树木的形成层细胞通过分裂和分化过程形成次生木质部细胞，次生木质部细胞的形态在很大程度上由形成层细胞的尺寸以及分化过程中发生的发育学变化所决定(Ridoutt et al., 1993)。形成层细胞随着树木的直径和高度及季节不同也会发生变化(Iqbal，1994；1995；殷亚方等，2001；2002)，从而影响了次生木质部分化的速度和持续时间以及木质部细胞的形态，最终导致木材产量和性质的不同。以往木材解剖学的研究重点主要是针对已经形成的木材(次生木质部)本身的变异规律(鲍甫成等，1997；姜笑梅等，2002)，而并未涉及与木材形成密切相关的形成层细胞的特点及其动态变化对木材形成的影响。国外已有关于形成层细胞与其衍生木质部细胞相互关系的研究，但多集中在热带树种(Ridoutt et al., 1993;Venugopal et al., 1987)或针叶树种(Antonova et al., 1993；1995;Riding et al., 1984)，而对于暖温带阔叶树种，系统阐述形成层活动期内形成层细胞与其衍生木质部细胞解剖特征之间动态变化关系的研究开展得很少，目前国内还未见探讨两者间相互关系的报道。本文主要从组织水平上，分别对处于活动期不同阶段的形成层细胞及其衍生木质部细胞的解剖特征进行比较，分析两者之间的相关性，并讨论形成层活动对木质部细胞分化的影响，从而将两者有机结合起来，为从木材生物形成的角度控制木材性质、实现木材定向培育提供更直接的科学依据。

1 材料与方法 1.1 材料

在中国林业科学研究院院内选择树龄约为30 a的雄性人工林毛白杨(Populus tomentosa)。每次取材时选择3株树，每株树各取2根长约20 cm的3~4 a生健康枝条，每批共计6根，立即放入-20℃冰箱中保存。根据对已有的研究结果(殷亚方等，2002；Yin et al., 2002)，1999年毛白杨形成层细胞的活动期为4月21日到9月18日。在此期间取样共计9批，由于前2批试验材料中所形成的木质部细胞很少，直到第3批(5月28日)的材料才出现次生壁开始加厚的木质部细胞。为便于测量，本文选取了第3~9批的试验材料(表 1)，另选取部分处于形成层活动休眠期的试验材料(1999年11月22日)，用于木材微密度的测定。

1.2 方法

轻轻剥去枝条皮，在刚分化形成的木质部区域切取80~100 μm的弦向厚切片，经体积比为1:1的过氧化氢和冰醋酸混合液离析。采用Olympus VM-60N图像测量系统，分别测量每个样本木纤维细胞的长度(随机测50根)、宽度(随机测25根)和导管分子长度(随机测50根)。另不经过番红染色，采用偏光显微镜测量木纤维的微纤丝角(随机测25根)。

在每批材料中随机选取3根枝条，FAA固定，用滑走切片机切取包括韧皮部、形成层和木质部的切片，厚度为15~20 μm，番红染色。采用Q-570图像分析仪，按木材定量解剖常规方法，在紧贴着形成层带的木质部区域分别测出组织比量、导管分子弦向直径、胞壁率和导管分布频率。

从上述方法中选取的切片上，采用Olympus VM-60N图像测量系统测定形成层纺锤形细胞(FI)的径向宽度(R-width)(随机测100个·片^-1)和弦向宽度(T-width)(随机测100个·片^-1)。形成层细胞层数数据殷亚方等(2002)的试验结果。

以上所得数据用Excel进行处理。

选择枝条小段，除去树皮，沿径向锯出厚度为1 mm的径向小片，干燥后使其再达到平衡含水率(湿度68%，温度25℃)。试样置于X射线微密度测定仪(MWMY型，⁵⁵Fe为放射源)的样品台上，以0.1 mm的扫描步距沿径向从树皮到髓心方向测定木材密度。标定的质量衰减系数为18.84。

2 试验结果 2.1 活动期形成层细胞解剖特征随时间的变化

对活动期不同阶段形成层细胞解剖特征的测量数据进行统计分析，得到它们的平均值和标准差，具体结果见表 1。形成层带细胞层数在8月18日以前基本保持稳定，到8月下旬开始不断减少，至活动期末期为最小值3.53层；FI的径向宽度在8月初达到最大值5.11 μm，随后持续减小直到活动期末期；FI的弦向宽度在8月4日达到最大值15.67 μm，随后呈现逐渐减小的趋势，直到活动期末期。方差分析显示，活动期不同阶段FI的径向和弦向宽度差异不显著(P > 0.1)。

