林业科学  2016, Vol. 52 Issue (7): 38-45   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20160705
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文章信息

魏永成, 刘青华, 周志春, 丰忠平
Wei Yongcheng, Liu Qinghua, Zhou Zhichun, Feng Zhongping
不同产脂量马尾松无性系木质部树脂道结构差异
Structural Differences of Xylem Resin Canals among Pinus massoniana Clones with Different Resin Yield
林业科学, 2016, 52(7): 38-45
Scientia Silvae Sinicae, 2016, 52(7): 38-45.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20160705

文章历史

收稿日期:2015-07-09
修回日期:2015-08-30

作者相关文章

魏永成
刘青华
周志春
丰忠平

不同产脂量马尾松无性系木质部树脂道结构差异
魏永成1, 刘青华1 , 周志春1, 丰忠平2    
1. 中国林业科学研究院亚热带林业研究所 富阳 311400;
2. 浙江省淳安县姥山林场 淳安 311700
摘要【目的】 研究不同产脂量马尾松无性系嫩枝、未创伤与创伤树干木质部树脂道结构的差异,为高产脂量无性系的早期选择提供理论依据。 【方法】 以6个不同产脂量马尾松无性系为材料,采用石蜡切片技术,研究和比较其嫩茎、树干木质部树脂道结构和创伤后树脂道结构的差异性,并分析嫩茎、创伤与未创伤树脂道结构的相关性。 【结果】 在当年生嫩茎中,高、低产脂量马尾松无性系之间单位面积内树脂道总面积、单个树脂道平均面积差异显著,高产脂量无性系单位面积内轴向树脂道总面积和单个轴向树脂道平均面积分别为63433μm2·mm-2和4832μm2,为低产脂量的2.69和3.03倍,同时高产脂量无性系单位面积内径向树脂道总面积和单个径向树脂道平均面积分别为42 105μm2·mm-2和3858μm2,为低产脂量的3.19和3.44倍,但高、低产脂量无性系单位面积树脂道数目差异不显著;未受创伤树干木质部中,高、低产脂量马尾松无性系之间的差异性与嫩茎中的相似,高产脂量无性系单位面积内轴向树脂道总面积和单个轴向树脂道平均面积分别为96 229μm2·mm-2和17 656μm2,比低产脂量的高12.15%和14.54%,同时高、低产脂量无性系单位面积树脂道数目差异也不显著;受到创伤树干木质部中,高产脂量无性系的单位面积内树脂道总面积和单位面积内树脂道数目分别为118 635μm2·mm-2和7.8个,比低产脂量的分别高23.96%和27.87%,而创伤后高、低产脂量无性系之间单个树脂道平均面积差异不显著。未受到创伤时,树脂道主要集中于晚材或早晚材过渡区域中,高产脂量无性系晚材宽度平均值为312μm,比低产脂量的高15.56%。受创伤影响,早材中出现诱导型树脂道,使木质部中单位面积内树脂道总面积和数目均增加,但高产脂量无性系中增幅比低产脂量的高,使高产脂量无性系在受到损伤时能够分泌并输送较多的松脂。嫩茎的单位面积树脂道总面积与未创伤树干木质部、损伤后树干木质部的相关性均达到显著程度,相关系数分别为0.533和0.444。 【结论】 高、低产脂量马尾松无性系解剖结构中单位面积内树脂道总面积差异均显著,由嫩茎的解剖特征可以推测不同产脂量无性系树干木质部树脂道的差异性,使高产脂量马尾松无性系的早期选择成为可能。
关键词: 马尾松     产脂量     无性系     木质部     树脂道     创伤     解剖    
Structural Differences of Xylem Resin Canals among Pinus massoniana Clones with Different Resin Yield
Wei Yongcheng1, Liu Qinghua1 , Zhou Zhichun1, Feng Zhongping2    
1. Research Institute of Subtropical Forestry, CAF Fuyang 311400 ;
2. Laoshan Forest Farm of Chun'an County, Zhejiang Province Chun'an 311700
Abstract: 【Objective】 Structural difference of resin canal in young stem, un-wounded and wounded trunks among Pinus massoniana clones with different resin yield were studied in order to provide theoretical basis for early selection of high resin yielding clones. 【Method】 Six clones of P. massoniana with different resin yield were measured using plant paraffin sections to compare differences of xylem anatomy between young stem and trunk and to investigate the structural changes due to wounding to the trunk. And correlations of resin canal structure among young stem, wounded and un-wounded trunks were analyzed. 