全 文 ：植物学通报 2006, 23 (3): 262~268
Chinese Bulletin of Botany
收稿日期: 2005-09-01; 接受日期: 2006-02-10
基金项目: 国家自然科学基金(39730350)、江苏省自然科学基金(BK2005132)和南京林业大学“十五”人材基金(PG2004-2)
* 通讯作者 Author for correspondence. E-mail: zfyin@njfu.edu.cn
.实验简报.
美洲黑杨次生维管组织发育的内在节律性
与细胞内含物的动态变化
尹增芳* 樊汝汶
(南京林业大学森林资源与环境学院 南京 210037)
摘要 美洲黑杨(Populus deltoids)是一种重要的商业用材树种, 在我国多用作胶合板和纸浆原料, 其速
生性的特点也很早为人们所认识。众所周知, 树木次生维管组织的发育具有内在的节律性, 与此同时维
管组织的细胞内含物也会发生动态变化。利用电镜技术及细胞化学方法, 研究了美洲黑杨次生维管组织
的发育以及细胞内含物分布的变化, 发现次生维管组织的发育具有内在节律性, 在年周期中表现为分化
期和休眠期交替出现; 次生韧皮部与次生木质部交替分化形成。在维管组织发育过程中, 早期蛋白质和
脂类物质首先减少, 然后淀粉粒解体消失, 发育期内维管组织的蛋白质、脂类和淀粉的积累最少, 休眠
期内维管组织细胞内最早出现淀粉的积累, 然后蛋白质和脂类物质积累大大增加。杨树维管组织发育过
程的内在节律性与细胞内含物的动态变化密切相关。
关键词 美洲黑杨, 维管组织, 内在节律性, 细胞内含物
Developmental Inherent Rhythm and Dynamic Changes in Cell
Ergastic Substances of Secondary Vascular Tissues in
Populus deltoids
Zengfang Yin* Ruwen Fan
(College of Forest Resources and Environment, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037)
Abstract The eastern cottonwood Populus deltoids is an important commercial timber species used
for saw-timber, veneer and pulpwood in China. The fast-growing character of P. deltoids has been
remarkable for a long time. It is well known that the developmental inherent rhythm occurs during the
development of secondary vascular tissue. Synchronously, the cell ergastic substance shows dy-
namic changes. Using electronic microscopy and cytochemical methods, we studied the distribution
changes of the cell ergastic substance and development of secondary vascular tissues. Development
of secondary vascular tissue took on an inherent rhythm, showing alternation of dormant and differ-
entiated stages in periodicity of one year, and the formation of secondary phloem and xylem was
alternate. In earlier stages, the protein and lipid decreased first. Then the starch grain disaggregated.
The accumulation of starch grain, protein and lipid was the least during the development stage of
vascular tissue. In the dormant stage, starch grain appeared at the beginning; later on, the accumula-
tion of protein and lipid increased enormously. The distribution of cell ergastic substance was closely
