厚竹高生長過程中竹稈淀粉粒的變化規律

胡添翼，許婷婷，魏 強，楊光耀，于 芬*

(1 江西農業大學 林學院，南昌330045；2 江西省竹子種質資源與利用重點實驗室，南昌330045；3 南京林業大學竹類研究所，南京 210037)

竹子是世界上生長最快的植物之一，在短時間內快速完成高生長是竹類植物的顯著特征。高生長過程是竹子生長發育的關鍵時期，對竹林生物量的增加有決定性作用。對高生長規律和機制的研究一直是竹類植物研究中的熱點話題。熊文愈等認為竹類植物的節間伸長是由居間分生組織決定的[1]，高生長是由細胞分裂和伸長共同引起的，且細胞伸長是竹子快速高生長的主要原因[2-4]。

淀粉粒是植物體內物質、能量主要的貯存形式，其動態變化與植物的生長狀態密切相關[5]。Wei等對平安竹生長緩慢且節間縮短的機制研究表明這種變異與物質運輸有關[6]。目前有關竹類植物淀粉粒的研究主要針對成熟竹稈。劉波在研究毛竹時發現，薄壁細胞中的淀粉粒在需要時通過胞間連絲輸送到其他細胞中，為細胞壁的加厚和植株的生長發育提供養分[7]。不同稈齡的毛竹竹稈淀粉粒的變化規律也不同，一至四年生毛竹竹稈淀粉粒在休眠期積累較五年生以上的晚，且積累量少，而進入生長期后更早降解，這與不同稈齡毛竹的生長發育特點有關[8]。Wang等發現，云南箭竹中的淀粉粒含量與稈齡和季節相關[9]。王懋林通過對淀粉粒的研究得出慈竹同一節間上部分化時間先于下部[10]。植物的高生長與物質的合成、分解密不可分，而物質代謝情況也能反映植物的生長發育規律，淀粉粒作為貯存物質的場所，了解其變化特點對研究植物的生長發育規律具有重要意義。

竹子快速高生長過程中需要大量物質和能量，但在短時間內物質合成和運輸的機制尚不明確。竹子高生長發育規律整體具有向頂性[11]，單個節間發育為向基性[12]，其物質代謝也存在差異。前人對竹類植物淀粉粒變化規律的研究多集中在不同年齡竹稈中淀粉粒的變化規律，而對淀粉粒在竹子高生長這一關鍵時期的研究還較少。竹類植物淀粉粒的變化規律及其與快速高生長的關系還不清楚。

本研究以毛竹(Phyllostachysedulis)唯一筍材兼優的變異類型厚竹(Ph.edulis‘Pachyloen’)為材料，研究竹子高生長過程中淀粉粒的動態變化規律，通過觀察對比節間不同部位淀粉粒，以及節部淀粉粒含量的變化規律，探討竹子高生長過程中的物質基礎，為進一步揭示竹子快速高生長的機制打下基礎，同時也為竹林經營提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料厚竹分別于2015年3月28日、2015年4月5日和2016年4月21日分批采自江西農業大學竹類植物種質園。采取不同高生長階段的厚竹竹筍，自基部開始至頂部逐節取樣，每節分別切取節間的上部、中部、基部和節部。

1.2 試驗方法

將取好的新鮮材料立即放入50% FAA固定，系列酒精脫水，每級15 min，二甲苯透明后，高效石蠟包埋，在旋轉切片機(Leica RM2235)上連續切片，切片厚度為8 μm，番紅-固綠對染。用Zeiss AXIO熒光顯微鏡，綠光激發光源(帶寬546/12 nm，發射波長575～640 nm)下觀察拍照。通過熒光所在的部位來顯示淀粉粒的分布，熒光強度代表淀粉粒的含量。形態觀察主要用于淀粉粒的分布規律分析，通過ZEN 2 lite(blue edition)軟件，拍攝細胞內淀粉粒熒光2.5D圖，可立體呈現不同區域細胞內淀粉粒的三維分布規律，同時亦可顯示熒光強度，熒光越強，圖中熒光柱越高，淀粉粒越多。再統計分析熒光強度淀粉粒熒光強度的灰度值，將熒光強度轉化為具體數值，淀粉粒的熒光越強，灰度值越大，表示淀粉粒含量越高。