【Result】 The total area of axial canals per unit area and the average area of individual axial canals in young stems were significantly different between high and low yielding clones. The total area of axial canals per unit area and the average area of individual axial canals of high yielding clone were 63 433μm2·mm-2 and 4 832μm2, 2.69 and 3.03 times greater than the low yielding one. The total area of radial canals per unit area and the average area of individual radial canals of high yielding clones were 42 105μm2·mm-2 and 3 858μm2, 3.19 and 3.44 times greater than the low yielding one. However, the difference of frequencies of axial canals was not significant between high and low yielding clones. Similar difference was found in un-wounded trunks. The total area of axial canals per unit area and the average area of individual axial canals of high yielding clone were 96 229μm2·mm-2 and 17 656μm2, 12.15% and 14.54% more than the low yielding one. And the difference of frequency of axial canals was not significant between high and low yielding clones. In the wounded xylem, the total area and number of axial canals per unit area (118 635μm2·mm-2 and 7.9) of high yielding clone were 23.96% and 27.87% higher than those of the low yielding one. However, the difference of the average area of individual axial canals was not significant between the high and low yielding clones. In the un-wounded trunk, the resin canals are mainly distributed in latewood and transition area between early-and late-wood. And the average width of latewood in high yielding clones was 312μm, 15.56% greater than that of the low yielding ones. Influenced by wounding, resin canals were induced in early wood, leading to increase of the total area and number of resin canals in the xylem. However, the increase was higher in the high-yielding clone than in the low-yielding clone, resulting in higher resin yield in the high-yielding clone when wounded. The total area of resin canals in young stem was significantly correlated to that in wounded and un-wounded trunks, with correlation coefficients of 0.533 and 0.444 respectively. 【Conclusion】 There was significant difference in total area of axial canals between high and low yielding clones. The difference of resin canals in trunk xylem could be predicted by the anatomic characteristics of young stems, indicating possibility of early selection of high resin yielding clones of P. massoniana.
Key words: Pinus massoniana     resin yield     clones     xylem     resin canal     wound     anatomy    

