陳山紅心杉主要化學(xué)組成的株內(nèi)縱向變異研究

范國榮，張文元，肖復(fù)明 ，朱新傳，江香梅，李燕山

(1．江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院/江西農(nóng)業(yè)大學(xué)植物天然產(chǎn)物化學(xué)與林產(chǎn)化研究所，江西 南昌 330045;2．江西省林業(yè)科學(xué)院，江西 南昌 330032;3．江西省安?？h陳山林場，江西 安福 343200)

陳山紅心杉(Chenshan Red-heart Chinese fir)主產(chǎn)于江西安?？h西南部的陳山林區(qū)，是我國木材中不可多得的珍稀品種，是江西特有的具有地方特色的優(yōu)良杉木種源，因其近髓心木質(zhì)部相當(dāng)大的比例成油亮的栗褐色而得名［1-2］。其具有外觀圓滿通直、紋理美觀、紅心芳香、色澤獨特、材質(zhì)堅韌、抗壓性強、不翹不裂、生長速度快、紅心比率高等優(yōu)良品質(zhì)，是建筑、家具、裝潢等上乘的環(huán)保之材。木材、葉子、樹皮、枝干上的結(jié)節(jié)、球果、杉木油(木材瀝出的油脂)及其根皮均可入藥［3-4］。嚴(yán)平勇［5］用紅心杉與普通杉木造林對比試驗，結(jié)果表明紅心杉比普通杉木更具有抗逆性、適應(yīng)性，形質(zhì)更優(yōu)，生長更快。正因為其抗逆性、適應(yīng)性都更好，所以江西省內(nèi)外許多地區(qū)林場引種了陳山紅心杉，且性能表現(xiàn)很優(yōu)良。

人們對紅心木材的熱愛和廣泛地應(yīng)用，使得我國對紅心木材的遺傳與繁育等方面進行了大量的研究［6］，其中對陳山紅心杉也有不少研究。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)陳山紅心杉的紅心性狀是可遺傳的，因此南方許多林場大量引進陳山紅心杉，隨著種植面積越來越大，它的栽培繁殖與應(yīng)用研究也顯得尤為迫切。張勰等［7］對紅心杉單親子代優(yōu)良遺傳型進行選擇，選出生長、材性兼優(yōu)的優(yōu)良家系8個，優(yōu)良單株14株。曾志光等［8］研究了陳山紅心杉材性遺傳變異規(guī)律，認(rèn)為安福陳山紅心杉引種外地不會導(dǎo)致材性變異，可在杉木主產(chǎn)區(qū)推廣應(yīng)用。伍艷芳等［9］以陳山紅心杉花粉為材料，對其花粉形態(tài)、離體培養(yǎng)萌發(fā)率以及不同儲藏溫度下的生活力進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)陳山紅心杉新鮮花粉的生活力可達96%以上;紅心杉花粉在25℃恒溫，15%蔗糖+10mg/L硼酸+1%瓊脂的固體培養(yǎng)基上培養(yǎng)6 h時萌發(fā)率可達83．3%。張運根［10］對福建省將樂國有林場引種陳山紅心杉研究發(fā)現(xiàn)，偏心率、心材偏心率、木材基本密度不受立地條件影響。江香梅等［11］建立了陳山紅心杉組培高效繁育體系，生根率達89．3%。黃寶祥等［12］研究不同激素對陳山紅心杉胚性愈傷組織生長的影響，探討了胚性愈傷組織的培養(yǎng)條件。伍艷芳等［13］采用SDS法、改良的CTAB法、檸檬酸鈉法和尿素法等4種方法提取陳山紅心杉基因組DNA并進行了對比分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)改良的CTAB法較適合陳山紅心杉基因組DNA提取，這為今后提取陳山紅心杉基因組DNA方法提供參考。李燕山等［3］、楊先鋒等［14］認(rèn)為陳山紅心杉種質(zhì)基因資源質(zhì)量面臨日益退化趨勢。在對陳山紅心杉種質(zhì)資源保護和保存的同時，必須對其進行產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，滿足社會需求，實行保護與開發(fā)并舉的滾動式發(fā)展戰(zhàn)略。

