毛竹發(fā)育過(guò)程中細(xì)胞壁形成的研究.pdf

1、與木材相比，竹材細(xì)胞壁的研究工作仍處于起步階段，對(duì)竹莖桿細(xì)胞的發(fā)育過(guò)程，尤其是細(xì)胞壁形成和分化過(guò)程的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。細(xì)胞壁是構(gòu)成竹材細(xì)胞的實(shí)體物質(zhì)，是竹類植物遺傳改良和定向培育的重要目標(biāo)，是竹材各種性質(zhì)的成因，也是竹材加工和利用的主要部分。因此，針對(duì)竹類植物開(kāi)展細(xì)胞壁的生物形成過(guò)程的研究，具有非常重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。
　　本研究是以我國(guó)種植面積最廣、利用價(jià)值最大的毛竹（Phyllostachys pubescens Maxel E

2、xh. De Lehaie）為研究對(duì)象，緊緊圍繞竹材生物形成機(jī)理與加工利用相互關(guān)系這一主題，利用多學(xué)科的技術(shù)手段和方法以及先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)儀器，從竹材發(fā)育過(guò)程中的顯微結(jié)構(gòu)變化、細(xì)胞壁超微結(jié)構(gòu)變化和細(xì)胞壁力學(xué)性能及其與細(xì)胞壁顯微和超微結(jié)構(gòu)關(guān)系三個(gè)方面，系統(tǒng)研究了各類細(xì)胞的分化和細(xì)胞壁的形成過(guò)程。
　　在竹材發(fā)育過(guò)程中顯微結(jié)構(gòu)變化的研究中，采用定量解剖學(xué)和顯微圖像分析技術(shù)，得到了毛竹各類組織和細(xì)胞的解剖形態(tài)在發(fā)育過(guò)程中的變化；并采用X-射線

3、衍射儀獲得了毛竹在發(fā)育過(guò)程中微纖絲角（MFA）和結(jié)晶度（CrI）的變化。
　　在竹材發(fā)育過(guò)程中細(xì)胞壁超微結(jié)構(gòu)變化的研究中，通過(guò)透射電子顯微鏡（TEM）觀察了毛竹各類細(xì)胞在發(fā)育各階段細(xì)胞壁和原生質(zhì)體的變化特征，確定了細(xì)胞的分化方式，討論了細(xì)胞程序化死亡（PCD）過(guò)程中細(xì)胞壁形成與原生質(zhì)體之間的相互關(guān)系。采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）、TEM結(jié)合直接碳復(fù)型（DCR）技術(shù)，首次系統(tǒng)地觀察到了毛竹細(xì)胞壁纖維素微纖絲（CMfs）從

4、初生壁到次生壁多層上的排列和沉積過(guò)程，提出了毛竹纖維細(xì)胞壁的構(gòu)成模型。在國(guó)內(nèi)首次將免疫細(xì)胞化學(xué)技術(shù)結(jié)合激光共聚焦顯微鏡（CLSM）的方法，運(yùn)用到竹材骨架物質(zhì)微管的研究中，得到了各類型細(xì)胞分化過(guò)程中周質(zhì)微管（CMTs）的排列方式，并討論了CMTs的排列與細(xì)胞壁上CMfs沉積方式的相互關(guān)系，研究結(jié)果為竹類植物細(xì)胞分化過(guò)程中CMTs排列方式控制細(xì)胞壁上CMfs的沉積提供了新的證據(jù)。通過(guò)可見(jiàn)光顯微分光光度計(jì)結(jié)合組織化學(xué)染色方法，首次系統(tǒng)地觀察到

5、了毛竹各類細(xì)胞分化過(guò)程中細(xì)胞壁上木質(zhì)素的沉積過(guò)程和微區(qū)分布特點(diǎn)，半定量分析了木質(zhì)素組成單元的分布和含量變化。
　　在竹材發(fā)育過(guò)程中細(xì)胞壁力學(xué)性能及其與結(jié)構(gòu)相互關(guān)系的研究中，通過(guò)納米壓痕技術(shù)獲得了毛竹纖維細(xì)胞的縱向彈性模量和硬度性能指標(biāo)，并分析了MFA、CrI、細(xì)胞壁木質(zhì)素含量和分布以及細(xì)胞壁超微結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞壁力學(xué)性能的影響。
　　本文旨在通過(guò)以上所涉及的三個(gè)方面的研究?jī)?nèi)容和結(jié)果為紐帶，針對(duì)細(xì)胞壁研究比較薄弱的竹類植物，揭示細(xì)胞

6、壁發(fā)育的生物形成過(guò)程，建立竹材解剖學(xué)研究與現(xiàn)代生物技術(shù)改良研究和竹材加工利用研究之間的緊密聯(lián)系，為揭示竹子生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律、結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系以及合理利用提供科學(xué)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為竹材分子生物學(xué)研究提供有價(jià)值的細(xì)胞學(xué)依據(jù)。
　　以上研究?jī)?nèi)容的主要結(jié)果如下：
　　1.定量解剖學(xué)研究結(jié)果表明，隨著細(xì)胞分化和發(fā)育的進(jìn)行，維管束分布密度、維管束徑向長(zhǎng)度和弦向長(zhǎng)度、纖維長(zhǎng)度和寬度、導(dǎo)管分子長(zhǎng)度、微纖絲角、結(jié)晶度隨竹齡、徑向位置和縱向高度變化趨勢(shì)