马尾松(Pinus massoniana)生长快、适应性强,广泛分布于我国南方各省区,是我国重要的针叶用材树种和荒山造林先锋树种,也是主要的采脂树种,我国约有90%的松脂采自马尾松,其主产区为广西、福建、广东、湖南等地(周政贤,2001)。松脂主要含松节油和松香,用途十分广泛,如应用于香料、医药、机械、造纸、油墨等众多行业(Lee et al.,2001)。

松脂产量在不同针叶树种、同一树种不同种源、家系或个体之间具有较大差异(罗敏等,2002耿树香等,2012),受中度至高度的遗传控制,如马尾松产脂量的家系遗传力为0.42,为中度遗传控制(Liu et al.,2013),湿地松(Pinus elliottii)产脂量的家系遗传力在0.68~0.80之间(李彦杰等,2012),火炬松(Pinus taeda)产脂量的加性遗传力在0.12~0.30(Westbrook et al.,2013),说明通过遗传选择松脂产量能够得到显著的增益。

松脂储藏在树脂道内,可分为组成型和诱导型2类,组成型松脂是组织发展过程中形成的,诱导型松脂是树木受到生物或非生物刺激时产生的(Moreira et al.,2012)。树脂道在针叶树各主要器官中均有分布,木质部中树脂道呈轴向和径向分布,纵向或横向运输松脂(吴鸿,1990)。在我国,生产中采脂部位主要集中在松树树干木质部,因此在研究产脂量与解剖结构的关系时,Rodríguez-García等(2014)认为对木质部中树脂道的解剖结构进行观察是至关重要的。针叶树种受到生物或非生物刺激时,会形成创伤树脂道(Rodrigues et al.,2008刘亚梅等,2012)以分泌更多的松脂(Novick et al.,2012徐华潮,2012)等。创伤树脂道是树木受到诱导产生的重要结构,诱导后需要较长时间形成成熟结构,如欧洲云杉(Picea abies)中创伤树脂道的成熟需要2~4周(Nagy et al.,2000),华山松(Pinus armandi)受损后需要45~60天才能观察到创伤树脂道(刘婧,2011)。创伤树脂道主要形成于接近伤口的位置,在距离伤口0~5 cm处,创伤树脂道数目迅速减少,超过10 cm处,创伤树脂道特征不再明显(Lev-Yadun,2002)。

人们已经研究了树脂道的发生发育过程(Zhang et al.,2008李爱民等,2008)、树脂道系统对昆虫或病原菌侵袭及化学性刺激的响应(Moreira et al.,2012; Ferrenberg et al.,2014; Kusumoto et al.,2014)等,但受到生物或非生物刺激后,树脂道结构发生的变化及创伤树脂道的研究还未见报道。同时关于产脂量与树脂道解剖结构关系的系统研究报道较少(Rodríguez-García et al.,2014),马尾松产脂量与树脂道解剖结构之间的关系尚未明确。本研究主要通过比较高、低产脂量马尾松无性系之间嫩茎木质部、树干次生木质部解剖结构的差异性及嫩茎与树干木质部的关系,并分析组织中创伤诱导产生的树脂道系统性响应情况,从解剖结构上阐明马尾松高产脂量的机制,以期为高产脂量马尾松无性系的早期选择提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验地概况

试验材料取自浙江省淳安县姥山林场马尾松一代无性系种子园中。该种子园位于淳安县千岛湖东南湖区(119°02′E,29°33′N),海拔约为150 m,年平均气温17.0℃,年日照总时数1 951 h,年平均降水量1 430 mm,无霜期263天,坡度20°~30°,山地黄壤。

1.2 研究方法

2011年对该种子园中植株(遭受损伤和病虫害的植株除外)进行采脂试验,测定产脂量。2013年5月,依据产脂量测定结果选取长势一致的高产脂量无性系1104#、1144#、3619#和低产脂量无性系3418#、5410#、6138#,每个无性系选择4个分株,共24株树。同时测量树高、胸径、枝下高等生长指标(表 1)。

表 1 马尾松各无性系生长及产脂量 Tab.1 Growth and resin yield of P. massoniana clones

2014年4月,选取各无性系树冠中上部长约10 cm的当年生嫩枝,选择生长健壮、无损伤的茎段截取2 cm,每个无性系截取的茎段数量在30个以上。在植株胸径处打孔取长约5 cm的木芯,选取组织完整的部位切成0.5 mm×0.5 mm×0.5 mm的材料,作为对照观察未受创伤的树干木质部结构;在同一坡向未打孔一侧的植株胸径处开出1条长约20 cm、宽1~2 mm、深3~4 mm的斜沟(与树干夹角约45°),割面负荷率约25%,在6—9月份采用下降采脂法采集松脂(杨章旗,2014),测量每月收集的松脂质量(g)。2014年10月在紧贴开沟处下方位置打孔取木芯作为试验组,用于受到创伤的树干木质部解剖观察,切割方法与对照组相同。

获取的嫩茎茎段和切割好的木芯材料均立即放入配好的FAA固定液(组分包括甲醛、乙酸、甘油、乙醇、水,各组分体积比为15:1:14:50:20)中,按照石蜡切片步骤(李和平,2009张军周等,2013)制作永久切片。用Leica DM 4000B显微镜观察照相。

在显微镜下观察当年生嫩茎横切面和弦切面上的树脂道结构,包括单位面积轴向树脂道数目、单位面积内轴向树脂道总面积和单个轴向树脂道平均面积,单位面积径向树脂道数目、单位面积内径向树脂道总面积和单个径向树脂道平均面积。树干木质部(包括对照组和试验组)观察横切面上特征:树脂道结构中的单位面积轴向树脂道数目、单位面积内轴向树脂道总面积和单个轴向树脂道平均面积,年轮中的年轮宽度、早材宽度和晚材宽度及管胞细胞壁厚度(表 2)。

