杜明秋 鐘珊麗 林二培 黃華宏

(浙江農(nóng)林大學(xué)亞熱帶森林培育國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311300)

木材即次生木質(zhì)部，是一種被廣泛使用的天然材料，與人類的經(jīng)濟(jì)社會(huì)生活密切相關(guān)。樹木管胞細(xì)胞壁的發(fā)育是針葉樹木材形成的關(guān)鍵，次生壁作為管胞細(xì)胞壁中最厚的一層，對(duì)木材的材性影響較大。次生壁是由木質(zhì)素(18%～35%)和碳水化合物(65%～75%)及少量其他物質(zhì)交織而成的天然高分子材料，其中碳水化合物包括纖維素(40%～50%)與半纖維素(15%～35%)[1-3]。纖維素是由葡萄糖組成的大分子多糖，其合成與葡萄糖聚合有關(guān)[4-5]。半纖維素因物種和細(xì)胞類型而異，主要分為三類，即聚木糖類、聚葡萄甘露糖類和聚半乳糖葡萄甘露糖類。針葉材的半纖維素以聚半乳糖葡萄甘露糖類為主[6]。與纖維素、半纖維素(本質(zhì)上是多糖)不同，木質(zhì)素是由3種醇單體(對(duì)香豆醇、松柏醇、芥子醇)通過碳-碳鍵和醚鍵連接形成的一種復(fù)雜酚類聚合物。這3種醇單體分別對(duì)應(yīng)三類木質(zhì)素單體，即對(duì)羥苯基木質(zhì)素(para-hydroxy-phenyl lignin，H-木質(zhì)素)、紫丁香基木質(zhì)素(syringyl lignin，S-木質(zhì)素)和愈創(chuàng)木基木質(zhì)素(guaiacyl lignin，G-木質(zhì)素)。其中，愈創(chuàng)木基木質(zhì)素(G-木質(zhì)素)是裸子植物中主要的木質(zhì)素單體，這種芳香族聚合物是重要的次生壁成分[7]。纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等主要成分在次生壁中的類型、結(jié)構(gòu)及含量是決定木材力學(xué)和化學(xué)特性的主要因素。

應(yīng)力木通常指在外力作用下形成的彎曲樹干，或樹枝試圖恢復(fù)到自然生長(zhǎng)狀態(tài)，而形成具特殊結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的木材組織，是研究木材形成的良好模型[8]。在裸子植物中，常出現(xiàn)在傾斜樹干或樹枝的下部，被稱為應(yīng)壓木，與之相對(duì)的部位稱為對(duì)應(yīng)木[9-10]。在成熟的應(yīng)壓木木質(zhì)部中，管胞呈圓形或橢圓形，管胞間隙明顯，細(xì)胞壁出現(xiàn)螺紋裂隙；且應(yīng)壓木次生壁中只有S1和S2層，缺失S3層，同時(shí)S2外圍多了一層高度木質(zhì)化區(qū)域，稱為S2L[6,10-11]。S2L層的木質(zhì)素含量高，并且異常出現(xiàn)(1,4)-β-半乳聚糖，是裸子植物應(yīng)壓木的典型特征[6]。除了解剖特征的差異，前人通過對(duì)比杉木、火炬松與紅松應(yīng)壓木和對(duì)應(yīng)木極性代謝物圖譜，發(fā)現(xiàn)參與纖維素與木質(zhì)素合成的代謝產(chǎn)物在應(yīng)壓木中產(chǎn)生了顯著變化[12]。但在應(yīng)壓木形成過程中，參與管胞壁主要成分合成的代謝物組分及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律仍不明確。

