巴西橡膠樹樹皮厚壁組織結(jié)構(gòu)和發(fā)育研究

史敏晶 李言 王冬冬 田維敏

中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所農(nóng)業(yè)部橡膠樹生物學(xué)與遺傳資源利用重點實驗室省部共建國家重點實驗室培育基地-海南省熱帶作物栽培生理學(xué)重點實驗室 海南儋州 571737

摘 要 植物中的厚壁組織對植株起著重要的支持和保護作用，但目前對橡膠樹樹皮中該組織的研究較少。以無性系RY7-33-97不同發(fā)育階段的萌條以及無性系PB86、PR107、RY8-79定植7年的樹干樹皮為材料，利用光學(xué)顯微技術(shù)對樹皮中厚壁組織的結(jié)構(gòu)和發(fā)育進行較為系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明，幼嫩萌條的樹皮中僅有纖維組織，根據(jù)其所在位置可分為皮層纖維和初生韌皮纖維。皮層纖維數(shù)量較少，分散分布在皮層中；而初生韌皮纖維常由2～3層纖維細胞形成完整的纖維帶圍繞在初生韌皮部外側(cè)。成齡大樹樹皮中僅觀察到短石細胞，常成團分布，這些石細胞由薄壁細胞通過同心環(huán)的方式木質(zhì)化加厚細胞壁發(fā)育形成。石細胞的內(nèi)腔中常積累紅褐色物質(zhì)和結(jié)晶體，有的石細胞外包有晶鞘。在PB86、PR107、RY8-79三個無性系中，石細胞在樹皮中的分布和石細胞壁的厚度具有明顯的品系特征。最早出現(xiàn)的石細胞列到砂皮外層這一范圍內(nèi)，石細胞團排列最緊密的是PR107，面積比例為28.9%；其次是PB86，為27.4%；RY8-79中的石細胞團少而稀疏，僅12%，極顯著低于PR107和PB86。在PR107中，石細胞壁的厚度最大，約為14 μm；PB86和RY8-79則分別為9和7.8 μm，可見，石細胞壁的厚度PR107極顯著高于PB86和RY8-79。這些石細胞的特征可能與不同品系樹皮的抗壓、抗風(fēng)能力、割膠難易程度相關(guān)，對橡膠樹樹皮厚壁組織尤其是石細胞的研究將為橡膠樹選育種中副性狀的選擇提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞 橡膠樹；厚壁組織；纖維；石細胞；發(fā)育

中圖分類號 S794.1 文獻標(biāo)識碼 A

Development and Structure of Sclerenchyma

in Bark of Rubber Tree

SHI Minjing， LI Yan， WANG Dongdong， TIAN Weimin*

Rubber Research Institute， CATAS / Key Laboratory of Biology and Genetic Resources of Rubber Tree，

Ministry of Agriculture / State Key Laboratory Incubation Base for Cultivation & Physiology of Tropical

Crops， Danzhou， Hainan 571737， China

Abstract The sclerenchyma in plants has supporting and protecting functions， it is， however， still not well known in the bark of rubber tree. In the present study， the structure and development of sclerenchyma in trunk bark of 7-year-old rubber tree clone PB86， PR107 and RY8-79 as well as in the bark of epicormic shoots of rubber tree clone RY7-33-97 at the different developmental stages was observe by using optical microscopy. In the bark of epicormic shoots， only the fiber， a kind of sclerenchyma， was observed. It could be recognized as cortical fiber and primary phloem fiber according to its distribution. The cortical fiber sparsely dispersed in cortex， while primary phloem fiber located outside the primary phloem， in a ring form of 2-3 fiber layers. By contrast， only the brachysclereid was present in the trunk bark of 7-year-old rubber tree clones. The stone cells existed generally in a cluster form and developed from parenchyma cells after the cell wall of the parenchyma cells lignified and thickened in a manner of concentric ring. The stone cells usually contained bronzing materials or crystals in the cavity. Some of stone cells were enclosed with a crystal sheath. The distribution and cell wall thickness of stone cells were clone-specific. Within the area from the innermost stone cell line to the outer layer of the sandy skin， the ratio of stone cells to the area was 28.9% in PR107， 27.4% in PB86， 12% in RY8-79. The thickness of stone cell wall was about 14 μm in PR107， 9 μm in PB86 and 7.8 μm in RY8-79. The difference in the density and cell wall thickness of stone cells may be related to the difference in the capacity of anti-pressure and anti-wind and bark hardness among the three clones. Knowledge about the sclerenchyma， especially the stone cells in the trunk bark of rubber tree will contribute to the selection of related accessory characters in Hevea breeding.

