龍竹竹稈植硅體型態(tài)變化研究

牛兆輝，何文志，王昌命，張麗雅，詹 卉，王曙光

(西南林業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650224)

龍竹竹稈植硅體型態(tài)變化研究

牛兆輝，何文志，王昌命，張麗雅，詹 卉，王曙光

(西南林業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650224)

采用化學(xué)成分分析和形態(tài)解剖觀測的方法測定不同年齡及不同部位龍竹(Dendrocalamusgiganteus)竹稈硅和植硅體含量。結(jié)果表明：龍竹竹稈硅含量隨年齡增加而增加。竹青硅含量大于竹黃。竹稈上部硅含量大于底端。龍竹竹稈中主要存在10種類型植硅體。同時，還存在不規(guī)則的硅沉積。龍竹竹稈植硅體隨年齡增長而增多。圓型、啞鈴型發(fā)生較早，桿型、長方型發(fā)生較晚。竹黃圓型植硅體所占比例居多，而竹青長方型、桿型植硅體所占比例居多。無定型硅沉積主要存在于低年齡竹稈中。

竹稈；硅含量；植硅體；動態(tài)變化

龍竹(Dendrocalamusgiganteus)，別稱大麻竹，屬禾本科，牡竹屬(Dendrocalamus)，是世界大型竹類之一，可作為良好的建筑和篾用竹材[1]。竹材中硅元素的含量是影響竹材作為建筑材料強度的重要指標(biāo)，也是影響造紙性能的重要標(biāo)準。近年來的研究表明植物存在主動吸收Si元素的機制[2]。硅參與植物體內(nèi)多種生理活動，在特定組織細胞中積聚形成成植硅體，可以增強組織的機械強度，使葉片挺直，增加葉片受光面積提高光合效率，還可以在各種脅迫下，提高植物的抗逆性，包括抗旱、抗寒、抗倒伏、抗病蟲害、及減輕重金屬毒害、鹽脅迫等。硅是唯一在植物體內(nèi)過量也無毒副作用的元素，因此對硅元素和植硅體的研究，可在農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展中起到十分重要作用。

植硅體也稱作植物蛋白石或植物硅酸體。是植物體中，硅存在的主要存在型態(tài)。其成分為主要為水化無定型二氧化硅(SiO2.nH20)[3]。植硅體是沉積在植物組織細胞內(nèi)或細胞間隙的微小顆粒，并且因其所處的部位不同生理功能不同而具有多種外型。對于植物植硅體的研究早在十九世紀就有開始，現(xiàn)在更需要系統(tǒng)地進行研究，植物植硅體化學(xué)成分穩(wěn)定，耐高溫、耐腐蝕，使其具有相對穩(wěn)定的型態(tài)結(jié)構(gòu)，因此被應(yīng)用于植物分類、植物演化、古植被分析、農(nóng)業(yè)考古鑒定分析等[4-6]。

目前國內(nèi)外有關(guān)竹類植物植硅體的形態(tài)變化方面的研究報道較少，Motomura 等對赤竹屬(Sasa)竹葉中的植硅體進行過觀測分析[7]。盧艷花[8]，王潤輝[9]等對多種竹子葉表皮微型態(tài)的觀察中，對植硅體型態(tài)分布有一定介紹。近藤鍊三和佐瀬隆[10]對日本本土生長的一種苦竹屬(Pleioblastus)植物植硅體進行過報道，但這些研究多著重于竹葉中植硅體的型態(tài)描述、排列方式和生成機制，尚缺乏對竹稈植硅體分布變化規(guī)律進行系統(tǒng)研究。本論文主要對龍竹不同年齡段與不同部位竹稈分別進行硅含量和植硅體形態(tài)觀測，進一步分析并總結(jié)龍竹不同發(fā)育階段稈中植硅體動態(tài)變化規(guī)律。