表 2 各参数的的缩略词及单位 Tab.2 Abbreviations and units of traits measured in the study
1.3 数据分析

利用Duncan检验比较各无性系间的树脂道单位面积、数目及平均面积的差异性,采用t-检验对高产脂量无性系和低产脂量无性系树脂道参数的均值进行差异比较,所得数据均在EXCEL和SPSS19中处理。

2 结果与分析 2.1 不同产脂量无性系当年生嫩茎木质部中树脂道解剖结构比较

表 3可以看出,不同产脂量马尾松无性系之间单位面积内树脂道总面积和树脂道平均面积存在极显著差异,高产脂量无性系单位面积内轴向和径向树脂道总面积分别为63 433和42 105μm2·mm-2,为低产脂量的2.69倍和3.19倍,而单个轴向和径向树脂道平均面积高产脂量无性系为低产脂量的3.03倍和3.44倍。高产脂量无性系的轴向和径向树脂道数目分别比低产脂量的高6.42%和10.99%(表 3图 1),但经t-检验可知,不同产脂量无性系单位面积树脂道数目差异不显著。

表 3 不同产脂量无性系嫩茎树脂道结构多重比较 Tab.3 `Multiple comparisons among anatomical xylem traits in immature stem of different resin yield clones
图 1 不同产脂量马尾松无性系当年生嫩茎木质部解剖 Fig.1 Cross-section and tangential-section in current year stem of different resin-yield clones in P. massoniana A.高产脂量无性系横切图。B.低产脂量无性系横切图。R:树脂道; X:木质部; P:髓; nX:未完全木质化的木质部。 A. The high-resin-yield clones; B. The low-resin-yield clones. R: Resin canal; X: Xylem; P: Pith; nX: New xylem.
2.2 不同产脂量无性系未创伤树干木质部解剖结构比较

不同产脂量马尾松无性系胸径处未创伤木质部横切解剖结构分析可知(表 4),高产脂量无性系与低产脂量无性系的单位面积内树脂道总面积和单个树脂道平均面积差异达到显著水平。其中高产脂量无性系单位面积内树脂道总面积变幅为75 860~134 515μm2·mm-2,平均值为96 229μm2·mm-2,而低产脂量无性系单位面积内树脂道总面积变幅为71 115~117 153μm2·mm-2,平均值为85 804μm2·mm-2,高产脂量的比低产脂量的高12.15%。高产脂量无性系单个树脂道平均面积变幅为8 950~37 339μm2,平均值为17 656μm2,比低产脂量的高14.54%。不同产脂量无性系单位面积内树脂道数目均在5.6个左右,差异未达到显著水平。

表 4 不同产脂量无性系未创伤树干木质部差异分析 Tab.4 Differences in un-wounded xylem of different resin yielders

树脂道主要集中于晚材区域,晚材宽度越大,树脂道总面积和数目越大,产脂量越高。对不同产脂量无性系的年轮进行比较发现(表 4),未受创伤高、低产脂量无性系间晚材宽度差异达到显著程度。其中高产脂量无性系晚材宽度变幅为158~633μm,平均值为312μm,比低产脂量的高15.56%。各无性系的年轮宽度变幅为659~2 585μm,但高产脂量与低产脂量无性系年轮的平均宽度差异不显著,均在1 500μm左右。与年轮类似,不同产脂量无性系间的早材宽度差异也不显著。

