陈山红心杉主要化学组成的株内纵向变异研究

范国荣，张文元，肖复明 ，朱新传，江香梅，李燕山

(1．江西农业大学 林学院/江西农业大学植物天然产物化学与林产化研究所，江西 南昌 330045;2．江西省林业科学院，江西 南昌 330032;3．江西省安福县陈山林场，江西 安福 343200)

陈山红心杉(Chenshan Red-heart Chinese fir)主产于江西安福县西南部的陈山林区，是我国木材中不可多得的珍稀品种，是江西特有的具有地方特色的优良杉木种源，因其近髓心木质部相当大的比例成油亮的栗褐色而得名［1-2］。其具有外观圆满通直、纹理美观、红心芳香、色泽独特、材质坚韧、抗压性强、不翘不裂、生长速度快、红心比率高等优良品质，是建筑、家具、装潢等上乘的环保之材。木材、叶子、树皮、枝干上的结节、球果、杉木油(木材沥出的油脂)及其根皮均可入药［3-4］。严平勇［5］用红心杉与普通杉木造林对比试验，结果表明红心杉比普通杉木更具有抗逆性、适应性，形质更优，生长更快。正因为其抗逆性、适应性都更好，所以江西省内外许多地区林场引种了陈山红心杉，且性能表现很优良。

人们对红心木材的热爱和广泛地应用，使得我国对红心木材的遗传与繁育等方面进行了大量的研究［6］，其中对陈山红心杉也有不少研究。经研究发现陈山红心杉的红心性状是可遗传的，因此南方许多林场大量引进陈山红心杉，随着种植面积越来越大，它的栽培繁殖与应用研究也显得尤为迫切。张勰等［7］对红心杉单亲子代优良遗传型进行选择，选出生长、材性兼优的优良家系8个，优良单株14株。曾志光等［8］研究了陈山红心杉材性遗传变异规律，认为安福陈山红心杉引种外地不会导致材性变异，可在杉木主产区推广应用。伍艳芳等［9］以陈山红心杉花粉为材料，对其花粉形态、离体培养萌发率以及不同储藏温度下的生活力进行了研究，结果发现陈山红心杉新鲜花粉的生活力可达96%以上;红心杉花粉在25℃恒温，15%蔗糖+10mg/L硼酸+1%琼脂的固体培养基上培养6 h时萌发率可达83．3%。张运根［10］对福建省将乐国有林场引种陈山红心杉研究发现，偏心率、心材偏心率、木材基本密度不受立地条件影响。江香梅等［11］建立了陈山红心杉组培高效繁育体系，生根率达89．3%。黄宝祥等［12］研究不同激素对陈山红心杉胚性愈伤组织生长的影响，探讨了胚性愈伤组织的培养条件。伍艳芳等［13］采用SDS法、改良的CTAB法、柠檬酸钠法和尿素法等4种方法提取陈山红心杉基因组DNA并进行了对比分析。结果发现改良的CTAB法较适合陈山红心杉基因组DNA提取，这为今后提取陈山红心杉基因组DNA方法提供参考。李燕山等［3］、杨先锋等［14］认为陈山红心杉种质基因资源质量面临日益退化趋势。在对陈山红心杉种质资源保护和保存的同时，必须对其进行产业化开发，满足社会需求，实行保护与开发并举的滚动式发展战略。