7、各不相同。其中，維管束分布密度在7天~1年內(nèi)不斷減?。辉?~8年內(nèi)保持穩(wěn)定，一般為11~18個(gè)/5mm2；在8~9年內(nèi)逐漸增大。纖維長(zhǎng)度在7~17天內(nèi)纖維長(zhǎng)度迅速增大；17天~8年內(nèi)基本保持穩(wěn)定，竹青位置平均2295μm，竹黃位置平均2205μm；8~9年內(nèi)纖維長(zhǎng)度略有下降。X-射線衍射研究結(jié)果顯示，MFA隨竹齡的變化趨勢(shì)為：竹青位置在1~2年內(nèi)小幅上升；2～8年內(nèi)小幅回落后穩(wěn)定在平均值9.98°左右；8~9年內(nèi)大幅增加至平均值11.4

8、1°。竹黃位置各節(jié)間在1~8年內(nèi)保持穩(wěn)定在平均值9.16°左右；8~9年內(nèi)大幅增加至平均11.35°，與竹青處相差不多。結(jié)晶度隨竹齡的變化趨勢(shì)為，竹青位置在1~2年內(nèi)逐漸減?。浑S后2～8年內(nèi)迅速回升，然后穩(wěn)定平均值46.78％左右；8~9年間又有所減小。竹黃位置處結(jié)晶度在1~9年內(nèi)基本圍繞在平均40.79%值左右波動(dòng)變化。
　　2. TEM觀察結(jié)果表明纖維、基本薄壁組織細(xì)胞、導(dǎo)管分子的分化過(guò)程均是典型的衰退過(guò)程，它是由次生壁的沉積

9、和原生質(zhì)體的衰退這兩個(gè)密切相關(guān)的過(guò)程組成。纖維、基本薄壁組織細(xì)胞、導(dǎo)管分子的終端分化就是PCD；并且PCD過(guò)程是一個(gè)具有較長(zhǎng)周期的過(guò)程，周期長(zhǎng)短比較為基本薄壁組織細(xì)胞﹥纖維﹥導(dǎo)管分子；三類細(xì)胞最后的凋亡決定于細(xì)胞內(nèi)原生質(zhì)體完全降解的時(shí)刻。在細(xì)胞PCD過(guò)程中，原生質(zhì)體內(nèi)的各種細(xì)胞器對(duì)次生壁形成起到了不同的推進(jìn)作用，并且實(shí)現(xiàn)了各類型細(xì)胞向功能定位的轉(zhuǎn)變——纖維細(xì)胞組織起機(jī)械支持作用，基本薄壁組織細(xì)胞起貯藏作用，導(dǎo)管起輸導(dǎo)作用。
　　3

10、.場(chǎng)發(fā)射和復(fù)型技術(shù)揭示纖維、基本薄壁組織細(xì)胞和導(dǎo)管的細(xì)胞壁上CMfs的沉積方式。纖維的細(xì)胞壁為典型的薄厚層相間的同心圓多層結(jié)構(gòu)，初生壁CMfs排列方向與細(xì)胞軸向垂直（90°）；次生壁中厚層的CMfs均以接近平行的小角度（0~5°）沉積；薄層一般以大角度沉積，且薄層的CMfs角度由壁外側(cè)向細(xì)胞腔里逐漸增加，直到完全垂直。纖維單紋孔由初生壁CMfs在初生紋孔場(chǎng)區(qū)域凹陷形成，各層次生壁CMfs圍繞紋孔排列形成橢圓形，紋孔長(zhǎng)軸隨著次生壁每層CM

11、fs排列的主方向變化。將纖維素微纖絲排列變化與細(xì)胞壁各層厚度的研究結(jié)果相結(jié)合，本文提出了毛竹纖維細(xì)胞壁的構(gòu)成模型?；颈”诮M織細(xì)胞的細(xì)胞壁為多層結(jié)構(gòu)，無(wú)明顯的薄厚層變化規(guī)律。初生壁CMfs排列方向與細(xì)胞軸向垂直；次生壁奇數(shù)層CMfs排列與細(xì)胞軸向近平行或呈小角度，偶數(shù)層CMfs排列與細(xì)胞軸向接近垂直或呈大角度。其單紋孔由初生壁CMfs在初生紋孔場(chǎng)周圍盤(pán)繞而成，次生壁各層的CMfs均繞開(kāi)紋孔膜排列，橢圓形紋孔的長(zhǎng)軸總與各壁層CMfs排列方

