厚竹高生長(zhǎng)過(guò)程中竹稈淀粉粒的變化規(guī)律

胡添翼，許婷婷，魏 強(qiáng)，楊光耀，于 芬*

(1 江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，南昌330045；2 江西省竹子種質(zhì)資源與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌330045；3 南京林業(yè)大學(xué)竹類研究所，南京 210037)

竹子是世界上生長(zhǎng)最快的植物之一，在短時(shí)間內(nèi)快速完成高生長(zhǎng)是竹類植物的顯著特征。高生長(zhǎng)過(guò)程是竹子生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期，對(duì)竹林生物量的增加有決定性作用。對(duì)高生長(zhǎng)規(guī)律和機(jī)制的研究一直是竹類植物研究中的熱點(diǎn)話題。熊文愈等認(rèn)為竹類植物的節(jié)間伸長(zhǎng)是由居間分生組織決定的[1]，高生長(zhǎng)是由細(xì)胞分裂和伸長(zhǎng)共同引起的，且細(xì)胞伸長(zhǎng)是竹子快速高生長(zhǎng)的主要原因[2-4]。

淀粉粒是植物體內(nèi)物質(zhì)、能量主要的貯存形式，其動(dòng)態(tài)變化與植物的生長(zhǎng)狀態(tài)密切相關(guān)[5]。Wei等對(duì)平安竹生長(zhǎng)緩慢且節(jié)間縮短的機(jī)制研究表明這種變異與物質(zhì)運(yùn)輸有關(guān)[6]。目前有關(guān)竹類植物淀粉粒的研究主要針對(duì)成熟竹稈。劉波在研究毛竹時(shí)發(fā)現(xiàn)，薄壁細(xì)胞中的淀粉粒在需要時(shí)通過(guò)胞間連絲輸送到其他細(xì)胞中，為細(xì)胞壁的加厚和植株的生長(zhǎng)發(fā)育提供養(yǎng)分[7]。不同稈齡的毛竹竹稈淀粉粒的變化規(guī)律也不同，一至四年生毛竹竹稈淀粉粒在休眠期積累較五年生以上的晚，且積累量少，而進(jìn)入生長(zhǎng)期后更早降解，這與不同稈齡毛竹的生長(zhǎng)發(fā)育特點(diǎn)有關(guān)[8]。Wang等發(fā)現(xiàn)，云南箭竹中的淀粉粒含量與稈齡和季節(jié)相關(guān)[9]。王懋林通過(guò)對(duì)淀粉粒的研究得出慈竹同一節(jié)間上部分化時(shí)間先于下部[10]。植物的高生長(zhǎng)與物質(zhì)的合成、分解密不可分，而物質(zhì)代謝情況也能反映植物的生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律，淀粉粒作為貯存物質(zhì)的場(chǎng)所，了解其變化特點(diǎn)對(duì)研究植物的生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律具有重要意義。

竹子快速高生長(zhǎng)過(guò)程中需要大量物質(zhì)和能量，但在短時(shí)間內(nèi)物質(zhì)合成和運(yùn)輸?shù)臋C(jī)制尚不明確。竹子高生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律整體具有向頂性[11]，單個(gè)節(jié)間發(fā)育為向基性[12]，其物質(zhì)代謝也存在差異。前人對(duì)竹類植物淀粉粒變化規(guī)律的研究多集中在不同年齡竹稈中淀粉粒的變化規(guī)律，而對(duì)淀粉粒在竹子高生長(zhǎng)這一關(guān)鍵時(shí)期的研究還較少。竹類植物淀粉粒的變化規(guī)律及其與快速高生長(zhǎng)的關(guān)系還不清楚。

本研究以毛竹(Phyllostachysedulis)唯一筍材兼優(yōu)的變異類型厚竹(Ph.edulis‘Pachyloen’)為材料，研究竹子高生長(zhǎng)過(guò)程中淀粉粒的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，通過(guò)觀察對(duì)比節(jié)間不同部位淀粉粒，以及節(jié)部淀粉粒含量的變化規(guī)律，探討竹子高生長(zhǎng)過(guò)程中的物質(zhì)基礎(chǔ)，為進(jìn)一步揭示竹子快速高生長(zhǎng)的機(jī)制打下基礎(chǔ)，同時(shí)也為竹林經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料厚竹分別于2015年3月28日、2015年4月5日和2016年4月21日分批采自江西農(nóng)業(yè)大學(xué)竹類植物種質(zhì)園。采取不同高生長(zhǎng)階段的厚竹竹筍，自基部開始至頂部逐節(jié)取樣，每節(jié)分別切取節(jié)間的上部、中部、基部和節(jié)部。

