王齊瑋，吳 寧，杜官本，吳章康，李曉平，徐 寶

(西南林業(yè)大學(xué) 云南省木材膠黏劑及膠合制品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650224)

生長(zhǎng)期和植株性別對(duì) ‘云麻1號(hào)’麻稈部分物理特性的影響

王齊瑋，吳 寧，杜官本，吳章康，李曉平，徐 寶

(西南林業(yè)大學(xué) 云南省木材膠黏劑及膠合制品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650224)

利用廣角X-射線衍射儀和顯微鏡研究了生長(zhǎng)期和植株性別對(duì) ‘云麻1號(hào)’工業(yè)大麻Cannabis sativa‘Yunma No.1’麻稈形成層分生、纖維素相對(duì)結(jié)晶度和晶胞尺寸的影響。結(jié)果表明：在整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)大麻稈莖部的纖維中，大麻纖維的相對(duì)結(jié)晶度隨著生長(zhǎng)期不斷變化而變化，但整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)變化幅度都不是很大；生長(zhǎng)期為19~35 d，晶胞大小為0.230~0.245 nm，在生長(zhǎng)期42~186 d，晶胞的大小較前面有所下降，大約為0.137 nm，并且基本保持不變；同一生長(zhǎng)期，雌株的細(xì)胞層數(shù)比雄株的細(xì)胞層數(shù)略多；生長(zhǎng)期77~91 d時(shí)，雄株的相對(duì)結(jié)晶度要高于雌株，而在生長(zhǎng)期98~186 d，雌株的相對(duì)結(jié)晶度高于雄株；在77~186 d的生長(zhǎng)期中，雌雄株晶胞尺寸的變化范圍為0.136~ 0.150 nm。晶胞尺寸與生長(zhǎng)期，細(xì)胞層數(shù)和相對(duì)結(jié)晶度之間沒(méi)有顯著的相關(guān)性。圖1表3參13

植物學(xué)；‘云麻1號(hào)’；生長(zhǎng)期；植株性別；細(xì)胞層數(shù)；相對(duì)結(jié)晶度；晶胞尺寸

大麻Cannabis sativa，又名漢麻，線麻，寒麻，火麻等，別名稱(chēng)謂多達(dá)10余種。據(jù)史書(shū)記載，大麻起源于中國(guó)，是人類(lèi)最早用于織物的天然綠色纖維，其栽培歷史已逾8 000 a，有 “大麻紡源頭，萬(wàn)年衣祖”的美譽(yù)。大麻文化為東方文明的重要標(biāo)志，在中國(guó)至少有1萬(wàn)a的歷史［1］。工業(yè)大麻是指四氫大麻酚（THC）質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.3% 的無(wú)毒大麻，主要被用在紡織、造紙、食用、新材料等領(lǐng)域［2－8］。