夏 敏，陳阿麗，于 芬

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院/江西省竹子種質(zhì)資源與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌330045)

高生長(zhǎng)是竹類植物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵過(guò)程，與生物量密切相關(guān)。一些竹種在竹筍出土初期每天僅長(zhǎng)高幾厘米，以后逐漸加快，每天幾十厘米，在高生長(zhǎng)旺盛期一晝夜的高生長(zhǎng)量可達(dá)1 m[1]，并且在45～60 d內(nèi)即可完成稈型的生長(zhǎng)，最大生長(zhǎng)高度可達(dá)15～20 m[2]。而細(xì)胞壁是植物細(xì)胞的重要結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)成分和狀態(tài)與植物細(xì)胞的伸長(zhǎng)密切相關(guān)，植物細(xì)胞的伸長(zhǎng)直接影響植物的個(gè)體生長(zhǎng)。因此探究細(xì)胞壁的發(fā)育規(guī)律對(duì)揭示竹稈節(jié)間快速高生長(zhǎng)的機(jī)制有重要意義。

圖1 厚竹莖稈正常節(jié)和異常節(jié)外部形態(tài)Fig.1 External morphological maps of normal and abnormal sections of thick bamboo stems

厚竹(Phyllostachysedulis‘Pachyloen’)是毛竹(Phyllostachysedulis)的一種優(yōu)良的變異品種，其不僅具有稈壁特厚、上部近實(shí)心、生物量大等特點(diǎn)，同時(shí)因其優(yōu)良的竹材沖擊特性和纖維性狀等特征，使其具有重要的種質(zhì)研究意義和綜合開發(fā)利用價(jià)值[3-6]。在對(duì)厚竹進(jìn)行研究的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)部分厚竹具有節(jié)部異常的現(xiàn)象，異常節(jié)和正常節(jié)相比，在外部形態(tài)上主要表現(xiàn)為節(jié)間變短(圖1)。竹稈的迅速高生長(zhǎng)主要依賴于節(jié)部的居間分生組織。竹稈節(jié)部在竹子的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中不僅具有機(jī)械支撐作用，而且物質(zhì)的橫向交流也主要發(fā)生在節(jié)部。竹子的高生長(zhǎng)也與竹稈的節(jié)部密切相關(guān)。節(jié)間快速伸長(zhǎng)主要是由細(xì)胞伸長(zhǎng)引起的，細(xì)胞伸長(zhǎng)與細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和物質(zhì)的變化息息相關(guān)。因此猜想，節(jié)部異常會(huì)不會(huì)通過(guò)影響細(xì)胞伸長(zhǎng)過(guò)程中細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和物質(zhì)的變化進(jìn)而影響節(jié)間的伸長(zhǎng)，從而在外部形態(tài)上表現(xiàn)為節(jié)間縮短呢？目前，有關(guān)厚竹莖稈快速高生長(zhǎng)過(guò)程中基本組織細(xì)胞壁的構(gòu)建機(jī)制及節(jié)部對(duì)莖稈快速高生長(zhǎng)的影響機(jī)理還不明確。因此，本文擬通過(guò)對(duì)比研究節(jié)部異常和節(jié)部正常的竹子高生長(zhǎng)過(guò)程中細(xì)胞壁的發(fā)育對(duì)厚竹莖稈快速高生長(zhǎng)過(guò)程中異常節(jié)和正常節(jié)節(jié)間中部基本組織細(xì)胞進(jìn)行比較發(fā)育解剖學(xué)研究，了解基本組織細(xì)胞壁構(gòu)建的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)，探究節(jié)部對(duì)高生長(zhǎng)的影響，為進(jìn)一步揭示莖稈快速高生長(zhǎng)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 光學(xué)材料 實(shí)驗(yàn)材料取自于江西農(nóng)業(yè)大學(xué)竹類植物種質(zhì)園厚竹實(shí)驗(yàn)基地。分別于2016年4月12日、2016年4月16日、2016年4月18日采取不同發(fā)育階段節(jié)部正常和異常的厚竹筍5株，筍高分別為0.78、1.10、1.30、1.37、1.69 m。要求生長(zhǎng)狀態(tài)良好、生境相同、無(wú)病蟲害。節(jié)數(shù)從基部開始算起，連續(xù)截取各個(gè)節(jié)間中部和節(jié)部的材料。

