龙竹竹秆植硅体型态变化研究

牛兆辉，何文志，王昌命，张丽雅，詹 卉，王曙光

(西南林业大学 生命科学学院，云南 昆明 650224)

龙竹竹秆植硅体型态变化研究

牛兆辉，何文志，王昌命，张丽雅，詹 卉，王曙光

(西南林业大学 生命科学学院，云南 昆明 650224)

采用化学成分分析和形态解剖观测的方法测定不同年龄及不同部位龙竹(Dendrocalamusgiganteus)竹秆硅和植硅体含量。结果表明：龙竹竹秆硅含量随年龄增加而增加。竹青硅含量大于竹黄。竹秆上部硅含量大于底端。龙竹竹秆中主要存在10种类型植硅体。同时，还存在不规则的硅沉积。龙竹竹秆植硅体随年龄增长而增多。圆型、哑铃型发生较早，杆型、长方型发生较晚。竹黄圆型植硅体所占比例居多，而竹青长方型、杆型植硅体所占比例居多。无定型硅沉积主要存在于低年龄竹秆中。

竹秆；硅含量；植硅体；动态变化

龙竹(Dendrocalamusgiganteus)，别称大麻竹，属禾本科，牡竹属(Dendrocalamus)，是世界大型竹类之一，可作为良好的建筑和篾用竹材[1]。竹材中硅元素的含量是影响竹材作为建筑材料强度的重要指标，也是影响造纸性能的重要标准。近年来的研究表明植物存在主动吸收Si元素的机制[2]。硅参与植物体内多种生理活动，在特定组织细胞中积聚形成成植硅体，可以增强组织的机械强度，使叶片挺直，增加叶片受光面积提高光合效率，还可以在各种胁迫下，提高植物的抗逆性，包括抗旱、抗寒、抗倒伏、抗病虫害、及减轻重金属毒害、盐胁迫等。硅是唯一在植物体内过量也无毒副作用的元素，因此对硅元素和植硅体的研究，可在农业的可持续发展中起到十分重要作用。

植硅体也称作植物蛋白石或植物硅酸体。是植物体中，硅存在的主要存在型态。其成分为主要为水化无定型二氧化硅(SiO2.nH20)[3]。植硅体是沉积在植物组织细胞内或细胞间隙的微小颗粒，并且因其所处的部位不同生理功能不同而具有多种外型。对于植物植硅体的研究早在十九世纪就有开始，现在更需要系统地进行研究，植物植硅体化学成分稳定，耐高温、耐腐蚀，使其具有相对稳定的型态结构，因此被应用于植物分类、植物演化、古植被分析、农业考古鉴定分析等[4-6]。

目前国内外有关竹类植物植硅体的形态变化方面的研究报道较少，Motomura 等对赤竹属(Sasa)竹叶中的植硅体进行过观测分析[7]。卢艳花[8]，王润辉[9]等对多种竹子叶表皮微型态的观察中，对植硅体型态分布有一定介绍。近藤鍊三和佐瀬隆[10]对日本本土生长的一种苦竹属(Pleioblastus)植物植硅体进行过报道，但这些研究多着重于竹叶中植硅体的型态描述、排列方式和生成机制，尚缺乏对竹秆植硅体分布变化规律进行系统研究。本论文主要对龙竹不同年龄段与不同部位竹秆分别进行硅含量和植硅体形态观测，进一步分析并总结龙竹不同发育阶段秆中植硅体动态变化规律。

1 材料和方法

1.1 取材与预处理

实验所选取龙竹秆在2014年11月份采集于云南省普洱市澜沧县拉巴乡(N22.500536,E99.648606)，分别取1、2、3和5年生健康正常龙竹，选取从基部出土数第1、11、22节竹秆即基部，中部和顶部，清洗干净后放置于60～70℃的恒温干燥箱中烘干，恒重后分作竹青、竹黄粉碎备用。

