木材木质部细胞分化成熟过程及其可视化的研究进展_席恩华

木材木质部细胞分化成熟过程及其可视化的研究进展席恩华1，赵广杰1，张建辉1，2（1.北京林业大学材料科学与技术学院，北京100083；2.国家林业局林产工业规划设计院，北京100010）摘要：对木材形成层细胞的分裂过程、木质部细胞的分化过程、细胞壁的木质化过程以及三维可视化应用于木材木质部细胞分化成熟过程的研究现状加以综述，并对今后的研究提出了展望。

关键词：形成层；木质部细胞分化；可视化中图分类号：TS612文献标识码：A文章编号：1001-4462（2010）02-0013-03Research Progress of Wood Xylem Cell Differentiation andMaturation Process and Its VisualizationXI En-hua 1，ZHAO Guang-jie 1，ZHANG Jian-hui 1，2（1.College of Material Science and Technology ，Beijing Forestry University ，Beijing 100083，China;2.Planning and Design Institute of Forest Products Industry ，Beijing 100010，China ）Abstract ：The research state of wood cambium abruption process ，xylem cell differentiation process ，the cell wall lignifications process and the application of three-dimension visualization in xylem cell differentiation and maturation process are summarized ，with the future research prospected.Key words ：cambium;xylem cell differentiation;visualization木材木质部细胞的分裂分化与其自身的内外部因素在时间和空间上的综合表现有关，以细胞生物学为基础研究木质部细胞的分裂、分化以及应用计算机图形学处理技术模拟其过程，不仅是了解细胞分裂分化控制的基础，而且有利于对木材形成的了解。

因此，总结前人的研究成果，探索该领域的研究进展和方向具有重要的意义。

1形成层细胞的分裂过程1.1形成层细胞的活动目前关于形成层原始细胞如何确定尚无定论，较普遍接受的是单层和多层复合理论，即认为形成层带不仅包括单层永久性原始细胞，而且还包括由具有分裂能力的母细胞组成的区域。

通常将包括母细胞在内的形成层带的细胞统称为形成层细胞［1］。

形成层细胞在恢复活动过程中其超微细胞结构表现出明显的变化。

细胞壁变薄是形成层细胞恢复活动的重要特征。

形成层纺锤形细胞的径壁比弦壁要厚，而处在休眠期的形成层细胞，其径壁与弦壁的差别更明显，不论是针叶树种还是阔叶树种，这一现象都普遍存在。

殷亚方在形成层活动规律的研究中，通过光学显微镜观察，明确了毛白杨形成层一个完整活动周期的活动式样以及次生组织的分化方式。

利用透射电子显微镜（TEM ）首次得到了毛白杨完整活动周期内不同阶段形成层带超微结构的变化信息［2］。

1.2形成层细胞的分裂处在活动期的形成层细胞不断进行分裂，形成层纺锤形细胞的分裂包括两个过程，一是进行平周分裂，向外侧分裂形成韧皮部母细胞，向内形成木质部母细胞，在进行平周分裂的同时，由于形成层的圆周必须扩大，因此形成层纺锤形细胞还要通过垂周分裂来增加收稿日期：2009－09－24基金项目：2008年博士点基金“人工速生木材木质部细胞分化成熟过程的可视化”（200800220006）第38卷第2期林业机械与木工设备Vo138No.22010年2月FORESTRY MACHINERY &WOODWORKING EQUIPMENTFeb.2010形成层细胞自身的数量。

垂周分裂在整个活动期都在发生，但其分裂频率的变化范围很大，主要同季节、树龄、生长速度和在生长轮中的位置以及在树体上的位置等因素有关。

兰利琼等对刺桐原形成层向维管形成层转化的研究表明，刺桐的维管形成层为叠生形成层，由分散、排列成环的原形成层束转化而来，其转化过程是渐进的，在初生生长的很早阶段就出现了长、短两类细胞，即原初的纺锤状原始细胞和原初的射线原始细胞，它们分别发育转化为维管形成层中的纺锤状原始细胞和射线细胞。

在转化过程中，长细胞的端壁由平截转变为尖削，短细胞则由短的长方形转变成近等径的多边形［3］。

2木质部细胞的分化过程近年来学者们在对衍生木质部细胞分化过程的研究中，把重点放在细胞组织或细胞水平方面。

细胞化学、生物化学、显微解剖学、免疫学和显微分析等各种方法和技术已经被广泛地应用到树木次生维管系统的研究中［4］。

2.1木质部细胞分化理论程序化死亡是生物体发育及环境应答中一个必要的主动的细胞死亡过程。

管状细胞分化到一定阶段后会发生自溶，这是一个主动的生理过程，这些分化及死亡的细胞也可能影响与其相邻细胞的分化。

树木次生维管系统中管状细胞的形成过程可能是植物细胞中最典型的程序化死亡过程［5］。

在研究树木木质部细胞分化时，通常是以悬浮培养的百日草叶肉细胞作为模式系统［6］。

虽然关于树木次生木质部细胞分化的阶段性基本得到确认，但在其细胞器水平上的研究还远远不够。

王雅清等研究了杜仲次生木质部导管分子的程序化死亡过程，但并未涉及到其他类型细胞的分化过程以及原生质体变化与细胞壁变化的关系［7］。

2.2木质部细胞分化过程中细胞壁的发育现在已有许多开创性的方法被用于细胞壁的研究。

最近的细胞化学采用免疫技术，可对细胞壁的特定化学成分进行原位免疫标记。

同其他方法相比，可以更好地保存相对的空间结构，并已发现细胞壁化学组成及其空间结构在时间和空间上都在不断变化［8］。

通常将次生木质部细胞的分化分为细胞分裂和初生壁的形成、细胞伸展生长、次生壁加厚和细胞壁的木质化这四个阶段，但各阶段之间并没有明显的界限。

在前两个阶段细胞壁仅由初生壁构成，细胞扩大主要是在径向和轴向增大；在后两个阶段，从初生壁内侧纤维素微纤丝沉积开始，木质化现象从细胞的角隅部分开始，逐步向次生壁沉积，直至木质化过程结束。

