巨尾桉脫落樹皮形成過程及機(jī)理的研究.pdf

1、傳統(tǒng)脫落樹皮發(fā)生理論認(rèn)為：“由于樹皮內(nèi)新周皮的形成，新周皮外側(cè)的落皮層被切斷水分和養(yǎng)料供應(yīng)而死亡，在風(fēng)吹雨淋等外力作用下發(fā)生脫落”。但該理論尚存多處疑問。從傳統(tǒng)脫落樹皮發(fā)生理論可見，周皮的形成對落皮層脫落具有重要作用。離區(qū)和離層的形成及分離是研究植物器官脫落的核心內(nèi)容，如果套用于脫落樹皮的發(fā)生，則新周皮就相當(dāng)于離區(qū)，新周皮最外層的幾層木栓層就是離層。因此對脫落樹皮形成過程的研究就是對樹皮中離區(qū)形成過程的研究，也是對周皮形成過程的研究。<

2、br>　　為豐富和完善脫落樹皮形成理論，揭示周皮內(nèi)木栓層和木栓形成層的形成過程和機(jī)理，改善脫落樹皮性狀，促進(jìn)其開發(fā)利用，有必要對脫落樹皮形成過程及機(jī)理進(jìn)行深入研究。
　　本研究基于木材學(xué)中樹皮脫落和周皮形成的基礎(chǔ)理論，以脫落樹皮形成過程中離區(qū)細(xì)胞微觀和超微結(jié)構(gòu)變化為主軸，分別針對脫落樹皮形成過程的各個階段：利用光學(xué)和電子顯微鏡，研究離區(qū)細(xì)胞微觀和超微觀結(jié)構(gòu)特征，以掌握其發(fā)展變化細(xì)節(jié)；采用TUNEL法和DNA Ladder法研究離區(qū)

3、細(xì)胞PCD發(fā)生，以確定其死亡本質(zhì)；通過對離區(qū)細(xì)胞壁水解酶分布及活性變化動態(tài)的分析，明確其松弛和脫落機(jī)理；通過對離區(qū)活性氧水平和抗氧化酶活性變化動態(tài)的分析，探究其細(xì)胞變化機(jī)理。結(jié)果表明：
　?。?）新鮮樹皮由內(nèi)向外依次由維管形成層、次生韌皮部和周皮組成，其中次生韌皮部由篩管、伴胞、含晶細(xì)胞、韌皮纖維、韌皮射線和韌皮薄壁細(xì)胞按一定規(guī)律排列組成；新鮮樹皮的熱水抽提物、1%NaOH抽提物、苯醇抽提物含量分別為11.89%、18.89%、1

4、.85%，新鮮樹皮的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量分別為45.90%、27.00%、11.49%；從FTIR光譜圖判斷，新鮮樹皮含晶細(xì)胞中的大量晶體是一水草酸鈣。
　?。?）脫落樹皮形成過程是動態(tài)的變化過程，根據(jù)離區(qū)細(xì)胞結(jié)構(gòu)特征和發(fā)生順序，將脫落樹皮形成過程劃分為細(xì)胞脫分化前、細(xì)胞脫分化期、木栓形成層形成期、木栓層形成期、徑向伸展層形成期、離層細(xì)胞分離期六個階段。各階段離區(qū)細(xì)胞的主要特征是：○1細(xì)胞脫分化前，薄壁細(xì)胞具中央大液泡，細(xì)

5、胞質(zhì)少且邊緣化，細(xì)胞核小，離區(qū)細(xì)胞處于不活躍的相對靜止?fàn)顟B(tài)；○2細(xì)胞脫分化期，細(xì)胞質(zhì)迅速增加，液泡化程度降低，細(xì)胞核變大并移向細(xì)胞中央，核仁清晰，核孔密集，離區(qū)細(xì)胞發(fā)生脫分化，逐漸恢復(fù)分裂能力；○3木栓形成層形成期，離區(qū)細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)豐富，細(xì)胞核大而明顯，核仁清晰，薄壁細(xì)胞進(jìn)行無絲分裂，形成木栓形成層，同時可觀察到細(xì)胞壁的形成過程；○4木栓層形成期，木栓形成層進(jìn)行有絲分裂，向外分生木栓層，向內(nèi)分生栓內(nèi)層，木栓層細(xì)胞逐漸成熟并出現(xiàn)PCD特征

6、；角隅細(xì)胞逐漸消融，并具有明顯的PCD特征；○5徑向伸展層形成期，木栓形成層細(xì)胞發(fā)生徑向伸展，成為徑向伸展層，其徑向壁呈現(xiàn)先破裂解體再重構(gòu)的現(xiàn)象，木栓層細(xì)胞普遍具有明顯PCD特征，并形成開口朝向落皮層的U形加厚；○6離層細(xì)胞分離期，離層細(xì)胞開始分離脫落；徑向伸展層內(nèi)壁的層狀加厚和不定形沉積物不斷累積；第二徑向伸展層形成，其細(xì)胞壁具有均勻的層狀栓質(zhì)化加厚；木栓層細(xì)胞的U形加厚明顯增強(qiáng)，并具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)。
　?。?）通過對離區(qū)細(xì)胞

7、結(jié)構(gòu)特征的研究發(fā)現(xiàn)：○1離區(qū)內(nèi)的木栓形成層細(xì)胞是由脫分化后的薄壁組織細(xì)胞分裂而來；○2細(xì)胞脫分化期，發(fā)生脫分化的離區(qū)細(xì)胞內(nèi)未見淀粉粒增多，與離體培養(yǎng)和愈傷組織形成的研究結(jié)果不同；○3在木栓形成層形成期，觀察到無絲分裂時的初生壁形成方式；○4徑向伸展層形成期，木栓形成層細(xì)胞徑向壁發(fā)生先破裂解體再重構(gòu)的現(xiàn)象，為細(xì)胞壁松弛理論的化學(xué)鍵斷裂說提供了直觀證據(jù)；○5未見細(xì)胞壁栓質(zhì)化、離區(qū)細(xì)胞死亡、脫落樹皮發(fā)生之間直接聯(lián)系；○6樹皮脫落與花、葉、果實

