花斑木形成機(jī)制的研究動(dòng)態(tài)

邱 堅(jiān) 李 智 賈慧文 何海珊

（1. 西南林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650233；2. 云南林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650204）

花斑木又稱菌紋木，國(guó)內(nèi)外一直認(rèn)為是一種由真菌侵染而具白腐、染色和帶線的自然斑紋的木材[1-4]。因此，花斑木在視覺上有漂白、菌紋線和染色3種表現(xiàn)形式。漂白是指白腐菌降解木材中的木質(zhì)素等成分而導(dǎo)致白腐后的木材中出現(xiàn)片狀白色相雜其中[5-6]；菌紋線是由特殊真菌引起的形狀不規(guī)則、粗細(xì)不均的暗色線條；染色是由于在木材細(xì)胞中變色菌菌絲體分泌色素而產(chǎn)生的連續(xù)大面積木材顏色改變，最常見的為藍(lán)綠色變[7-8]。一般在同一塊木材上，花斑木具有上述3種形式中的至少1種，而最有價(jià)值的是木材腐朽不嚴(yán)重、由帶線構(gòu)成的不定形斑紋的木材[9-10]。

花斑木的優(yōu)點(diǎn)為木材上形成獨(dú)一無二、生動(dòng)多變的天然色彩與花紋，提高木材的裝飾性的同時(shí)，避免了使用污染環(huán)境的化工顏料；菌紋中的菌紋線類型所形成的黑色及黑褐色線條主要由黑色素構(gòu)成，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定[11-13]。歐美國(guó)家歷史上主要流傳下來的菌紋木工藝品多為教堂等的鑲嵌畫、家具貼面等藝術(shù)作品，這些作品歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)，色彩仍然鮮艷[4]，這類花斑木的特點(diǎn)是由真菌引起，均伴隨一定程度的腐朽，在邊材上局部形成，菌紋圈比較小?；ò吣旧鷦?dòng)多變的天然色彩與自然花紋，是家具表面裝飾和室內(nèi)裝修中的優(yōu)良材料，可將其制成高附加值的裝飾工藝品和貼面用單板，在歐美非常流行，近年來在國(guó)內(nèi)也得到人們的喜愛（見圖1）。因此，探討花斑木木材形成花斑的機(jī)理、形成條件，對(duì)促進(jìn)高附加值木材和木質(zhì)工藝品加工生產(chǎn)意義重大，為多種類型的花斑木的人工培育提供參考依據(jù)。

圖 1 中國(guó)花斑木工藝品和家具Fig. 1 Chinese spalted wood crafts and furniture

1 花斑木的形成機(jī)理

花斑木最初是從自然中發(fā)現(xiàn)，但可以人工培育。人工培養(yǎng)花斑木方法之一是把木材包埋在帶有各種真菌的土里，在土壤含水量為30%～50%、溫度15～30 ℃條件下培育數(shù)月[14]。早在1933年Campbell[15]對(duì)闊葉材上多形炭角菌（Xylaria polymorpha）形成的帶線花紋進(jìn)行了研究，但直到2005年，Liers等[16]將鹿角炭角菌（X.hypoxylon）和多形炭角菌2種真菌分別接種到山毛櫸木塊上，經(jīng)過8周的培養(yǎng)，2種真菌都能在木塊上形成黑色的帶線花紋。

關(guān)于花斑紋的形成，一直以來都有許多不同的觀點(diǎn)。最常見的一種是Rayner等[17]提出的，認(rèn)為花斑的形成是由于2種真菌在木材上相互抵抗產(chǎn)生的。Mallet等[18]研究表明，黑色菌紋線是由真菌相互作用生成的菌絲組成。Cease等[19]指出，帶線花紋的形成是由于真菌在寄居的木材上為了保護(hù)和維持自己資源的防衛(wèi)機(jī)制，是真菌控制木材條件而提供持續(xù)利用木材寄居區(qū)域資源并繁殖后代的辦法。尚衍重等[20]認(rèn)為帶線的形成與木腐菌特別是白腐菌對(duì)含水率的要求密切相關(guān)，在帶線處有一些封閉區(qū)域，此封閉區(qū)域?qū)訛檎婢谀静那秩雲(yún)^(qū)內(nèi)提供了最適宜的濕度條件。Blanchette[10]也認(rèn)為此封閉層表面由真菌產(chǎn)生的假菌核塊限制了水分的蒸發(fā)，很可能在2種不同菌絲體接觸時(shí)所形成的分界線也起到上述作用。真菌抵抗機(jī)制能解釋不同真菌間帶線花紋的形成，但是研究最多的多形炭角菌沒有其他真菌的對(duì)抗也能形成帶線花紋[9]。Rayner等[21]認(rèn)為這種現(xiàn)象是因?yàn)槎嘈翁拷蔷旧韨€(gè)體變異快，產(chǎn)生新突變體對(duì)抗原來個(gè)體形成的。

