漆樹的起源與形成

漆樹是黃連科的一種落葉樹種，主要分布在中國陜西省、湖北省、四川省、甘肅省、貴州省和云南?。ㄊ校◤堬w龍等，2007），以及泰國、越南、日本和朝鮮（beaman，1986；hen等人，1999）。漆樹的次生代謝產(chǎn)物生漆是一種優(yōu)良的天然涂料，漆樹的栽培與生漆的應用在我國及東亞、東南亞各國有著悠久的歷史(Vogl,2000;Webb,2000;張飛龍，2006)。漆樹的韌皮部是生漆產(chǎn)生和貯存的主要部位，生漆的采集通常是在漆樹主干樹皮上割口，使生漆流出并收集而獲得(汪明正等，2008;胡正海等，1979)。20世紀70年代以后，在漆樹的種質資源及其分布(張飛龍等，2007)、乳汁道及其周圍組織結構(胡正海等，1979;趙桂仿等，1990;1991)以及生漆化學(Hongetal．,1999;Kimetal．,2009;Yamauchietal．,1982)等方面已有許多研究報道。但是，對漆樹的經(jīng)濟利用部分莖干韌皮部的結構及其發(fā)育規(guī)律尚缺乏系統(tǒng)的研究報道。樹木次生韌皮部發(fā)育的季節(jié)性變化的研究可為了解植物生長發(fā)育規(guī)律提供資料，并能探討外界環(huán)境因素對植物生長發(fā)育的影響(張振玨，1991)，而且韌皮部發(fā)育與植物次生代謝產(chǎn)物合成的關系也是目前植物結構與功能研究中備受關注的問題(Samananietal．,2006)。自20世紀50年代以來，已有北美喬松(Pinusstrobus)(Alfierietal．,1973)、卡拉里亞松(Pinusbrutia)(Ewersetal．,1987)、復葉槭(Acernegundo)(Tuckeretal．,1969)、歐洲云杉(Piceaabies)(Wimmeretal．,1997)等多種熱帶及溫帶樹木進行了韌皮部的結構和發(fā)育的研究;我國學者也對華北地區(qū)的多種溫帶樹木進行了相關的韌皮部發(fā)育研究(張英伯等，1982)，另有學者對產(chǎn)于我國亞熱帶地區(qū)的黃檀屬(Dalbergia)及多種單寧植物的韌皮部發(fā)育進行了研究(張振玨等，1994a;1997)，并探討了女貞子(Ligustrumlucidum)以及白蠟樹(Fraxinuschinensis)韌皮部的季節(jié)性變化，為藥用部分的結構、生長和發(fā)育提供了資料(張振玨等，1994b)。為此，樹木韌皮部結構與發(fā)育的研究具有一定理論和實踐意義。本文以我國生漆主產(chǎn)區(qū)陜西省的3個漆樹品種的主干韌皮部為材料，研究其結構特點，并系統(tǒng)采集不同月份的韌皮部材料，研究韌皮部結構的發(fā)育過程和季節(jié)性變化，闡明漆樹韌皮部的結構和發(fā)育規(guī)律，為改進生漆的采割技術提供理論依據(jù)。并為植物次生韌皮部組成分子的發(fā)育與其次生代謝產(chǎn)物的合成與分泌的關系研究提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1材料來源及處理陜西省是我國生漆的主要產(chǎn)區(qū)，以引種栽培于陜西省西安植物園的2個栽培漆樹品種‘大紅袍’(T.vernicifluum‘Dahongpao’)、‘高八尺’(T.vernicifluum‘Gaobachi’)和1個野生漆樹品種‘寧陜’(T.vernicifluum‘Ningshan’)各3株為研究材料，樹齡均為15年，憑證標本保存于西北大學生命科學學院植物標本館。