1 材料和方法

1.1 取材與預(yù)處理

實驗所選取龍竹稈在2014年11月份采集于云南省普洱市瀾滄縣拉巴鄉(xiāng)(N22.500536,E99.648606)，分別取1、2、3和5年生健康正常龍竹，選取從基部出土數(shù)第1、11、22節(jié)竹稈即基部，中部和頂部，清洗干凈后放置于60～70℃的恒溫干燥箱中烘干，恒重后分作竹青、竹黃粉碎備用。

1.2 實驗方法

龍竹竹稈灰分的測定按國家標(biāo)準GB/T 2677.3-93的方法進行。將供試竹稈材料每樣本選取1 g，置于經(jīng)預(yù)先灼燒至質(zhì)量恒定的瓷坩堝中燃燒使其炭化，然后將瓷坩堝移入馬弗爐中，在600 ℃溫度范圍內(nèi)，灼燒至灰渣中無黑色炭素，取出坩堝在干燥器中冷卻0.5 h后稱量，再將坩堝放入高溫爐中，重復(fù)上述操作，稱量樣品直至恒重。坩堝增加的質(zhì)量即為灰分重量。實驗重復(fù)3次。

硅含量的測定參照楊燕[11]的方法，為一種干式氧化法，即在灰分含量測定后，加入5 mL的6 mol·L-1鹽酸于裝有灰分的坩堝中，在電爐上上蒸干；再加入6 mol·L-1鹽酸5 mL，再蒸干，如此重復(fù)3次，再加入6 mol·L-1鹽酸以溶解殘渣，趁熱用定量濾紙過濾，以熱蒸餾水洗滌至下流液中不含有氯化物為止，將殘渣連同濾紙移入已恒重的瓷坩堝，在電爐上灼燒碳化，然后轉(zhuǎn)移到馬弗爐中600 ℃灼燒2 h，取出放置于干燥器中冷卻至室溫，恒重后坩堝所增加的重量，即為二氧化硅重量。植硅體的計數(shù)采用二氧化硅含量測定后樣品倒入少量丙酮搖勻，滴于載玻片上晾干，再用中性樹脂封制成裝片，計數(shù)時將一個樣品裝片完全計數(shù)，若裝片內(nèi)植硅體數(shù)量不足400個，再追加一個樣品裝片，直至滿足計數(shù)植硅體達400個。植硅體的型態(tài)分類參照Gallego[12]與 Blackman[13]等人的分類系統(tǒng)。此方法既測量二氧化硅含量也用于植硅體的計數(shù)。

植硅體形態(tài)的觀察采用濕式氧化法進行測定[14]。各齡級竹稈不同節(jié)部經(jīng)過清洗和烘干后，分作竹青、竹黃、全壁(竹節(jié)縱切，包含竹青、竹壁中和竹黃)。每個樣本取0.2 g之后加入63%濃硝酸10 mL，沸水浴加熱過程中加入適量KNO3加速反應(yīng)進行，直至材料充分反應(yīng)后混合物變澄清為止。加入蒸餾水離心，傾去上清液，如此洗滌3次后，再用無水酒精離心洗滌。最后搖勻，滴于載玻片上晾干，用中性樹脂封制成裝片。

2 結(jié)果與分析

2.1 龍竹竹稈灰分與硅含量

在竹青中，二氧化硅的含量隨著年齡的增加而輕微的增加，在5年生稈中含量最高(表1)。灰分含量也隨稈齡的增加而輕微的增加，但到5年生時含量開始下降。在竹黃中，二氧化硅的含量也表現(xiàn)出隨著年齡的增加而輕微增加的趨勢，但灰分的含量隨著年齡的增加而逐漸降低，在三年生的竹稈中最低，但五年生的竹稈又輕微增加，且差異均不顯著。總體而言，二氧化硅含量隨著年齡的增加而緩慢增加，而灰分隨著年齡的增加未表現(xiàn)出明顯規(guī)律。