1.2 試驗(yàn)方法

將取好的新鮮材料立即放入50% FAA固定，系列酒精脫水，每級(jí)15 min，二甲苯透明后，高效石蠟包埋，在旋轉(zhuǎn)切片機(jī)(Leica RM2235)上連續(xù)切片，切片厚度為8 μm，番紅-固綠對(duì)染。用Zeiss AXIO熒光顯微鏡，綠光激發(fā)光源(帶寬546/12 nm，發(fā)射波長(zhǎng)575～640 nm)下觀察拍照。通過(guò)熒光所在的部位來(lái)顯示淀粉粒的分布，熒光強(qiáng)度代表淀粉粒的含量。形態(tài)觀察主要用于淀粉粒的分布規(guī)律分析，通過(guò)ZEN 2 lite(blue edition)軟件，拍攝細(xì)胞內(nèi)淀粉粒熒光2.5D圖，可立體呈現(xiàn)不同區(qū)域細(xì)胞內(nèi)淀粉粒的三維分布規(guī)律，同時(shí)亦可顯示熒光強(qiáng)度，熒光越強(qiáng)，圖中熒光柱越高，淀粉粒越多。再統(tǒng)計(jì)分析熒光強(qiáng)度淀粉粒熒光強(qiáng)度的灰度值，將熒光強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為具體數(shù)值，淀粉粒的熒光越強(qiáng)，灰度值越大，表示淀粉粒含量越高。

2 結(jié)果與分析

在高生長(zhǎng)過(guò)程中，細(xì)胞內(nèi)淀粉粒的含量不僅隨發(fā)育時(shí)期變化，也因位置不同而存在差異。

2.1 不同時(shí)期厚竹竹稈淀粉粒含量的軸向變化

表1為高生長(zhǎng)過(guò)程中不同部位淀粉粒熒光強(qiáng)度灰度值，顯示隨著厚竹的增高，薄壁細(xì)胞中貯存的淀粉粒含量逐漸減少。分生細(xì)胞期具大量分生細(xì)胞團(tuán)，細(xì)胞核大且居中，淀粉粒最多(圖版Ⅰ)，熒光強(qiáng)度可達(dá)30.388±3.309。節(jié)間伸長(zhǎng)初期產(chǎn)生節(jié)部和節(jié)間的分化后，在同一節(jié)間中，細(xì)胞分化從上至下，淀粉粒分布呈現(xiàn)由上部到基部逐漸增加的趨勢(shì)。在伸長(zhǎng)初期，節(jié)間中上部和基部細(xì)胞熒光強(qiáng)度分別為8.298±0.738和20.889±1.923(圖版Ⅱ)。這一時(shí)期，節(jié)間中上部多數(shù)細(xì)胞的細(xì)胞核仍結(jié)構(gòu)完整居中，僅少數(shù)細(xì)胞核開始向邊緣移動(dòng)?；窘M織細(xì)胞排列整齊，分裂旺盛，細(xì)胞數(shù)量明顯增加，一些細(xì)胞開始伸長(zhǎng)；節(jié)間基部細(xì)胞核絕大多數(shù)位于中央，細(xì)胞長(zhǎng)度沒(méi)有明顯變化。在快速伸長(zhǎng)期，節(jié)間中上部和基部細(xì)胞熒光強(qiáng)度分別為5.253±1.656和5.883±2.265，維管束周圍薄壁細(xì)胞中的淀粉粒明顯多于其他部位。此時(shí)節(jié)間中上部大部分基本組織薄壁細(xì)胞顯著伸長(zhǎng)，長(zhǎng)細(xì)胞和短細(xì)胞分化，而基部細(xì)胞伸長(zhǎng)仍不顯著(圖版Ⅲ)。在伸長(zhǎng)停止期，節(jié)間中上部以及基部多數(shù)細(xì)胞的細(xì)胞壁明顯加厚，細(xì)胞內(nèi)容物基本降解。淀粉粒多分布在維管束周圍的薄壁細(xì)胞中，靠近節(jié)間基部的少數(shù)細(xì)胞內(nèi)仍可觀察到少量淀粉粒(圖版Ⅳ)。