為研究漆樹次生韌皮部各組成分子的發(fā)育和季節(jié)性變化，2010年全年逐月在漆樹主干高約1～2m處采集3cm×3cm韌皮部材料1塊，采用FAA溶液固定(甲醛∶冰醋酸∶70%酒精=5∶5∶90,V/V);冰凍切片所需材料帶回實驗室恒溫冷凍保存，保存溫度-15℃。1.2ds-fi1試驗材料材料經(jīng)FAA溶液固定1周后用軟化劑(70%乙醇∶甘油=1∶1,V/V)軟化60天，室溫下依次采用70%，80%，90%，100%酒精梯度脫水(每一梯度30min)，二甲苯透明，滲蠟，石蠟包埋，LeicaRM2135切片機切片，切片厚度6～8μm，番紅–固綠染色，中性樹膠封片;NikonEclipse50i顯微鏡觀察，DS-Fi1成像系統(tǒng)拍照。將試驗材料分割為合適大小，戊二醛(4%)、鋨酸(1%)固定，酒精脫水，環(huán)氧丙烷過渡，Epon812樹脂包埋，Reichert-Jung超薄切片機切片，切片厚度1～2μm，甲苯胺藍染色。NikonEclipse50i顯微鏡觀察，DS-Fi1成像系統(tǒng)拍照。將試驗材料分割為合適大小，TissueFreezingMedium包埋，LeicaCM1850冰凍切片機切片，切片厚度25～30μm，三氯化鐵–乙醇溶液檢測漆酚類物質的存在。石蠟制片脫蠟后，滴加間苯三酚乙醇溶液和濃鹽酸，對漆樹韌皮部石細胞中所含的木質素進行組織化學檢測，NikonEclipse50i顯微鏡觀察，DS-Fi1成像系統(tǒng)拍照。2結果與分析2.1生韌皮部及工品質通過3個漆樹品種韌皮部的各個切面的顯微結構觀察后發(fā)現(xiàn)，不同品種間漆樹韌皮部的基本結構特征相似，其內(nèi)、外側分別分布有維管形成層和周皮(圖版Ⅰ-1～3)。根據(jù)發(fā)育時期和組織結構特點的差異，次生韌皮部在橫切面上又可分為具功能韌皮部和無功能韌皮部2部分。具功能韌皮部與維管形成層相連，為當年產(chǎn)生和分化形成的次生韌皮部，由篩管、伴胞、韌皮薄壁細胞和尚處于形成階段的乳汁道組成(圖版Ⅱ–1)，上述組成分子被單列或多列的韌皮射線細胞所分隔。每年早期形成的韌皮部的生長層可以辨認出來，此部分韌皮部中篩管細胞飽滿、明顯，薄壁組織細胞狹小，稱為具功能韌皮部。無功能韌皮部位于具功能韌皮部外側，為往年形成的次生韌皮部，無功能韌皮部的外側與周皮相連。無功能韌皮部的主要結構特點為篩管萎縮變形，失去輸導功能，韌皮薄壁細胞的體積增大，乳汁道已發(fā)育成熟(圖版Ⅱ–2);同時，無功能韌皮部中分化出石細胞(圖版Ⅰ–1～3)，而且韌皮射線細胞由單列發(fā)育成2～4列。無功能韌皮部外側為周皮，由木栓層、木栓形成層和栓內(nèi)層組成(圖版Ⅱ–3)。3個漆樹品種的韌皮部都具有上述特征，但品種間的韌皮部總厚度存在顯著差異(表1)。(1)表中不同字母表示在P<0.01水平上差異顯著。ThedifferentlettersindicatethesignificantdifferenceatP<0.01．下同。