1.1.2 電鏡材料 實(shí)驗(yàn)材料厚竹于2016年4月18日采自于江西農(nóng)業(yè)大學(xué)竹類植物種質(zhì)園厚竹實(shí)驗(yàn)基地。選取3株高1 m左右的竹筍作為樣株，采取筍尖，然后從基部往上開始的各節(jié)間中部取1 mm3左右的小塊。

1.2 方法

1.2.1 光學(xué)制片 材料選取后立即投入FAA固定液中固定，成熟材料用70%FAA，幼嫩材料用50%FAA，且幼嫩材料用酒精梯度進(jìn)行脫水，二甲苯透明，常規(guī)石蠟切片法制作并于旋轉(zhuǎn)切片機(jī)上做連續(xù)厚約8～10 μm的橫、縱切片，番紅-固綠對(duì)染，二甲苯透明，中性樹膠封片，Zeiss AX10熒光顯微鏡下拍照。

1.2.2 透射電鏡制片 材料選取后立即用2.5%的戊二醛和4%的多聚甲醛初固定，1%的鋨酸后固定，磷酸緩沖液沖洗，酒精梯度脫水，spurr樹脂包埋，于LKB-V型超薄切片機(jī)切片，H-7650型透射電鏡觀察拍照。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)在光鏡下觀察的組織結(jié)構(gòu)特征，將基本組織細(xì)胞的分化與發(fā)育過(guò)程分為兩個(gè)時(shí)期：初生壁形成期、次生壁形成期。

2.1 初生壁形成期

該時(shí)期主要分為兩個(gè)階段，初生壁發(fā)育形成初期和初生壁發(fā)育形成后期。

從顯微結(jié)構(gòu)分析，初期，正常節(jié)和異常節(jié)基本組織并沒有明顯的差異。該時(shí)期主要以細(xì)胞分裂為主，體現(xiàn)為細(xì)胞數(shù)量的增加(圖2)，細(xì)胞長(zhǎng)度變化不明顯(圖3,注：24、15、7是異常節(jié))。從竹筍的縱切面上觀察，頂端分生組織具有原套-原體結(jié)構(gòu)(圖4，A)和節(jié)部與節(jié)間分化(圖4，B)。細(xì)胞排列整齊，細(xì)胞核較大且居中，部分細(xì)胞正處在有絲分裂狀態(tài)(圖4，C)。部分基本組織細(xì)胞和纖維細(xì)胞中能觀察到雙核仁的現(xiàn)象(圖4,D)。細(xì)胞中含有大量的淀粉粒(圖4，E)，節(jié)部淀粉粒含量較節(jié)間多(圖4,F)。

圖2 不同發(fā)育階段基本組織細(xì)胞數(shù)量的變化Fig.2 The varying of ground tissue cell quantity in different developmental stages

圖3 不同發(fā)育階段基本組織細(xì)胞長(zhǎng)度的變化Fig.3 The varying of ground tissue cell length in different developmental stages

后期，主要以細(xì)胞伸長(zhǎng)為主，節(jié)部異常引起細(xì)胞數(shù)量的增加和細(xì)胞長(zhǎng)度的減小(圖2，圖3)。隨著組織的發(fā)育，正常節(jié)長(zhǎng)、短細(xì)胞的分化較明顯(圖5，A)。異常節(jié)較正常節(jié)而言長(zhǎng)、短細(xì)胞分化不明顯(圖5，B)。兩者細(xì)胞壁在熒光顯微鏡下觀察均有增厚的現(xiàn)象(圖5，C、D)。淀粉粒含量節(jié)部異常節(jié)較正常節(jié)多(圖5，E、F)。

從超微結(jié)構(gòu)分析，初期，基本組織細(xì)胞壁較薄，胞間連絲豐富,細(xì)胞中含有大量細(xì)胞器和運(yùn)輸小泡(圖6，A)。節(jié)部異常節(jié)較正常節(jié)線粒體內(nèi)嵴狀結(jié)構(gòu)有降解的現(xiàn)象(圖6，B、C)。

后期，隨著組織的發(fā)育，基本組織細(xì)胞壁加厚明顯，細(xì)胞器豐富(圖6，D)。節(jié)部正常的節(jié)基本組織細(xì)胞壁較節(jié)部異常節(jié)的細(xì)胞壁加厚明顯，胞間連絲較豐富，物質(zhì)運(yùn)輸小泡仍較多(圖6，D、E、F)。