在同一節(jié)中，節(jié)部淀粉粒遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于節(jié)間(圖版Ⅴ)。伸長(zhǎng)初期和快速伸長(zhǎng)期節(jié)部薄壁細(xì)胞的熒光強(qiáng)度分別為25.639±4.799和20.858±3.846，伸長(zhǎng)停止期節(jié)部長(zhǎng)、短薄壁細(xì)胞中仍有少量淀粉粒。韌皮部在分叉處形成的韌皮結(jié)分生細(xì)胞，韌皮結(jié)分生細(xì)胞周圍分布較多的淀粉粒。

2.2 不同時(shí)期厚竹竹稈淀粉粒含量的徑向變化

在稈壁橫切面上，從外至內(nèi)，淀粉粒含量減少，靠近竹青部位細(xì)胞中的淀粉粒最多。伸長(zhǎng)初期，節(jié)間中上部靠近竹青的淀粉粒熒光強(qiáng)度最高，為16.787±3.955，靠近竹黃的薄壁細(xì)胞熒光強(qiáng)度次之，而這一階段髓細(xì)胞內(nèi)的內(nèi)容物已逐漸降解，熒光強(qiáng)度較弱。節(jié)間基部靠近竹青細(xì)胞熒光強(qiáng)度達(dá)24.483±3.163，靠近竹黃的為7.998±1.658?？焖偕扉L(zhǎng)期，在稈壁徑向上淀粉粒含量變化較大。節(jié)間中上部靠近竹青的細(xì)胞中淀粉粒熒光強(qiáng)度為14.338±3.188，而靠近竹黃的熒光強(qiáng)度僅為3.192±0.535。節(jié)間基部靠近竹青細(xì)胞中熒光強(qiáng)度在這一時(shí)期較強(qiáng)，為14.147±1.316，靠近竹黃的僅為1.037±0.907(圖版Ⅵ)。

2.3 節(jié)隔缺失與淀粉粒含量的變化

節(jié)隔缺失的節(jié)間縮短，同一竹筍的其他節(jié)間外部表現(xiàn)均正常。與同一發(fā)育時(shí)期的正常節(jié)間相比，節(jié)間的中上部基本組織細(xì)胞的分化程度較低，無(wú)顯著伸長(zhǎng)，大多細(xì)胞核結(jié)構(gòu)完整且居中。整個(gè)節(jié)間以及節(jié)部的淀粉粒含量都較正常的相同部位多(圖版Ⅶ)。

3 討 論

淀粉粒在植物體內(nèi)的含量和分布變化與植物的發(fā)育密切相關(guān)。竹類植物的高生長(zhǎng)主要是位于節(jié)間基部的居間分生組織活動(dòng)的結(jié)果。在厚竹高生長(zhǎng)過(guò)程中，淀粉粒隨著竹稈的發(fā)育逐漸減少。同一節(jié)間的不同部位淀粉粒的含量也有差異。同一節(jié)間從上至下淀粉粒含量升高，節(jié)間基部的淀粉粒最多。淀粉粒的降解順序與節(jié)間細(xì)胞的發(fā)育規(guī)律密切相關(guān)。竹稈伸長(zhǎng)過(guò)程中，不同部位的細(xì)胞，其發(fā)育階段不同。位于竹筍下部的節(jié)間先發(fā)育，而同一節(jié)間的上部細(xì)胞發(fā)育早于基部[13]。本研究結(jié)果也符合節(jié)間的這一發(fā)育規(guī)律(圖1)。

在徑向上，靠近竹青的薄壁細(xì)胞中淀粉粒熒光強(qiáng)度更高，而靠近竹黃的淀粉粒熒光強(qiáng)度較低，表明在厚竹的高生長(zhǎng)過(guò)程中，淀粉粒的降解為從內(nèi)向外，靠近竹青部位的淀粉粒后降解。這與成竹竹稈內(nèi)的淀粉粒的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律較為相似[8]。Deng等對(duì)云南箭竹的研究表明，節(jié)間內(nèi)側(cè)維管束對(duì)水分和同化物的運(yùn)輸能力高于外側(cè)維管束，同化物在徑向上由內(nèi)向外運(yùn)輸[14]。本研究結(jié)果顯示維管束周圍淀粉粒明顯多于其他部位，在節(jié)間停止生長(zhǎng)后，維管束周圍仍有少量淀粉粒分布。這反映了竹子高生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中物質(zhì)代謝的規(guī)律，可能與竹稈內(nèi)維管束的分布規(guī)律有關(guān)，在稈壁外側(cè)，維管束上下貫通，沒(méi)有分支，而靠近竹腔一側(cè)，在節(jié)部分叉，并形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[15]。前人研究發(fā)現(xiàn)維管束與周圍薄壁細(xì)胞之間有更多胞間連絲，是節(jié)間光合同化物及水分運(yùn)輸?shù)闹饕ǖ?，進(jìn)行旺盛的生命活動(dòng)[14]。高生長(zhǎng)過(guò)程中，稈壁不同部位淀粉粒的時(shí)空分布差異為進(jìn)一步探討竹稈快速高生長(zhǎng)的物質(zhì)代謝機(jī)制提供了基礎(chǔ)。