表1 龍竹竹稈不同部位和不同年齡灰分與二氧化硅含量比較

注：同一列標(biāo)有不同字母表示在α=0.05水平上差異顯著；每一列大寫字母只與大寫字母比較，小寫字母只與小寫字母比較

在各年齡段竹稈的竹青中，二氧化硅和灰分的含量隨著竹稈高度的增加而輕微的增加，表現(xiàn)出頂端>中部>基部的規(guī)律。在竹黃中，二氧化硅和灰分的含量也隨著高度的變化表現(xiàn)出相同的規(guī)律，因此整個竹稈中的二氧化硅和灰分的含量均表現(xiàn)為隨著竹稈高度的增加而增加。

2.2 龍竹各類型植硅體類型

根據(jù)Gallego等的植硅體分類系統(tǒng)，結(jié)合龍竹竹稈中存在的植硅體，將龍竹稈中植硅體總結(jié)為以下幾類：尖型(Point-shaped type)、扇型(Fan type)、桿型(Elongate type)、長方型(Rectangular form)、鞍型(saddle form)、啞鈴型(Dumb-bell type)、圓型(Round type)、橢圓型(Elliptical type)、融合型(Associated type)和不規(guī)則型(Irregular type)，這些類型有的還存在著一些亞類型。

圖1 龍竹竹稈中主要植硅體類型(比例尺=10微米)Fig.1 Different types of phytolith in Dendrocalamus giganteus culms (Bar=10 μm)A.尖型(Point-shaped)a.新月型(Crescent)b.銳尖型(Sharp-pointed)c.尖型(Point-shaped) B.橢圓型(Elliptical)a.橢圓具內(nèi)含物(Elliptical，with inclusions)b. 螺紋橢圓型(Elliptical，spiral)c.光滑橢圓型(Elliptical，smooth)C.圓型(Round)a.光滑圓型(Round，smooth)b. 具內(nèi)含物圓型(Round，with inclusions)c. 刺圓型(Round type，spiny) D.桿型(Elongate)a.光滑桿型(Elongate，smooth)b. 螺紋桿型(Elongate type，spiral)E.長方型(Rectangular type)a.光滑長方型(Rectangular type，smooth)b.粗糙長方型(Rectangular，rough)c具內(nèi)含物長方型(Rectangular，with inclusion)d.刺毛長方型(Rectangular type，spiny) F.扇型(Fan type)a.不規(guī)則扇型(Fan type，irregular)b. 光滑扇型(Fan type，smooth) G. 融合型(Associated type)a.桿桿融合(Elongate with Elongate)b.桿矩融合(Elongate with Rectangular)c.矩矩融合(Rectangular with Rectangular) H. 不規(guī)則型(Irregular type)a.不規(guī)則長方形(Irregular elongate)b.不規(guī)則的桿形(Irregular rectangular) I.啞鈴型(Dumb-bell type)a. 直端啞鈴型(Dumb-bell，straight end.)b. 圓端啞鈴型(Dumb-bell，convex end.) J.鞍型(saddle)a鞍形(Normal saddle)b瘦鞍形(Thin saddle)

在參照Gallego的植硅體分類系統(tǒng)，測數(shù)龍竹竹稈植硅體時，觀察龍竹竹稈當(dāng)中主要存在的以下幾大類植硅體，尖型(Point-shaped)、扇型(Fan)、桿型(Elongate)、長方型(Rectangular)、啞鈴型(Dumb-bell)、圓型(Round)和橢圓型(Elliptical)(圖1)。由圖1可以看出龍竹植硅體種類豐富，從表2中可以看出不同植硅體類型的比例隨著年齡、部位變化而差異明顯。從不同稈齡看，低齡段圓型植硅體含量最高可達到84.29%，啞鈴型和長方型次之，橢圓型再次之，而桿型、扇型和尖銳型含量尤其低，甚至未檢測到。而在高年齡段中長方型含量最高，可占到植硅體總量的71.22%，桿型、圓型和橢圓型植硅體次之，尖銳型、扇型和啞鈴型植硅體最少，總體而言，長方型，桿型和尖銳型這三者含量隨年齡上升而上升，橢圓型隨年齡先上升，在兩年竹稈中最高，后又下降。圓型，啞鈴型則呈現(xiàn)出隨年齡升高而不斷下降的趨勢，而扇型隨時間變化不明顯。