Key words Rubber tree； Sclerenchyma； Fiber； Stone cell； Development

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.02.016

巴西橡膠樹是天然橡膠的最主要來源，而橡膠樹中的乳管細胞作為合成和貯存橡膠的重要組織，一直是橡膠樹樹皮組織研究的重點。前期研究在乳管的形態(tài)結(jié)構(gòu)[1-2]、分化[3-6]和發(fā)育[7-8]等方面，對乳管細胞有較為深入的了解。乳管細胞內(nèi)膨壓很大，壓力數(shù)值高達1～1.4 MPa[9]，相當(dāng)于10～14個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，這一極高的壓力成為膠乳排出的“初動力”，但同時產(chǎn)生一個問題，即橡膠樹如何保證乳管及其周圍細胞不被乳管內(nèi)的高壓破壞。另外，橡膠樹作為高大喬木，需要維持樹干的挺立以及抵抗風(fēng)雨等外來力量的侵襲。機械組織在這種支撐和保護中無疑起到重要的作用[10]，尤其是具有次生加厚細胞壁的厚壁組織——纖維和石細胞。對于厚壁組織，在其他植物中有著較深入的研究[11-14]，而目前在橡膠樹中的研究較少。1923年，Bobilioff 在一本橡膠樹解剖學(xué)方面的專著中，首次對石細胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)進行了較為清楚的描述[15]。1982年，Gomez也對石細胞進行了綜合性闡述，但基本未增加新的研究內(nèi)容[16]。后期研究乳管的同時對石細胞偶有涉及，但缺乏系統(tǒng)性[17-18]。中國橡膠樹種植中遭遇臺風(fēng)、寒流（導(dǎo)致爆皮流膠）等極端天氣較多，由此造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，篩選合適強度機械組織的品系也是一個值得研究的方向。本研究以幼嫩的萌條和成熟大樹的樹干樹皮作為材料，系統(tǒng)研究橡膠樹皮中的厚壁組織，旨在豐富橡膠樹樹皮的結(jié)構(gòu)知識，并為橡膠樹優(yōu)良品系的選育種提供一定依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試材料及預(yù)處理 于海南大學(xué)農(nóng)學(xué)院儋州苗圃選取巴西橡膠樹（Hevea brasiliensis Müll.Arg.）無性系RY7-33-97芽接苗修剪當(dāng)年生萌條中處于萌動期的頂芽，處于古銅期、淡綠期以及穩(wěn)定期的第一伸長單位的莖皮，制備石蠟切片。選取種植于中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院實驗農(nóng)場三隊7年樹齡無性系PB86、PR107、RY8-79橡膠樹，于樹高2 m處用打孔器采集樹皮，制備石蠟切片。

1.1.2 主要試劑和儀器 制備石蠟切片所需的乙醇、正丁醇、冰醋酸、二甲苯為國產(chǎn)分析純，石蠟為生物組織切片專用，光學(xué)顯微鏡為德國Leica DMLB型。

1.2 方法

光學(xué)顯微切片的制備：樹皮材料分割后經(jīng)80%（v/v）酒精固定24 h，乙醇梯度脫水，碘-溴冰醋酸試劑60 ℃處理36 h，乙醇脫水后經(jīng)正丁醇透明，石蠟包埋，具體方法參見史自強等[19]并稍作修改。石蠟切片厚度10 μm，二甲苯脫蠟后固綠染色1 h，中性樹膠封片，光學(xué)顯微鏡Leica DMLB下觀察并成像。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

用樹皮橫切面標(biāo)本，在顯微鏡下進行觀察統(tǒng)計。每個樣品選取5個視野，對最早出現(xiàn)的石細胞列至砂皮外層這一范圍內(nèi)石細胞所占據(jù)的面積比例進行統(tǒng)計；選取有代表性的石細胞10個，測量石細胞壁的厚度。數(shù)據(jù)采用Excel 2003制作圖表，SPSS 18.0軟件分析差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 橡膠樹皮中纖維的結(jié)構(gòu)與發(fā)育