西南林業(yè)大學(xué)邱堅(jiān)團(tuán)隊(duì)提出內(nèi)生真菌在木材上形成花斑紋的原因包括3個(gè)部分：一是為了抵御不良環(huán)境，二是為了保持自身生長(zhǎng)環(huán)境的水分，三是為了形成子實(shí)體以繁殖后代而在木材上形成花斑紋[22-25]。該團(tuán)隊(duì)廣泛調(diào)查采集了木腐菌資源，篩選菌紋真菌，優(yōu)選菌紋木培育條件，形成了一批專利，構(gòu)建了花斑木制備的整套技術(shù)體系[26-35]。

2 花斑木的形成條件

2.1 易形成花斑的樹種

花斑紋可以在任何木材樹種上形成。白腐菌（Trametes versicolor）是形成花斑紋最常見的菌種，而且因?yàn)殚熑~材木質(zhì)素含量低，比針葉材更容易白腐，所以花斑紋主要出現(xiàn)在闊葉材上，主要包括槭木（Acerspp.）、樺木（Betulaspp.）和山毛櫸（Fagusspp.）等樹種[36]。白腐菌主要降解木素，在木材的細(xì)胞壁里也會(huì)形成輕微的染色[37]。Robinson等[9]通過將多形炭角菌在山楊（Populus davidiana）、糖 槭（Acer saccharum）、黃 樺（Betula costata）和椴木上接種，發(fā)現(xiàn)山楊和糖槭比黃樺和椴木產(chǎn)生的帶線花紋多，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加帶線花紋一般會(huì)減少，減少的原因可能是白腐菌引起的，只有山楊內(nèi)外的帶線花紋隨著培養(yǎng)基時(shí)間的增加不會(huì)減少，同時(shí)認(rèn)為內(nèi)含物高的樹種容易產(chǎn)生花斑的原因是真菌在木材內(nèi)含物的作用下產(chǎn)生了應(yīng)激和對(duì)抗。

此外，產(chǎn)生花斑的菌種適宜的樹種也明顯不同。例如多形炭角菌最適宜產(chǎn)生花斑的樹種為美洲榆（Ulmus americana），而紅色染色菌（Arthrographis cuboidea）最適宜紅葉臭椿（Ailanthus altissima），白腐菌傾向于美洲榆、糖槭以及歐洲七葉樹（Aessculrs hippocastanum）[38]。

邱堅(jiān)團(tuán)隊(duì)研究認(rèn)為易形成菌紋的樹種主要為主要?dú)w屬于核桃科（Juglandaceae）、槭樹科（Aceraceae）、榛木科（Corylaceae）、樺木科（Betulaceae）、梧桐科（Sterculiaceae）、樟科（Lauraceae）等，而 龍 腦 香 科（Dipterocarpaceae）、蕓香科（Rutaceae）、無患子科（Sapindaceae）、桃金娘科（Myrtaceae）的木材較難以形成菌紋，大部分木材的邊材易于形成菌紋[39]。這可能與不同樹種木質(zhì)素中含有的酚羥基有關(guān)，自由酚羥基對(duì)真菌具有毒性[40]。

2.2 花斑真菌主要種類

真菌在不同的木材上有不同的表現(xiàn)，如最常見的白腐菌[41]，它的漂白作用是由于分泌的白色菌絲而不是去木質(zhì)素作用[42]。白腐菌相對(duì)于重量的損失來說對(duì)木材腐朽沒有褐腐嚴(yán)重，強(qiáng)度的損失比褐腐發(fā)生得慢，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，白腐可導(dǎo)致整塊木材完全不能利用[43]。染色真菌是非腐朽菌，不會(huì)導(dǎo)致木材細(xì)胞壁主要結(jié)構(gòu)成分的降解[44]，主要是用木材里的糖和低分子碳水化合物[17]。

能形成菌紋線的主要是擔(dān)子菌和子囊菌。美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)的Robinson團(tuán)隊(duì)對(duì)花斑木在現(xiàn)代的應(yīng)用做了大量研究，通過培育花斑木的實(shí)驗(yàn)確定了常見的7種真菌可以形成穩(wěn)定的花斑。它們分別是多形炭角菌、白腐菌、煙管菌（Bjerkandera adusta）、冬生多孔菌（Polyporus brumalis）、絲 孢 菌（Arthrographis cuboidea）、小孢綠盤菌（Chlorociboria aeruginascens）以及長(zhǎng)喙殼屬菌（Ceratocystis virescens）[3]。

另外冬生多孔菌（Polyporus brumalis）/白腐菌組合是實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)花斑木最好的選擇，能夠產(chǎn)生大量的帶線花紋和漂白，而木塊質(zhì)量損失也相對(duì)較低，煙管菌/變色栓菌組合產(chǎn)生的帶線花紋和漂白也很理想，但質(zhì)量損失較大[7]。