2.2 次生壁形成期

從顯微結(jié)構(gòu)分析，無(wú)論是正常節(jié)還是節(jié)部異常節(jié)，都有長(zhǎng)、短細(xì)胞的分化且分化明顯，短細(xì)胞細(xì)胞核邊緣化分布(圖7，A)，長(zhǎng)細(xì)胞的內(nèi)容物多數(shù)已降解 (圖7，B)。長(zhǎng)細(xì)胞次生加厚明顯(圖7，C、D)。只有極少數(shù)細(xì)胞中還有零星的淀粉粒分布(圖7，E、F)。

從超微結(jié)構(gòu)分析，長(zhǎng)細(xì)胞壁次生加厚明顯，能觀察到細(xì)胞壁不同的壁層，微管沿質(zhì)膜分布于細(xì)胞壁的內(nèi)側(cè)(圖6，G)。節(jié)部異常節(jié)較正常節(jié)而言，胞間層含有電子密度較低的白色物質(zhì)(圖6，H)，細(xì)胞壁上有白色的凸起物質(zhì)(圖6，I)。

A:頂端分生組織；B:節(jié)間與節(jié)部基本組織的分化；C:部分基本組織細(xì)胞正在進(jìn)行有絲分裂；D:基本組織和纖維細(xì)胞具有雙核仁現(xiàn)象；E:基本組織細(xì)胞內(nèi)含有較多的淀粉粒；F:節(jié)部淀粉粒的分布A:Apical meristem；B:Differentiation of ground tissue between internodes and nodes；C:Some groung tissue cells were undergoing mitosis；D:The groung tissue and the fiber cells have the double nucleoli；E:More starch grains were found in the ground tissue cells；F:The distribution of starch grains in the node圖4 初生壁形成初期基本組織解剖結(jié)構(gòu)Fig.4 Anatomical structure of ground tissue in early stage of primary wall formation

A:長(zhǎng)、短細(xì)胞分化明顯；B:長(zhǎng)細(xì)胞細(xì)胞核邊緣化分布；C:基本組織細(xì)胞壁加厚；D:節(jié)部異常節(jié)基本組織細(xì)胞壁加厚；E:基本組織細(xì)胞內(nèi)淀粉粒減少；F:節(jié)部異常節(jié)基本組織細(xì)胞內(nèi)淀粉粒含量較多.注：B、D、F 節(jié)部異常節(jié)A:The differentiation between long and short parenchyma cells was obvious；B:Marginal distribution of long cell nucleus；C:Thickening of ground tissue Cell walls；D:The cell wall was thickened in the ground tissue cell walls of abnormal node；E:Starch grains decreased in the ground tissue cells；F:The starch grains in the ground tissue cells of abnormal node were higher.Note:B、D、F abnormal node圖5 初生壁形成后期基本組織解剖結(jié)構(gòu)Fig.5 Anatomical structure of ground tissue in the late stage of primary wall formation

A:初生壁形成初期基本組織細(xì)胞壁較??；B:胞間連絲豐富，細(xì)胞器較多；C:節(jié)部異常節(jié)線粒體結(jié)構(gòu)；D:正常節(jié)胞間連絲豐富；E:初生壁形成后期基本組織細(xì)胞壁加厚明顯；F:節(jié)部異常節(jié)運(yùn)輸小泡較少；G:基本組織細(xì)胞壁次生加厚；H:基本組織細(xì)胞壁上電子密度較低的白色凸起物質(zhì)(如箭頭所示)；I:基本組織細(xì)胞壁胞間層電子密度較低的白色物質(zhì)(如箭頭所示).C、F、I 節(jié)部異常節(jié)；A、B、C 初生壁形成初期；D、E、F 初生壁形成后期；G、H、I 次生壁形成期A:The cell walls were thin in the early stage of primary wall formation;B:Rich plasmodesmatas and organelles;C:The mitochondrial structure of the abnormal node;D:The plasmodesmatas in normal node were rich;E:The cell walls were thickened obviously in the late stage of primary wall formation;F:The transport vesicles in abnormal node decreased;G:The long parenchyma cell walls were secondary thickening;H.White protruding material with low electron density on the cell walls of ground tissue (as shown in the arrow);I:A white substance with low electron density in the cell wall of the cell wall (as indicated by the arrow).C，F(xiàn)，I Abnormal node；A，B，C In the early of primary wall formation；D，E，F(xiàn) In the late stage of primary wall formation；G，H，I The secondary wall formation圖6 基本組織細(xì)胞壁的超微結(jié)構(gòu)Fig.6 Ultrastructure of the cell walls of the ground tissue