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國(guó)最重要的針葉用材樹種之一，廣泛分布于秦嶺、淮河以南的16個(gè)省區(qū)，因生長(zhǎng)速度快、樹干通直、材質(zhì)均勻等優(yōu)良特性而具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，是構(gòu)成我國(guó)喬木林面積的優(yōu)勢(shì)樹種之一。杉木與櫟樹、楊樹等10個(gè)樹種的人工林面積占我國(guó)喬木林面積的46.30%，是中國(guó)南方木材加工業(yè)原材料的主要來源[13]。開展杉木木材形成及其調(diào)控機(jī)制研究是杉木良種培育的重要內(nèi)容，對(duì)提高杉木人工林效益有重要意義。因此，本研究利用應(yīng)壓木模型，以不同處理時(shí)間的杉木應(yīng)壓木為材料，對(duì)其管胞次生細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)、木質(zhì)部主要組分及其代謝成分進(jìn)行比較分析，以期揭示杉木應(yīng)壓木形成過程中主要代謝物的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，為杉木木材形成及其調(diào)控機(jī)理研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 植物材料與樣品制備

本研究采用的材料為杉木無性系洋061的3年生植株，于2018年5月將植株斜放，使之與豎直方向成45°夾角誘導(dǎo)應(yīng)壓木形成。設(shè)置30、60和90 d 3個(gè)傾斜處理時(shí)間，處理結(jié)束后取樣，所有樣本均取自植株的相同高度與部位，其中斜放樹干下側(cè)為應(yīng)壓木(compression wood, CW)、斜放樹干上側(cè)為對(duì)應(yīng)木(opposite wood, OW)，同時(shí)取直立生長(zhǎng)植株相同部位(直立木,control/straight wood)作為對(duì)照(CK)。將取樣部位剪下后，快速剝掉皮層并去掉髓心，將余下的木質(zhì)部組織快速放入預(yù)冷的無菌離心管，液氮速凍后轉(zhuǎn)移至-80℃冰箱保存，用于成分的測(cè)定。每種木材樣本均取3個(gè)生物學(xué)重復(fù)，共6株無性系參試苗。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 顯微結(jié)構(gòu)觀測(cè) 取不同處理時(shí)期的莖段，浸沒于2.5%戊二醛4℃固定軟化過夜，用樹脂包埋后利用RM2235切片機(jī)(徠卡微系統(tǒng)有限公司，德國(guó))制成2 μm的切片，將切片用1%番紅染色，經(jīng)酒精梯度脫水后，用中性樹膠封片后置于DM4000 M顯微鏡(徠卡微系統(tǒng)有限公司，德國(guó))進(jìn)行觀測(cè)和拍照。使用ImageJ測(cè)量每張圖像上的管胞壁厚，每個(gè)時(shí)期每個(gè)處理測(cè)50個(gè)樣本。參照王杰等[14]、林金安等[15]的報(bào)道，利用多糖單克隆抗體LM5檢測(cè)杉木管胞細(xì)胞壁半乳聚糖的分布，使用LSM880激光共聚焦掃描顯微鏡(卡爾蔡司光學(xué)有限公司，德國(guó))進(jìn)行圖像的獲取與處理。

1.2.2 木質(zhì)部主要成分測(cè)定 將1.1中的材料置于干凈無菌的研缽中，液氮研磨成粉末，并利用Alpha1-4真空凍干機(jī)(Marin Christ，德國(guó))于-60℃進(jìn)行冷凍干燥，然后利用范式洗滌纖維法對(duì)木質(zhì)部中的酸性木質(zhì)素、纖維素和半纖維素進(jìn)行測(cè)定[16]。

1.2.3 主要代謝成分的提取及衍生化 代謝物提取和衍生化的方法參考石江濤等[17]和張勝龍等[18]的報(bào)道并稍加改進(jìn)，具體如下：準(zhǔn)確稱取凍干粉50 mg于2 mL離心管中，加入1 400 μL 80%甲醇和25 μL 20 mg·mL-1核糖醇(內(nèi)標(biāo)物)；置于Vortex-Genie 2振蕩儀(Scientific industries, 美國(guó))上振蕩5 min充分混勻，于SY超聲儀(新上海牌，上海)45℃恒溫超聲萃取1 h，然后12 000 r·min-1離心20 min，吸取上清液于15 mL離心管中；置于N-EVAP氮吹儀(Organo mation associates Lnc,美國(guó))上吹干后，加入150 μL 4℃預(yù)冷的甲氧氨基鹽酸鹽(20 mg·mL-1)溶液，密封后置于搖床上37℃、160 r·min-1孵育2.5 h；然后加入150 μL N-甲基-N-(三甲基硅烷)三氟乙酰胺[N-methyl-N-(trimethylsilyl)trifluroacetamide, MSTFA]37℃、160 r·min-1孵育30 min；最后加入300 μL吡啶(色譜級(jí))和10 mg無水硫酸鈉混勻靜止2 min，吸取400 μL衍生液并用有機(jī)相微孔濾膜(0.45 μm)過濾于氣相瓶中用于氣相色譜質(zhì)譜(gas chromatography mass spectrometry, GC-MS)檢測(cè)。