表1 不同時(shí)期各部位淀粉粒熒光強(qiáng)度灰度值

A. 分生細(xì)胞期；B. 伸長(zhǎng)初期；C. 快速伸長(zhǎng)期；D. 伸長(zhǎng)停止期；N. 節(jié)部；IN. 節(jié)間；VB. 維管束圖1 厚竹高生長(zhǎng)過(guò)程中不同部位淀粉粒分布模型A. Meristematic stage; B. Early stage of elongation growth; C. Rapid elongation stage; D. Elongation cessation stage; N. Node; IN. Internode; VB. Vascular bundleFig.1 Starch granule distribution model in the culm during the elongation growth of Ph. edulis ‘Pachyloen’

多數(shù)研究認(rèn)為淀粉粒主要貯藏于長(zhǎng)細(xì)胞中[16]，僅在節(jié)部短細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)淀粉粒[8]，但本研究發(fā)現(xiàn)在高生長(zhǎng)停止后節(jié)間和節(jié)部的短細(xì)胞內(nèi)仍貯存有淀粉粒。He等對(duì)竹稈基本組織細(xì)胞研究認(rèn)為，竹筍階段所有未伸長(zhǎng)細(xì)胞都可以被看作短細(xì)胞，隨著細(xì)胞的分化逐漸產(chǎn)生長(zhǎng)、短細(xì)胞[17]，這一觀點(diǎn)解釋了在成熟竹稈節(jié)間的短細(xì)胞中未發(fā)現(xiàn)淀粉粒而竹筍短細(xì)胞中存在淀粉粒的原因。長(zhǎng)、短細(xì)胞內(nèi)淀粉粒分布的差異也表明了基本組織薄壁細(xì)胞的功能分化。

相對(duì)于節(jié)間，在高生長(zhǎng)過(guò)程中，節(jié)部的淀粉粒含量始終高于節(jié)間。節(jié)隔缺失的節(jié)部淀粉粒遠(yuǎn)多于同一發(fā)育時(shí)期的正常節(jié)，且異常節(jié)節(jié)間各部位與節(jié)部淀粉粒熒光強(qiáng)度相似。節(jié)部具有復(fù)雜的維管束網(wǎng)絡(luò)，是物質(zhì)橫向運(yùn)輸?shù)闹匾课籟18-20]。節(jié)隔缺失導(dǎo)致節(jié)間伸長(zhǎng)停止，主要與物質(zhì)的交流、運(yùn)輸有關(guān)，也證明了節(jié)部可能主要通過(guò)控制物質(zhì)交流、運(yùn)輸來(lái)調(diào)控竹子的高生長(zhǎng)[21-23]。而與其相鄰的正常節(jié)與節(jié)間發(fā)育均正常，這說(shuō)明每個(gè)節(jié)間的伸長(zhǎng)活動(dòng)具有相對(duì)的獨(dú)立性。

4 結(jié) 論

淀粉粒是植物體內(nèi)物質(zhì)、能量的主要貯存形式，揭示竹子高生長(zhǎng)過(guò)程中淀粉粒的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化規(guī)律有助于進(jìn)一步深入了解竹子快速高生長(zhǎng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。本研究系統(tǒng)觀察了厚竹高生長(zhǎng)過(guò)程中淀粉粒的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，分析了淀粉粒變化與厚竹生長(zhǎng)發(fā)育之間的關(guān)系。在厚竹高生長(zhǎng)過(guò)程中，淀粉粒隨著竹稈的發(fā)育逐漸減少。同一節(jié)間從上至下淀粉粒含量升高。而在發(fā)育過(guò)程中，稈壁從外至內(nèi)淀粉粒逐漸減少。且維管束周圍淀粉粒明顯多于其他部位。淀粉粒的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化規(guī)律與竹稈的發(fā)育順序一致。節(jié)間的伸長(zhǎng)發(fā)育具有相對(duì)獨(dú)立性，節(jié)部對(duì)于竹子高生長(zhǎng)的影響主要與物質(zhì)運(yùn)輸有關(guān)。