木材紅心材的形成機理研究也因研究手段的進步而不斷深入，前人從化學(xué)成分、細胞壁結(jié)構(gòu)、根際土壤養(yǎng)分、木材紅外光譜、分子生物學(xué)等途徑進行了探討。宋坤霖［15］研究了杉木邊心材轉(zhuǎn)變過程中細胞壁結(jié)構(gòu)與性能的變化，杉木邊心材轉(zhuǎn)變過程中，無論是細胞壁結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、物理和力學(xué)性能均發(fā)生了明顯變化，細胞壁基質(zhì)中木質(zhì)素化學(xué)結(jié)構(gòu)差異是細胞壁粘彈性能變化的關(guān)鍵，心材細胞壁中抽提物是吸濕性能改變的主要原因。殷立新［16］對紅心杉林根際土壤與非根際土壤養(yǎng)分差異進行了研究，發(fā)現(xiàn)不同樹齡的紅心杉林分，其根際土壤與非根際土壤的養(yǎng)分均存在差異，林分樹齡與土壤類型的交互效應(yīng)均極顯著。張勰等［17］采用傅里葉變換紅外光譜技術(shù)對紅心杉與普通杉木的化學(xué)官能團進行比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種木材紅外光譜特征吸收峰的位置、數(shù)目及形狀相似，有3個位置特征吸收峰存在差異，分析發(fā)現(xiàn)紅心杉中木質(zhì)素和半纖維素含量低于普通杉，而綜纖維素含量大于普通杉。紅心杉木質(zhì)素中愈創(chuàng)木基單元比例較高，且纖維素結(jié)晶度大于普通杉。但對陳山紅心杉的紅心形成機理與其化學(xué)組成方面研究較少，僅有范國榮等［18］研究發(fā)現(xiàn)紅心杉的紅色物質(zhì)與木質(zhì)素，苯醇抽提物和1%NaOH抽提物有關(guān)。

本文選取30～40年生陳山紅心杉，不同樹高部位的心、邊材的主要化學(xué)成分進行測定，以研究和揭示陳山紅心杉主要化學(xué)組成在株內(nèi)縱向的變異規(guī)律和關(guān)系，并進行對比分析，探討紅心杉化學(xué)組成的變異特點，其目的是為進一步深入研究陳山紅心杉的紅心形成機理，代謝途徑及其化學(xué)方面的特殊性提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并為進一步的開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 試驗材料

1．1．1 樣品的采集與處理 試驗材料于2011年8月采自于安福陳山林場，選取無明顯病蟲害、生長健壯的 30～40 年生代表樣株 4 株。按照距地 1．3，3．3，5．3，7．3 m 分別鋸 10 cm 厚的圓盤，帶回置于實驗室通風(fēng)陰涼處，3月后鋸切后粉碎，篩分，取40-60目的粉樣密封備用。

1．1．2 試驗儀器 臺式連續(xù)投料粉碎機DF-20(浙江溫嶺市林大機械有限公司);數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱GZX-9140 MBE(上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠);電子天平FA2004N型(上海民橋精密科學(xué)儀器有限公司);箱式電阻爐SX-2．5-10型(天津市泰斯特儀器有限公司);數(shù)顯恒溫水浴鍋HH-4(國華電器有限公司);循環(huán)水真空泵SHZ-ⅢD型(上海亞榮生化儀器廠);玻璃儀器氣流烘干器KQ-C(鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司)。

1．1．3 試驗試劑 氫氧化鈉，醋酸，甲基橙，苯，硫酸，亞氯酸鈉，冰醋酸，丙酮，無水乙醇等，均用分析純。

1．2 測定方法

1．2．1 水分測定方法 參照GB 02677．2-1993進行測定。

1．2．2 木材pH值測定方法 參照GB/T6043 2009進行測定。

1．2．3 綜纖維素含量測定方法 參照GB 02677．10-1994進行測定。

1．2．4 纖維素含量測定方法 采用硝酸—乙醇法進行測定。

1．2．5 水抽出物測定方法 參照GB 02677．4-1993進行測定。

1．2．6 苯-醇抽出物含量測定方法 參照GB 02677．6-1994進行測定。

Zhu等[24]通過反向pcr克隆了從Penicillium sp.D-1的殼聚糖酶編碼，對其進行cDNA序列分析，在基因中并未發(fā)現(xiàn)內(nèi)含子，因此推斷酶由250個氨基酸組成，其中包括由20個氨基酸所組成的信號肽，并且該蛋白序列與Talaromyces stipitatus B8M2R4中的GH75家族的殼聚糖酶相似度達到了83.6%，且這種酶已在Escherichia coli中實現(xiàn)了大量表達。

1．2．7 1%NaOH抽出物測定方法 參照GB 02677．5-1993進行測定。

1．2．8 木質(zhì)素含量測定方法 采用Klason法進行測定，測定酸不溶木質(zhì)素含量。

1．2．9 灰分測定方法 參照GB 02677．3-1993進行測定。

以上所有測定均重復(fù)3次，取平均值。

1．3 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)用Office Excel 2007軟件統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2．1 陳山紅心杉的pH值縱向變異規(guī)律