2.2 活动期木质部细胞解剖特征随时间的变化

对刚分化形成的木质部细胞的各项测量数据进行统计分析，得到它们的平均值和标准差，具体结果见表 2。为更好的分析结果，部分指标绘出变化曲线如图 1~5所示。

纤维长度在活动期后期比前期要长，8月18日出现最低值466.7 μm，随后持续增加至活动期结束达到最大值543.5 μm，纤维长度最大与最小值相差76.8 μm(图 1、表 2)；纤维宽度从开始不断增加，8月4日达到最大值15.63 μm，随后持续减小，到活动末期的纤维宽度为最小值13.06 μm，与最大值相差2.57 μm(表 2)；纤维长宽比在8月18日之前基本保持稳定，随后不断增加至活动期末期达到最大值41.42，是最小值的1.36倍(表 2)；纤维壁腔比刚开始小于0.35，但在整个活动期基本保持持续增加的趋势，到8月27日以后急剧增大(P < 0.05)，至活动期末期达到最大值0.789，是最小平均值的2.52倍(图 3、表 2)。

微纤丝角的变化趋势与纤维长度几乎相反，6月28日以后纤维长度增加时，微纤丝角减小，随后纤维长度逐渐减小至8月18日为最小值，而微纤丝角不断增加到8月18日为最大值19.22°，随后纤维长度持续增加而微纤丝角则不断减小直至活动期末期，微纤丝角的最大和最小值相差5.35°(图 2、表 2)。

导管分子长度在整个活动期不同阶段的差异不显著(P > 0.1)；导管分子弦向直径在5月28日为最小值31.35 μm，6月28日达到最大值39.28 μm，随后逐渐减小至活动期末期；导管分布频率在5月28日为最大值114.17 N·mm^-2，随后持续减小至活动期末期，最大值是最小值的1.77倍(图 4、表 2)。

各类型细胞的组织比量在8月27日之前的变化不是很大，8月27日以后，导管比量显著减少(P < 0.01)，而纤维比量显著增大(P < 0.05)，射线比量略有增加；胞壁率在8月27日以后，随着纤维比量的增大而显著增加(P < 0.05)，最大值达到66.78%(图 5、表 2)。

单因素方差分析显示，在活动期各个阶段，纤维长度、纤维宽度、壁腔比、微纤丝角、导管分布频率和胞壁率差异极显著(P < 0.01)；导管组织比量差异显著(P < 0.05)；导管分子长度、纤维比量和射线比量差异不显著(P > 0.1)。

2.3 形成层细胞与其衍生木质部细胞解剖特征的关系

对以上获得的形成层细胞及其衍生木质部细胞解剖特征的数据进行相关分析，具体结果见表 3。一元线性相关分析结果表明，形成层带细胞层数与纤维长度、纤维长宽比和壁腔比呈极显著负相关，与纤维宽度呈显著正相关；形成层纺锤形细胞的径向宽度与纤维长度、纤维长宽比和射线比量呈显著负相关：形成层纺锤形细胞的弦向宽度与纤维宽度呈显著相关。

2.4 同一生长轮内的木材密度在径向方向上的变化

以X射线微密度仪测出的各样品在同一生长轮内的木材密度变化趋势基本一致，图 6示2个不同样品所测的一个完整活动期形成的木材密度分布曲线。样品1为紧贴树皮的形成层活动后期分化形成的晚材，样品2为靠近髓心的活动期前期产生的早材。样品1、2中活动期不同阶段形成的木材密度变化幅度分别为0.467~0.703 g·cm^-3、0.409~0.642 0 g·cm^-3。总的看来，生长轮界附近密度有较明显的变化，在临近末期形成的木材密度有明显的提高，所以生长轮界限比较明显。图 6中2.6 mm和2.5 mm处及其附近区域分别代表上一活动期末期形成的晚材位置。生长轮内从早材到晚材的变化虽然有一定的波动，但比较平缓，早晚材界限不明显。

3 讨论 3.1 形成层细胞的变化

无论是温带树种还是热带树种，其形成层的活动强度和持续时间取决于树种本身以及与树木生长密切关系的环境因子(Fahn et al., 1990；Venugopal et al., 1987)。大多数树木次生组织的分化活动与形成层区域的IAA水平变化有关(Fahn et al., 1990)；而温度和光照期是影响木质部产物及其产量的重要因素(Waisel et al., 1965)，它们可能通过控制芽的萌发来影响形成层的活动及其衍生细胞的类型。形成层的活动还同主干组织的水分供应有关(Rao et al., 1999)。总之，形成层的活动方式是各种内部和外部因子共同作用的结果。

