巴西橡胶树树皮厚壁组织结构和发育研究

史敏晶 李言 王冬冬 田维敏

中国热带农业科学院橡胶研究所农业部橡胶树生物学与遗传资源利用重点实验室省部共建国家重点实验室培育基地-海南省热带作物栽培生理学重点实验室 海南儋州 571737

摘 要 植物中的厚壁组织对植株起着重要的支持和保护作用，但目前对橡胶树树皮中该组织的研究较少。以无性系RY7-33-97不同发育阶段的萌条以及无性系PB86、PR107、RY8-79定植7年的树干树皮为材料，利用光学显微技术对树皮中厚壁组织的结构和发育进行较为系统的研究。结果表明，幼嫩萌条的树皮中仅有纤维组织，根据其所在位置可分为皮层纤维和初生韧皮纤维。皮层纤维数量较少，分散分布在皮层中；而初生韧皮纤维常由2～3层纤维细胞形成完整的纤维带围绕在初生韧皮部外侧。成龄大树树皮中仅观察到短石细胞，常成团分布，这些石细胞由薄壁细胞通过同心环的方式木质化加厚细胞壁发育形成。石细胞的内腔中常积累红褐色物质和结晶体，有的石细胞外包有晶鞘。在PB86、PR107、RY8-79三个无性系中，石细胞在树皮中的分布和石细胞壁的厚度具有明显的品系特征。最早出现的石细胞列到砂皮外层这一范围内，石细胞团排列最紧密的是PR107，面积比例为28.9%；其次是PB86，为27.4%；RY8-79中的石细胞团少而稀疏，仅12%，极显著低于PR107和PB86。在PR107中，石细胞壁的厚度最大，约为14 μm；PB86和RY8-79则分别为9和7.8 μm，可见，石细胞壁的厚度PR107极显著高于PB86和RY8-79。这些石细胞的特征可能与不同品系树皮的抗压、抗风能力、割胶难易程度相关，对橡胶树树皮厚壁组织尤其是石细胞的研究将为橡胶树选育种中副性状的选择提供依据。

关键词 橡胶树；厚壁组织；纤维；石细胞；发育

中图分类号 S794.1 文献标识码 A

Development and Structure of Sclerenchyma

in Bark of Rubber Tree

SHI Minjing， LI Yan， WANG Dongdong， TIAN Weimin*

Rubber Research Institute， CATAS / Key Laboratory of Biology and Genetic Resources of Rubber Tree，

Ministry of Agriculture / State Key Laboratory Incubation Base for Cultivation & Physiology of Tropical

Crops， Danzhou， Hainan 571737， China

Abstract The sclerenchyma in plants has supporting and protecting functions， it is， however， still not well known in the bark of rubber tree. In the present study， the structure and development of sclerenchyma in trunk bark of 7-year-old rubber tree clone PB86， PR107 and RY8-79 as well as in the bark of epicormic shoots of rubber tree clone RY7-33-97 at the different developmental stages was observe by using optical microscopy. In the bark of epicormic shoots， only the fiber， a kind of sclerenchyma， was observed. It could be recognized as cortical fiber and primary phloem fiber according to its distribution. The cortical fiber sparsely dispersed in cortex， while primary phloem fiber located outside the primary phloem， in a ring form of 2-3 fiber layers. By contrast， only the brachysclereid was present in the trunk bark of 7-year-old rubber tree clones. The stone cells existed generally in a cluster form and developed from parenchyma cells after the cell wall of the parenchyma cells lignified and thickened in a manner of concentric ring. The stone cells usually contained bronzing materials or crystals in the cavity. Some of stone cells were enclosed with a crystal sheath. The distribution and cell wall thickness of stone cells were clone-specific. Within the area from the innermost stone cell line to the outer layer of the sandy skin， the ratio of stone cells to the area was 28.9% in PR107， 27.4% in PB86， 12% in RY8-79. The thickness of stone cell wall was about 14 μm in PR107， 9 μm in PB86 and 7.8 μm in RY8-79. The difference in the density and cell wall thickness of stone cells may be related to the difference in the capacity of anti-pressure and anti-wind and bark hardness among the three clones. Knowledge about the sclerenchyma， especially the stone cells in the trunk bark of rubber tree will contribute to the selection of related accessory characters in Hevea breeding.

Key words Rubber tree； Sclerenchyma； Fiber； Stone cell； Development

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.02.016

巴西橡胶树是天然橡胶的最主要来源，而橡胶树中的乳管细胞作为合成和贮存橡胶的重要组织，一直是橡胶树树皮组织研究的重点。前期研究在乳管的形态结构[1-2]、分化[3-6]和发育[7-8]等方面，对乳管细胞有较为深入的了解。乳管细胞内膨压很大，压力数值高达1～1.4 MPa[9]，相当于10～14个标准大气压，这一极高的压力成为胶乳排出的“初动力”，但同时产生一个问题，即橡胶树如何保证乳管及其周围细胞不被乳管内的高压破坏。另外，橡胶树作为高大乔木，需要维持树干的挺立以及抵抗风雨等外来力量的侵袭。机械组织在这种支撑和保护中无疑起到重要的作用[10]，尤其是具有次生加厚细胞壁的厚壁组织——纤维和石细胞。对于厚壁组织，在其他植物中有着较深入的研究[11-14]，而目前在橡胶树中的研究较少。1923年，Bobilioff 在一本橡胶树解剖学方面的专著中，首次对石细胞的形态结构进行了较为清楚的描述[15]。1982年，Gomez也对石细胞进行了综合性阐述，但基本未增加新的研究内容[16]。后期研究乳管的同时对石细胞偶有涉及，但缺乏系统性[17-18]。中国橡胶树种植中遭遇台风、寒流（导致爆皮流胶）等极端天气较多，由此造成巨大的经济损失。因此，筛选合适强度机械组织的品系也是一个值得研究的方向。本研究以幼嫩的萌条和成熟大树的树干树皮作为材料，系统研究橡胶树皮中的厚壁组织，旨在丰富橡胶树树皮的结构知识，并为橡胶树优良品系的选育种提供一定依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试材料及预处理 于海南大学农学院儋州苗圃选取巴西橡胶树（Hevea brasiliensis Müll.Arg.）无性系RY7-33-97芽接苗修剪当年生萌条中处于萌动期的顶芽，处于古铜期、淡绿期以及稳定期的第一伸长单位的茎皮，制备石蜡切片。选取种植于中国热带农业科学院实验农场三队7年树龄无性系PB86、PR107、RY8-79橡胶树，于树高2 m处用打孔器采集树皮，制备石蜡切片。