從圖1可見，陳山紅心杉心、邊材的pH值均呈酸性，在4．505%～5．86%變化，從心邊材pH值來看，邊材均高于心材，并且心、邊材的pH值均隨著樹高的增加而升高，1．3m心材的pH均值為4．959，到7．3m處pH 均值升為5．049;1．3邊材的 pH 均值為5．556，到7．3 m處 pH 均值升為 5．725。從紅心杉整體來看，其pH值均低于7，呈現(xiàn)弱酸性，其酸性成分主要可能與杉木中的各種無機鹽、次生化合物等酸性成分有關(guān)，而且從所測pH值樹高方向的變化趨勢來說，紅心杉基部所含酸性成分的數(shù)量比梢部多。

圖1 陳山紅心杉的pH值縱向變化Fig．1 Longitudinal variation of pH value in Chenshan red-heart Chinese fir

圖2 陳山紅心杉的綜纖維素縱向變化Fig．2 Longitudinal variation of content of holocellulose in Chenshan red-heart Chinese fir

2．2 陳山紅心杉的綜纖維素縱向變異規(guī)律

從圖2可見，陳山紅心杉心、邊材的綜纖維素含量均較高，在70．21%～82．73%變化，邊材均顯著高于心材，與秦特夫等［19］研究的杉木結(jié)果相符，邊材綜纖維素含量是3．3m處最低為78．93%，之后隨樹高增加而增加，至7．3 m處升高為79．91%;心材綜纖維素平均含量也是3．3 m處最低為74．1%，而最高是5．3 m 處為 75%。

2．3 陳山紅心杉的纖維素縱向變異規(guī)律

從圖3可見，陳山紅心杉心、邊材的纖維素含量均較高，在47．142%～54．61%變化，邊材均高于心材，樹中部心、邊材的纖維素含量比樹基部高，3．3 m和5．3 m處的纖維素含量高于其它部位，與陳瑞等［20］黧蒴栲纖維素含量的變異趨勢一致。纖維素是綜纖維素的主要成分，因此，紅心杉纖維素含量在橫向上與綜纖維素含量變異規(guī)律一致，都是邊材高于心材，在樹高方向上，兩者含量變異規(guī)律存在差異。

圖3 陳山紅心杉的纖維素縱向變化Fig．3 Longitudinal variation of content of cellulose in Chenshan red-heart Chinese fir

圖4 陳山紅心杉的冷水抽出物縱向變化Fig．4 Longitudinal variation of content of cold water extractives in Chenshan red-heart Chinese fir

2．4 陳山紅心杉的冷水抽出物縱向變異規(guī)律

從圖4可見，陳山紅心杉心、邊材的冷水抽出物含量在1．269%～1．775%變化，心材均高于邊材，不同樹高心、邊材的冷水抽出物含量變化規(guī)律為樹基部基本高于樹中部，樹中部比樹梢部高。紅心杉顏色中部比梢部深，基部又比中部深，心材顏色顯著比邊材深，因此，存在木材顏色越深，冷水抽出物含量就越高的規(guī)律。

2．5 陳山紅心杉的熱水抽出物縱向變異規(guī)律

從圖5可見，陳山紅心杉心、邊材的熱水抽出物含量在1．872%～3．389%變化，心材均高于邊材，不同樹高心、邊材的熱水抽出物含量變化規(guī)律為樹基部基本高于樹中部，樹中部比樹梢部高。熱水抽出物含量比冷水抽出物含量要大，其變異規(guī)律與冷水抽出物基本一致。徑向變異規(guī)律與程琳［22］在江南榿木上的研究結(jié)果一致，而軸向上熱水抽出物含量變異規(guī)律與程琳在江南榿木上有差異，江南榿木隨著樹高的增加呈先下降后上升的變化趨勢，于5．3 m樹高處降到最小值。

圖5 陳山紅心杉的熱水抽出物縱向變化Fig．5 Longitudinal variation of content of hotwater extractives in Chenshan red-heart Chinese fir

圖6 陳山紅心杉的苯醇抽出物縱向變化Fig．6 Longitudinal variation of content of benzene-ethanol extractives in Chenshan red-heart Chinese fir

