厚竹高生长过程中竹秆淀粉粒的变化规律

胡添翼，许婷婷，魏 强，杨光耀，于 芬*

(1 江西农业大学 林学院，南昌330045；2 江西省竹子种质资源与利用重点实验室，南昌330045；3 南京林业大学竹类研究所，南京 210037)

竹子是世界上生长最快的植物之一，在短时间内快速完成高生长是竹类植物的显著特征。高生长过程是竹子生长发育的关键时期，对竹林生物量的增加有决定性作用。对高生长规律和机制的研究一直是竹类植物研究中的热点话题。熊文愈等认为竹类植物的节间伸长是由居间分生组织决定的[1]，高生长是由细胞分裂和伸长共同引起的，且细胞伸长是竹子快速高生长的主要原因[2-4]。

淀粉粒是植物体内物质、能量主要的贮存形式，其动态变化与植物的生长状态密切相关[5]。Wei等对平安竹生长缓慢且节间缩短的机制研究表明这种变异与物质运输有关[6]。目前有关竹类植物淀粉粒的研究主要针对成熟竹秆。刘波在研究毛竹时发现，薄壁细胞中的淀粉粒在需要时通过胞间连丝输送到其他细胞中，为细胞壁的加厚和植株的生长发育提供养分[7]。不同秆龄的毛竹竹秆淀粉粒的变化规律也不同，一至四年生毛竹竹秆淀粉粒在休眠期积累较五年生以上的晚，且积累量少，而进入生长期后更早降解，这与不同秆龄毛竹的生长发育特点有关[8]。Wang等发现，云南箭竹中的淀粉粒含量与秆龄和季节相关[9]。王懋林通过对淀粉粒的研究得出慈竹同一节间上部分化时间先于下部[10]。植物的高生长与物质的合成、分解密不可分，而物质代谢情况也能反映植物的生长发育规律，淀粉粒作为贮存物质的场所，了解其变化特点对研究植物的生长发育规律具有重要意义。

竹子快速高生长过程中需要大量物质和能量，但在短时间内物质合成和运输的机制尚不明确。竹子高生长发育规律整体具有向顶性[11]，单个节间发育为向基性[12]，其物质代谢也存在差异。前人对竹类植物淀粉粒变化规律的研究多集中在不同年龄竹秆中淀粉粒的变化规律，而对淀粉粒在竹子高生长这一关键时期的研究还较少。竹类植物淀粉粒的变化规律及其与快速高生长的关系还不清楚。

本研究以毛竹(Phyllostachysedulis)唯一笋材兼优的变异类型厚竹(Ph.edulis‘Pachyloen’)为材料，研究竹子高生长过程中淀粉粒的动态变化规律，通过观察对比节间不同部位淀粉粒，以及节部淀粉粒含量的变化规律，探讨竹子高生长过程中的物质基础，为进一步揭示竹子快速高生长的机制打下基础，同时也为竹林经营提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验材料厚竹分别于2015年3月28日、2015年4月5日和2016年4月21日分批采自江西农业大学竹类植物种质园。采取不同高生长阶段的厚竹竹笋，自基部开始至顶部逐节取样，每节分别切取节间的上部、中部、基部和节部。

1.2 试验方法

将取好的新鲜材料立即放入50% FAA固定，系列酒精脱水，每级15 min，二甲苯透明后，高效石蜡包埋，在旋转切片机(Leica RM2235)上连续切片，切片厚度为8 μm，番红-固绿对染。用Zeiss AXIO荧光显微镜，绿光激发光源(带宽546/12 nm，发射波长575～640 nm)下观察拍照。通过荧光所在的部位来显示淀粉粒的分布，荧光强度代表淀粉粒的含量。形态观察主要用于淀粉粒的分布规律分析，通过ZEN 2 lite(blue edition)软件，拍摄细胞内淀粉粒荧光2.5D图，可立体呈现不同区域细胞内淀粉粒的三维分布规律，同时亦可显示荧光强度，荧光越强，图中荧光柱越高，淀粉粒越多。再统计分析荧光强度淀粉粒荧光强度的灰度值，将荧光强度转化为具体数值，淀粉粒的荧光越强，灰度值越大，表示淀粉粒含量越高。