1.2.4 色譜條件與質(zhì)譜條件 利用GC-MS對(duì)代謝物進(jìn)行測(cè)定，在ISQ氣質(zhì)聯(lián)用儀(賽默飛世爾科技有限公司，美國(guó))進(jìn)行分析。色譜柱：TR-5 MS石英毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，進(jìn)樣口溫度：230℃；升溫程序：初始柱溫設(shè)為100℃保持3 min，以 2℃·min-1升至200℃后再以5℃·min-1升至300℃保持5 min；載氣流速：1.5 mL·min-1；進(jìn)樣量：1 μL；分流比：15∶1。采用電子轟擊離子源，傳輸線溫度為250℃，離子源溫度為200℃，掃描范圍為40～600m/z，為確保衍生物能充分被離子化，設(shè)置2.5 min的溶劑延遲。

1.2.5 組分鑒定和相對(duì)定量方法 利用MS Workstation version 7.0軟件對(duì)質(zhì)譜圖進(jìn)行識(shí)別讀取，將測(cè)定所得的化合物與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(National Institute of Standards and Technology，NIST)質(zhì)譜庫(kù)進(jìn)行全掃描匹配，相似度達(dá)80%以上并結(jié)合分子質(zhì)量、分子結(jié)構(gòu)以及質(zhì)核比綜合分析后，確認(rèn)該化合物的化學(xué)成分。代謝成分的含量計(jì)算采用面積歸一法，數(shù)值根據(jù)加入的內(nèi)標(biāo)含量計(jì)算。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2019和SPSS 18.0軟件進(jìn)行測(cè)定數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算以及顯著性檢驗(yàn)等分析，使用Origin 8.5和Photoshop CS6軟件進(jìn)行圖表制作，參照劉振等[19]和羅欽等[20]的報(bào)道使用Simca 13.0軟件進(jìn)行正交偏最小二乘(orthogonal partial least squares discriminant analysis, OPLS-DA)主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 杉木應(yīng)壓木管胞細(xì)胞壁顯微結(jié)構(gòu)特征

斜放處理30 d后，首先對(duì)杉木應(yīng)壓木形成區(qū)域進(jìn)行觀察，結(jié)果顯示，與對(duì)應(yīng)木和直立木相比，杉木應(yīng)壓木圓盤明顯不對(duì)稱且產(chǎn)生了紅棕色加厚區(qū)域(圖1)。進(jìn)一步對(duì)應(yīng)壓木的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)應(yīng)壓木次生木質(zhì)部管胞壁明顯增厚，管胞多數(shù)為圓形或橢圓形，且細(xì)胞角隅胞間層(cell corner middle lamella, CCML)出現(xiàn)空腔(圖2-A)，而對(duì)應(yīng)木和直立木的管胞主要是方形或多邊形，其CCML中無空腔(圖2-B～C)。對(duì)管胞細(xì)胞壁的木質(zhì)素自發(fā)熒光進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明在對(duì)應(yīng)木和直立木中，較強(qiáng)的木質(zhì)素?zé)晒庵饕霈F(xiàn)在CCML，證明該壁層中木質(zhì)素含量較高；而在應(yīng)壓木中，最強(qiáng)熒光信號(hào)則出現(xiàn)在靠近CCML的S2L(圖2-D)，顯示此處木質(zhì)素含量最高，遠(yuǎn)離CCML的壁層含量相對(duì)較低。使用多糖單克隆抗體LM5表位檢測(cè)應(yīng)力木和直立木中的(1,4)-β-半乳聚糖分布，應(yīng)壓木的S2L顯示出豐富的半乳聚糖表位(圖2-G)，對(duì)應(yīng)木、直立木中則是稀疏地分布在S1中(圖2-H～I(xiàn))。上述結(jié)果說明，相對(duì)于直立木和對(duì)應(yīng)木，應(yīng)壓木細(xì)胞壁中化學(xué)成分原位分布發(fā)生了明顯變化。3個(gè)時(shí)期的應(yīng)壓木典型特征基本一致，因此下文僅放置一個(gè)時(shí)期的圖片。