related to the developmental inherent rhythm of secondary vascular tissue.
Key words Populus deltoids, vascular tissues, inherent rhythm, cell ergastic substances
2632006 尹增芳 等: 美洲黑杨次生维管组织发育的内在节律性与细胞内含物的动态变化
杨树是世界中纬度平原地区栽培面积最
大、木材产量最高的速生用材树种之一, 多年
来, 科技工作者在世界范围内对杨树进行了栽
培、杂交育种与遗传改良等方面的应用和基
础性研究。迄今为止, 有关杨树维管组织发育
的研究已取得了长足的进展, 但对杨树次生维管
组织发育过程的内在节律性的研究资料较少(尹
增芳和樊汝汶, 2000)。美洲黑杨生长于亚热带
和温带地区, 其维管形成层在春季恢复活动, 夏
末秋初进入休眠。在此过程中, 美洲黑杨次生
木质部和次生韧皮部细胞的超微结构及其内含
物发生了动态的变化, 并且周而复始形成了一个
有规律的循环。本项研究以美洲黑杨(Populus
deltoids)为实验材料, 系统地研究了次生维管组
织发育的内在节律性及其细胞内含物的动态变
化, 旨在为林业生产和植物发育生物学研究提供
基础理论资料。
1 材料与方法
1. 1 实验材料
实验材料选自南京林业大学校园苗圃内9
年生美洲黑杨(Populus deltoids)(Ⅰ-69)1～2年
生的健康枝条, 分别于第 1年 12月、第 2年 1
月和 2月各采样一次, 自 2月 21日起每隔 5天
采样一次, 7月底至12月每隔半月采样一次。2
次重复固定取样。
1. 2 电镜样品制作
采集1年生和2年生枝条, 切取1年生枝条
第5或10节间, 2年生枝条第5节间中部约0.7
mm×0 .5 mm, 投入0.5 mol.L-1二钾砷酸钠缓
冲液配制的6%的戊二醛固定液中, 于4℃下预
固定2小时, 取出后切去材料边缘部分, 分割成
0.2 mm×0.35 mm的小块材料, 然后放入同样浓
度的戊二醛固定液中, 4℃下(或常温)固定4～6
小时左右, 0.5 mol.L-1二钾砷酸钠缓冲液冲洗3
次(清洗第2次时过夜), 然后用0.1 mol.L-1的锇
酸固定液在4℃下(或常温)后固定4～5小时, 经
缓冲液冲洗后, 梯度乙醇脱水, 环氧丙烷过渡,
Epon812包埋, LKB-V型切片机切片, 醋酸铅-双
氧铀染色, H-600型透射电镜观察拍照。
1. 3 细胞化学制样观察
采用常规透射电镜样品制作法, 用LKB-V
型切片机半薄切片, 切片厚约1～2 mm, 切片染
色参照胡适宜和徐丽云(1990)的方法, 采用PAS
反应-萘酚黄对染或PAS反应-苏丹黑B -萘酚
黄三重染色。另外, 还用PAS反应和萘酚黄单
独染色作为对照。
2 观察结果
2.1 美洲黑杨次生韧皮部发育与活动
观察 4月初美洲黑杨侧枝的横切面, 发现
筛板上胼胝质已降解消失, 表明在芽萌动时筛管
分子已出现活跃状态(图1A)。4月～11月为筛
管分子的分化期。10月下旬, 维管形成层区细
胞已进入休眠状态, 这时仍可观察到筛管母细胞
分裂分化形成筛管和伴胞。在11月12日的材
料中, 观察发现次生韧皮部有功能(在电镜下观
察发现筛管内具有原生质体)的筛管为 4层左
右, 而在11月26日的材料局部只有1层, 并且
筛管的筛板上也开始积累胼胝质, 表明筛管进入
休眠状态。形态学观察结果表明, 美洲黑杨在
11月12日前后叶脱落率为80%左右; 11月26
日树叶全部脱落, 表明筛管分子功能的保持与叶
的脱落有一定关系。
2.2 美洲黑杨次生木质部的发育与活动
与次生韧皮部相比, 次生木质部母细胞的
活动启动时间较迟。从图 1A可见, 在次生韧
皮部母细胞内物质开始降解时, 靠近次生木质部
的衍生细胞的细胞内物质的电子密度较高, 表明
细胞内贮存物质尚未开始降解, 直至4月中旬次
生木质部母细胞才开始分化。在维管形成层
细胞活动期, 常常可以观察到靠近次生韧皮部的
筛管分子已分化成熟, 筛管分子的细胞壁较厚,
而次生木质部母细胞刚刚形成, 其细胞壁非常薄
(图1B), 表明维管形成层细胞交替产生次生木质
部和次生韧皮部。在春夏季节次生木质部母
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细胞分化形成的导管腔径较大, 而夏末秋初导管
的腔径很小, 特别是在秋末, 次生木质部母细胞
大多分化形成木纤维细胞。在9月初即可发现
次生木质部母细胞内开始沉积脂类物质, 说明在
9月初次生木质部分子逐渐停止分化(图 1C)。
2.3 细胞内含物的动态变化
在维管形成层周期性变化以及次生维管组
织分化过程中, 美洲黑杨茎部维管组织及其贮藏