Thesamebelow.2.2具功能韌皮部及乳液道漆樹的莖干樹皮與絕大多數(shù)裸子植物和被子植物中的雙子葉植物一樣，是由其維管形成層細胞發(fā)生平周分裂，在一定條件下由其靠外的衍生細胞分化而成，其發(fā)育過程可歸納如下。漆樹莖干維管形成層向外產(chǎn)生的衍生細胞逐步分化為具功能韌皮部，在垂直系統(tǒng)中，篩管和伴胞最早分化成熟，在當年產(chǎn)生的次生韌皮部的橫切面上，可見臨近維管形成層區(qū)處篩管發(fā)育為近多角形，細胞形態(tài)飽滿;篩管旁側的小型細胞為伴胞，篩管和伴胞呈帶狀排列，占據(jù)具功能韌皮部大部分區(qū)域(圖版Ⅱ–4)。在弦向縱切面上，篩管分子呈紡錘形，薄壁細胞體積較小(圖版Ⅱ–5)。在篩管分化發(fā)育同時，韌皮薄壁細胞也開始分化;韌皮薄壁細胞分布在篩管之間，也呈帶狀排列，當年產(chǎn)生的韌皮薄壁細胞其體積尚未增大(圖版Ⅱ–7,8)。乳汁道的分化早期是由多個呈蓮座狀排列的原始細胞組成，以后它們間的中層溶解，裂生成狹縫狀腔(圖版Ⅱ–6)，隨后乳汁道的腔隙逐漸擴大，可見多角形等多種形狀，最終在橫切面上形成圓形的腔隙，乳汁道腔周圍被1層分泌細胞和2～3層鞘細胞包圍(圖版Ⅱ–7)。具功能韌皮部徑向系統(tǒng)的韌皮射線由射線原始細胞的衍生細胞形成，與垂直系統(tǒng)的組成分子同時分化，當年產(chǎn)生的韌皮射線通常為單列或雙列細胞，偶見3～5列，其細胞質濃厚(圖版Ⅱ–8)，在次生韌皮部中由內(nèi)向外呈輻射狀排列，從而將垂直系統(tǒng)組成分子隔成條塊狀(圖版Ⅰ–1～3)。在當年產(chǎn)生的具功能韌皮部中，篩管和伴胞已經(jīng)發(fā)育成熟，韌皮薄壁細胞已分化，但尚未發(fā)育成熟;乳汁道處于分化、發(fā)育過程中，以上組成分子被韌皮射線輻射分割。由于此部分次生韌皮部中篩管具有輸導功能，為此，通常將當年由維管形成層產(chǎn)生的次生韌皮部稱為具功能韌皮部。所觀察的3個漆樹品種的具功能韌皮部結構相似，但品種間具功能韌皮部的厚度差異顯著(表2)。無功能韌皮部是指當年由維管形成層向外產(chǎn)生的具功能韌皮部以外的次生韌皮部的總稱，通常占據(jù)莖干次生韌皮部的大部分區(qū)域(圖版Ⅰ–1～3)。無功能韌皮部的篩管已失去輸導功能，其他組成分子的結構也發(fā)生相應變化，并產(chǎn)生新的組織。從橫切面觀察，無功能韌皮部與具功能韌皮部之間在結構上顯示出明顯界限(圖版Ⅱ–9)，在無功能韌皮部中，各類組成分子由內(nèi)向外發(fā)生明顯的結構變化，從橫切面上觀察，韌皮薄壁細胞體積進一步增大并擠壓篩管使其萎縮、變形，細胞截面減小，形狀不規(guī)則(圖版Ⅲ–1)。從弦向縱切面上觀察，薄壁細胞體積增大，篩管受到擠壓而顯細長(圖版Ⅲ–2，與圖版Ⅱ–5比較)。乳汁道散生在2列射線之間，排列成單列，少數(shù)為2列，乳汁道之間由其他組成分子所分隔(圖版Ⅰ–1～3)。在具功能韌皮部中，漆樹乳汁道處于發(fā)育初期，而在相鄰的無功能韌皮部中乳汁道已發(fā)育成熟，由2～3層鞘細胞、1層分泌細胞包圍著近圓形腔道構成，乳汁道腔內(nèi)充滿生漆(圖版Ⅲ–3)。