注：A：斜放處理示意圖；B：直立木橫切面；C：應(yīng)力木橫切面；CW：應(yīng)壓木；OW：對(duì)應(yīng)木；CK：直立木。

注：A～C：番紅染色；D～F：木質(zhì)素自發(fā)熒光；G～I(xiàn)：LM5表位的免疫定位；CCML：細(xì)胞角隅胞間層；CML：復(fù)合胞間層；S1～S3：次生壁S1～S3層；S2L：次生壁S2層的外層。

對(duì)應(yīng)壓木的雙壁厚進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如圖3-A所示。應(yīng)壓木木質(zhì)部的雙壁厚極顯著大于直立木，但60～90 d增厚不明顯。

2.2 杉木應(yīng)壓木中木質(zhì)纖維素分析

化學(xué)成分分析結(jié)果表明，3個(gè)處理時(shí)間的應(yīng)壓木木質(zhì)素相對(duì)含量均極顯著高于對(duì)應(yīng)木和直立木，但不同時(shí)期的應(yīng)壓木間木質(zhì)素含量無明顯差異(圖3-B)；60和90 d應(yīng)壓木纖維素相對(duì)含量低于直立木，且低于同時(shí)期的對(duì)應(yīng)木(圖3-D)，并隨著斜放時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；與木質(zhì)素相同，同一時(shí)期應(yīng)壓木半纖維素相對(duì)含量顯著高于直立木，并且隨斜放時(shí)間的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但不同時(shí)期應(yīng)壓木的半纖維素含量無顯著變化，除90 d時(shí)對(duì)應(yīng)木中半纖維素相對(duì)含量顯著高于直立木，其他時(shí)期對(duì)應(yīng)木與直立木無明顯變化(圖3-C)。

注：CW30～CW90分別表示處理30、60和90 d后的應(yīng)壓木；OW30～OW90分別表示處理30、60和90 d后的對(duì)應(yīng)木；CK30～CK90分別表示處理30、60和90 d后的直立木；*：相對(duì)于CK顯著；**：相對(duì)于CK極顯著。

2.3 杉木應(yīng)壓木中差異代謝物的鑒定

利用GC-MS對(duì)杉木應(yīng)壓木、對(duì)應(yīng)木和直立木的木質(zhì)部代謝成分進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果均檢測(cè)到39個(gè)色譜峰(峰面積大于0.1%)(圖4)。對(duì)這39個(gè)色譜峰進(jìn)行解譜分析，發(fā)現(xiàn)20個(gè)為已知的代謝成分(同分異構(gòu)體算作一種)，其相對(duì)應(yīng)的峰面積占到總峰面積的90%以上；此外，有7個(gè)峰未能得到鑒定。對(duì)檢測(cè)到的20種已知化合物進(jìn)行分類，其中有機(jī)酸7種、單糖3種、二糖2種、糖苷類1種、醇類3種、酯類1種、氨基酸2種、酚類1種(表1)。譜圖鑒定發(fā)現(xiàn)2個(gè)松醇和果糖的指示峰，這些化合物含有多個(gè)取代三甲基的位點(diǎn)，在未完全衍生化情況下導(dǎo)致異構(gòu)體的產(chǎn)生，在色譜圖上顯示為2個(gè)峰，質(zhì)譜庫(kù)鑒定為同種化合物，因此定量分析時(shí)將其看作同一個(gè)峰。代謝譜顯示多個(gè)蔗糖的指示峰，由于其細(xì)小致密，分析時(shí)合并為一個(gè)峰處理。進(jìn)一步分析這些代謝成分在不同樣本中的相對(duì)含量及變化規(guī)律可知，糖類物質(zhì)含量較高，其中蔗糖相對(duì)含量個(gè)體最高可達(dá)到28.81%，其次是有機(jī)酸類和醇類，其他幾種化合物含量相對(duì)較少。