整个形成层带的结构随着受季节变化影响的形成层细胞的尺寸和不同细胞类型相互之间比例的改变而发生变化。研究显示，活动期不同阶段毛白杨枝条材形成层纺锤形细胞的数量和尺寸都有一定的变化，总体上看，处于活动期后期特别是邻近末期的细胞，无论是数量还是尺寸大小都要比活动期前期的细胞减小。这与对菩提树(Ficus religiosa)等其它树种的研究结果基本一致(Siddiqi，1991；Paliwal et al.，1990)。毛白杨纺锤形细胞径向和弦向宽度在6月底的减少，可能是由于这一时期平周分裂和垂周分裂频率有所增加的结果。

3.2 木质部细胞的变化

对温带树种来说，一个形成层活动周期内形成的木质部细胞，构成了树木的一个生长轮。在一个生长轮内木质部细胞解剖特征的变化，也反映了形成层细胞分化和所产生的细胞在一定季节生长过程中的变化。

过去对于针叶树种同一生长轮木质部细胞的变化研究得较多。总的趋势是由早材向晚材管胞长度增长；管胞的径向直径在整个生长轮内的变化趋势与管胞长度相反，自早材向晚材方向减小；胞壁厚度的变化趋势与管胞长度一致(周崟等，1994)。

阔叶树种由于木质部细胞类型较多，而且导管分子在木质部中具有不同的分布方式，所以变化方式较针叶树种复杂。阔叶树种的环孔材，其早材通常具有成行的大型导管分子，晚材的导管分子则显著减小，在散孔材中由早材到晚材可能出现的管孔逐渐减小或管孔数量明显减少(成俊卿，1985)。通过对散孔材毛白杨枝条材木质部细胞形成过程的动态观察和分析，可以发现其由活动期前期向后期变化过程中，尽管单个导管分子的长度变化不显著，但导管分子的弦向直径和导管的分布频率都逐渐减小，尤其是导管分子的数量到生长末期明显比早期减少，而且导管比量也明显减少。对于阔叶树生长轮内木纤维的形态变化，大多数的研究主要集中在纤维长度上。对于不具明显生长轮的树种，其纤维长度变化不明显，而具明显生长轮的树种其纤维变化趋势大致与针叶树种的管胞相似(成俊卿，1985)。毛白杨木纤维长度的变化趋势同针叶树管胞的变化，尽管在8月中旬有明显减小，但整个活动期的趋势是由小逐渐增大。

活动期内的纤维长宽比、壁腔比、纤维比量和胞壁率由前期到后期的变化趋势是逐渐增加，对于纤维比量和胞壁率的增加也可以通过导管分子的弦向直径和导管分布频率的减小以及壁腔比的增加来互相印证。纤维宽度在8月中旬达到最大值后便持续减小，这也是导致纤维长宽比不断增加的直接因素。

一个生长轮内木材密度的径向变异与不同阶段形成的木质部细胞类型、数量和分布密切相关。胞壁率在临近活动末期的增加(图 5)直接导致了木材密度的明显增大；而壁腔比的增大(图 3)和导管分布频率减小(图 4)是胞壁率增加的重要原因。已有的研究结果(殷亚方等，2002)表明，木质部细胞迅速增加的主要阶段是5月28日到8月18日，到8月下旬以后，细胞总数的增加非常缓慢。而本文的结果显示，直到8月下旬以后影响木材密度变化的木质部细胞解剖特征才发生显著变化，这也直接导致了木材密度只是在靠近树皮位置的较小区域内的明显增大，树木正是通过形成层细胞活动方式的变化，改变了木质部中各种类型细胞在空间上的不同排列方式，最终影响了包括木材密度在内的各种木材性质。

3.3 形成层细胞及其衍生木质部细胞的关系

适宜的遗传育种方法或栽培措施可以使木材的产量和质量得到有效地提高，这一点对于针叶树种尤为明显(鲍甫成等，1997)。但是已有的试验结果并不能表明阔叶树种的木材性质直接与树木生长环境因子的变异之间存在明确的关系(Zobel et al., 1989)，因此要想提高其木材的材性就应当考虑通过深入了解木质部细胞产生的过程来实现(Ridoutt et al., 1993)。