1.2 实验方法

龙竹竹秆灰分的测定按国家标准GB/T 2677.3-93的方法进行。将供试竹秆材料每样本选取1 g，置于经预先灼烧至质量恒定的瓷坩埚中燃烧使其炭化，然后将瓷坩埚移入马弗炉中，在600 ℃温度范围内，灼烧至灰渣中无黑色炭素，取出坩埚在干燥器中冷却0.5 h后称量，再将坩埚放入高温炉中，重复上述操作，称量样品直至恒重。坩埚增加的质量即为灰分重量。实验重复3次。

硅含量的测定参照杨燕[11]的方法，为一种干式氧化法，即在灰分含量测定后，加入5 mL的6 mol·L-1盐酸于装有灰分的坩埚中，在电炉上上蒸干；再加入6 mol·L-1盐酸5 mL，再蒸干，如此重复3次，再加入6 mol·L-1盐酸以溶解残渣，趁热用定量滤纸过滤，以热蒸馏水洗涤至下流液中不含有氯化物为止，将残渣连同滤纸移入已恒重的瓷坩埚，在电炉上灼烧碳化，然后转移到马弗炉中600 ℃灼烧2 h，取出放置于干燥器中冷却至室温，恒重后坩埚所增加的重量，即为二氧化硅重量。植硅体的计数采用二氧化硅含量测定后样品倒入少量丙酮摇匀，滴于载玻片上晾干，再用中性树脂封制成装片，计数时将一个样品装片完全计数，若装片内植硅体数量不足400个，再追加一个样品装片，直至满足计数植硅体达400个。植硅体的型态分类参照Gallego[12]与 Blackman[13]等人的分类系统。此方法既测量二氧化硅含量也用于植硅体的计数。

植硅体形态的观察采用湿式氧化法进行测定[14]。各龄级竹秆不同节部经过清洗和烘干后，分作竹青、竹黄、全壁(竹节纵切，包含竹青、竹壁中和竹黄)。每个样本取0.2 g之后加入63%浓硝酸10 mL，沸水浴加热过程中加入适量KNO3加速反应进行，直至材料充分反应后混合物变澄清为止。加入蒸馏水离心，倾去上清液，如此洗涤3次后，再用无水酒精离心洗涤。最后摇匀，滴于载玻片上晾干，用中性树脂封制成装片。

2 结果与分析

2.1 龙竹竹秆灰分与硅含量

在竹青中，二氧化硅的含量随着年龄的增加而轻微的增加，在5年生秆中含量最高(表1)。灰分含量也随秆龄的增加而轻微的增加，但到5年生时含量开始下降。在竹黄中，二氧化硅的含量也表现出随着年龄的增加而轻微增加的趋势，但灰分的含量随着年龄的增加而逐渐降低，在三年生的竹秆中最低，但五年生的竹秆又轻微增加，且差异均不显著。总体而言，二氧化硅含量随着年龄的增加而缓慢增加，而灰分随着年龄的增加未表现出明显规律。

表1 龙竹竹秆不同部位和不同年龄灰分与二氧化硅含量比较

注：同一列标有不同字母表示在α=0.05水平上差异显著；每一列大写字母只与大写字母比较，小写字母只与小写字母比较

在各年龄段竹秆的竹青中，二氧化硅和灰分的含量随着竹秆高度的增加而轻微的增加，表现出顶端>中部>基部的规律。在竹黄中，二氧化硅和灰分的含量也随着高度的变化表现出相同的规律，因此整个竹秆中的二氧化硅和灰分的含量均表现为随着竹秆高度的增加而增加。

2.2 龙竹各类型植硅体类型

根据Gallego等的植硅体分类系统，结合龙竹竹秆中存在的植硅体，将龙竹秆中植硅体总结为以下几类：尖型(Point-shaped type)、扇型(Fan type)、杆型(Elongate type)、长方型(Rectangular form)、鞍型(saddle form)、哑铃型(Dumb-bell type)、圆型(Round type)、椭圆型(Elliptical type)、融合型(Associated type)和不规则型(Irregular type)，这些类型有的还存在着一些亚类型。