圖2 龍竹竹稈無定型硅沉積(比例尺=10微米)Fig.2 Silicon deposition in Dendrocalamus giganteus culms.(Bar=10 μm)a.片狀硅沉積 b.球狀硅沉積

從竹稈的不同部位來看，竹黃當(dāng)中圓型植硅體所含比例大于竹青圓型所含比例，其它規(guī)律不明顯，除此之外，竹青當(dāng)中長方型加桿型的比例大于竹黃當(dāng)中兩者相加的比例，而從全竹來看圓型的規(guī)律大致為在基部最高，中部次之，頂端最低，長方型的規(guī)律與之相反，頂端>中部>基部，若長方型與桿型相加此規(guī)律更顯著，其它植硅體類型無明顯規(guī)律。

在通過使用馬弗爐對不同年齡的竹稈進行植硅體的測量時發(fā)現(xiàn)，在龍竹當(dāng)中除植硅體外，還存在著無定型的硅沉積，這可能是體內(nèi)可溶性的硅酸鹽灼燒失水而凝集的結(jié)果。在1年2年龍竹竹稈當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)大量無定型的硅沉積，這些硅沉積體積巨大，外型不規(guī)則，但亞結(jié)構(gòu)有一定規(guī)律，這些亞結(jié)構(gòu)有片狀、球型和絲狀，在龍竹當(dāng)中，竹稈越年輕亞結(jié)構(gòu)呈片狀的硅沉積就越多，隨著時間的推移，再出現(xiàn)亞結(jié)構(gòu)呈絲狀，球狀的硅沉積，但3年以上的竹稈中卻極少存在這些結(jié)構(gòu)。

表2 龍竹竹稈不同部位不同年齡段各類型植硅體變化比較

3 討 論

龍竹的灰分含量均值隨著年齡的增長而呈先下降再略上升的變化趨勢，而張齊生等[15]認為前5年生毛竹(Phyllostachyheterocyclacv.Pubescens)竹材的灰分含量隨著稈齡的增加而減少，5年生以上的竹材卻隨著稈齡的增加而增加，出現(xiàn)這種差異的原因，王曙光等[16]認為可能是取材的差異造成的。

在龍竹竹稈中，二氧化硅的含量隨著年齡的增加而逐漸增加，而且上部比下部含量更高。Wang(2011)認為竹稈硅含量隨著年齡增長而增長，可能是由于竹稈不斷從土壤中吸收硅元素，隨著蒸騰作用沉積下來，同時可以提高竹稈的機械硬度以對抗蟲害[17]。并且箭竹竹稈當(dāng)中也有其上端竹稈硅含量大于其竹稈基部硅含量的規(guī)律，通過比較分析，其原因可能是竹稈基部含有更多的薄壁組織，細胞體積更大，造成植硅體分布密度變小，導(dǎo)致其基部硅含量較低。

在本實驗中，竹青中長方型加桿型的比例大于竹黃當(dāng)中這兩者相加，但長方型或桿型單獨都無太明顯規(guī)律，這說明，桿型可能從長方型變化而來，而且桿型植硅體都十分巨大，在低年齡段很少發(fā)現(xiàn)，因此可以推測是由長方型發(fā)育而來。橢圓也有類似規(guī)律，但不明顯，要驗證橢圓是否由圓型發(fā)育而來，還需要進一步的實驗來證明。

在微觀水平下， Mann 和Perry(1986)發(fā)現(xiàn)每一結(jié)構(gòu)單元由確定大小、穩(wěn)定性和取的Si02粒子構(gòu)成。其亞結(jié)構(gòu)的發(fā)育是在不同的階段完成的，初始是片狀結(jié)構(gòu)沉積，然后是球型，最后是絲狀結(jié)構(gòu)型成[18]。這與本實驗當(dāng)中硅沉積的描述吻合。在低齡竹稈當(dāng)中，運用干法提取植硅體時，會觀察到裝片當(dāng)中含有大量成片的有一定規(guī)則硅沉積，而且隨著年齡的增加，這些硅沉積減少。因此在本實驗當(dāng)中為減小誤差，植硅體類型的確定運用濕法，植硅體比例的測定采用干法。

