Understanding phase behavior of plant cell cortex microtubule organization

植物细胞皮层微管阵列(cortical microtubule array)是一种独特的细胞骨架结构。与动物细胞不同的是植物细胞骨架没有中心体。在细胞分裂间期，微管分布在液泡和植物细胞质膜之间的细胞质壳层中。1962年，Paul Green就推测在植物细胞皮层存在高度各向异性的物质结构。1963年，Ledbetter和Porter在植物细胞质膜下观察到平行排列的环纹状结构，并将这种独特的纤维状物质命名为“微管”。这种环纹状结构就是植物细胞皮层微管阵列，它在植物细胞形态发生中起着至关重要的作用。2003年，通过荧光显微技术，Sidney L. Shaw等人，观察到微管在质膜上的“踏车”（treadmilling）运动。2004年，Ram Dixit和Richard Cyr进一步发现“踏车”运动导致微管之间的相互碰撞，并且可能诱发微管的自发有序化。这些发现引发了微管有序化方面的理论探讨。特别有意义的一个挑战是，在没有中心体的情况下，细胞分裂周期中不同时期的微管组织形态是如何形成和调控的。

该研究从理论和模拟两方面深入探讨了存在聚合-解聚反应的微管系统中发生有序和无序转变的调控机制。研究发现，在这样的系统中，聚合反应往往和微管间的相互作用发生耦合，从而实现新颖的有序-无序转变机制。通过调控微管的聚合-解聚速率往往就能实现向列相有序-无序的转变。不仅如此，通过改变微管的其他动力学参数，比如成核速率，灾变速率（catastrophe rate）也能促发形态的有序-无序转变。作者通过建立理论模型，结合大规模的数值计算和模拟得到了系统的相图，并揭示了相图各区域的相转变特性。相图揭示了系统存在两种不同的向列相有序态。这些有序态和无序态之间的转变可以通过连续或不连续相变完成。转变特性取决于系统的动力学参数。这些研究结果不仅印证了实验上关于皮层微管阵列有序化机制的猜测，同时也有助于生物学家进一步理解微管出现自发有序的微观调控机制。

Discontinuous isotropic-nematic-like steady-state transition

Phase behavior of the system