图1 龙竹竹秆中主要植硅体类型(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.锐尖型(Sharp-pointed)c.尖型(Point-shaped) B.椭圆型(Elliptical)a.椭圆具内含物(Elliptical，with inclusions)b. 螺纹椭圆型(Elliptical，spiral)c.光滑椭圆型(Elliptical，smooth)C.圆型(Round)a.光滑圆型(Round，smooth)b. 具内含物圆型(Round，with inclusions)c. 刺圆型(Round type，spiny) D.杆型(Elongate)a.光滑杆型(Elongate，smooth)b. 螺纹杆型(Elongate type，spiral)E.长方型(Rectangular type)a.光滑长方型(Rectangular type，smooth)b.粗糙长方型(Rectangular，rough)c具内含物长方型(Rectangular，with inclusion)d.刺毛长方型(Rectangular type，spiny) F.扇型(Fan type)a.不规则扇型(Fan type，irregular)b. 光滑扇型(Fan type，smooth) G. 融合型(Associated type)a.杆杆融合(Elongate with Elongate)b.杆矩融合(Elongate with Rectangular)c.矩矩融合(Rectangular with Rectangular) H. 不规则型(Irregular type)a.不规则长方形(Irregular elongate)b.不规则的杆形(Irregular rectangular) I.哑铃型(Dumb-bell type)a. 直端哑铃型(Dumb-bell，straight end.)b. 圆端哑铃型(Dumb-bell，convex end.) J.鞍型(saddle)a鞍形(Normal saddle)b瘦鞍形(Thin saddle)

在参照Gallego的植硅体分类系统，测数龙竹竹秆植硅体时，观察龙竹竹秆当中主要存在的以下几大类植硅体，尖型(Point-shaped)、扇型(Fan)、杆型(Elongate)、长方型(Rectangular)、哑铃型(Dumb-bell)、圆型(Round)和椭圆型(Elliptical)(图1)。由图1可以看出龙竹植硅体种类丰富，从表2中可以看出不同植硅体类型的比例随着年龄、部位变化而差异明显。从不同秆龄看，低龄段圆型植硅体含量最高可达到84.29%，哑铃型和长方型次之，椭圆型再次之，而杆型、扇型和尖锐型含量尤其低，甚至未检测到。而在高年龄段中长方型含量最高，可占到植硅体总量的71.22%，杆型、圆型和椭圆型植硅体次之，尖锐型、扇型和哑铃型植硅体最少，总体而言，长方型，杆型和尖锐型这三者含量随年龄上升而上升，椭圆型随年龄先上升，在两年竹秆中最高，后又下降。圆型，哑铃型则呈现出随年龄升高而不断下降的趋势，而扇型随时间变化不明显。

图2 龙竹竹秆无定型硅沉积(比例尺=10微米)Fig.2 Silicon deposition in Dendrocalamus giganteus culms.(Bar=10 μm)a.片状硅沉积 b.球状硅沉积

从竹秆的不同部位来看，竹黄当中圆型植硅体所含比例大于竹青圆型所含比例，其它规律不明显，除此之外，竹青当中长方型加杆型的比例大于竹黄当中两者相加的比例，而从全竹来看圆型的规律大致为在基部最高，中部次之，顶端最低，长方型的规律与之相反，顶端>中部>基部，若长方型与杆型相加此规律更显著，其它植硅体类型无明显规律。

在通过使用马弗炉对不同年龄的竹秆进行植硅体的测量时发现，在龙竹当中除植硅体外，还存在着无定型的硅沉积，这可能是体内可溶性的硅酸盐灼烧失水而凝集的结果。在1年2年龙竹竹秆当中，发现大量无定型的硅沉积，这些硅沉积体积巨大，外型不规则，但亚结构有一定规律，这些亚结构有片状、球型和丝状，在龙竹当中，竹秆越年轻亚结构呈片状的硅沉积就越多，随着时间的推移，再出现亚结构呈丝状，球状的硅沉积，但3年以上的竹秆中却极少存在这些结构。

表2 龙竹竹秆不同部位不同年龄段各类型植硅体变化比较

3 讨 论

龙竹的灰分含量均值随着年龄的增长而呈先下降再略上升的变化趋势，而张齐生等[15]认为前5年生毛竹(Phyllostachyheterocyclacv.Pubescens)竹材的灰分含量随着秆龄的增加而减少，5年生以上的竹材却随着秆龄的增加而增加，出现这种差异的原因，王曙光等[16]认为可能是取材的差异造成的。