木材红心材的形成机理研究也因研究手段的进步而不断深入，前人从化学成分、细胞壁结构、根际土壤养分、木材红外光谱、分子生物学等途径进行了探讨。宋坤霖［15］研究了杉木边心材转变过程中细胞壁结构与性能的变化，杉木边心材转变过程中，无论是细胞壁结构、化学成分、物理和力学性能均发生了明显变化，细胞壁基质中木质素化学结构差异是细胞壁粘弹性能变化的关键，心材细胞壁中抽提物是吸湿性能改变的主要原因。殷立新［16］对红心杉林根际土壤与非根际土壤养分差异进行了研究，发现不同树龄的红心杉林分，其根际土壤与非根际土壤的养分均存在差异，林分树龄与土壤类型的交互效应均极显著。张勰等［17］采用傅里叶变换红外光谱技术对红心杉与普通杉木的化学官能团进行比较。结果发现两种木材红外光谱特征吸收峰的位置、数目及形状相似，有3个位置特征吸收峰存在差异，分析发现红心杉中木质素和半纤维素含量低于普通杉，而综纤维素含量大于普通杉。红心杉木质素中愈创木基单元比例较高，且纤维素结晶度大于普通杉。但对陈山红心杉的红心形成机理与其化学组成方面研究较少，仅有范国荣等［18］研究发现红心杉的红色物质与木质素，苯醇抽提物和1%NaOH抽提物有关。

本文选取30～40年生陈山红心杉，不同树高部位的心、边材的主要化学成分进行测定，以研究和揭示陈山红心杉主要化学组成在株内纵向的变异规律和关系，并进行对比分析，探讨红心杉化学组成的变异特点，其目的是为进一步深入研究陈山红心杉的红心形成机理，代谢途径及其化学方面的特殊性提供基础数据，并为进一步的开发利用提供科学依据。

1 材料与方法

1．1 试验材料

1．1．1 样品的采集与处理 试验材料于2011年8月采自于安福陈山林场，选取无明显病虫害、生长健壮的 30～40 年生代表样株 4 株。按照距地 1．3，3．3，5．3，7．3 m 分别锯 10 cm 厚的圆盘，带回置于实验室通风阴凉处，3月后锯切后粉碎，筛分，取40-60目的粉样密封备用。

1．1．2 试验仪器 台式连续投料粉碎机DF-20(浙江温岭市林大机械有限公司);数显鼓风干燥箱GZX-9140 MBE(上海博迅实业有限公司医疗设备厂);电子天平FA2004N型(上海民桥精密科学仪器有限公司);箱式电阻炉SX-2．5-10型(天津市泰斯特仪器有限公司);数显恒温水浴锅HH-4(国华电器有限公司);循环水真空泵SHZ-ⅢD型(上海亚荣生化仪器厂);玻璃仪器气流烘干器KQ-C(巩义市予华仪器有限责任公司)。

1．1．3 试验试剂 氢氧化钠，醋酸，甲基橙，苯，硫酸，亚氯酸钠，冰醋酸，丙酮，无水乙醇等，均用分析纯。

1．2 测定方法

1．2．1 水分测定方法 参照GB 02677．2-1993进行测定。

1．2．2 木材pH值测定方法 参照GB/T6043 2009进行测定。

1．2．3 综纤维素含量测定方法 参照GB 02677．10-1994进行测定。

1．2．4 纤维素含量测定方法 采用硝酸—乙醇法进行测定。

1．2．5 水抽出物测定方法 参照GB 02677．4-1993进行测定。

1．2．6 苯-醇抽出物含量测定方法 参照GB 02677．6-1994进行测定。

Zhu等[24]通过反向pcr克隆了从Penicillium sp.D-1的壳聚糖酶编码，对其进行cDNA序列分析，在基因中并未发现内含子，因此推断酶由250个氨基酸组成，其中包括由20个氨基酸所组成的信号肽，并且该蛋白序列与Talaromyces stipitatus B8M2R4中的GH75家族的壳聚糖酶相似度达到了83.6%，且这种酶已在Escherichia coli中实现了大量表达。

