不同灌型沙柳茎的解剖结构及木质部成分分析

杨海峰,郝璞,张祖琳,王树森,宁瑞些,于凤强,阿拉腾苏和,张国盛

不同灌型沙柳茎的解剖结构及木质部成分分析

杨海峰1*,郝璞1,张祖琳2,王树森2,宁瑞些3,于凤强4,阿拉腾苏和5,张国盛1

1. 内蒙古农业大学林学院, 内蒙古 呼和浩特 010018 2. 内蒙古农业大学沙漠治理学院, 内蒙古 呼和浩特 010018 3. 内蒙古自治区林木种苗站, 内蒙古 呼和浩特 010010 4. 鄂尔多斯林业和草原事业发展中心, 内蒙古 鄂尔多斯 017000 5. 鄂尔多斯造林总场, 内蒙古 鄂尔多斯 017000

本文以沙柳()1年生茎为材料，探讨不同灌型沙柳在相同生境条件下的适应差异。利用震动切片技术、过氧化氢－醋酸解离法以及盐酸水解等方法对沙柳1年生茎进行研究，运用方差分析比较各试验参数，分析不同灌型沙柳茎的解剖结构、木质部成分差异。研究发现，3种不同灌型沙柳茎的解剖结构存在显著性差异，直立型沙柳茎的半径、髓半径、维管射线数量、纤维细胞数量以及平均纤维长度均大于其他两种灌型沙柳；开散型沙柳的导管数量最多。不同灌型沙柳1年生茎木质部的纤维素、半纤维素和木质素含量之间也存在一定差异，直立型沙柳的木质素最高，中间型、开散型沙柳木质素含量依次降低；开散型沙柳的纤维素含量最高，直立型最低。上述研究结果表明，3种不同灌型沙柳茎的解剖结构以及木质部成分上存在显著性差异，这一差异可能与沙柳不同灌型的形成以及对生态环境的适应性存在相关性。

沙柳; 解剖结构; 成分分析

沙柳()属于杨柳科柳属、多年生灌木，是我国西部的特色树种之一，具有耐干旱、耐贫瘠、耐盐碱、抗沙埋、根系发达、萌芽力强等优点，是西北地区主要防风固沙树种，也是“三北防护林”首选树种之一[1-3]。在生态利用方面，沙柳具有发达的根系，可在一定程度上增加地表粗糙度、降低风速、固定流沙，改善周围环境气候[4]。此外，沙柳还具有重要的经济价值,既可作为燃料,又是纤维板、刨花板、纺织、造纸等的重要原料[5,6]。

大量研究表明，结构和功能是相互依赖的统一体，内部结构的变化会影响生理生态功能的变化，植物的内部结构反映了生境对植物的影响以及植物自身对环境的适应[7-10]，通常植物为了适应外界环境逐渐演化出不同的形态和结构[11,12]。植物茎作为水分和营养输送的枢纽器官，具有支撑植物躯干、维持树木形态等作用，同时因环境因子的变化而变化。早期研究发现，干旱环境下，植物茎的皮层与中柱的比率较大，髓较窄[13]；极端条件下，植物机械组织发达，表皮细胞壁增厚，木质化程度发生增加[14,15]。众多研究者通过对植物茎的解剖结构进行分析，探讨植物内部结构与环境因子之间的联系，研究植物在不同环境条件下的适应状况，从而了解植物属性与特征[16,17]，同时也为阐明植物的生态适应性提供理论依据。

基于课题组前期对沙柳国家资源圃地的无性系研究，根据前期课题组对沙柳不同灌型冠高比的测量，将沙柳分为直立型、中间型、开散型3种灌型结构。其中高耸直立、冠型紧凑、生长迅速的直立型沙柳，可在造纸、制板、饲用、药用等产业中大规模应用。分枝角度大、覆盖地表迅速、根系发达的开散型沙柳无性系，可应用于生态环境建设，在防风固沙、水土保持方面有优良的生态效益和经济价值，生态环境治理效果显著[6,7]。因此，沙柳灌型作为沙柳应用的一个重要指标，在筛选高价值性状，丰富种质资源和实现高效利用等方面具有重要价值。本研究基于不同灌型沙柳1年生茎的解剖结构、木质部解离以及木质部成分含量进行差异性比较分析，探究在相同环境条件下不同灌型沙柳茎的解剖结构、木质部组成及化学成分的差异，为解析不同灌型沙柳解剖结构提供了基础研究资料，对于未来沙柳的分子育种研究提供了解剖学证据。