鄰近具功能韌皮部的無功能韌皮部中的乳汁道是產(chǎn)生和貯存生漆的主要場所，而在鄰近周皮的乳汁道中，由于其莖干中形成層的連續(xù)活動，木質部大量增加而直徑增大，而外面周皮周長的增加滯后且少，故將乳汁道腔擠壓變?yōu)榍邢驒E圓形，其分泌細胞萎縮，失去產(chǎn)生和分泌生漆的功能(圖版Ⅲ–4);同時還觀察到部分乳汁道中產(chǎn)生擬侵填體，將乳汁道腔堵塞(圖版Ⅲ–5)。在上述組織的發(fā)育變化過程中，無功能韌皮部中部分薄壁細胞分化為石細胞群。所觀察的3個漆樹品種中，無功能韌皮部中均有石細胞群的分布;從整個無功能韌皮部區(qū)域來看，石細胞群在周皮一側的數(shù)量多于臨近具功能韌皮部側，而且面積也較大。從韌皮部橫切面觀察，石細胞均聚集成簇，面積大小不等(圖版Ⅰ–1～3)。組織化學研究表明，韌皮薄壁細胞的初生細胞壁內(nèi)形成次生壁，木質素沉積在次生壁內(nèi)(圖版Ⅲ–6)，往往相鄰的許多韌皮薄壁細胞同時發(fā)育成石細胞而組成石細胞群(圖版Ⅲ–7)，在成熟的石細胞的次生壁中可看到明顯的S1,S2和S3層(圖版Ⅲ–8)。多年生的漆樹莖周皮與其他樹種一樣，由木栓形成層、木栓層和栓內(nèi)層共同構成(圖版Ⅱ–3)。其木栓形成層可能活動一段時期后就停止活動，由更內(nèi)部的生活的薄壁細胞重新發(fā)生，所以，多年生的漆樹中的周皮可能由韌皮薄壁細胞脫分化、再分化形成木栓形成層，木栓形成層向外產(chǎn)生木栓層，向內(nèi)產(chǎn)生栓內(nèi)層，共同構成次生保護組織周皮。而且在以后的生長發(fā)育中，由于維管形成層的周期性分裂，使漆樹莖的直徑不斷增加，最初產(chǎn)生的周皮連同原來的木栓形成層一起死亡而形成落皮層脫落。落皮層中能看到一些殘存的石細胞群和乳汁道(圖版Ⅲ–9)，這就間接證明了前述的木栓形成層的發(fā)生和活動方式，即后期的木栓形成層是由次生韌皮部的韌皮薄壁組織細胞發(fā)生的。漆樹的韌皮部是由莖干的維管形成層細胞向外分裂產(chǎn)生的衍生細胞分化形成的，漆樹的維管形成層活動像其他樹木一樣具有周期性，3個漆樹品種中維管形成層活動的強弱也存在差異，從而導致新產(chǎn)生的具功能韌皮部的厚度不同，‘大紅袍’>‘高八尺’>‘寧陜’漆樹。無功能韌皮部中韌皮薄壁細胞數(shù)量的進一步增加以及石細胞群的產(chǎn)生等也多發(fā)生在春、夏兩季。乳汁道是漆樹產(chǎn)生和儲存生漆的結構，無功能韌皮部中的乳汁道已發(fā)育成熟，根據(jù)對不同季節(jié)韌皮部冰凍切片的漆酚類物質組織化學研究表明，每年春末至初秋，乳汁道腔內(nèi)充滿生漆(圖版Ⅲ–3)，秋季9月后(割漆季節(jié)結束)其腔道中不含或僅含少量生漆;此外，3個品種漆樹無功能韌皮部中在割漆季節(jié)結束以后都有部分乳汁道腔內(nèi)由上皮細胞增殖產(chǎn)生擬侵填體，堵塞腔道(圖版Ⅲ–5)。比較觀察3個漆樹品種擬侵填體的發(fā)生規(guī)律，其發(fā)生過程相似，但發(fā)生時間存在差異，‘大紅袍’為9月上、中旬，而‘高八尺’和‘寧陜’漆樹為8月中、下旬，擬侵填體的解體時間則一致，都在次年春季。3討論3.1研磨石細胞及生漆漆樹乳汁道在其根、莖、葉、花和果實中均有分布，主要分布于各器官的韌皮部中(傅淑穎等，2007)，生漆通常是在割漆季節(jié)從漆樹主干樹皮上割口，使生漆流出后收集而獲得。