A:短細(xì)胞細(xì)胞核邊緣化分布；B:長(zhǎng)細(xì)胞的內(nèi)容物多數(shù)已降解；C:基本組織長(zhǎng)細(xì)胞壁次生加厚；D:示維管束橫切面；E:基本組織細(xì)胞仍有零星淀粉粒分布；F:示節(jié)部異常節(jié)淀粉粒的分布.注：F 節(jié)部異常節(jié)A:Short cell nucleus marginalization distribution；B:Most of the contents of long parenchyma cells has been degraded；C:The long parenchyma cell walls were secondary thickening；D:Showing the transverse section of the vascular bundle；E:Ground tissue cells still have sporadic distribution of starch grains;F:The starch grains distribution of abnormal node.Note:F abnormal node圖7 次生壁形成期基本組織解剖結(jié)構(gòu)Fig.7 Anatomical structure of ground tissue in secondary wall formation

3 討論與結(jié)論

3.1 高生長(zhǎng)期基本組織細(xì)胞壁的發(fā)育形成

細(xì)胞壁是植物所特有的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)、成分和狀態(tài)與植物細(xì)胞的伸長(zhǎng)密切相關(guān)。

基本組織細(xì)胞壁在發(fā)育形成的過(guò)程中，細(xì)胞內(nèi)含有大量的線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體等細(xì)胞器。在細(xì)胞壁的邊緣分布大量的運(yùn)輸小泡。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是分泌蛋白等物質(zhì)合成、儲(chǔ)存、加工和運(yùn)輸?shù)膱?chǎng)所，在新壁形成過(guò)程中，細(xì)胞壁物質(zhì)經(jīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體等細(xì)胞器的合成加工，分泌運(yùn)輸小泡，再通過(guò)運(yùn)輸小泡和質(zhì)膜融合通過(guò)胞吐的方式將物質(zhì)釋放出，參與細(xì)胞壁的形成[7]。

植物在生長(zhǎng)發(fā)育的過(guò)程中，當(dāng)可溶性糖的含量超過(guò)自身消耗所需時(shí)便會(huì)以淀粉的形式儲(chǔ)存。在細(xì)胞活躍的時(shí)期，便會(huì)逐漸的降解為可溶性糖，為植物生長(zhǎng)發(fā)育提供物質(zhì)能源。厚竹初生壁發(fā)育形成后期，異常節(jié)較正常節(jié)淀粉粒含量較多，說(shuō)明該時(shí)期異常節(jié)細(xì)胞代謝緩慢。在次生壁發(fā)育形成過(guò)程中，部分細(xì)胞中還含有極少數(shù)的淀粉粒，該時(shí)期淀粉粒通過(guò)降解為可溶性糖的形式為細(xì)胞壁的合成提供物質(zhì)能量來(lái)源。在莖稈生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，基本組織細(xì)胞始終存在豐富的胞間連絲，胞間隙也逐漸的變大且部分胞間隙能觀察到有降解物的存在，有研究表明，胞間隙可作為質(zhì)外體運(yùn)輸?shù)挠行緩絒8]。說(shuō)明基本組織細(xì)胞降解的產(chǎn)物通過(guò)胞間連絲和胞間隙兩種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的胞間轉(zhuǎn)移。賀新強(qiáng)和崔克明[9]通過(guò)對(duì)植物次生壁形成的研究認(rèn)為，次生壁是細(xì)胞停止生長(zhǎng)后在初生壁和質(zhì)膜之間形成的具有木質(zhì)素或其他次生代謝產(chǎn)物沉積的具有多層結(jié)構(gòu)的細(xì)胞壁?；窘M織長(zhǎng)、短細(xì)胞的細(xì)胞壁存在很大的差異，長(zhǎng)細(xì)胞次生壁逐漸加厚，能觀察到細(xì)胞壁不同的壁層，且顏色加深明顯。短細(xì)胞僅在與長(zhǎng)細(xì)胞相鄰的地方次生加厚，這和Liese等[10-13]的研究結(jié)果一致。以上結(jié)果表明：高生長(zhǎng)期，基本組織細(xì)胞壁形成過(guò)程中，豐富的細(xì)胞器參與細(xì)胞壁物質(zhì)的合成，如細(xì)胞壁物質(zhì)經(jīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體等細(xì)胞器的合成，加工分泌運(yùn)輸小泡，運(yùn)輸小泡和質(zhì)膜融合以胞吐的方式將物質(zhì)釋放出，參與細(xì)胞壁的形成，微管系統(tǒng)控制細(xì)胞壁物質(zhì)的沉積排列方向。這個(gè)過(guò)程中，線粒體為其提供能量來(lái)源，淀粉粒的降解為其提供主要物質(zhì)能源。物質(zhì)的運(yùn)輸主要有兩種方式，即共質(zhì)體運(yùn)輸和質(zhì)外體運(yùn)輸。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)不同發(fā)育階段相同部位細(xì)胞長(zhǎng)度和細(xì)胞數(shù)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析表明，節(jié)間伸長(zhǎng)是由細(xì)胞分裂和細(xì)胞伸長(zhǎng)共同決定的，細(xì)胞分裂是基礎(chǔ)，細(xì)胞伸長(zhǎng)是導(dǎo)致節(jié)間快速伸長(zhǎng)的主要原因。本實(shí)驗(yàn)和前人的研究結(jié)果相符[14-15]。