1 材料与方法

1.1 植物材料与生长地概况

采用的沙柳枝条取自国家沙柳无性系种质资源保存库，植物材料在鄂尔多斯达拉特旗沙柳基地获取。近年来，鄂尔多斯经济迅速发展，但经济蓬勃发展的同时为环境也带来了巨大的影响，达拉特旗内植被分布不匀、受风沙侵害较多，发展沙柳产业便于防风固沙，对于重整生态环境建设,实现可持续发展具有重要意义。

本实验植物材料根据冠高比数据(表1)，取生长状态良好、无病害的直立型无性系号(11-30,11-34,11-1)，中间型无性系号(11-31、15-31、11-40)，开散型无性系号(7-40、16-36、1-8)，上述每个无性系号各取3株，依据课题组前期研究，取1年生茎顶芽向下第15节间，去除表面杂质，75%酒精固定，4 °C冰箱保存待用。

1.2 试验方法

解剖结构观察使用徕卡VT1200震动切片机对1年生茎切片，厚度为30～40 μm，星蓝间苯三酚染色，封片，使用Nikon正置电动显微镜拍照。

取1年生茎第15节间，切为长约2 cm茎段，用解剖刀去除表皮和韧皮部，从髓心位置一分为二，去除中间髓心部位，再将木质部径向切成尽可能细的小段，使用30%过氧化氢、蒸馏水、醋酸(2:3:5)配置解离液对木质部进行解离，0.05%TBO染色，30%甘油保存、压片。每种株系解离样品制片8张，每张随机观察5个视野，测量记录400根纤维的长度。使用Nikon正置电动显微镜进行拍照、观察。

纤维素含量测定采用盐酸水解法测定，半纤维素测定采用乙酰溴法测定，木质素测定采用比色法测定。以上纤维素、半纤维素、木质素含量测定均由集思慧远公司完成。

1.3 数据统计分析

对不同灌型沙柳茎横切结构的各参数进行测量，以三点定圆法确定茎横切结构圆心，以圆心为起点，分别测量茎横切结构的半径、髓半径、木质部厚度以及韧皮部厚度，对相同面积内(约135.25 mm²)维管射线数量、导管数量、纤维细胞数量进行观测记录统计，每个无性系号设置3个切片重复，统计平均值和标准差。对不同灌型沙柳木质部纤维长度分别统计400条纤维长度，根据其长度分布范围，统计数量。对不同灌型沙柳的木质部纤维素、半纤维素、木质素含量进行统计分析。

利用Excel软件对数据进行整理计算，Image J图像处理软件进行图像拼接和测量。对上述统计数据利用SPASS软件进行单因素方差分析，绘制图表，分析得到结果。

2 结果与分析

2.1 不同灌型沙柳茎的解剖结构观测与比较

2.1.1 沙柳1年生茎的解剖结构观测本研究取3种不同灌型的沙柳1年生茎，进行横切，取相同面积进行观测。光学显微镜下观察发现，直立型、中间型、开散型沙柳1年生茎形态结构存在共同结构特征，由外至内具有典型木本植物的解剖结构，依次可分成表皮、皮层、韧皮部、形成层、木质部、髓6个部分(图1)。其中次生木质部位于表皮和髓之间，是沙柳茎的主要组成部分，如图1所示，沙柳茎横切面以髓为圆心，呈现多圈同心的生长轮，髓、次生木质部、次生韧皮部各部分之间分层明显。髓主要由大量的薄壁细胞构成。纤维细胞、导管、维管射线是木质部的主要组成成分，其中纤维细胞在木质部中数量最多，且排列整齐，多为长椭圆形或不规则椭圆形。导管均匀的分布在木质部中，且多数为单管孔，有少量的复穿孔板和管孔团，主要呈径向排列，导管横切面多数为椭圆形和不规则圆形，生长成熟的管孔大小接近一致。维管射线主要由髓向木质部延伸，是茎解剖结构中唯一1个在茎横切面上呈放射状排列的组织。

图 1 不同灌型沙柳植株与茎的解剖结构

注：A、D 直立型沙柳植株及茎部横向解剖图片； B、E 中间型沙柳植株及茎部横向解剖图片； C、F 开散型沙柳植株及茎部横向解剖图片。

标尺：200 μm；1 纤维细胞；2 髓；3木质部导管；4 木质部；5 韧皮部；6 维管射线

Note: A, D the Vertical sand willow plant and stem transverse anatomy picture. B, E intermediate type sand willow plant and stem transverse anatomy picture. C, F Scattered sand willows plant and stem transverse anatomy picture.