因此，闡明漆樹韌皮部的結構特征，可以為改進割漆技術，提高生漆產(chǎn)量提供理論依據(jù)，對漆樹資源的保護也有重要意義。橡膠植物巴西橡膠樹(Heveabrasiliensis)也是從其主干樹皮上割口使乳膠液流出而獲得。橡膠的樹皮從內(nèi)到外可分為5層，即維管形成層、水囊皮、黃皮、砂皮以及粗皮5部分;水囊皮為具功能韌皮部，由篩管、伴胞、韌皮薄壁細胞、乳汁管和韌皮射線構成，水囊皮中的乳汁管尚處于發(fā)育中;黃皮為無功能韌皮部的內(nèi)側部分，與水囊皮具有相同的組成分子，其中乳汁管已發(fā)育成熟，富含橡膠，黃皮中有少量石細胞群出現(xiàn);砂皮為無功能韌皮部的中部以外區(qū)域，其石細胞群數(shù)量增多，乳汁管逐漸衰老，失去產(chǎn)膠能力;粗皮即為橡膠樹的周皮，根據(jù)橡膠樹皮的上述結構特點，總結提出割膠時要保護水囊皮即具功能韌皮部(郝秉中等，1980)。巴西橡膠樹的產(chǎn)膠結構為乳汁管，是1列相互貫通的細胞組成有節(jié)乳汁管，其乳膠包括全部細胞質(Hageletal．,2008);而漆樹產(chǎn)生生漆的結構為分泌道，其乳汁是乳汁道分泌細胞產(chǎn)生后分泌到腔道中貯存的次生代謝產(chǎn)物漆酚類物質(胡正海等，1979)。漆樹與橡膠樹的樹皮結構特點相似，漆樹的樹皮從內(nèi)到外依照橡膠樹皮結構的劃分和漆樹樹皮的發(fā)育情況也可分為5層，漆樹具功能韌皮部中篩管發(fā)育成熟，而乳汁道處于發(fā)育初期;具功能韌皮部外側的無功能韌皮部類似橡膠樹的黃皮區(qū)域，乳汁道發(fā)育成熟，分泌活動旺盛，而且在這一區(qū)域篩管萎縮，失去輸導功能，石細胞群少見;其外側的無功能韌皮部區(qū)域和周皮的結構則類似橡膠樹樹皮中的砂皮和粗皮。采割和應用生漆在我國已有數(shù)千年的歷史(張飛龍，2006;張飛龍等，2007)，經(jīng)過長時間的生產(chǎn)實踐，目前在我國的生漆產(chǎn)區(qū)已形成一套成熟的割漆技術，如割漆樹齡、割口樣式、割口位置的選擇以及生漆質量控制方面都有成熟的生產(chǎn)經(jīng)驗。在割漆深度方面，產(chǎn)區(qū)實踐認為以透過韌皮部割到形成層為宜，漆農(nóng)諺語“恨皮愛骨”說明了割漆不能傷害“骨頭”即木質部(汪明正等，2008)。從本研究中漆樹韌皮部的結構來看，漆樹韌皮部可分為具功能和無功能韌皮部2部分，其中具功能韌皮部中篩管飽滿，乳汁道形態(tài)呈多角形或橢圓形，尚未完全發(fā)育成熟。因此，在采割生漆時，割口深度應以不傷及具功能韌皮部為宜。如果割得太淺，未達到乳汁道或割斷的乳汁道數(shù)量較少，生漆流量少，產(chǎn)量低;如割漆太深，傷及具功能韌皮部篩管和未完全發(fā)育成熟乳汁道，甚至傷及形成層和有功能的木質部，不僅影響漆樹生長發(fā)育，縮短漆樹壽命，而且有可能影響下一年的生漆產(chǎn)量。另外，受傷的篩管和導管還會滲出大量水分及其他物質，影響漆液質量。因此可將產(chǎn)區(qū)現(xiàn)有的割漆技術加以改良，減小割漆深度，以不割斷具功能韌皮部為宜;采用這種方式割漆，能夠有效地保護漆樹的正常輸導功能和發(fā)育狀態(tài)中的乳汁道，并有利于漆樹的生長發(fā)育和生漆生產(chǎn)的持續(xù)，而且漆樹導管、篩管中的水分和其他物質也不會流出混雜到生漆液體中，能保證生漆的質量。