云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院以楊明研究員為核心的研究團(tuán)隊(duì)也成功研制了世界上第27個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)大麻新品種 ‘云麻1號(hào)’ ‘Yunma No.1’等；除此之外還成功培育出了 ‘云麻2號(hào)’ ‘Yunma No.2’‘云麻3號(hào)’ ‘Yunma No.3’ ‘云麻4號(hào)’ ‘Yunma No.4’和 ‘云麻5號(hào)’ ‘Yunma No.5’等低毒品種。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)工業(yè)大麻的研究主要集中在對(duì)其化學(xué)成分的提取研究、種植培育、新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、脫膠技術(shù)及其纖維細(xì)胞壁的納米力學(xué)性能等方面。目前，工業(yè)大麻已被廣泛栽植于世界各地，尤其是歐洲、加拿大和中國(guó)［11-12］。2009年云南省的工業(yè)大麻的栽植面積已經(jīng)達(dá)到了6 667 hm2，2010年的栽植面積達(dá)到了2萬(wàn)hm2。其纖維是重要紡織原料，果實(shí)既是油料又是藥品；被廣泛的用于紡織、食品加工和醫(yī)藥等領(lǐng)域，受到歡迎和好評(píng)，也得到了國(guó)家政府的大力支持，其稈芯是優(yōu)質(zhì)的木質(zhì)材料，可用于造紙、人造板制造等工業(yè)領(lǐng)域。預(yù)計(jì)2015年全國(guó)的工業(yè)大麻栽植面積將會(huì)突破67萬(wàn)hm2，屆時(shí)將產(chǎn)生1 500~2 200萬(wàn)t的大麻稈，因此，對(duì)大麻稈的利用研究迫在眉睫。筆者研究了整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)大麻稈形成層的分生活性，生長(zhǎng)期和植株性別對(duì)其纖維素物理結(jié)構(gòu)（包括相對(duì)結(jié)晶度和晶胞尺寸）的影響，為更好地研究工業(yè)大麻稈纖維素的物理結(jié)構(gòu)和拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)所用試樣大麻稈均采自云南省昆明市同一塊田地，委托云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院進(jìn)行栽植，栽植類(lèi)型為籽稈兼用型的 ‘云麻1號(hào)’，雌雄異株。試樣是從工業(yè)大麻幼苗長(zhǎng)到19 d時(shí)開(kāi)始取樣，隔7~20 d取1次樣品，在植株生長(zhǎng)初期（19~56 d）時(shí)，單株大麻稈質(zhì)量較輕，采集新鮮樣品3~5 kg·次－1；當(dāng)在生長(zhǎng)期為62 d以后時(shí)，采集樣品量為12株·次－1（77 d后，雌株12株、雄株12株），將葉子、葉柄和麻皮用剪刀去除后，在（104±2）℃的烘箱里烘至絕干。試樣取健康，無(wú)腐朽、無(wú)折斷的工業(yè)大麻，貼著地面進(jìn)行采集。采樣所用設(shè)備為手工鋸，以保證樣品均從大麻稈的根部采集獲得，將植株采伐后用剪刀將葉子和葉柄去除，再用手工法將麻皮去除干凈。