利用光學(xué)顯微技術(shù)，對RY7-33-97從萌動期到穩(wěn)定期的幾個不同發(fā)育狀態(tài)的萌條莖皮結(jié)構(gòu)進行觀察。在頂芽剛剛萌動時，幼嫩頂芽表皮下是大量的皮層薄壁細胞，沒有觀察到纖維細胞（圖1-A）；在古銅期新梢莖的皮層中，觀察到一些分散分布并且細胞壁開始加厚的細胞，這些細胞出現(xiàn)明顯的縱向延長，即是最早出現(xiàn)的皮層纖維（圖1-B、C）。這些纖維細胞排列尚無明顯規(guī)律，細胞壁加厚不強烈。隨著古銅期新梢的進一步發(fā)育，在幼莖的橫切面上，還可以觀察到初生韌皮部最外側(cè)開始形成一圈排列規(guī)則的細胞壁開始加厚的細胞，根據(jù)其發(fā)生位置可知為初生韌皮纖維（圖1-D）。在淡綠期，皮層纖維和初生韌皮纖維進一步發(fā)育，細胞壁加厚更明顯（圖1-E），進一步縱向延長（圖1-F）。在縱切面上，可見這些纖維細胞狹長、兩端尖銳，尤其是其中的初生韌皮纖維細胞，長度可達1 mm以上，很容易識別。穩(wěn)定期的纖維細胞壁已經(jīng)很厚，細胞腔變得狹小，并且細胞壁上具有紋孔（圖2）。隨著莖皮的生長，出現(xiàn)次生結(jié)構(gòu)時，初生韌皮纖維帶中的纖維細胞會逐漸被石細胞替代。

2.2 橡膠樹樹皮中石細胞的結(jié)構(gòu)和發(fā)育

2.2.1 石細胞的形態(tài)結(jié)構(gòu) 光學(xué)顯微鏡下，不同品系7年齡樹莖干樹皮中都未觀察到纖維細胞，樹皮中分布有大量石細胞。從形成層向外，石細胞在樹皮各層組織中分布并不均勻。水囊皮中通常沒有石細胞；黃皮層中的石細胞少，以單個石細胞或者石細胞團形式存在；砂皮層中則含有大量砂粒狀的石細胞群，并由此而得名。從樹皮的橫切面和徑向切面可知，橡膠樹樹皮中的石細胞近乎等莖，為短石細胞類型，成熟石細胞的次生壁很厚，幾乎侵占了整個細胞腔（圖3-A、B）。有的石細胞腔中能觀察到紅褐色物質(zhì)（圖3-C），而有的石細胞腔中有簇狀結(jié)晶存在（圖3-D），還有的石細胞周圍的細胞中含有草酸鈣方晶，形成晶鞘石細胞（圖3-E）。通常，光學(xué)顯微鏡下觀察到的最早形成的石細胞位于有輸導(dǎo)功能韌皮部的外側(cè)（即黃皮層中）。剛形成的石細胞形狀和大小與周圍的薄壁細胞相似（圖3-F、G），但細胞壁逐漸增厚，可見，橡膠樹的石細胞是由薄壁細胞發(fā)育而成。在成長過程中細胞壁以同心環(huán)的方式進行木質(zhì)化加厚，但這種增厚不均一，在一些不增厚的區(qū)域會形成紋孔道，從而保證石細胞與相鄰細胞之間的聯(lián)系。由于成熟的石細胞為死細胞，這種紋孔道的聯(lián)系并沒有實際的生理意義。

2.2.2 橡膠樹石細胞的品系特征 對PB86、PR107和RY8-79三個品系樹皮中的石細胞的分布、排列以及細胞壁的厚度等特征進行研究。結(jié)果表明，PB86樹皮中成列的石細胞群最早出現(xiàn)的位置距離形成層較近，石細胞分布范圍寬（圖4-A）；而PR107中成列石細胞群最早出現(xiàn)的位置離形成層較遠，石細胞分布范圍窄，排列更為集中和致密（圖4-C）；RY8-79樹皮中成列石細胞群最早出現(xiàn)的位置距離形成層也較遠，樹皮中石細胞群數(shù)量很少，分布極其稀疏（圖4-E）。從最早出現(xiàn)的石細胞列至砂皮外層這一范圍內(nèi)，統(tǒng)計分析其石細胞所占面積比例，該比例PB86為27.4%，PR107達28.9%，而RY8-79僅為12%。石細胞分布的面積RY8-79極顯著（p<0.01）低于PB86和PR107（圖5-A）。