殷亚方在木质部细胞分化过程的研究中，通过透射电镜（TEM）和细胞化学染色技术，了解了细胞分化过程不同阶段细胞壁和原生质体超微结构的变化方式，并首次提出了阔叶树种不同类型细胞分化过程的示意图。

2.3次生壁形成Abe等（1997）利用偏光显微镜结合场发射扫描电镜（FE-SEM），观察了库页冷杉处于细胞径向膨大生长停止阶段前后的早材管胞。

在管胞停止膨大后，从管胞外侧看初生壁内侧的次生壁S1的纤维素微纤丝（CMfs）沉积方向由横向变为Z螺旋，而紧贴在初生壁上被认为是次生壁的S螺旋排列的CMfs在此之前已经沉积。

随着复型技术和透射电镜以及FE-SEM水平的提高，通过对木本植物细胞壁的大量研究，已经建立了针叶树管胞次生壁层状结构的模型。

根据这一模型，次生壁是由S1、S2和S3以及两个过渡层S12和S23组成。

S1层由几个CMfs排列从S螺旋向Z螺旋变化的薄层组成，与S1相比，S2层的CMfs呈陡螺旋状，在S1和S2、S2和S3之间为CMfs方向渐变的过渡薄层S12和S23，S23层的渐变比S12要小。

从胞腔方向看，S1到S2层的CMfs沉积方向按顺时针逐渐变化，S2到S3层则呈逆时针逐渐变化，S3层包括一个同S1层平螺旋状CMfs排列方向类似的薄层。

除了S2层，其他各层中的薄层都不是由方向一致且排列紧密的CMfs沉积而成［9］。

过去对木材细胞壁超微结构的研究多集中在针叶树管胞壁上，而阔叶树木质部由于细胞类型较多，结构复杂，只是对其木纤维细胞壁有为数不多的研究，对木质部其他类型细胞壁结构的研究则更少。

3细胞壁的木质化过程由于树木木质素含量、分布及其化学性质对于制浆造纸、干法纤维板等加工工业的生产起着极为重要的作用，因此关于木质部细胞的木质化过程和木质素在细胞壁上分布的研究己经受到越来越多的重视［10］。

针叶树的管胞中，木质素在复合胞间层的相对含量高于次生壁，但次生壁的体积远远大于中层，因此木质素主要分布在次生壁。

阔叶树次生木质部细胞次生壁中，导管分子木质素含量高于木纤维和薄壁细胞，并且构成木质素的各单元比值在不同细胞和同一细胞的不同位置都有变化［11］。

3.1细胞壁木质化过程的研究方法在组织水平上，利用Wiesner和Maule反应以及自林业机械与木工设备14第38卷发荧光法，可以在普通（或荧光）光学显微镜下观察到木质素的大致分布；利用紫外显微镜和紫外显微分光光度计是细胞壁中木质素的定量分析和木质素存在类型研究的重要方法。

此外，还有共聚焦荧光显微镜法、氯水/乙醇胺/硝酸银法和放射自显影技术等。

在细胞水平上，透射电镜结合超薄切片高锰酸钾染色法、汞化扫描电镜X射线微分析以及细胞水平上紫外显微分光光度计技术也是检测细胞壁木质化过程的有效途径。

最近应用的快速冷冻和深度蚀刻技术（RFDE）不仅能显示细胞壁各层次的立体结构，而且可以直接观察到木质素在细胞壁上的沉积过程［12］。

3.2次生木质部细胞壁的木质素沉积过程木质化过程一般开始于细胞伸展阶段的末期，可能在分化细胞的细胞壁所有区域同时开始，或者分别在不同部位有选择性地沉积。

细胞壁部位不同，木素的浓度也不同，细胞间层和初生壁的浓度最高，但占细胞壁整体的比例最低。

有人指出，由顶端分生组织分化的初生木质部和由形成层分化的次生木质部的木素堆积过程和构造不同［13］。

已有对木质素沉积的研究工作多集中在针叶树管胞，也有对单子叶植物细胞的木质化研究［14］，但由于阔叶树木质部细胞种类多且在径向上排列不规则，目前对其导管分子、木纤维以及薄壁细胞壁的木质化过程，特别是在超微结构水平上的研究仍然很少［15］。

4存在问题与展望在木质部细胞分化方面，以往木材解剖学的研究重点主要倾向于分析已成熟的次生木质部细胞沿不同生长方向的变异规律及其对材性方面的影响，较少涉及树木生长活动期内木质部细胞的分化成熟情况。

因此，期望通过对处于不同分化发育阶段的形成层细胞和木质部细胞的解剖学特性进行研究，为从木材形成的角度控制木材材质提供更直接的科学依据。

在可视化研究方面，目前国内外的相关报道多见于树木生长过程的动态模拟和树木形态的三维重建，只是模拟树木生长的外形结构形态，有关形成层细胞分化和木质部细胞发育的研究尚未见报道。

期望在不远的将来可采用三维表现技术，以发育解剖学研究为基础，模拟木材细胞从形成层原始细胞中分化出开始，直至完全发育成熟的整个过程，提供一种仿真、三维且具有实时交互能力的崭新研究模型。