1.2 儀器設(shè)備

儀器為遼寧省丹東方圓儀器有限公司制造DX-200型廣角X-衍射儀。

1.3 方法

1.3.1 工業(yè)大麻稈形成層分生速度研究 取3~5株工業(yè)大麻稈，均取離地面5 cm的部位，將工業(yè)大麻稈軟化后，利用超薄切片機(jī)將它們切成15 μm厚的薄片進(jìn)行染色并制成觀察切片（圖1），后在電子顯微鏡下進(jìn)行觀察。在橫切面上沿細(xì)胞排列方向選取100個(gè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，數(shù)出這100個(gè)長(zhǎng)度里面的細(xì)胞數(shù)量，從而算出單位長(zhǎng)度上的細(xì)胞個(gè)數(shù)，最后求出半徑上的細(xì)胞層數(shù)。

1.3.2 纖維素相對(duì)結(jié)晶度及纖維素晶胞的測(cè)量 相對(duì)結(jié)晶度的大小按照 Segal計(jì)算，晶胞尺寸可根據(jù)Scherer公式［13］計(jì)算。如公式Dhkl=kλ/（βcosθ），其中：Dhkl為晶粒尺寸，k為謝洛常數(shù)，此處取0.9；λ為X射線波長(zhǎng)。

圖1 工業(yè)大麻稈橫截面微觀尺寸Figure 1 Industrial hemp rod cross section micro size

2 結(jié)果與分析

2.1 生長(zhǎng)期對(duì)工業(yè)大麻稈細(xì)胞層數(shù)、相對(duì)結(jié)晶度及纖維素晶胞尺寸的影響

生長(zhǎng)期對(duì)工業(yè)大麻稈細(xì)胞層數(shù)、相對(duì)結(jié)晶度及纖維素晶胞尺寸的影響見(jiàn)表1所示。由表1可以看出：在工業(yè)大麻的整個(gè)生長(zhǎng)周期，大麻稈的細(xì)胞層數(shù)隨著生長(zhǎng)期不斷增加。在70 d的生長(zhǎng)周期內(nèi)，大麻稈的細(xì)胞層數(shù)增加了314層，在這個(gè)生長(zhǎng)周期內(nèi)，細(xì)胞層數(shù)增加最快。在70~186 d的生長(zhǎng)期內(nèi)，大麻稈的細(xì)胞層數(shù)增長(zhǎng)變緩，表明在工業(yè)大麻稈的生長(zhǎng)早期，形成層的分生活動(dòng)旺盛，到了生長(zhǎng)中期和晚期，工業(yè)大麻稈形成層的分生活動(dòng)逐漸減弱。此外，在全生命周期中，不同植株的形成層其分生活躍性有很大差異，并且隨著生長(zhǎng)期的延長(zhǎng)，這種差異越來(lái)越大。比如在生長(zhǎng)期為19 d時(shí)，不同植株間的細(xì)胞差異僅為2層，而到了生長(zhǎng)期為186 d時(shí)，不同植株間的細(xì)胞層數(shù)相差338層。植物形成層分生活性的根本決定因子是基因，直接決定因子是植物的激素，因此，研究工業(yè)大麻稈全生命周期中以及不同植株中植物激素含量的變化和形成層分生活動(dòng)之間的相關(guān)性，將會(huì)為了解工業(yè)大麻稈的生命活動(dòng)機(jī)制和通過(guò)生物技術(shù)手段提高工業(yè)大麻稈的生長(zhǎng)速率提供相當(dāng)依據(jù)。

表1 不同生長(zhǎng)期工業(yè)大麻稈細(xì)胞層數(shù)，相對(duì)結(jié)晶度及晶胞尺寸Table 1 Different growth period of industrial hemp stalk cell layers,crystallinity and crystal size

目前，普遍為人們所接受的纖維素超分子結(jié)構(gòu)理論是二相體系理論。X射線研究表明：纖維素是由結(jié)晶區(qū)與無(wú)定形區(qū)交錯(cuò)連接而成的二相體系，其中還存在相當(dāng)多的空隙系統(tǒng)。在結(jié)晶區(qū)內(nèi)，纖維素分子的排列具有規(guī)則性，呈現(xiàn)較清晰的X射線圖譜，但與低分子的晶體不同，是不可見(jiàn)的隱晶，不具有以特殊角度相交的鏡界面。結(jié)晶區(qū)與結(jié)晶區(qū)之間有無(wú)定形區(qū)，結(jié)晶區(qū)與無(wú)定形區(qū)之間沒(méi)有明顯的界限，而是逐漸過(guò)渡的，這一過(guò)渡區(qū)又稱(chēng)為次結(jié)晶區(qū)。由表1可知：在工業(yè)大麻19~186 d的全生命周期中，相對(duì)結(jié)晶度變化范圍為26.65%~44.00%。隨著生長(zhǎng)期的延長(zhǎng)逐漸增大，在生長(zhǎng)期為49 d時(shí)，達(dá)到了基本穩(wěn)定的數(shù)值。纖維細(xì)胞壁主要由初生壁和次生壁組成，次生壁又分為S1，S2和S3層，初生壁主要由木質(zhì)素、果膠質(zhì)、纖維素和半纖維素組成，次生壁中的化學(xué)成分主要為木質(zhì)素、纖維素和半纖維素。在工業(yè)大麻稈生長(zhǎng)初期，首先生成的細(xì)胞壁是初生壁，隨著生長(zhǎng)期的延長(zhǎng)，次生壁才逐漸生成并逐漸形成成熟的的細(xì)胞。由表1可以推測(cè)，在工業(yè)大麻纖維細(xì)胞壁的初生壁中纖維素的相對(duì)結(jié)晶度要低于次生壁中纖維素的相對(duì)結(jié)晶度。