Scale: 200 μm; 1 Fiber cells; 2 Pith; 3 Xylem vessels; 4 Xylem; 5 Phloem; 6 Vascular ray

表1不同灌型沙柳冠高比

2.1.2不同灌型沙柳茎的解剖结构比较对沙柳不同灌型茎的解剖特征进行单因素方差分析，发现3种不同灌型沙柳茎在各组织的大小、密度、长度、数量等指标上存在一定差异，其中木质部厚度、韧皮部厚度2个性状之间的差异不显著，其余性状均存在显著差异(表2)。研究表明直立型沙柳茎的半径、髓半径最大，达到498.018±51.205 µm、167.094±46.108 µm。开散型沙柳茎的半径、髓半径最小，为377.273±61.407 µm、77.141±17.435 µm，直立型沙柳茎的半径、髓半径与中间型、开散型存在显著差异。不同灌型沙柳茎在维管射线分布的密集程度上也存在一定差异，直立型沙柳茎维管射线分布最密集，数量达到19±1.741根，大于中间型和开散型。开散型沙柳茎维管射线数量最少，为11±1.992根，方差分析表明3种不同灌型的茎在维管射线数量上差异显著。此外，研究发现沙柳茎中，开散型沙柳导管数量为113±9.540个，多于中间型90±19.837个、直立型79±3.841个，并且与中间型、直立型之间形成显著差异。3种不同灌型沙柳茎中的纤维细胞数量同样也呈现出差异，直立型沙柳茎的纤维细胞数量最多，为1615.44±99.559个，开散型最少，为871.68±29.845个，方差分析表明直立型沙柳纤维细胞数量与中间型、开散型两者之间差异显著。上述结果表明，在生长环境一致的条件下，本研究中3种不同灌型沙柳在茎解剖结构上存在一定差异。

表2 不同灌型沙柳茎解剖结构的对比

注：表中数据为平均值±标准误；不同字母表示物种间差异(<0.05)。

Note: The data in the table are mean±standard error; Different letters indicate significant differences between species (<0.05).

2.2 不同灌型沙柳茎木质部解离的形态观测与比较

对不同灌型沙柳的木质部进行解离分析。研究通过观测及统计发现，木质部中解离出的纤维主要呈现两端尖削，呈细而长的纺锤形，不同灌型沙柳木质部中纤维平均长度为361.041 μm，属于短纤维(图2)。根据不同灌型沙柳木质部纤维长度进行统计，结果如图3所示，数据表明不同灌型沙柳的纤维平均长度存在显著性差异，其中直立型沙柳的平均纤维长度最大，达到382.254 μm，开散型沙柳纤维平均长度最小，为342.251 μm。3种灌型沙柳的纤维长度主要在150～650 μm之间分布，其中直立型沙柳纤维长度分布在200～650 μm之间，在3种不同灌型沙柳中直立型沙柳分布范围较广，其纤维长度在350～400 μm区间分布最多，占比30.75%；中间型沙柳纤维长度在200～600 μm之间，纤维长度分布300～350 μm区间的较多，占比28.75%；而开散型沙柳纤维长度主要分布在150～500 μm区间，其中纤维长度在300～350 μm之间的最多，占比32.75%。3种灌型沙柳的纤维长度分布均呈正态分布。

上述3种灌型沙柳茎中纤维长度的分布统计表明，直立型纤维长度分布的峰值区域比中间型和开散型更大，而且具体统计数据表明直立型沙柳纤维长度分布范围更宽，其中较长纤维数量要比其他两种灌型更多(图3)。单因素方差分析中，3种不同灌型沙柳在纤维长度之间存在显著性差异。

图2 不同灌型沙柳茎的纤维解离图

注：A 直立型沙柳纤维解离图；B 中间型沙柳纤维解离图；C 开散型沙柳纤维解离图；标尺：200 μm。

Note: A Fiber dissociation diagram of the Vertical sand willow; B Fiber dissociation diagram of the intermediate type sand willow; C Fiber dissociation diagram of the scattered sand willows; Scale: 200 μm.