注：1：吡啶；2：吡啶；3：乙醇酸；4：纈氨酸；5：甘油；6：磷酸酯；7：硅烷醇；8：甘氨酸；9：蘋果酸；10：未知化合物；11：核糖醇(內(nèi)標(biāo))；12：松醇；13：莽草酸；14：檸檬酸；15：奎寧酸；16：D-果糖；17：D-(-)-果糖；18：葡萄糖；19：半乳糖；20：核糖酸；21：未知化合物；22：松醇；23：棕櫚酸；24：肌醇；25：未知化合物；26：異海松酸；27：未知化合物；28、29：蔗糖；30：未知化合物；31：兒茶素；32：兒茶素；33：乳糖1；34：未知化合物；35：乳糖2；36：β-甲基-D-半乳糖苷1；37：未知化合物；38：蔗糖；39：β-甲基-D-半乳糖苷2。

表1 3個(gè)時(shí)期主要代謝成分的相對(duì)含量變幅

根據(jù)圖5結(jié)果對(duì)比應(yīng)壓木和直立木在30、60和90 d的代謝化合物相對(duì)含量，發(fā)現(xiàn)在杉木斜放處理30 d后，16種化合物的比值大于1，表明應(yīng)壓木中該化合物含量大于直立木中的含量。其中有10種化合物的相對(duì)含量比率，包括有機(jī)酸種類(蘋果酸、奎寧酸、莽草酸和棕櫚酸)、糖類(蔗糖和乳糖)、酚類(兒茶素)、兩種氨基酸和β-甲基-D-半乳糖苷，斜放30 d后高于斜放60 d，直至90 d應(yīng)壓木含量低于直立木。屬于糖類的果糖(將兩種果糖合并為一種計(jì)算)、葡萄糖和半乳糖以及肌醇的相對(duì)含量比率在30 d時(shí)高達(dá)1.7以上，這幾種化合物在60和90 d的應(yīng)壓木中雖然呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但仍然處于高于同時(shí)期直立木的水平。應(yīng)壓木中乙醇酸在30和60 d低于直立木，90 d后含量略高于直立木。檸檬酸在3個(gè)時(shí)期均呈現(xiàn)應(yīng)壓木低于直立木的水平。甘氨酸與核糖酸在3個(gè)時(shí)期呈現(xiàn)倒“V”型的分布規(guī)律，30 d應(yīng)壓木中化合物含量與直立木相比無顯著變化，60 d比值大于1.5，90 d低于0.4。松醇和磷酸酯在3個(gè)時(shí)期無明顯變化。

圖5 杉木應(yīng)壓木(CW)和直立木(CK)在30、60和90 d的相對(duì)含量比率

3 討論

3.1 杉木應(yīng)壓木的解剖結(jié)構(gòu)

應(yīng)壓木是裸子植物偏離垂直方向生長(zhǎng)時(shí)，為了抵抗重力吸引，在莖下部產(chǎn)生的一種具有特殊結(jié)構(gòu)和成分的木材組織，被認(rèn)為是研究木材形成的良好模型[21]。本研究利用該模型對(duì)杉木應(yīng)壓木的木質(zhì)部解剖特性和主要代謝成分變異規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明杉木僅經(jīng)30 d的斜放誘導(dǎo)處理后，應(yīng)壓木木質(zhì)部管胞壁顯著增厚，是直立木及對(duì)應(yīng)木管胞雙壁厚的1.5倍，且出現(xiàn)木質(zhì)化程度較高的S2L層，CCML處出現(xiàn)空腔，無S3層。該結(jié)果與馬尾松[22]、火炬松[23]、云南松[10]和日本柏樹[24]等眾多裸子植物的應(yīng)壓木結(jié)構(gòu)變化一致，皆是次生壁增厚，微纖絲夾角發(fā)生了改變，管胞出現(xiàn)螺紋裂痕，S3缺失。根據(jù)木質(zhì)素自發(fā)熒光且熒光強(qiáng)度與木質(zhì)素濃度呈線性正比的現(xiàn)象，利用高分辨熒光圖像檢測(cè)杉木不同壁層的木質(zhì)素原位分布，本研究結(jié)果表明，相比對(duì)應(yīng)木和直立木，應(yīng)壓木S2L與S2層的木質(zhì)素含量均有升高。已有用細(xì)胞壁成分有特異性的抗體對(duì)輻射松應(yīng)壓木進(jìn)行免疫雜交的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)S2L層沉積了(1,4)-β-半乳聚糖，S2層出現(xiàn)阿拉伯半乳聚糖蛋白沉積，以及管胞螺紋裂隙周邊出現(xiàn)(1,3)-β-葡聚糖的沉積[6,25]。杉木的半纖維素表位與輻射松相似，S2L處沉積了(1,4)-β-半乳聚糖，對(duì)應(yīng)木和直立木中僅在S1層周圍出現(xiàn)。縱向?qū)Ρ?個(gè)時(shí)期的應(yīng)壓木變化，發(fā)現(xiàn)應(yīng)壓木形成過程中的解剖變化不顯著，不同時(shí)期之間變化趨勢(shì)類似。