2.3 不同产脂量无性系树干木质部创伤后解剖结构比较

受到创伤后,离创伤位置较近的部位形成了大量创伤树脂道,不同产脂量无性系的树脂道单位面积和数目均出现增加的趋势,但高产脂量无性系的增幅比低产脂量的大(图 2a,b)。其中高产脂量无性系的单位面积内树脂道总面积和单位面积内树脂道数目分别为118 635μm2·mm-2和7.8个,比未受创部位的树脂道增加23.28%和39.29%,其比低产脂量无性系的分别高23.96%和27.87%,增幅约为低产脂量的2.02倍和4.4倍。受到创伤后,树脂道泌脂细胞膨胀变大,树脂道腔面积增大,高、低产脂量无性系单个创伤树脂道平均面积为44 006μm2和39 712μm2,比正常树脂道分别提高了2.49倍和2.58倍,但高、低产脂量无性系之间单个创伤树脂道平均面积无显著差异(图 2c)。而未受创伤一侧的木质部内树脂道数目未发生显著变化,也未观察到创伤树脂道(图 3abef)。

图 2 不同产脂量马尾松无性系创伤与未创伤木质部树脂道多重比较 Fig.2 Multiple comparison among wounded and un-wounded xylem resin canals of P. massoniana clones with different resin yield 图中不同字母表示不同无性系性状差异显著(P < 0.05)。下同。高产脂无性系:1104#,1144#,3619#;低产脂无性系:3418#,5410#,6138#。 The different letters indicate significant difference among clones at P < 0.05. The same below. High-resin-yield clones:1104#, 1144#, 3619#; Low-resin-yield clones:3418#, 5410#, 6138#.
图 3 不同产脂量无性系创伤与未创伤木质部树脂道解剖结构变化 Fig.3 Structural variation among wounded and un-wounded xylem resin canals of P. massoniana clones with different resin yield a, b:40×,100×放大倍数下未创伤高产脂量无性系木质部解剖结构示意图;c, d:40×,100×放大倍数下创伤高产脂量无性系木质部解剖结构示意图;e, f:40×,100×放大倍数下未创伤低产脂量无性系木质部解剖结构示意图;g, h:40×,100×放大倍数下创伤低产脂量无性系木质部解剖结构示意图。R:树脂道;TD:创伤树脂道;EW:早材;LW:晚材。 a, b: Anatomical structure of un-wounded high yielders xylem by 40×, 100×amplication; c, d: Anatomical structure of wounded high yielders xylem by 40×, 100×amplication; e, f: Anatomical structure of un-wounded low yielders xylem by 40×, 100×amplication; g, h: Anatomical structure of wounded low yielders xylem by 40×, 100×amplication. R: Resin canal; TD: Wounded resin canal; EW: Early wood; LW: Late wood.

受到创伤后,年轮及早晚材宽度未发生显著变化(图 3cg),但在早材中形成了创伤树脂道(图 3h)。早材管胞腔面积平均值为2 344μm2,比正常早材管胞腔降低了18.25%,晚材中管胞细胞壁厚度平均值为7.68μm,比未创伤细胞壁减小了16.71%。而创伤后不同产脂量无性系间早材和晚材管胞结构无显著差异(图 3dh)。

2.4 马尾松嫩茎、创伤前后木质部树脂道结构之间相关性分析

对嫩茎、未受伤树干木质部、创伤树干木质部树脂道结构的相关分析(表 5)可知,嫩茎(当年生未成熟木质部)的单位面积内树脂道总面积与对照组(未创伤树干木质部)、试验组(创伤后树干木质部)的相关性均达到显著程度;嫩茎的单个树脂道平均面积与未创伤、创伤后树干木质部达到极显著相关,相关系数分别为0.311和0.254;对于单位面积树脂道数目,嫩茎与未创伤树干木质部呈显著正相关(r=0.235),创伤与未创伤树干木质部之间达到极显著相关,相关系数为0.450。说明嫩茎的树脂道参数能在一定程度上反映创伤或未创伤树干木质部中树脂道特征,可以作为早期选择的参考指标。

表 5 马尾松各无性系不同部位树脂道结构的相关性分析 Tab.5 Correlation coefficients of resin canal parameters between different positions in P. massoniana clones
3 讨论

马尾松中根茎叶等器官均有树脂道分布,生产中采脂部位主要集中在树干木质部,人们往往通过树干木质部分泌的松脂多少,来确定植株松脂产量的高低。而松脂由树脂道运输,通过观察茎次生木质部中树脂道解剖特征,可以间接反映松脂的产量变化。本研究借鉴Rodríguez-García等(2015)在海岸松(Pinus pinaster)中的试验方法,证明了马尾松木质部解剖结构与产脂量之间具有相关性。