图3 不同灌型沙柳茎的纤维长度分布统计

注：图中a、b、c表示物种间差异(<0.05)。

Note: A, B and C in the figure represent differences between species(<0.05).

2.3 不同灌型沙柳茎木质部成分含量分析比较

沙柳木质部成分主要由纤维素(45%～50%)、半纤维素(10%～30%)和木质素(20%～30%)以及少量提取物组成[18]。本研究对3种不同灌型沙柳茎的纤维素、半纤维素和木质素的含量进行测定并比较分析。结果表明，开散型沙柳茎的纤维素、半纤维素含量最高，达到6266.140 μg·g-1、7551.460 μg·g-1，中间型、直立型沙柳茎的纤维素和半纤维素含量依次降低。直立型沙柳茎的木质素含量最高，达到5826.820 μg·g-1，开散型沙柳茎木质素含量最少，为3459.020 μg‧g-1，俩者之间存在显著性差异。上述结果分析得出，开散型沙柳茎的纤维素、半纤维素含量最多，而直立型沙柳茎的木质素含量最多。3种不同灌型沙柳茎的木质素、纤维素以及半纤维素含量之间存在差异。

图4 不同灌型沙柳茎木质部纤维素、半纤维素、木质素含量测定结果

注：图中a、b、c表示物种间差异(<0.05)。

Note: A, B and C in the figure represent differences between species(<0.05).

3 讨论

植物的形态结构与其环境的适应性存在密切的联系。本文研究发现，在生长条件一致的环境下，不同灌型沙柳内部结构之间存在一定的差异。首先，3种不同灌型沙柳在直径生长方面存在显著差异，直立型的茎最粗。维管射线数量也存在显著差异，直立型的维管射线数量最多。维管射线的功能主要是横向运输营养物质和水分，这表明直立型沙柳在横向营养物质运输方面更为活跃，可能比其他两种灌型获得更多的养分。这可能也是沙柳表现为直立表型的原因之一。在解剖结构中，除半径、髓半径、维管射线数量表现差异，导管数量、纤维细胞、纤维素、木质素含量等方面也呈现出差异。植物的形态结构是是生理特性与基因、环境共同作用的结果，也是植物生长与环境胁迫相适应的表现[19]。植物适应环境的方式不同，在多种因素的共同影响下，其生理特征与结构会逐渐发生改变，形成生态适应对策，从而造就植株的多样形态[20]。李小燕曾在3种不同柳树的解剖研究中指出，解剖结构差异与其功能性有直接相关性[21]。本研究发现，3种灌型沙柳中的纤维细胞数量和长度分布区间呈现出差异。纤维细胞作为木质部的主要组成成分，是影响木材性质的重要指标，主要起结构支撑和机械承受作用[22]，植物纤维的数量、大小及排列方式与木材的硬度、抗压强度、形态尺寸维持等力学性质密切相关[23-25]，本研究中直立型沙柳的平均纤维长度更长，纤维细胞数量最多，直立型沙柳表现出更为紧凑、直立的灌型；开散型沙柳茎的纤维长度较短，纤维细胞数量较少，表现为枝条开散，甚至下垂的灌型。由此表明，在长期生态环境的影响下，植物器官的生理特征与其形态结构逐渐相适应，体现了植物的生态适应性。

此外，不同灌型沙柳的木质素、纤维素含量呈现出显著差异。植物中纤维素作为木质纤维生物质中含量最丰富的一种组分，具有优异的性质[26,27]，在实验中常被用作改良材料以提升基体的力学性能[28]。木质素的含量仅次于纤维素[29,30]，主要存在于细胞壁中，极大的增强了细胞壁的硬度，提升了植物细胞的机械强度和抗压能力，有利于植物水分的运输及细胞生理和结构的变化[31]。在植物的生长发育过程，木质素对于支撑植物的躯干、抗病、抗逆等有着不可缺少的作用[32]。本研究得出，开散型沙柳茎的纤维素、半纤维素的含量较高，直立型沙柳茎的最低；在木质素含量中，直立型沙柳茎的最高，开散型沙柳茎的含量较低。这些化学成分的差异，与其灌型的形成很可能有着直接的关系，这一结果可作为沙柳辅助育种的参考指标，在沙柳生态和产业化应用方面提供借鉴意义。