每一結(jié)晶區(qū)稱(chēng)為微晶體，按膠束結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)則稱(chēng)為膠束，也有稱(chēng)微胞、晶胞或小粒的。研究晶胞的大小可以更好地認(rèn)識(shí)大麻纖維的物理結(jié)構(gòu)。纖維素的結(jié)晶區(qū)是由單斜晶體組成，單斜晶體的晶粒大小被稱(chēng)為晶體尺寸。從表1可以看到：從生長(zhǎng)期為19~35 d，晶胞大小為0.23~0.245 nm，在生長(zhǎng)期42~197 d，晶胞的大小較前面有所下降，大約為0.137 nm，并且基本保持不變。從工業(yè)大麻纖維細(xì)胞壁層的生長(zhǎng)周期可以進(jìn)一步推測(cè)出，工業(yè)大麻在纖維細(xì)胞初生壁中晶胞尺寸較大，而在細(xì)胞次生壁中晶胞尺寸較小，但還需要進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證。

由上述可知：大麻纖維的相對(duì)結(jié)晶度為40%。結(jié)晶度的增加，纖維的抗拉強(qiáng)度、硬度、密度及尺寸的穩(wěn)定性均隨之增大，而纖維的伸展率、吸濕性染料的吸著度、潤(rùn)脹度、柔順性以及化學(xué)反應(yīng)性均隨之減小。

2.2 植株性別對(duì)工業(yè)大麻稈形成層分生速度和纖維素物理結(jié)構(gòu)的影響

由表2可得：在相同的生長(zhǎng)期時(shí)，雄性工業(yè)大麻稈橫截面的細(xì)胞層數(shù)要小于雌性，表明雄株形成層的分生活性要弱于雌株的分生活性。這可能一方面是由于在植物界雌株主要負(fù)責(zé)孕育種子，需要更多的養(yǎng)分，雄株的功能僅是提供花粉，所以在生長(zhǎng)上雌株會(huì)表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，以保證在相同的環(huán)境下可以吸取更多的養(yǎng)份，但形成層分生活性的直接控制因素即植物激素還需要進(jìn)一步進(jìn)行研究；另一方面雄株在77 d時(shí)，就現(xiàn)蕾開(kāi)花，表現(xiàn)出了植株的第2性狀，這時(shí)雄株的生理功能就已經(jīng)快要完成，到了生理末期，所以形成層的分生活動(dòng)變緩，表現(xiàn)在物理結(jié)構(gòu)上就是橫截面的細(xì)胞層數(shù)變少。

表2 不同性別工業(yè)大麻稈橫截面細(xì)胞層數(shù)和纖維素物理結(jié)構(gòu)Table 2 Male and female of industrial hemp stalk cross-sectional cell layers and the physical structure of cellulose

在生長(zhǎng)期77~91 d時(shí)，雄株的相對(duì)結(jié)晶度要高于雌株；而在生長(zhǎng)期98~186 d，雌株的相對(duì)結(jié)晶度高于雄株。由上述可推測(cè)：在植株纖維細(xì)胞壁層結(jié)構(gòu)中，各個(gè)物理層次中的相對(duì)結(jié)晶度不同，并且初生壁中的相對(duì)結(jié)晶度要低于次生壁中的相對(duì)結(jié)晶度，在生長(zhǎng)期相同的情況下，細(xì)胞層數(shù)少的雄株，次生壁所占的比例相對(duì)雌株要高，所以其相對(duì)結(jié)晶度高于雌株。隨著生長(zhǎng)期的延長(zhǎng)，雌株中纖維細(xì)胞壁的進(jìn)一步成熟，相對(duì)結(jié)晶度增加，則雄株的相對(duì)結(jié)晶度就低于雌株。

在生長(zhǎng)期為77~186 d的生長(zhǎng)期中，晶胞尺寸的變化范圍為0.136~0.150 nm，與生長(zhǎng)期、細(xì)胞層數(shù)、植株性別和相對(duì)結(jié)晶度之間沒(méi)有顯著的相關(guān)性（表3，纖維素晶胞尺寸與生長(zhǎng)期、細(xì)胞層數(shù)、植株性別和相對(duì)結(jié)晶度都成負(fù)相關(guān)且相關(guān)性都不大），可能是因?yàn)椴煌?xì)胞壁層對(duì)晶胞尺寸有一定的影響，但是在復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)條件和情況下，并不能夠建立一個(gè)非常明確的關(guān)系，還有待進(jìn)一步進(jìn)行研究。