1．2．7 1%NaOH抽出物测定方法 参照GB 02677．5-1993进行测定。

1．2．8 木质素含量测定方法 采用Klason法进行测定，测定酸不溶木质素含量。

1．2．9 灰分测定方法 参照GB 02677．3-1993进行测定。

以上所有测定均重复3次，取平均值。

1．3 数据处理与分析

试验数据用Office Excel 2007软件统计分析。

2 结果与分析

2．1 陈山红心杉的pH值纵向变异规律

从图1可见，陈山红心杉心、边材的pH值均呈酸性，在4．505%～5．86%变化，从心边材pH值来看，边材均高于心材，并且心、边材的pH值均随着树高的增加而升高，1．3m心材的pH均值为4．959，到7．3m处pH 均值升为5．049;1．3边材的 pH 均值为5．556，到7．3 m处 pH 均值升为 5．725。从红心杉整体来看，其pH值均低于7，呈现弱酸性，其酸性成分主要可能与杉木中的各种无机盐、次生化合物等酸性成分有关，而且从所测pH值树高方向的变化趋势来说，红心杉基部所含酸性成分的数量比梢部多。

图1 陈山红心杉的pH值纵向变化Fig．1 Longitudinal variation of pH value in Chenshan red-heart Chinese fir

图2 陈山红心杉的综纤维素纵向变化Fig．2 Longitudinal variation of content of holocellulose in Chenshan red-heart Chinese fir

2．2 陈山红心杉的综纤维素纵向变异规律

从图2可见，陈山红心杉心、边材的综纤维素含量均较高，在70．21%～82．73%变化，边材均显著高于心材，与秦特夫等［19］研究的杉木结果相符，边材综纤维素含量是3．3m处最低为78．93%，之后随树高增加而增加，至7．3 m处升高为79．91%;心材综纤维素平均含量也是3．3 m处最低为74．1%，而最高是5．3 m 处为 75%。

2．3 陈山红心杉的纤维素纵向变异规律

从图3可见，陈山红心杉心、边材的纤维素含量均较高，在47．142%～54．61%变化，边材均高于心材，树中部心、边材的纤维素含量比树基部高，3．3 m和5．3 m处的纤维素含量高于其它部位，与陈瑞等［20］黧蒴栲纤维素含量的变异趋势一致。纤维素是综纤维素的主要成分，因此，红心杉纤维素含量在横向上与综纤维素含量变异规律一致，都是边材高于心材，在树高方向上，两者含量变异规律存在差异。

图3 陈山红心杉的纤维素纵向变化Fig．3 Longitudinal variation of content of cellulose in Chenshan red-heart Chinese fir

图4 陈山红心杉的冷水抽出物纵向变化Fig．4 Longitudinal variation of content of cold water extractives in Chenshan red-heart Chinese fir

2．4 陈山红心杉的冷水抽出物纵向变异规律

从图4可见，陈山红心杉心、边材的冷水抽出物含量在1．269%～1．775%变化，心材均高于边材，不同树高心、边材的冷水抽出物含量变化规律为树基部基本高于树中部，树中部比树梢部高。红心杉颜色中部比梢部深，基部又比中部深，心材颜色显著比边材深，因此，存在木材颜色越深，冷水抽出物含量就越高的规律。

2．5 陈山红心杉的热水抽出物纵向变异规律

从图5可见，陈山红心杉心、边材的热水抽出物含量在1．872%～3．389%变化，心材均高于边材，不同树高心、边材的热水抽出物含量变化规律为树基部基本高于树中部，树中部比树梢部高。热水抽出物含量比冷水抽出物含量要大，其变异规律与冷水抽出物基本一致。径向变异规律与程琳［22］在江南桤木上的研究结果一致，而轴向上热水抽出物含量变异规律与程琳在江南桤木上有差异，江南桤木随着树高的增加呈先下降后上升的变化趋势，于5．3 m树高处降到最小值。

图5 陈山红心杉的热水抽出物纵向变化Fig．5 Longitudinal variation of content of hotwater extractives in Chenshan red-heart Chinese fir

图6 陈山红心杉的苯醇抽出物纵向变化Fig．6 Longitudinal variation of content of benzene-ethanol extractives in Chenshan red-heart Chinese fir