觀察還發(fā)現(xiàn)，這3個品系石細胞形態(tài)大小以及細胞壁的厚度不同，單個石細胞體積PR107明顯大于PB86和RY8-79（圖4-B、D、F）。對石細胞壁的厚度進行測定，PB86約為9 μm，而PR107高達14 μm，RY8-79僅為7.8 μm，可見，石細胞壁厚度PR107極顯著高于PB86和RY8-79（p<0.01）（圖5-B），3個品系中，RY8-79石細胞壁厚度最小。

上述研究結(jié)果表明，在3個無性系中，PR107單個石細胞的體積最大，石細胞壁最厚，而且在樹皮中分布最集中；RY8-79的單個石細胞體積最小，壁最薄，而且分布最稀疏；PB86的石細胞無論大小還是細胞壁的厚度及分布均介于PR107和RY8-79之間。

3 討論與結(jié)論

在植物的生長發(fā)育中，厚壁組織起重要的機械支持和保護作用，還有物種中的厚壁組織（如纖維）具有重要的經(jīng)濟價值，所以對于該組織的研究很早就引起人們的重視[20-24]。巴西橡膠樹是以收獲樹皮膠乳為主要目的的特種經(jīng)濟林木，對其厚壁組織的研究較為缺乏。

本文對成齡大樹樹皮及不同發(fā)育狀態(tài)的萌條中的厚壁組織都展開了研究。在橡膠樹萌條莖皮的初生結(jié)構(gòu)中最早觀察到的是皮層纖維，這一點在前人的研究中基本沒有提及[15-16]；隨后觀察到初生韌皮纖維組織，但石細胞尚未出現(xiàn)。可見，樹皮初生結(jié)構(gòu)中的厚壁組織主要是以纖維的形式出現(xiàn)，所以這一時期的樹皮表現(xiàn)出良好的韌性。在進行了次生生長并出現(xiàn)周皮的樹皮組織中，纖維細胞逐漸消失，大量的石細胞開始出現(xiàn)。在成齡橡膠樹中，樹皮中的石細胞占有相當(dāng)大的比例，可見，在橡膠樹樹皮的次生生長中，石細胞替代纖維起到了機械支持和保護的作用，因此，樹皮也呈現(xiàn)出較強的硬度和易碎性。

對3個代表性品系的研究發(fā)現(xiàn)，樹皮中石細胞數(shù)量的多少、在樹皮中的排列分布以及石細胞壁的加厚程度具有明顯的品系特征。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，PR107樹皮較硬、割膠困難、膠刀耗費大，但具有良好的抗風(fēng)特性，推測與PR107中石細胞分布密集、石細胞壁木質(zhì)化加厚程度強有關(guān)。RY8-79是早熟高產(chǎn)的代表性品系，樹皮厚，但在這3個無性系中屬于石細胞分布最稀疏、石細胞壁木質(zhì)化程度最低的品系。乳管中膨壓極大，高達10～14個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，在石細胞少而細胞壁薄的情況下，如果遭遇不利氣候，很可能因抗壓能力小而無法維持乳管及周圍組織的正常結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)中還發(fā)現(xiàn)，RY8-79很容易爆皮流膠，可能就是與該品系樹皮中缺乏石細胞有關(guān)。PB86容易割膠，樹皮表現(xiàn)出較軟的特征，可能也是與石細胞壁較薄有關(guān)，但該品系不會出現(xiàn)與RY8-79類似的爆皮流膠，則可能是與其樹皮中石細胞群具有較大的密集度有關(guān)。因此認(rèn)為，石細胞的分布密集度和壁的厚度等參數(shù)可作為評價樹皮硬度和抗壓能力的參考指標(biāo)。當(dāng)前割膠人工成本高，培育樹皮厚壁組織分布適度、相對易割的品系也是育種中需要考慮的方向。本研究不僅完善了橡膠樹樹皮結(jié)構(gòu)的基本知識，而且為優(yōu)良品種的培育提供了理論基礎(chǔ)。

本文在研究萌條厚壁組織中的實驗材料品系單一，沒有對多個品系的初生結(jié)構(gòu)進行比較分析，由此對樹皮中纖維組織的分析相對簡單。不同品系中纖維細胞的分化和發(fā)育是否不同，纖維的長短或者多少與萌條的抗風(fēng)能力有怎樣的關(guān)系將是下一步需要研究的問題。

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