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《中国林业科学研究院》 2008年
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毛竹发育过程中细胞壁形成的研究

刘波  
【摘要】: 与木材相比,竹材细胞壁的研究工作仍处于起步阶段,对竹茎杆细胞的发育过程,尤其是细胞壁形成和分化过程的研究远远不够。细胞壁是构成竹材细胞的实体物质,是竹类植物遗传改良和定向培育的重要目标,是竹材各种性质的成因,也是竹材加工和利用的主要部分。因此,针对竹类植物开展细胞壁的生物形成过程的研究,具有非常重要的理论和现实意义。 本研究是以我国种植面积最广、利用价值最大的毛竹(Phyllostachys pubescens MaxelExh.De Lehaie)为研究对象,紧紧围绕竹材生物形成机理与加工利用相互关系这一主题,利用多学科的技术手段和方法以及先进的实验仪器,从竹材发育过程中的显微结构变化、细胞壁超微结构变化和细胞壁力学性能及其与细胞壁显微和超微结构关系三个方面,系统研究了各类细胞的分化和细胞壁的形成过程。 在竹材发育过程中显微结构变化的研究中,采用定量解剖学和显微图像分析技术,得到了毛竹各类组织和细胞的解剖形态在发育过程中的变化;并采用X-射线衍射仪获得了毛竹在发育过程中微纤丝角(MFA)和结晶度(CrI)的变化。 在竹材发育过程中细胞壁超微结构变化的研究中,通过透射电子显微镜(TEM)观察了毛竹各类细胞在发育各阶段细胞壁和原生质体的变化特征,确定了细胞的分化方式,讨论了细胞程序化死亡(PCD)过程中细胞壁形成与原生质体之间的相互关系。采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、TEM结合直接碳复型(DCR)技术,首次系统地观察到了毛竹细胞壁纤维素微纤丝(CMfs)从初生壁到次生壁多层上的排列和沉积过程,提出了毛竹纤维细胞壁的构成模型。在国内首次将免疫细胞化学技术结合激光共聚焦显微镜(CLSM)的方法,运用到竹材骨架物质微管的研究中,得到了各类型细胞分化过程中周质微管(CMTs)的排列方式,并讨论了CMTs的排列与细胞壁上CMfs沉积方式的相互关系,研究结果为竹类植物细胞分化过程中CMTs排列方式控制细胞壁上CMfs的沉积提供了新的证据。通过可见光显微分光光度计结合组织化学染色方法,首次系统地观察到了毛竹各类细胞分化过程中细胞壁上木质素的沉积过程和微区分布特点,半定量分析了木质素组成单元的分布和含量变化。 在竹材发育过程中细胞壁力学性能及其与结构相互关系的研究中,通过纳米压痕技术获得了毛竹纤维细胞的纵向弹性模量和硬度性能指标,并分析了MFA、CrI、细胞壁木质素含量和分布以及细胞壁超微结构对细胞壁力学性能的影响。 本文旨在通过以上所涉及的三个方面的研究内容和结果为纽带,针对细胞壁研究比较薄弱的竹类植物,揭示细胞壁发育的生物形成过程,建立竹材解剖学研究与现代生物技术改良研究和竹材加工利用研究之间的紧密联系,为揭示竹子生长发育规律、结构与功能的关系以及合理利用提供科学的基础数据,为竹材分子生物学研究提供有价值的细胞学依据。 以上研究内容的主要结果如下: 1.定量解剖学研究结果表明,随着细胞分化和发育的进行,维管束分布密度、维管束径向长度和弦向长度、纤维长度和宽度、导管分子长度、微纤丝角、结晶度随竹龄、径向位置和纵向高度变化趋势各不相同。其中,维管束分布密度在7天~1年内不断减小;在1~8年内保持稳定,一般为11~18个/5mm~2;在8~9年内逐渐增大。纤维长度在7~17天内纤维长度迅速增大;17天~8年内基本保持稳定,竹青位置平均2295μm,竹黄位置平均2205μm;8~9年内纤维长度略有下降。X-射线衍射研究结果显示,MFA随竹龄的变化趋势为:竹青位置在1~2年内小幅上升;2~8年内小幅回落后稳定在平均值9.98°左右;8~9年内大幅增加至平均值11.41°。竹黄位置各节间在1~8年内保持稳定在平均值9.16°左右;8~9年内大幅增加至平均11.35°,与竹青处相差不多。结晶度随竹龄的变化趋势为,竹青位置在1~2年内逐渐减小;随后2~8年内迅速回升,然后稳定平均值46.78%左右;8~9年间又有所减小。竹黄位置处结晶度在1~9年内基本围绕在平均40.79%值左右波动变化。 2.TEM观察结果表明纤维、基本薄壁组织细胞、导管分子的分化过程均是典型的衰退过程,它是由次生壁的沉积和原生质体的衰退这两个密切相关的过程组成。纤维、基本薄壁组织细胞、导管分子的终端分化就是PCD;并且PCD过程是一个具有较长周期的过程,周期长短比较为基本薄壁组织细胞>纤维>导管分子;三类细胞最后的凋亡决定于细胞内原生质体完全降解的时刻。在细胞PCD过程中,原生质体内的各种细胞器对次生壁形成起到了不同的推进作用,并且实现了各类型细胞向功能定位的转变——纤维细胞组织起机械支持作用,基本薄壁组织细胞起贮藏作用,导管起输导作用。 