2．6 陈山红心杉的苯醇抽出物纵向变异规律

从图6可见，陈山红心杉心、边材的苯醇抽出物含量在0．62%～4．5748%变化，心材显著高于边材，随着树高的增加，陈山红心杉心、边材的苯醇抽出物含量均呈现下降趋势。心、边材平均含量最低在7．3 m处分别为 3．827%、0．79%，而在 1．3 处最高分别为 4．264%、1．268%。红心杉苯醇抽出物含量比普通杉木要高，如王宗德等［21］测定江西省普通杉木苯醇抽出物含量在1．92%～2．79%变化。红心杉的心材比边材颜色更红更深，由此可见，红心杉的心材可能有大量易溶于有机溶剂的显色成分。陈山红心杉心材苯醇抽出物与心材红色显色成分的关系如何，值得深入研究。

2．7 陈山红心杉的1%NaOH抽出物纵向变异规律

从图7可见，陈山红心杉心、边材的1%NaOH抽出物含量在8．267%～13．408%变化，心材高于边材，随着树高的增加，陈山红心杉心、边材的1%NaOH抽出物含量均呈现下降趋势，红心杉基部的1%NaOH抽出物含量均值比中部高，而中部比梢部高，这个变化趋势与pH值(本文2．1)变化相呼应，基部pH值最底，其酸性物质含量最高。

图7 陈山红心杉的1%NaOH抽出物纵向变化Fig．7 Longitudinal variation of content of 1%NaOH extractives in Chenshan red-heart Chinese fir

图8 陈山红心杉的木质素纵向变化Fig．8 Longitudinal variation of content of lignin in Chenshan red-heart Chinese fir

2．8 陈山红心杉的木质素纵向变异规律

从图8可见，陈山红心杉心、边材的酸不溶木质素含量在29．53%～34．907%变化，边材略高于心材，5．3 m处是心材的酸不溶木质素含量均值高于边材，其它都是边材高于心材，这个结果与秦特夫等［19］在普通杉木上的研究结果基本一致。轴向变异规律与陈瑞等［20］在黧蒴栲的酸不溶木质素含量变化研究结果一致。

2．9 陈山红心杉的灰分纵向变异规律

从图9可见，陈山红心杉心、边材的灰分含量在0．221%～0．326%变化，心材略高于边材，随着树高的增加，陈山红心杉心、边材的灰分含量均呈现下降趋势。

3 结论

图9 陈山红心杉的灰分纵向变化Fig．9 Longitudinal variation of content of ash in Chenshan red-heart Chinese fir

(1)陈山红心杉心、边材的pH值均呈酸性，边材pH值均高于心材，并且心边材的pH值均随着树高的增加而升高。pH值变异规律与1%NaOH抽出物含量变化相对应，pH值与酸性物质含量、1%NaOH抽出物含量之间的关系值得进一步深入研究。

(2)陈山红心杉心、边材的综纤维素含量均较高，边材均显著高于心材，边材是3．3 m处最低，之后随树高增加而增加，心材也是3．3 m处最低，而最高是5．3 m处。

(3)陈山红心杉心、边材的纤维素含量均较高，边材均高于心材，树中部心边材的纤维素含量比树基部高，3．3 m和5．3 m处的纤维素含量高于其它。

(4)陈山红心杉心材的冷水抽出物、热水抽出物、苯醇抽出物、灰分、1%NaOH抽出物含量均高于边材，且随着树高的增加，陈山红心杉心、边材的这5种化学组成含量均呈现下降趋势。木材浸提物的成因比较复杂，成分多样，有的是树木正常生理活动和新陈代谢的产物，有的是受到外界条件的刺激引起的应激物，存在一定的不确定性。在树木生长过程中，由于薄壁细胞的死亡而逐渐形成心材，在心材形成过程中，木材发生了许多复杂的生理生化反应，产生大量浸提物沉积在木材心材细胞组织中，因此，木材浸提物含量一般心材高于边材。

(5)陈山红心杉心、边材的酸不溶木质素含量在29．53%～34．907%变化，边材略高于心材，与秦特夫等［19］研究结果基本一致。

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