组织细胞的内含物也发生规律性变化。4月初
维管形成层开始恢复活动, 此时观察美洲黑杨茎
图 1 美洲黑杨次生维管组织的分化及其内含物的分布
A. 茎的纵切面, 示 4月上旬维管形成层细胞(Vc)、次生木质部(Xy)和次生韧皮部(Ph)的筛管(St); B. 茎
的横切面, 示维管形成层细胞(Vc)次生木质部(Xy)和次生韧皮部(Ph)细胞; C. 茎的横切面, 示 9月上旬的
维管形成层(Vc)及其衍生细胞; (A~C, Bar=2 mm) D. 茎的横切面, 示4月上旬维管形成层细胞(Vc)次生木
质部(Xy)和次生韧皮部(Ph)细胞内的淀粉粒(G)及蛋白质(P); E. 茎的横切面, 示4月中旬维管形成层(Vc)、
次生韧皮部(Ph)和次生木质部(Xy)中淀粉粒、蛋白质和脂粒的分布。(D和 E, Bar = 0.25 mm)
Fig.1 The differentiation of secondary vascular tissues and distribution of cell ergastic substances in Populus
deltoids
A. Longitudinal sections of stems, showing vascular cambium (Vc), secondary xylem (Xy), and sieve tube (St) in
secondary phloem (Ph) (A-C, Bar=2 mm); B. Transverse sections of stems, showing vascular cambium, second-
ary xylem, and secondary phloem; C. Transverse sections of stems, showing vascular cambium and its derivative
cells in the first ten-days of September; D. Transverse sections of stems, showing protein and starch grain in the
cell of vascular cambium, secondary xylem, and secondary phloem; E. Transverse sections of stems, showing
protein, lipid and starch grain in the cell of vascular cambium, secondary xylem, and secondary phloem in the
middle ten-days of April. (D and E, Bar = 0.25 mm)
2652006 尹增芳 等: 美洲黑杨次生维管组织发育的内在节律性与细胞内含物的动态变化
的横切面, 可见皮层、初生韧皮部、次生韧皮
部薄壁细胞及次生木质部射线细胞内均有大量
紫红色的淀粉粒存在, 而维管形成层区淀粉粒的
数量较少, 只在射线原始细胞中观察到少量淀粉
粒的存在。蛋白质大量存在于皮层薄壁细胞
中, 韧皮部薄壁细胞也含有一定量的蛋白质, 尤
以韧皮射线和筛管及伴胞细胞内蛋白质的含量
最多。在维管形成层区, 靠近次生木质部的衍
生细胞也含有一些蛋白质类的物质, 因此这些细
胞的细胞质呈黄色, 而纺锤状原始细胞的含量最
少。脂类物质的含量较少, 在皮层和韧皮部细
胞中仅能观察到少数黑色的脂粒。靠近维管
形成层区次生木质部中的木射线细胞内尚含一
定量的脂类物质, 远离维管形成层的木射线细胞
中含有大量的淀粉和蛋白质, 几乎观察不到脂类
物质的存在(图 1D)。4月中旬, 美洲黑杨维管
形成层进入旺盛活动期, 这时皮层细胞中蛋白质
的含量减少, 脂类物质增多, 淀粉粒依然存在(图
1E)。上一个生长季形成的次生韧皮部薄壁组
织以及韧皮射线内依然存在蛋白质、淀粉粒
和少量的脂类物质, 而新形成的韧皮射线及韧皮
部薄壁细胞内淀粉粒的体积较小, 含量也较少。
维管形成层区细胞几乎不含淀粉粒和脂类物质,
只是在射线原始细胞区有极少量的淀粉粒及蛋
白质类物质存在。次生木质部射线及木薄壁
细胞内依然含有大量的淀粉粒以及少量蛋白质
和脂类物质, 而新形成的导管和木射线细胞内几
乎无淀粉粒及脂粒出现。4月下旬, 美洲黑杨
茎横切面上几乎观察不到淀粉粒的存在, 但在皮
层和韧皮部细胞中发育形成了一些丹宁细胞。
观察此时茎的纵切面, 发现筛管旁的伴胞以及韧
皮射线细胞内尚存在一些蛋白质类的物质(图
2A), 维管形成层层数多达 7～9层。从 5月至
6月底, 一直持续这一状态(图2B, C)。7月上旬,
茎中靠近韧皮纤维的皮层细胞有少量的淀粉粒,
韧皮部薄壁细胞内也有少许淀粉粒出现。7月
底, 皮层及韧皮部淀粉粒的含量增加, 新形成的
韧皮部细胞内的淀粉粒较小, 失去功能的筛管周