陳昌斌(2003)等人通過研究鳳尾竹植硅體的變化，認為不同生長發(fā)育期各部分硅酸體的晶核存在狀況、硅酸體的型態(tài)和大小的演變趨勢體現(xiàn)了硅質(zhì)在植物器官表皮細胞上的連續(xù)沉積過程[19]。在本研究中，龍竹竹稈內(nèi)桿型植硅體都十分巨大，但桿型植硅體在低年齡段卻很少發(fā)現(xiàn)，因此推測是由長方型或圓型發(fā)育而來，同樣，在本實驗當(dāng)中，橢圓型的比例隨著年齡的增加也有一個上升的趨勢，但其是否是由其它類型植硅體轉(zhuǎn)化而來，有待進一步研究。

黃翡(2004)等人通過對內(nèi)蒙古典型草原禾本科植硅體型態(tài)的研究發(fā)現(xiàn)，在不同的禾本科植物中各種類型的植硅體類型比例不同，有的禾本科植物含有其特殊的植硅體，這種不同可以用來鑒別和分類很多禾本科植物[20]。在本實驗當(dāng)中，對于植硅體的分類是參照Gallego的分類系統(tǒng)，但是龍竹稈含有其分類系統(tǒng)所沒有的幾種植硅體，如帶螺紋的植硅體和帶刺毛的植硅體。

4 結(jié) 論

(1)龍竹竹稈硅含量隨稈齡及部位的不同顯示出差異。隨著稈齡的增長，其硅含量也在不斷增加。1～3年中硅含量上升較快，3～5年上升較平緩。在不同部位比較，竹青>竹黃，頂端>中部>基部。

(2) 龍竹植硅體種類豐富，各類型植硅體隨稈齡和部位的不同而變化明顯。長方型，桿型和尖銳型這三者含量隨年齡上升而上升，橢圓型隨年齡先上升后又下降，圓型，啞鈴型含量是呈不斷下降的趨勢，而扇型隨時間變化不明顯。從竹稈的不同部位來看，竹黃當(dāng)中圓型植硅體所含比例大于竹青。竹青當(dāng)中長方型加桿型的比例大于竹黃當(dāng)中兩者相加。圓型植硅體的規(guī)律大致為在基部最高，中部次之，頂端最低。長方型的規(guī)律與之相反，為頂端>中部>基部，長方型與桿型的植硅體相加后此規(guī)律更加顯著。其它植硅體類型無明顯規(guī)律。

(3)桿型植硅體可能是由長方型植硅體發(fā)育而來，橢圓可能是由圓型發(fā)育而來。

[1] 錢崇澍，陳煥鏞.中國植物志[M].北京：科學(xué)出版社，1996，9(1)：155.

[2] 吳英，魏丹，高洪生. 硅在水稻營養(yǎng)中的作用及其有效條件的研究[J].土壤肥料，1992,3：25-27.

[3] Lanning F C，Eleuterius L N. Silica Deposition in Some C3and C4Species of Grasses，Sedges and Composites in the USA[J]. Annals of Botany，1989，64(4)：395-410.

[4] 呂厚遠，賈繼偉，王偉銘，等. “植硅體”含義和禾本科植硅體的分類[J]. 微體古生物學(xué)報，2002，19(4)：389-396.

[5] 呂厚遠，王永吉. 植物硅酸體研究及在青島三千年來古環(huán)境解釋中的應(yīng)用[J]. 科學(xué)通報，1989，19：1485-1488.

[6] 呂厚遠，劉東生，吳乃琴，等. 末次間冰期以來黃土高原南部植被演替的植物硅酸體記錄[J]. 第四紀研究，1999(4)：336-349.

[7] Motomura H，Mita N，SuzukiM. Silica accumulation in long-lived leaves ofSasaveitchii(Carriere) Rehder (Poaceae- Bambusoideae) [J].AnnalsofBotany，2002，90：149-152.