3.2 杉木應(yīng)壓木形成中的化學(xué)成分含量變化

測(cè)定結(jié)果顯示，杉木應(yīng)壓木雙壁厚隨斜放時(shí)間的增加逐漸增厚，而纖維素相對(duì)含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，因此推測(cè)應(yīng)壓木管胞次生壁增厚的原因極有可能與木質(zhì)素以及半纖維素如半乳聚糖、阿拉伯半乳聚糖蛋白、葡聚糖等在S2外層異常沉積有關(guān)。對(duì)應(yīng)木的雙壁厚雖然與直立木無明顯差異，但其木質(zhì)素相對(duì)含量隨斜放時(shí)間的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而纖維素相對(duì)含量則呈現(xiàn)上升趨勢(shì)(圖3)，由于對(duì)應(yīng)木和應(yīng)壓木來源于同一棵樹的對(duì)立兩邊，對(duì)應(yīng)木的管胞壁顯微特征雖然與直立木無明顯差異，但其管胞次生壁化學(xué)成分在斜放誘導(dǎo)期間可能發(fā)生了與應(yīng)壓木相反的變化。

3.3 杉木應(yīng)壓木形成中主要代謝成分分析

在木材形成過程中，纖維素、木質(zhì)素與半纖維素的合成涉及復(fù)雜的代謝途徑和代謝組分。通過對(duì)比應(yīng)壓木和直立木的代謝譜，發(fā)現(xiàn)在木質(zhì)部當(dāng)中主要是糖類物質(zhì)富集，表明木材形成是以糖代謝為主的木質(zhì)纖維素生物合成。木質(zhì)素的生物合成普遍認(rèn)為可分為以下三個(gè)步驟：首先是光合作用后的同化產(chǎn)物到芳香氨基苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸等的合成過程，稱為莽草酸途徑；然后是從苯丙氨酸到羥基肉桂酸及其輔酶A酯類的合成過程，稱為苯丙酮酸途徑；最后是羥基肉桂基輔酶A酯類到木質(zhì)素單體及其聚合物的過程，稱為木質(zhì)素合成的特異途徑[26]。研究發(fā)現(xiàn)在莽草酸合成途徑中脫氫奎寧酸和莽草酸脫氫酶兩種酶相互融合，共同促進(jìn)了莽草酸途徑的第3和第4個(gè)階段，增加了代謝物流通的效率[27]。蘋果酸參與植物體內(nèi)多個(gè)代謝途徑，其中蘋果酸酶以蘋果酸為前體催化反應(yīng)，為肉桂醇脫氫酶提供煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NAPDH)生成木質(zhì)素單體[28]。因此，莽草酸、奎寧酸、蘋果酸是與木質(zhì)素合成相關(guān)的代謝成分[29-30]。經(jīng)過30 d的斜放誘導(dǎo)處理，杉木應(yīng)壓木中的與木質(zhì)素合成相關(guān)的物質(zhì)如蘋果酸、奎寧酸、莽草酸相對(duì)含量高于同時(shí)期的直立木，證明應(yīng)壓木木質(zhì)化程度高于直立木(表1)。30 d應(yīng)壓木木質(zhì)素相關(guān)成分水平接近60 d的直立木，表明在應(yīng)壓木形成的初期，代謝通量主要流向苯丙烷代謝途徑，此結(jié)果與30 d后應(yīng)壓木中木質(zhì)素含量迅速累積的現(xiàn)象一致。