8、脫落在離區(qū)平面、細(xì)胞結(jié)構(gòu)和離層位置存在區(qū)別。
　　（4）透射電鏡下細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)特征表明，離區(qū)細(xì)胞形成和離層細(xì)胞分離中細(xì)胞死亡屬于主動的程序化死亡，而不是被動的細(xì)胞壞死。對離區(qū)形成過程中TUNEL檢測和DNA梯度檢測結(jié)果表明：離區(qū)細(xì)胞在木栓層形成期就已經(jīng)具備了明顯的程序化死亡特征，隨著離區(qū)細(xì)胞的發(fā)展，程序化死亡程度不斷深化。TUNEL檢測和DNA梯度檢測的結(jié)論均與離區(qū)細(xì)胞程序化死亡的超微結(jié)構(gòu)特征相吻合，為離區(qū)細(xì)胞死亡的 PCD本質(zhì)提

9、供了充足的證據(jù)。
　?。?）纖維素酶主要定位于初生壁上，在細(xì)胞脫分化和徑向伸展層形成期，為細(xì)胞壁纖維素水解發(fā)揮了重要作用，但對離層細(xì)胞分離作用不大；果膠酶主要分布于細(xì)胞壁的胞間層和細(xì)胞角隅，在細(xì)胞脫分化、徑向伸展層形成和離層細(xì)胞分離期，為細(xì)胞壁胞間層物質(zhì)的降解發(fā)揮了重要作用。果膠酶在離層細(xì)胞分離期對胞間層物質(zhì)的降解作用是導(dǎo)致離層細(xì)胞分離的根本原因。
　　（6）通過對脫落樹皮形成過程中細(xì)胞微觀和超微觀結(jié)構(gòu)特征、活性氧水平變化動

10、態(tài)的研究，并結(jié)合現(xiàn)有成果理論綜合分析，結(jié)果表明活性氧對脫落樹皮的發(fā)生具有重要作用：○1·OH可通過松弛細(xì)胞壁，促使離區(qū)細(xì)胞體積或長度增長，并在離層細(xì)胞分離期深化木栓層細(xì)胞程序化死亡的強(qiáng)度和速度；○2 O2?－直接參與離區(qū)細(xì)胞程序化死亡的誘導(dǎo)，也可轉(zhuǎn)化為 H2O2以改變活性氧比例，從而調(diào)控離區(qū)細(xì)胞的分裂和分化；○3 H2O2在脫落樹皮形成過程中促進(jìn)細(xì)胞脫分化的發(fā)生，在木栓層形成期和徑向伸展層形成期參與細(xì)胞壁的生成和植物細(xì)胞衰老的啟動，在離

11、層細(xì)胞分離期誘導(dǎo)乙烯產(chǎn)生以加速離層細(xì)胞的分離。
　?。?）通過對脫落樹皮形成過程中細(xì)胞微觀和超微觀結(jié)構(gòu)特征、活性氧水平變化動態(tài)、抗氧化酶活性變化動態(tài)的研究，并結(jié)合現(xiàn)有成果理論綜合分析，結(jié)果表明各抗氧化酶對脫落樹皮的發(fā)生具有重要作用：○1 POD促進(jìn)離區(qū)細(xì)胞脫分化，參與木栓層形成期和徑向伸展層形成期的細(xì)胞壁構(gòu)建，在離層細(xì)胞分離期加速呼吸氧化進(jìn)程，促進(jìn)離區(qū)細(xì)胞衰老；○2 PAL參與了細(xì)胞壁物質(zhì)的形成以及細(xì)胞內(nèi)多酚類物質(zhì)的積累；○3 S

12、OD通過催化細(xì)胞內(nèi)O2?－為H2O2調(diào)節(jié)活性氧比例，以調(diào)控離區(qū)細(xì)胞分裂和分化；○4 CAT通過催化 H2O2為分子氧和水，調(diào)節(jié)活性氧的比例，從而參與離區(qū)細(xì)胞分裂增殖或分化生長的調(diào)控。
　?。?）根據(jù)本研究結(jié)果，提出巨尾桉脫落樹皮形成理論：巨尾桉新鮮樹皮內(nèi)每年形成一次離區(qū)（即新周皮），新周皮成熟后，木栓層細(xì)胞程序化死亡，同時最外層及其附近木栓層細(xì)胞的胞間層在果膠酶作用下發(fā)生降解，使得木栓層細(xì)胞從周皮分離，導(dǎo)致落皮層與樹干失去連接，在

13、風(fēng)吹雨淋日曬等外力作用下，落皮層破裂并從樹干脫落，成為脫落樹皮。細(xì)胞壁水解酶、活性氧和抗氧化酶是離區(qū)形成和離層分離的重要調(diào)控因素。
　　（9）脫落樹皮由周皮和部分次生韌皮組織組成，這部分次生韌皮組織含有篩管、伴胞、韌皮纖維、韌皮射線和韌皮薄壁細(xì)胞；隨樹齡增加，脫落樹皮外表面更加平整，內(nèi)表面出現(xiàn)旋切紋理，厚度逐年增加，幅面面積迅速擴(kuò)大；隨樹齡增加，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量逐漸提高，熱水抽提物、1%NaOH抽提物、苯醇抽提物和灰分