表3 不同生長(zhǎng)期工業(yè)大麻稈細(xì)胞壁各物理參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients between the physical properties of hemp stalk of different growth stages

3 結(jié)論

生長(zhǎng)期對(duì)工業(yè)大麻稈形成層的分生活性和纖維素物理結(jié)構(gòu)具有顯著的影響（P＜0.05）；植株性別對(duì)工業(yè)大麻稈形成層的分生活性具有顯著的影響（P＜0.05），對(duì)其形成層的纖維素物理結(jié)構(gòu)沒(méi)有顯著影響（P＜0.05）。在生長(zhǎng)初期工業(yè)大麻稈形成層的分生活性很強(qiáng)，細(xì)胞層數(shù)的增加速率非?？?，隨著生長(zhǎng)期的延長(zhǎng)，形成層的分生活性減弱，細(xì)胞層數(shù)的增加速率減緩。相對(duì)結(jié)晶度的變化范圍為26.65%~44.00%，隨著生長(zhǎng)期的延長(zhǎng)，相對(duì)結(jié)晶度增加；晶胞尺寸變化范圍為0.129~0.245 nm，隨著生長(zhǎng)期的延長(zhǎng)，晶胞尺寸逐漸減小趨于定值。綜上，根據(jù)纖維細(xì)胞壁的物理結(jié)構(gòu)及其生成規(guī)律，可推測(cè)在工業(yè)大麻纖維細(xì)胞初生壁中相對(duì)結(jié)晶度較低，晶胞尺寸較大；在次生壁中相對(duì)結(jié)晶度較高，晶胞尺寸較小。

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Cambium generation and cellulose physical structure by growth stage and plant sex in ‘Yunma No.1’hemp stalk

WANG Qiwei,WU Ning,DU Guanben,WU Zhangkang,LI Xiaoping,XU Bao
（Yunnan Provincial Key Laboratory of Wood Adhesives and Glue Products,Southwest Forestry University,Kunming, 650224,Yunnan,China）

To know the growth status,the physical properties of cellulose in hemp stalk better and provide more information for use it.Wide angle X-ray diffraction and a microscope were used to study the influence of growth stage and plant sex on cambium generation activity and the physical structure of cellulose in the industrial hemp stalk of Cannabis sativa ‘Yunma No.1’with 4 strains of hemp samples.Samples from healthy,no rot, no breaking of industrial hemp,close to the ground for the collection.Results over the whole hemp stalk fiber growth period showed that relative crystallinity of the hemp fiber exhibited a greatly change （P-value was 0.039 0）.For the growth period of 19－35 d,cell size was 0.230－0.245 nm,and from 42－186 d,cell size was basically unchanged （P-value was 0.086 2）with a decline of about 0.137 nm.For the same growing time, slightly more （P-value was 0.000 1）female plant cell layers than male were noted.From 77－91 d,the degree of relative crystallinity in male plants was higher（P-value was＜0.05）than female plants,but from 98－186 d it was higher（P-value was 0.058 8）in female plants.Cell size of male and female plants from 77－186 d was 0.136－0.150 nm.Thus,there was no strong relationship for cell size among growth period,cell layers,and relative crystallinity （The correlation coefficients between those were－0.518 0,－0.551 7,and－0.829 1 respectively）.［Ch,1 fig.3 tab.13 ref.］

botany;Cannabis sativa ‘Yunma No.1’;growth stage;plant sex;cell layers;relative crystallinity;crystal cell size

S563；Q944

A

2095-0756（2015）03-0415-05

10.11833/j.issn.2095-0756.2015.03.013

2014-08-24；

2014-09-27

國(guó)家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)（201404515）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（31200437）；云南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（2013Z085）。

王齊瑋，從事生物質(zhì)復(fù)合材料研究。E-mail:292246532@qq.com。通信作者：李曉平，副教授，博士，從事木質(zhì)復(fù)合材料研究。E-mail:lxp810525@163.com