围薄壁细胞中有脂粒出现, 远离维管形成层的木
射线细胞内积累了一些淀粉及脂类物质, 靠近维
管形成层的木射线细胞内只含淀粉粒, 新形成的
木射线细胞内具可溶性多糖。9～10月淀粉粒
的含量减少, 11月中旬淀粉粒明显增加, 维管形
成层及其附近的组织细胞内出现脂类物质的积
累。11月底, 美洲黑杨茎的皮层、韧皮部、
维管形成层及其附近的木射线细胞沉积了一些
蛋白质类的物质(图2D)。12月中旬, 蛋白质的
含量增加, 尤其是皮层和韧皮部薄壁组织内蛋白
质的含量增加较多(图2E)。12月底, 维管形成
层及韧皮薄壁细胞内沉积了大量蛋白质。此
时, 木射线细胞内蛋白质的含量较少, 而且充满
了大量的淀粉粒(图 2F)。翌年的 1至 2月, 皮
层和韧皮部积累的物质以淀粉粒和蛋白质为主,
而维管形成层及木射线和木薄壁细胞内则以淀
粉和脂类物质的沉积为主(图 2G)。3月份, 美
洲黑杨茎内蛋白质及脂类物质减少, 而淀粉的含
量增加。
3 讨论
3.1 次生维管组织发育的内在节律性
许多有关松柏类和少数被子植物的研究结
果表明, 春天树木恢复生长时, 首先是越冬时停
止活动的次生韧皮部母细胞或次生木质部母细
胞发生分裂, 随后维管形成层原始细胞才发生分
裂, 2～3周以后, 分裂达到高峰(崔克明,1993), 但
此后先产生韧皮部或是先产生木质部, 还是同时
产生两种组织, 随树种而异。构树(崔克明等,
1993)、葡萄(Davis et al.,1970)和椴树(Evert,
1962)等树种是春季同时形成次生木质部和次生
韧皮部。崔克明等(1992)研究发现欧洲赤松每
年春季维管形成层活动伊始, 首先向外形成次生
韧皮部, 3～4周后次生韧皮部形成减少时才开
始形成次生木质部, 当夏末次生木质部形成减少
时又开始形成次生韧皮部。美洲黑杨与欧洲
赤松相似, 4月初靠近次生韧皮部的维管形成层
衍生细胞首先分裂形成筛管分子和伴胞等次生
266 23(3)
韧皮部细胞, 随后次生木质部母细胞才分化形成
次生木质部细胞。
3.2 次生维管组织分化形成时间及寿命
美洲黑杨次生木质部和次生韧皮部分化的
起始时间有差异, 通常状况下次生韧皮部首先分
化形成, 次生木质部约 1周后才开始分化。在
9月初次生木质部细胞停止分化, 而次生韧皮部
细胞继续分化, 一直延续到11月底。与温带生
长树木一样, 美洲黑杨冬季不具备有功能的筛
管, 而热带生长的黄檀属(Dalbergiabalansae)植
2672006 尹增芳 等: 美洲黑杨次生维管组织发育的内在节律性与细胞内含物的动态变化
物形成层于4月末开始分裂, 11月初停止活动,
韧皮部11月初完成分化, 木质部到12月才完成
分化(崔克明, 1993; 张振钰等, 1994)。美洲黑
杨11月中旬具有活动功能的筛管尚有4层左右,
而在下旬具有功能的筛管只有1层, 仅存的1层
筛管分子的筛板上也沉积了胼胝质, 说明筛管分
子的寿命与北温带的树种相同, 仅有几个月的生
命周期。每一年最后形成的筛管分子在冬季
进入休眠状态, 可以保持生命力直到第二年春季
维管形成层重新恢复活动。多数筛管分子在
发育的中期即已进入休眠状态, 在第二年春季维
管形成层恢复活动后, 这些筛管分子首先分化形
成成熟筛管, 运输展开的叶所合成的有机光合产
物。秋季筛管分子失去功能与叶的脱落有关,
当美洲黑杨叶完全脱落后, 筛管分子失去运输功
能从而转入休眠状态。次生木质部细胞分化
过程延续的时间较短, 在一年中只有 5个月左
右, 而次生韧皮部筛管分化延续的时间较长, 有
7～8个月之久, 笔者推测其分化时间差异可能
与成熟的筛管和导管分子的寿命长短相关。
3. 3 维管组织分化过程中细胞内含物的动
态变化
迄今为止, 已有大量的文献报道了维管组
织发育过程中细胞内含物淀粉的消长(Fisher
and Hou, 1992a, 1992b), 崔克明等(1995)研究了
构树维管形成层活动周期内淀粉贮量的动态变
化, 发现9、10月一些薄壁组织开始积累淀粉,
11月中旬开始减少, 11月底完全消失, 直到翌年
的1月中旬才又出现淀粉的积累。与构树不同,
美洲黑杨4月初各种组织内积累的淀粉开始消
失, 5、6、7三个月内各种薄壁组织基本不含
淀粉粒。7月下旬至 8月初, 薄壁组织中开始
积累淀粉, 9、10月, 贮藏的淀粉开始降解消失,
11月各种薄壁组织中又开始积累淀粉。11月
中旬以后, 淀粉粒明显增大, 一直到翌年3月都
维持这种状态。关于淀粉粒动态变化的生理
作用, 目前有两种解释, 一种以 Fischer和Holl
(1992a, 1992b)以及Essiamahn和Eschrich (1985)
为代表, 认为生长季后期积累的淀粉到了休眠期
开始又消失与植物抗寒性的提高有关; 另一种
观点则认为, 淀粉的消失与树木从生理休眠到被
动休眠的转化有关(崔克明等, 1995)。笔者更倾