3.2具功能韌皮部及石細胞群韌皮部的主要生理功能是運輸有機養(yǎng)料、合成和貯存次生代謝產(chǎn)物，同時還具有支撐和保護作用。韌皮部的輸導功能主要由篩管和伴胞承擔，貯存次生代謝產(chǎn)物的功能主要由韌皮薄壁細胞和分泌組織承擔，厚壁組織和周皮承擔支撐和保護作用。漆樹莖干樹皮的基本結構類似一般雙子葉植物，由維管形成層、次生韌皮部(含具功能和無功能韌皮部)及周皮組成。其中次生韌皮部所占比例最大，次生韌皮部由篩管、伴胞、韌皮薄壁組織、乳汁道、石細胞以及韌皮射線組成。通過韌皮部發(fā)育過程的觀察表明，各類組成分子分化、發(fā)育的時間不同，其差異可能與所承擔的生理功能有關。由維管形成層活動產(chǎn)生、分化出的具功能韌皮部中，篩管已發(fā)育成熟，占該區(qū)域的主要部分，行使輸導功能，而韌皮薄壁細胞、乳汁道和韌皮射線尚處于分化過程或幼嫩階段，未發(fā)育成熟。為此，具功能韌皮部應是漆樹主要行使養(yǎng)料運輸功能的區(qū)域。無功能韌皮部中，上述各類組織的細胞都進一步發(fā)育變化，并產(chǎn)生新的組織———石細胞。其中，篩管和伴胞發(fā)生萎縮，失去輸導功能。韌皮薄壁細胞繼續(xù)發(fā)育，其數(shù)量和所占比例均逐步增加，最后將其間失去功能的篩管擠毀，在臨近周皮處相連成片，其細胞內(nèi)貯存營養(yǎng)物質。乳汁道發(fā)育成熟，分泌和貯存生漆，但在無功能韌皮部外側，乳汁道的分泌細胞逐漸衰老、萎縮，失去分泌生漆的功能。在具功能韌皮部外側一定距離的無功能韌皮部中，由一些韌皮薄壁細胞分化出石細胞群，在臨近周皮處，石細胞群分布增多，它們增強了樹皮的支持和保護作用，以上結構發(fā)育特點與多數(shù)雙子葉木本植物的發(fā)育相似，但與葡萄屬(Vitis)的莖干樹皮不同;后者當年產(chǎn)生的次生韌皮部的篩管在冬季其篩孔被胼胝質堵塞，失去輸導功能，次年春季胼胝質溶解，篩管又恢復輸導功能，其篩管可保持生活力多年(Esau,1948)，因此，其次生韌皮部難以區(qū)分為具功能和無功能2部分。漆樹次生韌皮部中存在大量的石細胞群，目前普遍認為石細胞是由薄壁細胞形成次生壁并沉積大量木質素形成的(Taoetal．,2009)，本文研究也表明木質素沉積在漆樹石細胞分層的次生壁上。木質素是一類酚類聚合物，主要由香豆酸、松柏醇和芥子醇等單體組成，通常沉積在管狀分子和其他植物組織細胞的次生細胞壁上形成厚壁組織以提供機械支持力(Zhongetal．,2000);本文研究發(fā)現(xiàn)，具功能韌皮部中無石細胞的產(chǎn)生，石細胞均存在于無功能韌皮部中;石細胞的產(chǎn)生會增加割漆難度，對生漆生產(chǎn)有一定的負面影響(汪明正等，2008);漆樹韌皮部石細胞群的形成和調(diào)控機制有待于進一步研究。3.3漆樹乳液道結構的發(fā)育規(guī)律樹木形成層的活動樣式主要有3類:1)溫帶和地中海樹種，春季恢復活動，夏末秋初進入休眠，形成清晰的年輪;2)熱帶荒漠灌木在每年雨季活動，旱季休眠，有或無年輪;3)生長在有限區(qū)域的熱帶、亞熱帶樹種的形成層全年都處于活動期，有或無年輪(Fahnetal．,1990)。溫帶地區(qū)樹木維管形成層活動呈現(xiàn)周期性，春夏季細胞分裂旺盛，