4 结论

最终研究表明，不同灌型沙柳的解剖结构及木质部成分呈现显著差异，这可能与沙柳灌型的形成存在紧密联系，这既是沙柳对所处环境的响应，也是对生境的适应对策。此外，不同灌型沙柳形成的差异可能是在适应生境的过程中逐渐形成的特定性状，有助于植物趋利避害，从而确保自身的发育和繁衍的顺利进行。

[1] 郝蕾,张国盛.北沙柳种质资源居群表型多样性[J].西北植物学报,2017,37(5):1012-1021

[2] 郝蕾,张磊,张国盛,等.北沙柳群体遗传多样性和遗传结构分析[J].西北植物学报,2017,37(8):1507-1516

[3] 安保,白永祥,田志.沙柳生物学特性与造林技术研究[J].内蒙古林业科技,2003(S1):24-26

[4] 巴丁求忠.沙柳的特性与干旱地区的造林技术[J].农业开发与装备,2020(6):231-231

[5] 刘文军,吕广林,邬满平,等.库布其沙漠沙柳造林技术要点[J].内蒙古林业,2020(9):35-36

[6] 张桂兰,王喜明,车芬,等.沙漠地区3种工业用灌木的构造及酸碱特性研究[J].内蒙古农业大学学报(自然科学 版),2001,22(2):56-61

[7] RachelL S, Andrew G. Evolution of development of vascular cambia and secondary growth [J]. New Phytologist, 2010,186(3):577-592

[8] 王晓钰,陈丹萍,徐光照,等.不同生态环境下水曲柳的解剖结构差异分析[J].安徽农业科学,2017,45(21):1-3,8

[9] 杨九艳,杨劼,杨明博,等.鄂尔多斯高原锦鸡儿属植物叶的解剖结构及其生态适应性[J].干旱区资源与环境,2005(3):175-179

[10] 赵小仙,李毅,苏世平,等.6个种群蒙古沙拐枣同化枝解剖结构及与地理生态因子的关系[J].干旱区资源与环境,2015,29(2):55-60

[11] 蔺雨阳,张帆,肖翠,等.山地地盘松种群间隔10年的环境适应表现对比[J].西部林业科学,2021,50(2):124-131,139

[12] 董建芳,李春红,刘果厚,等.内蒙古6种沙生柳树叶片解剖结构的抗旱性分析[J].中国沙漠,2009,29(3):480-484

[13] Fahn A. Some anatomical adaptations of desert plants [J]. Phytomorphology, 1964:93-102

[14] 王明启,张银慧,陈宝晶.蔷薇属植物抗寒性指标的研究[J].吉林林学院学报,1993,9(1):51-58

[15] 何涛,吴学明,贾敬芬.青藏高原高山植物的形态和解剖结构及其对环境的适应性研究进展[J].生态学报,2007,27(6),2573-2683

[16] Lu JJ, Liu B, Tan DY. Aerial seed bank in a cold desert annu-al-ephemeral species: Role of anatomical structure of stem and delayed fruit dehiscence in timing of seed dispersal [J]. Plant SpeciesBiology, 2020,35(4):260-269

[17] He NP, Liu CC, Tian M,Variation in leaf anatomical traits from tropical to cold-temperate forests and linkage to ecosystem functions [J]. Functional Ecology, 2018,32(1):10-19

[18] 曹运齐,解先利,郭振强,等.木质纤维素预处理技术研究进展[J].化工进展,2020,39(2):489-495

[19] Hanan J, Prusinkiewicz P. Foreword: Studying plants with functional-structural models [J]. Functional Plant Biology, 2008,35(9-10):6-8

[20] Wu LL, Li JA ,Gu YY. Effect of chilling temperature on Chlorophyll florescence,leaf anatomical structure,and physio- logical and biochemical characteristics of twocultivars [J]. Journal of Agriculture and Biology, 2020,23(4):777-785