何海珊等[22,39]采用間座殼科間座殼屬9種、炭角菌科炭角菌屬5種真菌都培育出黑色菌紋線，并發(fā)現(xiàn)炭角菌（Xylaria venosula）、擬莖點(diǎn)霉屬（Phomopsissp.）和粘束孢霉菌株在毛白楊（Populus tomentosa）上菌紋線花紋豐富，腐朽程度輕。

2.3 影響花斑形成的因素

影響花斑形成的因素主要包括木材含水率、pH值以及培養(yǎng)基類型。

1）含水率是花斑真菌生長(zhǎng)最重要的因素。木材中自由水含量過少，真菌生長(zhǎng)過程中所需水分不能得到滿足；木材含水率太高，木材中的氧氣被水分取代，真菌的生長(zhǎng)受到抑制。控制木材基質(zhì)的含水率，可以刺激特定的花斑真菌的生長(zhǎng)。值得注意的是，花斑真菌種類不同，其在不同樹種中產(chǎn)生最大花斑的含水率也不同[45]。

2）木材本身的pH值介于4～6之間，正是木本植物真菌最適宜的pH值范圍。Tudor等[46]利用不同pH濃度的磷酸鉀緩沖溶液調(diào)節(jié)木材的pH值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)變色栓菌當(dāng)pH為4.5時(shí)在糖槭和山毛櫸上形成最多的花斑，而多形炭角菌分別在pH為4.5的糖槭木塊上和pH為5的山毛櫸上都產(chǎn)生最多的花斑。Robinson等[47]研究顯示木棲柱孢霉（Scytalidium lignicola）在瓊脂培養(yǎng)基中生成紅色花斑的最大pH為6，生成藍(lán)色花斑的最大pH為8。

3）培養(yǎng)基類型也會(huì)影響花斑的形成。Robinson等[1]用蛭石和土壤2種培養(yǎng)基，接種5種真菌到糖槭木塊上，發(fā)現(xiàn)以蛭石為培養(yǎng)基產(chǎn)生的花斑數(shù)量多，重量損失少，形成的顏色對(duì)比度更好。Robinson等[2]研究表明用一定濃度的CuSO4處理木塊，接種多形炭角菌/花斑木菌（Arthrographis cuboidea）組合，能用于誘導(dǎo)產(chǎn)生更多的染色，產(chǎn)生的黑色帶線花紋減少，而紅色帶線花紋和內(nèi)部紅色染色增加。

3 細(xì)菌型花斑木的構(gòu)想

3.1 植物中內(nèi)生細(xì)菌作用

Kloepper等[48]于1992年提出了植物內(nèi)生細(xì)菌的概念，認(rèn)為植物內(nèi)生細(xì)菌是可以定殖在健康的植物組織內(nèi)部，并且能夠與植物本身呈和諧共處的關(guān)系。目前從多種植物的不同器官均分離得到了植物內(nèi)生細(xì)菌，并對(duì)其在植物體產(chǎn)生的影響做了進(jìn)一步的研究[49]。

植物內(nèi)生細(xì)菌在生長(zhǎng)增殖的過程中不僅能夠跟寄主植物產(chǎn)生相同的化合物，還能夠產(chǎn)生一些次生代謝產(chǎn)物[50]。這些次生代謝產(chǎn)物具有抗病蟲害和促進(jìn)植物生長(zhǎng)的作用[51]。此外，內(nèi)生細(xì)菌本身產(chǎn)生或者協(xié)助寄主植物產(chǎn)生植物激素來促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，不同的植物激素作用于植物不同的生長(zhǎng)階段，促進(jìn)植物細(xì)胞的分裂、伸長(zhǎng)、分化[52]。

