而通过实验测定以及密度泛函理论（Density-functional theory，DFT）计算预测C型木质素单体和二聚体的标准拉曼光谱。最终确定与苯环伸缩振动有关，在C型木质素单体和二聚体的拉曼光谱中都展示出强烈的拉曼信号的1135 cm^-1峰为C型木质素特征拉曼峰，并用于区分C型木质素和其他木质素单体。进一步研究发现，在麻风树种皮中，基于SRS信号强度可对比多糖和不同木质素单体的相对含量，结果表明G型木质素的含量略高于C型木质素，S型木质素的含量低于G和C型木质素，这是首次采用拉曼显微技术对细胞壁中C型木质素进行的原位分布成像。

综上所述，拉曼光谱技术可提供成分检测和原位成像，通过采用主成分分析和聚类分析方法对光谱数据进行优化，这在大规模快速检测多种细胞壁成分方面具有显著优势。基于已建立的拉曼光谱检测与数据分析方法，对于准确提供多种成分的光谱信息，进而实现单细胞水平的原位非破坏性表征提供了新的可能性。

论文第一署名单位为北京林业大学，生物科学与技术学院硕士研究生李雨健、博士研究生沈微微为论文共同第一作者，北京林业大学林金星教授为论文通讯作者。国际竹藤中心马建锋研究员、北京林业大学材料学院宋国勇教授团队、北京航空航天大学王璞教授参与并协助了该项研究。该研究得到了国家自然科学基金，中央高校基本科研业务费、高等学校学科人才引进计划（111项目）等项目的资助。

北京林业大学林金星团队在植物细胞壁主要成分单细胞水平拉曼光谱原位表征的研究中取得新进展