碳水化合物包括半纖維素和纖維素，尿苷二磷酸葡萄糖(uridine 5′-diphospho glucose, UDPG)是纖維素與部分半纖維素生物合成的直接起始底物，其中半乳聚糖、半乳糖醛酸、木聚糖、阿拉伯半乳聚糖和葡甘聚糖的合成，均以UDPG為前體通過不同途徑轉(zhuǎn)化成尿苷二磷酸木糖、阿拉伯糖、乳糖等為單體而構(gòu)建[31-32]。已有研究表明半乳聚糖、甘露聚糖和木聚糖等多糖的分布與最終木質(zhì)化程度有關(guān)[33]。本研究代謝譜解析結(jié)果顯示了杉木應(yīng)壓木形成過程中半乳糖、葡萄糖等半乳聚糖和葡甘聚糖合成底物的增加，分析發(fā)現(xiàn)相比直立木以及30和60 d的應(yīng)壓木，90 d后的應(yīng)壓木的代謝產(chǎn)物主要富集了糖類物質(zhì)。該現(xiàn)象與應(yīng)壓木雙壁厚逐漸增厚、半纖維素含量逐漸增加相關(guān)，上述糖類物質(zhì)可能是決定木質(zhì)素沉積在管胞細(xì)胞壁各層中的位置和數(shù)量的控制因素。本試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)應(yīng)壓木中果糖、蔗糖等糖類化合物的相對(duì)含量均隨斜放時(shí)間的增加而降低(圖5)，其中蔗糖在應(yīng)壓木90 d后已下降至低于直立木的水平，而單糖物質(zhì)果糖、葡萄糖和半乳糖仍處于高于直立木的水平，表明在應(yīng)壓木90 d后，蔗糖酶與蔗糖合酶的表達(dá)極有可能仍處于上調(diào)水平，其將蔗糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖與果糖，增加了UDPG與半纖維素合成的效率。這可能是由于木質(zhì)素沉積的模式在生長(zhǎng)季節(jié)保持不變，夏季木質(zhì)化細(xì)胞數(shù)量達(dá)到峰值后逐漸降低造成的[33]。檸檬酸既能在基礎(chǔ)生命代謝中起中間產(chǎn)物的作用，又能改進(jìn)應(yīng)壓木的抗壓強(qiáng)度[34]。本試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)檸檬酸在3個(gè)時(shí)期均呈現(xiàn)低于直立木的水平(表1)，而與此相關(guān)的原因還未有相關(guān)結(jié)論，有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

杉木應(yīng)壓木形成中呈現(xiàn)出管胞變圓，S2L增生以及管胞次生壁增厚，木質(zhì)素與半纖維素含量顯著增加等現(xiàn)象。GC-MS檢測(cè)到共有20種化合物，其中有機(jī)酸7種、單糖3種、二糖2種、糖苷類1種、醇類3種、酯類1種、酚類1種，應(yīng)壓木中差異性代謝物相對(duì)含量顯著高于直立木。在應(yīng)壓木形成初期，即30 d斜放處理誘導(dǎo)后，有機(jī)酸類和糖類物質(zhì)大量在木質(zhì)部累積，為木質(zhì)素合成和細(xì)胞壁增厚提供了代謝中轉(zhuǎn)產(chǎn)物。當(dāng)斜放誘導(dǎo)時(shí)間增長(zhǎng)至90 d后，有機(jī)酸類物質(zhì)含量下降至低于直立木的水平，為保證半纖維素的合成，單糖類物質(zhì)的含量仍處于高于直立木的水平，表明木質(zhì)素合成是應(yīng)壓木形成初期的主要反應(yīng)，半纖維素的合成速率則隨著誘導(dǎo)時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸提高。