2 結果與分析

在高生長過程中，細胞內淀粉粒的含量不僅隨發育時期變化，也因位置不同而存在差異。

2.1 不同時期厚竹竹稈淀粉粒含量的軸向變化

表1為高生長過程中不同部位淀粉粒熒光強度灰度值，顯示隨著厚竹的增高，薄壁細胞中貯存的淀粉粒含量逐漸減少。分生細胞期具大量分生細胞團，細胞核大且居中，淀粉粒最多(圖版Ⅰ)，熒光強度可達30.388±3.309。節間伸長初期產生節部和節間的分化后，在同一節間中，細胞分化從上至下，淀粉粒分布呈現由上部到基部逐漸增加的趨勢。在伸長初期，節間中上部和基部細胞熒光強度分別為8.298±0.738和20.889±1.923(圖版Ⅱ)。這一時期，節間中上部多數細胞的細胞核仍結構完整居中，僅少數細胞核開始向邊緣移動。基本組織細胞排列整齊，分裂旺盛，細胞數量明顯增加，一些細胞開始伸長；節間基部細胞核絕大多數位于中央，細胞長度沒有明顯變化。在快速伸長期，節間中上部和基部細胞熒光強度分別為5.253±1.656和5.883±2.265，維管束周圍薄壁細胞中的淀粉粒明顯多于其他部位。此時節間中上部大部分基本組織薄壁細胞顯著伸長，長細胞和短細胞分化，而基部細胞伸長仍不顯著(圖版Ⅲ)。在伸長停止期，節間中上部以及基部多數細胞的細胞壁明顯加厚，細胞內容物基本降解。淀粉粒多分布在維管束周圍的薄壁細胞中，靠近節間基部的少數細胞內仍可觀察到少量淀粉粒(圖版Ⅳ)。

在同一節中，節部淀粉粒遠遠多于節間(圖版Ⅴ)。伸長初期和快速伸長期節部薄壁細胞的熒光強度分別為25.639±4.799和20.858±3.846，伸長停止期節部長、短薄壁細胞中仍有少量淀粉粒。韌皮部在分叉處形成的韌皮結分生細胞，韌皮結分生細胞周圍分布較多的淀粉粒。

2.2 不同時期厚竹竹稈淀粉粒含量的徑向變化

在稈壁橫切面上，從外至內，淀粉粒含量減少，靠近竹青部位細胞中的淀粉粒最多。伸長初期，節間中上部靠近竹青的淀粉粒熒光強度最高，為16.787±3.955，靠近竹黃的薄壁細胞熒光強度次之，而這一階段髓細胞內的內容物已逐漸降解，熒光強度較弱。節間基部靠近竹青細胞熒光強度達24.483±3.163，靠近竹黃的為7.998±1.658?？焖偕扉L期，在稈壁徑向上淀粉粒含量變化較大。節間中上部靠近竹青的細胞中淀粉粒熒光強度為14.338±3.188，而靠近竹黃的熒光強度僅為3.192±0.535。節間基部靠近竹青細胞中熒光強度在這一時期較強，為14.147±1.316，靠近竹黃的僅為1.037±0.907(圖版Ⅵ)。

2.3 節隔缺失與淀粉粒含量的變化

節隔缺失的節間縮短，同一竹筍的其他節間外部表現均正常。與同一發育時期的正常節間相比，節間的中上部基本組織細胞的分化程度較低，無顯著伸長，大多細胞核結構完整且居中。整個節間以及節部的淀粉粒含量都較正常的相同部位多(圖版Ⅶ)。