3.2 木材中的內(nèi)生細(xì)菌作用

細(xì)菌在高濕環(huán)境下也可作用于木材。少數(shù)放線菌（Actinomycetes）、桿菌（Bacillius）、假單孢菌（Pseudomonas）及產(chǎn)氣桿菌（Aerobacter）會(huì)腐朽木材，最常被報(bào)導(dǎo)的細(xì)菌屬于桿菌和假單孢菌[43]。細(xì)菌可從活立木的傷口侵入樹桿形成高濕木，細(xì)菌也腐朽存于幾乎缺氧狀況的木材，缺氧狀況包長(zhǎng)埋在土里、長(zhǎng)時(shí)間置于水中及長(zhǎng)期處于高濕狀態(tài)，細(xì)菌破壞木材的程度及速度，遠(yuǎn)不如蟲害及真菌腐朽那么嚴(yán)重[40]。Wilcox[53]指出，所有的研究都同意細(xì)菌先在木射線組織繁殖并破壞細(xì)胞壁和紋孔結(jié)構(gòu)，然后再腐蝕闊葉材纖維細(xì)胞壁；Holt等[54]把歐洲赤松（Pine sylvestris）和山毛櫸（Fagus sylvatica）樣品埋在湖泊及河流淤泥中長(zhǎng)達(dá)1.5 a，3個(gè)月后樣品感染多種細(xì)菌，以桿狀菌為主。Schmidt等[55]用分離的菌種逐個(gè)腐蝕歐洲赤松和山毛櫸切片，并沒有發(fā)生任何腐蝕的跡象，空穴式及鉆隧式腐朽要到12個(gè)月才發(fā)生。細(xì)菌所分泌腐蝕細(xì)胞的酶不能擴(kuò)散到遠(yuǎn)處，細(xì)菌須緊貼才能分解細(xì)胞壁里的纖維素和半纖維素，因此細(xì)菌腐朽過程很緩慢[53]。相關(guān)研究表明細(xì)菌腐朽以3種方式進(jìn)行，表面腐蝕式、空穴式及鉆隧式[54-56]。除此之外，細(xì)菌也可以破壞重紋孔的紋孔膜[57]，在千年古木中，Kim等[58]還發(fā)現(xiàn)細(xì)菌可直向隧鉆腐朽中膠層。

3.3 細(xì)菌型花斑木的提出

目前花斑木形成機(jī)理是以真菌感染形成為基礎(chǔ)，研究集中在樹種的優(yōu)選、真菌菌種篩選和組合、染色方法、滅菌條件和花斑木真菌形成機(jī)理等方面。但是在研究過程中邱堅(jiān)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)一些樹種能夠在心材部位形成粗大的圈狀花紋，且貫穿整個(gè)樹干，表面無腐朽跡象（圖2）。且經(jīng)切片觀察褐色斑紋周圍未發(fā)現(xiàn)真菌的存在（見圖3）。原有真菌花斑木形成機(jī)理無法解釋這類在心材部位形成斑紋的現(xiàn)象。

圖 2 黑柿木前后兩面的黑色粗大斑紋圈Fig. 2 Thick black mottled circles on both front and back sides of Diospyros sp.

另外，經(jīng)初步調(diào)查，同一材種同批次木材，有的沒有形成花斑，有的形成了花斑。因此這類無真菌、無腐朽跡象的心材花斑木的形成，目前國(guó)內(nèi)外均未見相關(guān)理論的提出和研究報(bào)道。

根據(jù)心材型花斑木是在樹木生長(zhǎng)過程在心材部位形成、無腐朽跡象、無真菌及貫穿樹干的特征，原有真菌花斑木理論無法解釋這類心材型花斑木的形成機(jī)理，提出了“細(xì)菌誘導(dǎo)花斑木”的理論假說，即心材型花斑木是由細(xì)菌引起的，細(xì)菌從斷枝或其他傷口進(jìn)入樹干的邊材，邊材薄壁細(xì)胞分泌黑色素或其他顏色的色素物質(zhì)把細(xì)菌感染部位圍圈起來形成花斑木，隨著時(shí)間的推移邊材部分轉(zhuǎn)變成心材。

圖 3 黑柿木的樣品和解剖圖Fig. 3 The macrostructure of Diospyros sp.

4 發(fā)展前景展望

真菌形成的花斑木優(yōu)點(diǎn)：一是生動(dòng)多變的天然色彩與自然花紋，避免了使用污染環(huán)境的化工顏料；二是黑色及黑褐色線條主要由黑色素構(gòu)成，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，經(jīng)久不變。但其最大的缺點(diǎn)是在花斑木的形成過程中有明顯的白腐，特別是斑紋明顯且量大的花斑木時(shí)常伴隨腐朽現(xiàn)象，腐朽嚴(yán)重者需經(jīng)過加固處理后才能用于工藝品、家具等制造。另外真菌形成的花斑木一般菌紋較細(xì)，所圍成的菌紋圈也小，在木材的邊材上形成。

根據(jù)心材型花斑木是在樹木生長(zhǎng)過程在心材部位形成、無腐朽跡象、無真菌及貫穿樹干的特征，原有真菌花斑木理論無法解釋這類心材型花斑木的形成機(jī)理，提出了“細(xì)菌型花斑木”的科學(xué)假說，將通過微生物分離培養(yǎng)及生物高通量測(cè)序、將可能細(xì)菌接種于未產(chǎn)生花斑的立木上進(jìn)行試驗(yàn)，分析心材型花斑木的形成與細(xì)菌的誘導(dǎo)關(guān)系。從而有效地控制腐朽和促進(jìn)大花斑的形成，為多種類型的花斑木的人工培育奠定理論基礎(chǔ)，促進(jìn)高附加值木材和木質(zhì)工藝品加工生產(chǎn)。