[21] 李小燕,陈晓旭,白瑞琴,等.不同种类柳树的形态解剖及其与抗旱性关系的研究[J].内蒙古农业大学学报(自然科学 版),2018,39(1):5-9

[22] 朱惠方,腰希申.国产33种竹材制浆应用上纤维形态结构的研究[J].林业科学,1964(4):33-53

[23] 宋恋环,秦芳,王军锋,等.3种核桃木材纤维形态和气干密度的比较分析[J].广西林业科学,2020,49(3):447-450

[24] 肖兴翠,杨勇智,郭洪英,等.红椿天然林木材解剖性质研究[J].中南林业科技大学学报,2019,39(8):115-123

[25] 崔贺帅,田根林,杨淑敏,等.杞柳秆枝主要解剖特征的变异研究[J].安徽农业大学学报,2015,42(3):341-346

[26] 冯利群,高晓霞,王喜明.沙柳木材显微构造及其化学成份分析[J].内蒙古林学院学报,1996(1):38-42

[27] Theivasanthi T, Cjristma A, Toyin AJ,. Synthesis and characterization of cotton fiber-based nanocellulose [J]. 2018,109:832-836

[28] 刘如,曹金珍,彭尧.木粉组分对木塑复合材料性能的影响研究进展[J].化工进展,2014,33(8):2072-2083

[29] Cotana F, Cavalaglio G, Nicolini A,. Lignin as co-product of second generation bioethanol production from ligno-cellulosic biomass [J]. Energy Procedia, 2014,45:52-60

[30] Haigler CH, Ivanova - Datcheva M, Hogan PS,. Carbon partitioning to cellulose synthesis [J]. Plant Molecular Biology, 2001,47(1-2):29-51

[31] Hatfield R, Vermerris W. Lignin formation in plants. The dilemma of linkage specificity [J]. Plant Physiology, 2001,126(4):1351-1357

[32] Moura JCMS, Bonine CAV, De Oliveira Fernandes Viana J,. Abiotic and biotic stresses and changes in the lignin content and composition in plants [J]. Journal of Integrative Plant Biology, 2010,52(4):360-376

Analysis of Anatomical Structure and Xylem Composition ofStems of Different Shrub Types

YANG Hai-feng1*, HAO Pu1, ZHANG Zu-ling2, WANG Shu-sen2, NING Rui-xie3, YU Feng-qiang4, ALATENG Su-he5, ZHANG Guo-sheng1

1.,010018,2.,010018,3.010010,4.,017000,5.,017000,

The 1-year-old stem ofwas used as material, to discuss the possible relationship between the different types ofspp. The stem ofwas studied by Vibrating slice technique, hydrogen peroxide-acetic acid dissociation and hydrochloric acid hydrolysis method and other methods, using variance to compare the numbers and analysing the differences of anatomical structure and xylem components anatomical structure of stem.The study found that, there were significant differences in the anatomical structure of the stems of three different types of sallow. The stem radius, pith radius, number of vascular rays, number of fiber cells and average fiber length of the stem of the Vertical sand willow stem were greater than those of the other two types; In the stem xylem vessel, the number of the Scattered sand willows vessel is the most.The contents of cellulose hemicellulose and lignin in 1-year stem of different types ofspp were also different, the lignin content of the Vertical sand willow stem was the highest, while the lignin content of the intermediate type sand willow and the scattered sand willows decreased successively. The cellulose content of the scattered sand willows was the highest, the Vertical sand willow lowest. The results showed that there were significant differences in the anatomical structure and xylem composition of the three different types, this difference may be related to the formation of different types ofspp and the adaptability to ecological environment.

; anatomical structure; composition analysis

S722.3

A

1000-2324(2021)06-0977-07

2021-09-23

2021-10-12

内蒙古自治区应用技术研究与开发资金项目:优质沙生灌木种质资源开发、利用关键技术(2021GG0075)内蒙古地区多功能树种选育及扩繁关键技术研究与示范(2019GG004);国家科技重大专项课题(2018ZX08020002-005-005);国家自然科学基金(31660216)

杨海峰(1975-),男,博士,副教授,从事林木基因组学及林木基因工程科研与教学工作.E-mail:haifeng@imau.edu.cn

通讯作者:Author for correspondence. E-mail:haifeng@imau.edu.cn