3 討 論

淀粉粒在植物體內的含量和分布變化與植物的發育密切相關。竹類植物的高生長主要是位于節間基部的居間分生組織活動的結果。在厚竹高生長過程中，淀粉粒隨著竹稈的發育逐漸減少。同一節間的不同部位淀粉粒的含量也有差異。同一節間從上至下淀粉粒含量升高，節間基部的淀粉粒最多。淀粉粒的降解順序與節間細胞的發育規律密切相關。竹稈伸長過程中，不同部位的細胞，其發育階段不同。位于竹筍下部的節間先發育，而同一節間的上部細胞發育早于基部[13]。本研究結果也符合節間的這一發育規律(圖1)。

在徑向上，靠近竹青的薄壁細胞中淀粉粒熒光強度更高，而靠近竹黃的淀粉粒熒光強度較低，表明在厚竹的高生長過程中，淀粉粒的降解為從內向外，靠近竹青部位的淀粉粒后降解。這與成竹竹稈內的淀粉粒的動態變化規律較為相似[8]。Deng等對云南箭竹的研究表明，節間內側維管束對水分和同化物的運輸能力高于外側維管束，同化物在徑向上由內向外運輸[14]。本研究結果顯示維管束周圍淀粉粒明顯多于其他部位，在節間停止生長后，維管束周圍仍有少量淀粉粒分布。這反映了竹子高生長發育過程中物質代謝的規律，可能與竹稈內維管束的分布規律有關，在稈壁外側，維管束上下貫通，沒有分支，而靠近竹腔一側，在節部分叉，并形成復雜的網絡結構[15]。前人研究發現維管束與周圍薄壁細胞之間有更多胞間連絲，是節間光合同化物及水分運輸的主要通道，進行旺盛的生命活動[14]。高生長過程中，稈壁不同部位淀粉粒的時空分布差異為進一步探討竹稈快速高生長的物質代謝機制提供了基礎。

表1 不同時期各部位淀粉粒熒光強度灰度值

A. 分生細胞期；B. 伸長初期；C. 快速伸長期；D. 伸長停止期；N. 節部；IN. 節間；VB. 維管束圖1 厚竹高生長過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’

多數研究認為淀粉粒主要貯藏于長細胞中[16]，僅在節部短細胞中發現淀粉粒[8]，但本研究發現在高生長停止后節間和節部的短細胞內仍貯存有淀粉粒。He等對竹稈基本組織細胞研究認為，竹筍階段所有未伸長細胞都可以被看作短細胞，隨著細胞的分化逐漸產生長、短細胞[17]，這一觀點解釋了在成熟竹稈節間的短細胞中未發現淀粉粒而竹筍短細胞中存在淀粉粒的原因。長、短細胞內淀粉粒分布的差異也表明了基本組織薄壁細胞的功能分化。

相對于節間，在高生長過程中，節部的淀粉粒含量始終高于節間。節隔缺失的節部淀粉粒遠多于同一發育時期的正常節，且異常節節間各部位與節部淀粉粒熒光強度相似。節部具有復雜的維管束網絡，是物質橫向運輸的重要部位[18-20]。節隔缺失導致節間伸長停止，主要與物質的交流、運輸有關，也證明了節部可能主要通過控制物質交流、運輸來調控竹子的高生長[21-23]。而與其相鄰的正常節與節間發育均正常，這說明每個節間的伸長活動具有相對的獨立性。

4 結 論

淀粉粒是植物體內物質、能量的主要貯存形式，揭示竹子高生長過程中淀粉粒的時空動態變化規律有助于進一步深入了解竹子快速高生長的物質基礎。本研究系統觀察了厚竹高生長過程中淀粉粒的動態變化規律，分析了淀粉粒變化與厚竹生長發育之間的關系。在厚竹高生長過程中，淀粉粒隨著竹稈的發育逐漸減少。同一節間從上至下淀粉粒含量升高。而在發育過程中，稈壁從外至內淀粉粒逐漸減少。且維管束周圍淀粉粒明顯多于其他部位。淀粉粒的時空動態變化規律與竹稈的發育順序一致。節間的伸長發育具有相對獨立性，節部對于竹子高生長的影響主要與物質運輸有關。