2 结果与分析

在高生长过程中，细胞内淀粉粒的含量不仅随发育时期变化，也因位置不同而存在差异。

2.1 不同时期厚竹竹秆淀粉粒含量的轴向变化

表1为高生长过程中不同部位淀粉粒荧光强度灰度值，显示随着厚竹的增高，薄壁细胞中贮存的淀粉粒含量逐渐减少。分生细胞期具大量分生细胞团，细胞核大且居中，淀粉粒最多(图版Ⅰ)，荧光强度可达30.388±3.309。节间伸长初期产生节部和节间的分化后，在同一节间中，细胞分化从上至下，淀粉粒分布呈现由上部到基部逐渐增加的趋势。在伸长初期，节间中上部和基部细胞荧光强度分别为8.298±0.738和20.889±1.923(图版Ⅱ)。这一时期，节间中上部多数细胞的细胞核仍结构完整居中，仅少数细胞核开始向边缘移动。基本组织细胞排列整齐，分裂旺盛，细胞数量明显增加，一些细胞开始伸长；节间基部细胞核绝大多数位于中央，细胞长度没有明显变化。在快速伸长期，节间中上部和基部细胞荧光强度分别为5.253±1.656和5.883±2.265，维管束周围薄壁细胞中的淀粉粒明显多于其他部位。此时节间中上部大部分基本组织薄壁细胞显著伸长，长细胞和短细胞分化，而基部细胞伸长仍不显著(图版Ⅲ)。在伸长停止期，节间中上部以及基部多数细胞的细胞壁明显加厚，细胞内容物基本降解。淀粉粒多分布在维管束周围的薄壁细胞中，靠近节间基部的少数细胞内仍可观察到少量淀粉粒(图版Ⅳ)。

在同一节中，节部淀粉粒远远多于节间(图版Ⅴ)。伸长初期和快速伸长期节部薄壁细胞的荧光强度分别为25.639±4.799和20.858±3.846，伸长停止期节部长、短薄壁细胞中仍有少量淀粉粒。韧皮部在分叉处形成的韧皮结分生细胞，韧皮结分生细胞周围分布较多的淀粉粒。

2.2 不同时期厚竹竹秆淀粉粒含量的径向变化

在秆壁横切面上，从外至内，淀粉粒含量减少，靠近竹青部位细胞中的淀粉粒最多。伸长初期，节间中上部靠近竹青的淀粉粒荧光强度最高，为16.787±3.955，靠近竹黄的薄壁细胞荧光强度次之，而这一阶段髓细胞内的内容物已逐渐降解，荧光强度较弱。节间基部靠近竹青细胞荧光强度达24.483±3.163，靠近竹黄的为7.998±1.658。快速伸长期，在秆壁径向上淀粉粒含量变化较大。节间中上部靠近竹青的细胞中淀粉粒荧光强度为14.338±3.188，而靠近竹黄的荧光强度仅为3.192±0.535。节间基部靠近竹青细胞中荧光强度在这一时期较强，为14.147±1.316，靠近竹黄的仅为1.037±0.907(图版Ⅵ)。

2.3 节隔缺失与淀粉粒含量的变化

节隔缺失的节间缩短，同一竹笋的其他节间外部表现均正常。与同一发育时期的正常节间相比，节间的中上部基本组织细胞的分化程度较低，无显著伸长，大多细胞核结构完整且居中。整个节间以及节部的淀粉粒含量都较正常的相同部位多(图版Ⅶ)。