[8] 盧艷花. 23種竹子葉表皮微型態(tài)的觀察[J]. 竹子研究，1996，(2)：42-48.

[9] 王潤輝，夏念和，林汝順. 箣竹屬和牡竹屬(竹亞科)葉表皮微型態(tài)特征[J]. 熱帶亞熱帶植物學(xué)報，2002，10(1)：22-26.

[10] 近藤錬三，佐瀬隆. 植物珪酸體特性応用[J]. 第四紀研究,1986，25(1)：31-63.

[11] 楊燕，邱堅，歐志翔，等. 檸檬桉木材中二氧化硅的分布和含量的測定[J]. 林業(yè)科技開發(fā)，2006，1(1)：24-27.

[12] Gallego L，Distel R A. Phytolith Assemblages in Grasses Native to Central Argentina[J]. Annals of Botany，2004，94(6)：865-874.

[13] Blackman E. Opaline silica bodies in the range grasses of southern Alberta[J]. Canadian Journal of Botany，1971，49：769-781.

[14] 王永吉，呂厚遠，衡平. 植物硅酸體的分析方法. 植物學(xué)報,1994，36(10) ：797- 804.

[15] 張齊生，關(guān)明杰，紀文蘭. 毛竹材質(zhì)生成過程中化學(xué)成分的變化[J]. 南京林業(yè)大學(xué)(自然科學(xué)版)，26(2)：7-10.

[16] 王曙光，普曉蘭，丁雨龍，等. 云南箭竹化學(xué)成分分析及不同地理種源之比較[J]. 四川林業(yè)科技，2009，30(3)：8-11.

[17] Wang S G，Lin S Y. ANATOMICAL AND CHEMICAL PROPERTIES OF FARGESIA YUNNANENSIS[J]. Journal of Tropical Forest Science，2011，23(1)：73-81.

[18] Mann S，C. C. Perry. 1986. Structural aspects of biogenic silica. In：Mann S.，eds. Silicon biochemistry，CIBA foundation symposiuml21．New York：John Wiley Sons，40-58.

[19] 陳昌斌，倪兵，徐壽彭,等. 鳳尾竹硅酸體型態(tài)及其發(fā)生初探[J]. 植物研究，2003，23(4)：424-428.

[20] 黃翡，Kealhofer Lisa，黃鳳寶. 內(nèi)蒙古典型草原禾本科植硅體型態(tài)[J]. 古生物學(xué)報，2004，43(2)：246-253.

The Changes in Phytolith Morphology in Culms ofDendrocalamusgiganteus

NIU Zhao-hui，HE Wen-zhi，WANG Chang-ming，ZHANG Li-ya，ZHAN Hui，WANG Shu-guang

(College of Life Science，Southwest Forestry University，Kunming 650224，Yunnan，China)

Based on chemical component analysis and morphological observation，the silicon content and phytolith morphology were investigated in different parts of culms inDendrocalamusgiganteusat various age. The results showed that the silicon content increased with increasing culm age，and was higher in the outer zone than in the inner zone. In addition，the silicon content was higher in the top than in the bottom. There identified 10 types of phytolith inD.giganteusculms，and irregular silicon deposition was also observed. The number of phytoliths increased with increasing age. Round and dumb-bell shaped phytoliths occurred in young culms，while elongate and rectangular ones were found in old culms. Higher percentage of round phytoliths were found in inner zone，while that of rectangular and elongate phytoliths occurred in outer zone. The irregular silicon deposition was mainly seen in young bamboo culms.

Culms; Silicon content; Phytolith; Dynamical changes

2016-06-11

國家自然科學(xué)基金(31100453) 云南省優(yōu)勢特色重點學(xué)科生物學(xué)一級學(xué)科建設(shè)項目(31460196)

牛兆輝(1991-)，男，山東即墨人，碩士生，研究方向為竹類植物研究。通信作者:王曙光(1979-)，男，山東海陽人，博士，副教授，研究方向為竹類植物研研究，E-mail:stevenwang1979@126.com