2．6 陳山紅心杉的苯醇抽出物縱向變異規(guī)律

從圖6可見，陳山紅心杉心、邊材的苯醇抽出物含量在0．62%～4．5748%變化，心材顯著高于邊材，隨著樹高的增加，陳山紅心杉心、邊材的苯醇抽出物含量均呈現(xiàn)下降趨勢。心、邊材平均含量最低在7．3 m處分別為 3．827%、0．79%，而在 1．3 處最高分別為 4．264%、1．268%。紅心杉苯醇抽出物含量比普通杉木要高，如王宗德等［21］測定江西省普通杉木苯醇抽出物含量在1．92%～2．79%變化。紅心杉的心材比邊材顏色更紅更深，由此可見，紅心杉的心材可能有大量易溶于有機溶劑的顯色成分。陳山紅心杉心材苯醇抽出物與心材紅色顯色成分的關(guān)系如何，值得深入研究。

2．7 陳山紅心杉的1%NaOH抽出物縱向變異規(guī)律

從圖7可見，陳山紅心杉心、邊材的1%NaOH抽出物含量在8．267%～13．408%變化，心材高于邊材，隨著樹高的增加，陳山紅心杉心、邊材的1%NaOH抽出物含量均呈現(xiàn)下降趨勢，紅心杉基部的1%NaOH抽出物含量均值比中部高，而中部比梢部高，這個變化趨勢與pH值(本文2．1)變化相呼應(yīng)，基部pH值最底，其酸性物質(zhì)含量最高。

圖7 陳山紅心杉的1%NaOH抽出物縱向變化Fig．7 Longitudinal variation of content of 1%NaOH extractives in Chenshan red-heart Chinese fir

圖8 陳山紅心杉的木質(zhì)素縱向變化Fig．8 Longitudinal variation of content of lignin in Chenshan red-heart Chinese fir

2．8 陳山紅心杉的木質(zhì)素縱向變異規(guī)律

從圖8可見，陳山紅心杉心、邊材的酸不溶木質(zhì)素含量在29．53%～34．907%變化，邊材略高于心材，5．3 m處是心材的酸不溶木質(zhì)素含量均值高于邊材，其它都是邊材高于心材，這個結(jié)果與秦特夫等［19］在普通杉木上的研究結(jié)果基本一致。軸向變異規(guī)律與陳瑞等［20］在黧蒴栲的酸不溶木質(zhì)素含量變化研究結(jié)果一致。

2．9 陳山紅心杉的灰分縱向變異規(guī)律

從圖9可見，陳山紅心杉心、邊材的灰分含量在0．221%～0．326%變化，心材略高于邊材，隨著樹高的增加，陳山紅心杉心、邊材的灰分含量均呈現(xiàn)下降趨勢。

3 結(jié)論

圖9 陳山紅心杉的灰分縱向變化Fig．9 Longitudinal variation of content of ash in Chenshan red-heart Chinese fir

(1)陳山紅心杉心、邊材的pH值均呈酸性，邊材pH值均高于心材，并且心邊材的pH值均隨著樹高的增加而升高。pH值變異規(guī)律與1%NaOH抽出物含量變化相對應(yīng)，pH值與酸性物質(zhì)含量、1%NaOH抽出物含量之間的關(guān)系值得進一步深入研究。

(2)陳山紅心杉心、邊材的綜纖維素含量均較高，邊材均顯著高于心材，邊材是3．3 m處最低，之后隨樹高增加而增加，心材也是3．3 m處最低，而最高是5．3 m處。

(3)陳山紅心杉心、邊材的纖維素含量均較高，邊材均高于心材，樹中部心邊材的纖維素含量比樹基部高，3．3 m和5．3 m處的纖維素含量高于其它。

(4)陳山紅心杉心材的冷水抽出物、熱水抽出物、苯醇抽出物、灰分、1%NaOH抽出物含量均高于邊材，且隨著樹高的增加，陳山紅心杉心、邊材的這5種化學(xué)組成含量均呈現(xiàn)下降趨勢。木材浸提物的成因比較復(fù)雜，成分多樣，有的是樹木正常生理活動和新陳代謝的產(chǎn)物，有的是受到外界條件的刺激引起的應(yīng)激物，存在一定的不確定性。在樹木生長過程中，由于薄壁細胞的死亡而逐漸形成心材，在心材形成過程中，木材發(fā)生了許多復(fù)雜的生理生化反應(yīng)，產(chǎn)生大量浸提物沉積在木材心材細胞組織中，因此，木材浸提物含量一般心材高于邊材。

(5)陳山紅心杉心、邊材的酸不溶木質(zhì)素含量在29．53%～34．907%變化，邊材略高于心材，與秦特夫等［19］研究結(jié)果基本一致。

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