3 讨 论

淀粉粒在植物体内的含量和分布变化与植物的发育密切相关。竹类植物的高生长主要是位于节间基部的居间分生组织活动的结果。在厚竹高生长过程中，淀粉粒随着竹秆的发育逐渐减少。同一节间的不同部位淀粉粒的含量也有差异。同一节间从上至下淀粉粒含量升高，节间基部的淀粉粒最多。淀粉粒的降解顺序与节间细胞的发育规律密切相关。竹秆伸长过程中，不同部位的细胞，其发育阶段不同。位于竹笋下部的节间先发育，而同一节间的上部细胞发育早于基部[13]。本研究结果也符合节间的这一发育规律(图1)。

在径向上，靠近竹青的薄壁细胞中淀粉粒荧光强度更高，而靠近竹黄的淀粉粒荧光强度较低，表明在厚竹的高生长过程中，淀粉粒的降解为从内向外，靠近竹青部位的淀粉粒后降解。这与成竹竹秆内的淀粉粒的动态变化规律较为相似[8]。Deng等对云南箭竹的研究表明，节间内侧维管束对水分和同化物的运输能力高于外侧维管束，同化物在径向上由内向外运输[14]。本研究结果显示维管束周围淀粉粒明显多于其他部位，在节间停止生长后，维管束周围仍有少量淀粉粒分布。这反映了竹子高生长发育过程中物质代谢的规律，可能与竹秆内维管束的分布规律有关，在秆壁外侧，维管束上下贯通，没有分支，而靠近竹腔一侧，在节部分叉，并形成复杂的网络结构[15]。前人研究发现维管束与周围薄壁细胞之间有更多胞间连丝，是节间光合同化物及水分运输的主要通道，进行旺盛的生命活动[14]。高生长过程中，秆壁不同部位淀粉粒的时空分布差异为进一步探讨竹秆快速高生长的物质代谢机制提供了基础。

表1 不同时期各部位淀粉粒荧光强度灰度值

A. 分生细胞期；B. 伸长初期；C. 快速伸长期；D. 伸长停止期；N. 节部；IN. 节间；VB. 维管束图1 厚竹高生长过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’

多数研究认为淀粉粒主要贮藏于长细胞中[16]，仅在节部短细胞中发现淀粉粒[8]，但本研究发现在高生长停止后节间和节部的短细胞内仍贮存有淀粉粒。He等对竹秆基本组织细胞研究认为，竹笋阶段所有未伸长细胞都可以被看作短细胞，随着细胞的分化逐渐产生长、短细胞[17]，这一观点解释了在成熟竹秆节间的短细胞中未发现淀粉粒而竹笋短细胞中存在淀粉粒的原因。长、短细胞内淀粉粒分布的差异也表明了基本组织薄壁细胞的功能分化。

相对于节间，在高生长过程中，节部的淀粉粒含量始终高于节间。节隔缺失的节部淀粉粒远多于同一发育时期的正常节，且异常节节间各部位与节部淀粉粒荧光强度相似。节部具有复杂的维管束网络，是物质横向运输的重要部位[18-20]。节隔缺失导致节间伸长停止，主要与物质的交流、运输有关，也证明了节部可能主要通过控制物质交流、运输来调控竹子的高生长[21-23]。而与其相邻的正常节与节间发育均正常，这说明每个节间的伸长活动具有相对的独立性。

4 结 论

淀粉粒是植物体内物质、能量的主要贮存形式，揭示竹子高生长过程中淀粉粒的时空动态变化规律有助于进一步深入了解竹子快速高生长的物质基础。本研究系统观察了厚竹高生长过程中淀粉粒的动态变化规律，分析了淀粉粒变化与厚竹生长发育之间的关系。在厚竹高生长过程中，淀粉粒随着竹秆的发育逐渐减少。同一节间从上至下淀粉粒含量升高。而在发育过程中，秆壁从外至内淀粉粒逐渐减少。且维管束周围淀粉粒明显多于其他部位。淀粉粒的时空动态变化规律与竹秆的发育顺序一致。节间的伸长发育具有相对独立性，节部对于竹子高生长的影响主要与物质运输有关。