12、向相同。導(dǎo)管的細(xì)胞壁為多層結(jié)構(gòu)，每層次生壁的CMfs排列均與細(xì)胞軸向垂直。其具緣紋孔由初生壁CMfs在初生紋孔場(chǎng)區(qū)域網(wǎng)狀交織、在初生紋孔場(chǎng)周圍加高隆起而形成。多層次生壁在紋孔周圍不斷沉積，使具緣紋孔形成了長(zhǎng)型橢圓形，其長(zhǎng)軸方向始終與細(xì)胞軸向垂直。
　　4.免疫細(xì)胞化學(xué)研究分別得到了纖維、基本薄壁組織細(xì)胞和導(dǎo)管的CMTs在分化中的動(dòng)態(tài)變化。在各類細(xì)胞發(fā)育之初，纖維細(xì)胞中最早形成CMTs；在細(xì)胞發(fā)育間期，纖維和導(dǎo)管中只存在CMTs，而

13、基本薄壁組織細(xì)胞中還存在胞質(zhì)微管（CYMTs），隨著基本薄壁組織細(xì)胞伸長(zhǎng)期的結(jié)束或CMTs的大量增加，CYMTs逐漸消失。纖維和基本薄壁組織細(xì)胞中的CMTs束經(jīng)歷由細(xì)變粗，數(shù)量由少到多，排列由隨機(jī)到定向，分布由稀疏到密集的變化過(guò)程。在基本薄壁組織細(xì)胞中還觀察到CMTs的微管組織中心（MTOC）的存在，它是由微管、不規(guī)則的小泡和濃密基質(zhì)構(gòu)成的復(fù)合物。在纖維和基本薄壁組織細(xì)胞增厚中期，CMTs均存在解聚現(xiàn)象，但其特征有所不同。結(jié)合場(chǎng)發(fā)射和透

14、射電鏡的研究結(jié)果表明，無(wú)論初生壁還是次生壁發(fā)育階段，CMTs排列方式的變化與CMfs沉積方向的變化具有明顯的一致性。
　　5.木質(zhì)素在纖維、基本薄壁組織細(xì)胞、導(dǎo)管分子和石細(xì)胞的細(xì)胞壁上均有沉積，但沉積先后和周期不同。沉積先后順序?yàn)椋涸举|(zhì)部導(dǎo)管﹥纖維﹥后生木質(zhì)部導(dǎo)管=石細(xì)胞﹥基本薄壁組織細(xì)胞；沉積周期長(zhǎng)短順序?yàn)椋夯颈”诮M織細(xì)胞﹥后生木質(zhì)部導(dǎo)管﹥石細(xì)胞﹥纖維。各類型細(xì)胞的木質(zhì)素總含量隨細(xì)胞壁的增厚而不斷增加。可見(jiàn)光吸收光譜表明，

15、纖維、基本薄壁組織細(xì)胞、后生木質(zhì)部導(dǎo)管的木質(zhì)素中具有愈創(chuàng)木基單元（G）和紫丁香單元（S）。三類細(xì)胞胞壁各微區(qū)的木質(zhì)素總含量和木質(zhì)素組成單元含量隨竹齡、徑向位置的變化規(guī)律各不相同，纖維的木質(zhì)素含量隨纖維在維管束纖維帽中位置的變化而不同。木質(zhì)素的沉積和細(xì)胞次生壁的發(fā)育過(guò)程緊密相關(guān)。
　　6.纖維、基本薄壁組織細(xì)胞和導(dǎo)管細(xì)胞壁層數(shù)在發(fā)育過(guò)程中不斷增加，發(fā)育快慢程度為：基本薄壁組織細(xì)胞﹥纖維﹥導(dǎo)管。三類細(xì)胞壁層發(fā)育程度在徑向上的比較為：竹

16、青位置的細(xì)胞始終快于同時(shí)期同類型竹黃位置的細(xì)胞。纖維和基本薄壁組織細(xì)胞的壁層數(shù)在6年時(shí)達(dá)到最大值，分別形成了6～11層和7~13層次生壁；導(dǎo)管的壁層始終處于不斷增加的狀態(tài)，在9年時(shí)達(dá)到5~6層。三類細(xì)胞各壁層厚度變化為：纖維在發(fā)育的各個(gè)時(shí)期，細(xì)胞壁的最厚層均為次生壁S2層；基本薄壁組織細(xì)胞和導(dǎo)管分子各壁層的厚度變化規(guī)律不一致，最厚壁層在發(fā)育的不同時(shí)期出現(xiàn)于不同的次生壁層。維管束內(nèi)纖維壁層和壁厚，是近維管束中心的先發(fā)育、程度高，遠(yuǎn)維管束中

17、心的后發(fā)育、程度低，發(fā)育程度是以維管束中心為原點(diǎn)，呈輻射狀向四個(gè)纖維帽外側(cè)過(guò)渡。
　　7.納米壓痕技術(shù)原位測(cè)定結(jié)果顯示，隨著竹齡的增加，纖維細(xì)胞壁的縱向彈性模量和硬度的變化不同。次生壁（SW）S2層的縱向彈性模量和硬度范圍分別在13.2～24.7GPa和0.46～0.71GPa；細(xì)胞角隅（CC）處分別為9.0~16.6GPa和0.38~0.66GPa；細(xì)胞胞間層（ML）分別為8.9~13.6GPa和0.27~0.66GPa。細(xì)胞壁