3.2 節(jié)部在厚竹莖稈快速高生長(zhǎng)中的作用

竹稈的迅速高生長(zhǎng)主要依賴于節(jié)部的居間分生組織。竹稈節(jié)間維管束被基本組織細(xì)胞完全分開而相互游離，物質(zhì)的橫向運(yùn)輸和環(huán)流主要在節(jié)部進(jìn)行[16-18]。許婷婷[19]對(duì)厚竹異常節(jié)和相鄰正常節(jié)節(jié)部進(jìn)行解剖結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，與正常節(jié)相比，異常節(jié)的節(jié)部韌皮結(jié)數(shù)量較多，而韌皮結(jié)是節(jié)部物質(zhì)橫向運(yùn)輸?shù)闹匾课?，起到分流和緩沖的作用，故會(huì)影響細(xì)胞的生長(zhǎng)發(fā)育。由于節(jié)隔的缺失，竹子莖稈節(jié)間和節(jié)部物質(zhì)橫向運(yùn)輸?shù)那罍p少。通過(guò)解剖結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，在初生壁形成的后期，節(jié)部異常節(jié)較正常節(jié)而言，淀粉粒的含量較多，運(yùn)輸小泡數(shù)量較少，細(xì)胞壁加厚不顯著，長(zhǎng)、短細(xì)胞分化不明顯。節(jié)間快速伸長(zhǎng)主要是由細(xì)胞伸長(zhǎng)引起的，而細(xì)胞的伸長(zhǎng)需要物質(zhì)和能量的供給。綜上，節(jié)隔缺失通過(guò)引起節(jié)間和節(jié)部與物質(zhì)運(yùn)輸有關(guān)結(jié)構(gòu)的變化，使節(jié)間細(xì)胞伸長(zhǎng)所需的物質(zhì)和能量不能及時(shí)的供給，進(jìn)而影響著節(jié)間的伸長(zhǎng)，在外部形態(tài)上表現(xiàn)為節(jié)間縮短。

在次生壁發(fā)育形成期，節(jié)部異常節(jié)基本組織細(xì)胞壁與正常節(jié)相異之處為：胞間層具有電子密度較低的白色物質(zhì)；細(xì)胞壁內(nèi)側(cè)含有電子密度較低的白色凸起物質(zhì)。目前，還不能判斷這兩種物質(zhì)為何物，將在前期研究基礎(chǔ)上，研究?jī)煞N物質(zhì)的成分和功能，進(jìn)一步揭示莖稈迅速伸長(zhǎng)生長(zhǎng)的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)。

致謝：在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，許婷婷、胡添翼、苗森浩及竹子資源與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的老師和同學(xué)們對(duì)研究給予了幫助，謹(jǐn)致謝意！