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植物组织由位置固定、内部承压的细胞构成，必须在多种环境载荷作用下维持结构完整性。与通过细胞重排实现适应的动物组织不同，植物必须依靠细胞网络的几何构型来实现力学稳健性。本研究将多层三维力学模拟与细胞分辨率图像分析相结合，对包括玉米（Zea mays）、吊竹梅（Tradescantia zebrina）和拟南芥（Arabidopsis thaliana）在内、涵盖广泛系统发育类群的植物物种开展研究，建立了细胞几何形态与力学韧性之间的机制性联系。我们发现，三岔连接点是基本的力学单元，可发挥柔性铰链的作用，使植物组织能够适应力学应变。相比之下，四岔连接点的刚度显著更高，且缺乏这种应变吸收机制，从而为植物在生物学上避免形成此类连接点提供了力学解释。我们还发现，组织的材料性质和应变响应取决于边长、细胞所处层位、形状的六边形化程度以及膨压响应。这些发现揭示了细胞分裂模式主动调节组织抵御机械应力能力的机制。本研究为理解不同细胞形状的演化提供了新见解，并为仿生材料科学与组织工程提供了明确的设计原则。
sjr68{at}cam.ac.uk
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摘要
植物组织由位置固定且具有内压的细胞组成，这些细胞必须在各种环境载荷下维持结构完整性。与通过细胞重排实现适应的动物组织不同，植物必须通过其细胞网络的几何构型获得力学稳健性。本研究将多层三维力学模拟与细胞分辨率图像分析相结合，在涵盖玉米（Zea mays）、吊竹梅（Tradescantia zebrina）和拟南芥（Arabidopsis thaliana）等系统发育背景多样的植物物种中，建立了细胞几何形态与力学韧性之间的机制联系。我们发现，三向交汇点是基本的力学单元，其作用类似于柔性铰链，使植物组织能够适应机械应变。相比之下，四向交汇点的刚度显著更高，且缺乏这种应变吸收机制，这为生物体避免形成此类交汇点提供了力学解释。我们还发现，组织的材料性质和应变响应取决于边长、细胞层、六边形形态程度以及膨压响应。这些发现揭示了细胞分裂模式主动调节组织抵御机械应力能力的机制。本研究为不同细胞形状的演化提供了新的见解，并为仿生材料科学和组织工程提供了明确的设计原则。
利益冲突声明
作者声明不存在利益冲突。
已声明的资助方信息
利弗休姆信托基金会，
，RPG-2022-111
英国皇家学会，
，URF\R1\180196
盖茨比慈善基金会，
，G101113
生物技术与生物科学研究
委员会，
，G101113
版权
本预印本的版权持有人为作者／资助方，其已授权 bioRxiv 永久展示本预印本。
本预印本依据
CC-BY-NC-ND 4.0 国际许可协议
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发布于2026年9月8日。
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细胞几何形态与连接排列决定植物组织的力学稳健性
Euan T
Smithers
，
Mahwish
Ejaz
，
Martin O
Lenz
，
Leo
Serra
，
Elise
Laruelle
，
Sarah
Robinson
bioRxiv
2026.09.07.749888；
doi：
https://doi.org/10.64898/2026.09.07.749888
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细胞几何形态与连接排列决定植物组织的力学稳健性
Euan T
Smithers
，
Mahwish
Ejaz
，
Martin O
Lenz
，
Leo
Serra
，
Elise
Laruelle
，
Sarah
Robinson
bioRxiv
2026.09.07.749888；
doi：
https://doi.org/10.64898/2026.09.07.749888
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关键词：植物组织力学 · 细胞几何形态 · 细胞连接拓扑 · 三维力学模拟 · 膨压响应 · 力学稳健性
原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.09.07.749888v1?rss=1