向于第一种解释, 并推测至少在美洲黑杨中, 生
长后期积累的淀粉快速消失可能与形成层从活
动期到休眠期的转化期间抗寒性的提高有关。
另外, 9月初美洲黑杨次生木质部分子已停止分
图 2 美洲黑杨维管组织细胞内含物的动态变化
A. 茎的纵切面, 示 4月中旬茎内蛋白质(P)及脂类(L)的分布; B. 茎的横切面, 示 6月茎中几乎无淀粉粒分
布; C. 茎的横切面, 示4月中旬茎内蛋白质及脂类的分布; D. 茎的横切面, 示11月中旬次生木质部及次生
韧皮部中淀粉粒(G)、蛋白质(P)及脂类物质(L); E. 茎的横切面, 示 12月中旬次生木质部及次生韧皮部中
蛋白质(P)及脂类物质(L); F. 茎的纵切面, 示 12月底次生木质部及次生韧皮部中淀粉粒(G)、蛋白质(P)
及脂类物质(L); G. 茎的横切面, 示 1月中旬次生木质部及次生韧皮部中淀粉粒(G)、蛋白质(P)及脂类物
质(L)。(Bar = 0.25 mm)
Fig. 2 The dynamic changes of cell ergastic substances of secondary vascular tissues in Populus deltoids
A. Longitudinal sections of stems, showing distribution of proteins (P), and lipids (L) of stems in the first ten
days of April; B. Transverse section of stem, showing the stem on June, there is no protein, lipid and starch grain
in the cell; C. Transverse sections of stems, showing protein and lipid of the stem in the middle ten-days of April;
D. Transverse sections of stems, showing lipid, protein and starch grain (G) in the cell of secondary xylem and
phloem in the middle ten-days of November; E. Transverse sections of stems, showing lipid and protein in the cell
of secondary xylem and phloem in the middle ten-days of December; F. Longitudinal sections of stems, showing
lipid and starch grain in the cell of secondary xylem and phloem in the end of December; G. Transverse sections
of stems, showing lipid, protein and starch grain in the cell of secondary xylem and phloem in the middle ten-days
of January. (Bar = 0.25 mm)
→
268 23(3)
化, 而次生韧皮部筛管分子仍然在分化, 发育中
的筛管分子不仅消耗大量的有机养分, 而且有功
能的筛管分子尚能快速运输叶的光合产物至植
物体的其他部位。11月中旬淀粉积累增加, 这
时叶已脱落80% , 具功能的筛管分子数量减少,
不能及时转运有机物质, 所以薄壁组织内淀粉开
始积累。至11月底叶全部脱落, 筛管分子功能
丧失, 这时淀粉积累增加, 因此笔者推测冬季美
洲黑杨茎组织内淀粉粒的大大增加与筛管分子
功能的丧失也有很大的关系。
与其他杨树维管组织蛋白质和脂类的动态
变化资料相似(尹增芳和樊汝汶, 2000), 美洲黑杨
茎内蛋白质和脂类与淀粉类可能是贮藏组织细
胞内含物的不同表现形式。在维管组织发育
初期, 蛋白质和脂类物质首先减少, 然后才是淀
粉粒的消失, 而在休眠期开始时, 首先是淀粉粒
出现, 继而是脂类物质增加及蛋白质的积累。
至休眠期, 尤其是筛管分子丧失功能后, 蛋白的
积累大量增加, 极有可能大量的多糖类物质进一
步转化而形成脂类和蛋白质, 这三类物质相互转
变过程与次生维管组织发育的节律性是密切相
关的。特别值得注意的是, 在维管组织发育过
程中, 维管形成层区细胞特别是纺锤状原始细胞
以脂类和蛋白质作为重要的贮藏物质, 淀粉粒的
含量极少, 这一现象所包含的生理学意义值得进
一步研究。
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(责任编辑: 于昕)