本研究对不同产脂量马尾松无性系进行分析,高、低产脂量无性系之间木质部解剖结构中树脂道总面积、单个树脂道平均面积差异显著。高产脂量无性系的当年生嫩茎树脂道结构中单位面积内树脂道总面积、单个树脂道平均面积明显比低产脂量的高,未创伤树干木质部中的树脂道具有类似特征,意味着具有大量树脂道结构的木质部具有较高的储存和生产松脂的能力,与华山松、西黄松(Pinus ponderosa)特征相符(Kane et al.,2010刘婧,2011)。受到创伤后,不同产脂量无性系树干木质部中单位面积内树脂道总面积、单个树脂道平均面积和单位面积树脂道数目均大幅度增加,但高产脂量无性系单位面积内树脂道总面积和单位面积树脂道数目的增幅比低产脂量的大,说明高产脂量无性系在创伤部位形成了更多的创伤树脂道,松脂分泌量加大,这与Rodríguez-García等(2014)的研究结果一致。对各无性系的嫩茎、未创伤树干木质部与创伤树干木质部中的树脂道参数进行相关分析,嫩茎与未创伤树干木质部的树脂道参数之间均呈显著或极显著正相关,说明通过观察嫩茎的解剖结构可以预见未创伤树干木质部中树脂道在不同产脂量无性系之间的差异性;嫩茎与创伤树干木质部中单位面积内树脂道总面积、单个树脂道平均面积之间达到显著或极显著正相关,高产脂量无性系嫩茎中单位面积内树脂道总面积较高表明其在创伤后树脂道总面积会远高于低产脂量无性系,进而引起高产脂马尾松无性系松脂运输能力的提高(Kolosova et al.,2012)。

本研究发现高产脂量无性系的晚材宽度显著高于低产脂量无性系,在未受到外界损伤时,各无性系树脂道大都集中分布在晚材或晚材与早材的过渡区域中,晚材宽度越大,单位面积内树脂道总面积越大,这与雪松(Cedrus deodara)的木质部解剖结构类似(王爱华,2004)。受到创伤后,晚材中管胞细胞壁厚度降低,早材区域产生了大量创伤树脂道,这是植株木质部解剖结构对创伤产生的响应,使松脂迅速大量分泌并运输至创伤部位成为可能(徐金梅等,2011徐华潮,2012)。而未创伤部位没有观察到创伤树脂道,验证了创伤树脂道的形成具有距离效应(Lev-Yadun,2002)。Rodríguez-García等(2014)在海岸松受创后未观察到创伤树脂道,可能与其采样时间有关,本试验中马尾松取材时间均在创伤后30天以上,观察到了大量的成熟树脂道,可以推测创伤树脂道从形成到发育成熟需要较长时间(Nagy et al.,2006刘婧,2011)。

综上,不同产脂量马尾松无性系在解剖结构上具有显著差异性,对创伤能产生相似的响应,但响应程度不同。由此可以推测,在受到生物或非生物刺激时,高、低产脂量无性系植株的抵御能力也会产生差异,这种差异很大程度上是由创伤树脂道分泌的诱导型松脂造成的。

4 结论

高、低产脂量无性系之间木质部解剖结构中树脂道总面积、单个树脂道平均面积差异显著。高产脂量无性系的当年生嫩茎树脂道结构中单位面积内树脂道总面积、单个树脂道平均面积明显比低产脂量的高,未创伤树干木质部中的树脂道具有类似特征。受到创伤后,不同产脂量无性系树干木质部中单位面积内树脂道总面积、单个树脂道平均面积和单位面积树脂道数目均大幅度增加,但高产脂量无性系单位面积内树脂道总面积和单位面积树脂道数目的增幅是低产脂量的2.02倍和4.4倍。嫩茎与未创伤、创伤树干木质部的树脂道参数之间均呈显著或极显著正相关,说明通过观察嫩茎的解剖结构可以预见树干木质部中树脂道在不同产脂量无性系之间的差异性。

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