对于热带阔叶树种，已有许多研究比较了形成层纺锤形细胞及其衍生的木质部细胞形态特征之间的关系，大多数结果显示形成层纺锤形细胞长度与木纤维长度在不同高度上或随季节性的变化时两者之间一定的正相关性(Venugopal et al., 1987；Ridoutt et al., 1993；Antonova et al., 1995)。尽管阔叶树种中形成层纺锤形细胞长度的变化是影响木纤维长度变化的重要因素，但对于两者的正相关性并没有在所有的研究中得到很好的建立。Khan等(1981)在对小花羊蹄甲(Bauhiniaparvifiora)的研究中认为形成层纺锤形细胞的长度与木纤维长度并没有相关性。除了形成层纺锤形细胞本身长度可能在一定程度上决定了纤维长度外，纤维分化过程中锐端生长程度的差异也是影响纤维长度的重要因素。而对于暖温带阔叶树种，过去的研究主要对不同生长轮间木材性质的变异进行了大量分析，即使在对同一生长轮内木质部细胞变化讨论时，也只是提到与形成层细胞的变化有关，但到底存在何种关系，并未有更进一步的说明(成俊卿，1985；周崟等，1994)。

本文对毛白杨枝条材的研究结果表明，活动期形成层纺锤形细胞的层数与木纤维的大部分形态特征(纤维长度、纤维宽度、纤维长宽比和壁腔比)都呈显著相关性，这说明木材形成过程中可能存在一种调节方式，即树木通过改变具有分裂能力的形成层细胞数量来调节所分化形成的木纤维的形态特征。另外，通过形成层带细胞层数与纤维长度、纤维长宽比和壁腔比极显著负相关，以及对显微结构的观察结果(殷亚方等，2002)，显示形成层在活动旺盛的活动期前期，尽管产生了大量的木纤维细胞，但单位体积内形成的细胞壁物质并不多，可能正是这种机制保证了此阶段整个树木的营养供应能力可以同时满足形成层细胞的分裂活动和木质部细胞大量形成的需要。与此相反，到活动期后期，随着形成层自身分裂活动的减弱，尽管产生的木质部细胞减少，但随着纤维比量和纤维壁腔比等指数的增大，单位体积内的细胞壁物质明显增加。毛白杨同一生长轮内木材密度径向变异的试验结果进一步说明了这一点。这些结果还表明树木可能主要是通过对形成层本身的活动方式以及木质部细胞的不同分化方式来维持整个树木生长过程中的动态平衡。

形成层纺锤形细胞的径向宽度可能在很大程度上决定了其在随后向木质部细胞分化过程中的径向伸展程度。但是否木质部细胞的径向膨大会直接影响其轴向伸长过程，还不得而知。不过根据形成层纺锤形细胞的径向宽度与纤维长度、纤维长宽比呈显著负相关的结果，似乎表明了这种影响的存在。

表 3中的相关分析显示形成层纺锤形细胞的弦向宽度与纤维宽度呈显著正相关。根据对毛白杨显微结构以及对木质部细胞分化过程中超微结构的观察¹⁾，可以发现尽管木纤维细胞在分化过程中通常不发生显著的弦向伸展，而主要发生了径向伸展生长，但成熟木纤维的最大宽度还是在弦向方向上，这说明木纤维的最大宽度应该与形成层纺锤形细胞的弦向宽度密切相关，数据分析结果(表 3)正好也印证了观察结果。同时对几种热带树种的研究结果表明，垂周分裂的出现通常比平周分裂要晚，而垂周分裂的高峰期是在平周分裂的减少阶段(Venugopal et al., 1994)。同样对于毛白杨，在活动期后期，可能随着形成层细胞平周分裂的减弱，细胞层数减少，同时由于垂周分裂频率的不断增加，因此形成的纺锤形细胞的弦向宽度开始减小，而直接导致纤维宽度的减小。纤维宽度与形成层带细胞层数及其弦向宽度旱正相关的结果也表明了这一点。

1) 殷亚方.毛白杨的形成层活动及其木材形成的组织和细胞生物学研究.中国林业科学研究院博士学位论文，2002

4 结论

在整个形成层活动期内，毛白杨枝条材木纤维的解剖特征与形成层纺锤形细胞的特征具有更为直接的关系，而导管分子与形成层纺锤形细胞特征的关系则不如木纤维那样明显，这可能是由于导管分子的形态在分化过程中变异性比较大的缘故。

尽管木质部各类型细胞是由形成层细胞分化而来，细胞形态之间可能存在一定程度的相互关系，但整个木材的形成是一个极其复杂的过程，形成层细胞不同分裂方式的发生和纺锤形细胞向射线原始细胞转化的比例，以及木质部细胞分化过程细胞径向膨大、轴向生长和不同细胞之间的相互作用等等因素都会影响最后形成的木材性质。本研究只是研究了枝条部位材料的变化情况，尽管同一树种的不同部位其木质部细胞特征都是由遗传因素决定，但由于生长树龄、部位和生长环境的差异可能会影响形成层细胞及其衍生木质部细胞相互关系的变化。因此下一步可以用主干为实验材料开展类似的研究，并通过与现有的研究结果进行对比，比较两者之间是否存在显著的差异。