3.场发射和复型技术揭示纤维、基本薄壁组织细胞和导管的细胞壁上CMfs的沉积方式。纤维的细胞壁为典型的薄厚层相间的同心圆多层结构,初生壁CMfs排列方向与细胞轴向垂直(90°);次生壁中厚层的CMfs均以接近平行的小角度(0~5°)沉积;薄层一般以大角度沉积,且薄层的CMfs角度由壁外侧向细胞腔里逐渐增加,直到完全垂直。纤维单纹孔由初生壁CMfs在初生纹孔场区域凹陷形成,各层次生壁CMfs围绕纹孔排列形成椭圆形,纹孔长轴随着次生壁每层CMfs排列的主方向变化。将纤维素微纤丝排列变化与细胞壁各层厚度的研究结果相结合,本文提出了毛竹纤维细胞壁的构成模型。基本薄壁组织细胞的细胞壁为多层结构,无明显的薄厚层变化规律。初生壁CMfs排列方向与细胞轴向垂直;次生壁奇数层CMfs排列与细胞轴向近平行或呈小角度,偶数层CMfs排列与细胞轴向接近垂直或呈大角度。其单纹孔由初生壁CMfs在初生纹孔场周围盘绕而成,次生壁各层的CMfs均绕开纹孔膜排列,椭圆形纹孔的长轴总与各壁层CMfs排列方向相同。导管的细胞壁为多层结构,每层次生壁的CMfs排列均与细胞轴向垂直。其具缘纹孔由初生壁CMfs在初生纹孔场区域网状交织、在初生纹孔场周围加高隆起而形成。多层次生壁在纹孔周围不断沉积,使具缘纹孔形成了长型椭圆形,其长轴方向始终与细胞轴向垂直。 4.免疫细胞化学研究分别得到了纤维、基本薄壁组织细胞和导管的CMTs在分化中的动态变化。在各类细胞发育之初,纤维细胞中最早形成CMTs;在细胞发育间期,纤维和导管中只存在CMTs,而基本薄壁组织细胞中还存在胞质微管(CYMTs),随着基本薄壁组织细胞伸长期的结束或CMTs的大量增加,CYMTs逐渐消失。纤维和基本薄壁组织细胞中的CMTs束经历由细变粗,数量由少到多,排列由随机到定向,分布由稀疏到密集的变化过程。在基本薄壁组织细胞中还观察到CMTs的微管组织中心(MTOC)的存在,它是由微管、不规则的小泡和浓密基质构成的复合物。在纤维和基本薄壁组织细胞增厚中期,CMTs均存在解聚现象,但其特征有所不同。结合场发射和透射电镜的研究结果表明,无论初生壁还是次生壁发育阶段,CMTs排列方式的变化与CMfs沉积方向的变化具有明显的一致性。 5.木质素在纤维、基本薄壁组织细胞、导管分子和石细胞的细胞壁上均有沉积,但沉积先后和周期不同。沉积先后顺序为:原生木质部导管>纤维>后生木质部导管=石细胞>基本薄壁组织细胞;沉积周期长短顺序为:基本薄壁组织细胞>后生木质部导管>石细胞>纤维。各类型细胞的木质素总含量随细胞壁的增厚而不断增加。可见光吸收光谱表明,纤维、基本薄壁组织细胞、后生木质部导管的木质素中具有愈创木基单元(G)和紫丁香单元(S)。三类细胞胞壁各微区的木质素总含量和木质素组成单元含量随竹龄、径向位置的变化规律各不相同,纤维的木质素含量随纤维在维管束纤维帽中位置的变化而不同。木质素的沉积和细胞次生壁的发育过程紧密相关。 6.纤维、基本薄壁组织细胞和导管细胞壁层数在发育过程中不断增加,发育快慢程度为:基本薄壁组织细胞>纤维>导管。三类细胞壁层发育程度在径向上的比较为:竹青位置的细胞始终快于同时期同类型竹黄位置的细胞。纤维和基本薄壁组织细胞的壁层数在6年时达到最大值,分别形成了6~11层和7~13层次生壁;导管的壁层始终处于不断增加的状态,在9年时达到5~6层。三类细胞各壁层厚度变化为:纤维在发育的各个时期,细胞壁的最厚层均为次生壁S_2层;基本薄壁组织细胞和导管分子各壁层的厚度变化规律不一致,最厚壁层在发育的不同时期出现于不同的次生壁层。维管束内纤维壁层和壁厚,是近维管束中心的先发育、程度高,远维管束中心的后发育、程度低,发育程度是以维管束中心为原点,呈辐射状向四个纤维帽外侧过渡。 7.纳米压痕技术原位测定结果显示,随着竹龄的增加,纤维细胞壁的纵向弹性模量和硬度的变化不同。次生壁(SW)S_2层的纵向弹性模量和硬度范围分别在13.2~24.7GPa和0.46~0.71GPa;细胞角隅(CC)处分别为9.0~16.6GPa和0.38~0.66GPa;细胞胞间层(ML)分别为8.9~13.6GPa和0.27~0.66GPa。细胞壁三个不同微区的纵向弹性模量和硬度在径向上的变化趋势也不同。同竹龄同径向位置的细胞壁三个不同微区上纵向弹性模量大小为SW>ML>CC,硬度大小为ML>CC>SW。在纤维细胞的发育过程中,细胞壁力学性能与细胞壁木质素含量和分布呈正相关,尤其是硬度性能与木质素含量密切相关。同时,细胞壁力学性能与细胞壁纤维素结晶度呈正相关,与纤维素微纤丝角度关系密切,呈负相关。竹材的高强度、高硬度等力学性能,主要由竹材细胞的细胞壁结构特性决定。
【学位授予单位】:中国林业科学研究院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:S795

【引证文献】
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