在龙竹竹秆中，二氧化硅的含量随着年龄的增加而逐渐增加，而且上部比下部含量更高。Wang(2011)认为竹秆硅含量随着年龄增长而增长，可能是由于竹秆不断从土壤中吸收硅元素，随着蒸腾作用沉积下来，同时可以提高竹秆的机械硬度以对抗虫害[17]。并且箭竹竹秆当中也有其上端竹秆硅含量大于其竹秆基部硅含量的规律，通过比较分析，其原因可能是竹秆基部含有更多的薄壁组织，细胞体积更大，造成植硅体分布密度变小，导致其基部硅含量较低。

在本实验中，竹青中长方型加杆型的比例大于竹黄当中这两者相加，但长方型或杆型单独都无太明显规律，这说明，杆型可能从长方型变化而来，而且杆型植硅体都十分巨大，在低年龄段很少发现，因此可以推测是由长方型发育而来。椭圆也有类似规律，但不明显，要验证椭圆是否由圆型发育而来，还需要进一步的实验来证明。

在微观水平下， Mann 和Perry(1986)发现每一结构单元由确定大小、稳定性和取的Si02粒子构成。其亚结构的发育是在不同的阶段完成的，初始是片状结构沉积，然后是球型，最后是丝状结构型成[18]。这与本实验当中硅沉积的描述吻合。在低龄竹秆当中，运用干法提取植硅体时，会观察到装片当中含有大量成片的有一定规则硅沉积，而且随着年龄的增加，这些硅沉积减少。因此在本实验当中为减小误差，植硅体类型的确定运用湿法，植硅体比例的测定采用干法。

陈昌斌(2003)等人通过研究凤尾竹植硅体的变化，认为不同生长发育期各部分硅酸体的晶核存在状况、硅酸体的型态和大小的演变趋势体现了硅质在植物器官表皮细胞上的连续沉积过程[19]。在本研究中，龙竹竹秆内杆型植硅体都十分巨大，但杆型植硅体在低年龄段却很少发现，因此推测是由长方型或圆型发育而来，同样，在本实验当中，椭圆型的比例随着年龄的增加也有一个上升的趋势，但其是否是由其它类型植硅体转化而来，有待进一步研究。

黄翡(2004)等人通过对内蒙古典型草原禾本科植硅体型态的研究发现，在不同的禾本科植物中各种类型的植硅体类型比例不同，有的禾本科植物含有其特殊的植硅体，这种不同可以用来鉴别和分类很多禾本科植物[20]。在本实验当中，对于植硅体的分类是参照Gallego的分类系统，但是龙竹秆含有其分类系统所没有的几种植硅体，如带螺纹的植硅体和带刺毛的植硅体。

4 结 论

(1)龙竹竹秆硅含量随秆龄及部位的不同显示出差异。随着秆龄的增长，其硅含量也在不断增加。1～3年中硅含量上升较快，3～5年上升较平缓。在不同部位比较，竹青>竹黄，顶端>中部>基部。

(2) 龙竹植硅体种类丰富，各类型植硅体随秆龄和部位的不同而变化明显。长方型，杆型和尖锐型这三者含量随年龄上升而上升，椭圆型随年龄先上升后又下降，圆型，哑铃型含量是呈不断下降的趋势，而扇型随时间变化不明显。从竹秆的不同部位来看，竹黄当中圆型植硅体所含比例大于竹青。竹青当中长方型加杆型的比例大于竹黄当中两者相加。圆型植硅体的规律大致为在基部最高，中部次之，顶端最低。长方型的规律与之相反，为顶端>中部>基部，长方型与杆型的植硅体相加后此规律更加显著。其它植硅体类型无明显规律。

(3)杆型植硅体可能是由长方型植硅体发育而来，椭圆可能是由圆型发育而来。

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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

国家自然科学基金(31100453) 云南省优势特色重点学科生物学一级学科建设项目(31460196)

牛兆辉(1991-)，男，山东即墨人，硕士生，研究方向为竹类植物研究。通信作者:王曙光(1979-)，男，山东海阳人，博士，副教授，研究方向为竹类植物研研究，E-mail:stevenwang1979@126.com