1.1.2 主要试剂和仪器 制备石蜡切片所需的乙醇、正丁醇、冰醋酸、二甲苯为国产分析纯，石蜡为生物组织切片专用，光学显微镜为德国Leica DMLB型。

1.2 方法

光学显微切片的制备：树皮材料分割后经80%（v/v）酒精固定24 h，乙醇梯度脱水，碘-溴冰醋酸试剂60 ℃处理36 h，乙醇脱水后经正丁醇透明，石蜡包埋，具体方法参见史自强等[19]并稍作修改。石蜡切片厚度10 μm，二甲苯脱蜡后固绿染色1 h，中性树胶封片，光学显微镜Leica DMLB下观察并成像。

1.3 数据统计分析

用树皮横切面标本，在显微镜下进行观察统计。每个样品选取5个视野，对最早出现的石细胞列至砂皮外层这一范围内石细胞所占据的面积比例进行统计；选取有代表性的石细胞10个，测量石细胞壁的厚度。数据采用Excel 2003制作图表，SPSS 18.0软件分析差异显著性。

2 结果与分析

2.1 橡胶树皮中纤维的结构与发育

利用光学显微技术，对RY7-33-97从萌动期到稳定期的几个不同发育状态的萌条茎皮结构进行观察。在顶芽刚刚萌动时，幼嫩顶芽表皮下是大量的皮层薄壁细胞，没有观察到纤维细胞（图1-A）；在古铜期新梢茎的皮层中，观察到一些分散分布并且细胞壁开始加厚的细胞，这些细胞出现明显的纵向延长，即是最早出现的皮层纤维（图1-B、C）。这些纤维细胞排列尚无明显规律，细胞壁加厚不强烈。随着古铜期新梢的进一步发育，在幼茎的横切面上，还可以观察到初生韧皮部最外侧开始形成一圈排列规则的细胞壁开始加厚的细胞，根据其发生位置可知为初生韧皮纤维（图1-D）。在淡绿期，皮层纤维和初生韧皮纤维进一步发育，细胞壁加厚更明显（图1-E），进一步纵向延长（图1-F）。在纵切面上，可见这些纤维细胞狭长、两端尖锐，尤其是其中的初生韧皮纤维细胞，长度可达1 mm以上，很容易识别。稳定期的纤维细胞壁已经很厚，细胞腔变得狭小，并且细胞壁上具有纹孔（图2）。随着茎皮的生长，出现次生结构时，初生韧皮纤维带中的纤维细胞会逐渐被石细胞替代。

2.2 橡胶树树皮中石细胞的结构和发育

2.2.1 石细胞的形态结构 光学显微镜下，不同品系7年龄树茎干树皮中都未观察到纤维细胞，树皮中分布有大量石细胞。从形成层向外，石细胞在树皮各层组织中分布并不均匀。水囊皮中通常没有石细胞；黄皮层中的石细胞少，以单个石细胞或者石细胞团形式存在；砂皮层中则含有大量砂粒状的石细胞群，并由此而得名。从树皮的横切面和径向切面可知，橡胶树树皮中的石细胞近乎等茎，为短石细胞类型，成熟石细胞的次生壁很厚，几乎侵占了整个细胞腔（图3-A、B）。有的石细胞腔中能观察到红褐色物质（图3-C），而有的石细胞腔中有簇状结晶存在（图3-D），还有的石细胞周围的细胞中含有草酸钙方晶，形成晶鞘石细胞（图3-E）。通常，光学显微镜下观察到的最早形成的石细胞位于有输导功能韧皮部的外侧（即黄皮层中）。刚形成的石细胞形状和大小与周围的薄壁细胞相似（图3-F、G），但细胞壁逐渐增厚，可见，橡胶树的石细胞是由薄壁细胞发育而成。在成长过程中细胞壁以同心环的方式进行木质化加厚，但这种增厚不均一，在一些不增厚的区域会形成纹孔道，从而保证石细胞与相邻细胞之间的联系。由于成熟的石细胞为死细胞，这种纹孔道的联系并没有实际的生理意义。

2.2.2 橡胶树石细胞的品系特征 对PB86、PR107和RY8-79三个品系树皮中的石细胞的分布、排列以及细胞壁的厚度等特征进行研究。结果表明，PB86树皮中成列的石细胞群最早出现的位置距离形成层较近，石细胞分布范围宽（图4-A）；而PR107中成列石细胞群最早出现的位置离形成层较远，石细胞分布范围窄，排列更为集中和致密（图4-C）；RY8-79树皮中成列石细胞群最早出现的位置距离形成层也较远，树皮中石细胞群数量很少，分布极其稀疏（图4-E）。从最早出现的石细胞列至砂皮外层这一范围内，统计分析其石细胞所占面积比例，该比例PB86为27.4%，PR107达28.9%，而RY8-79仅为12%。石细胞分布的面积RY8-79极显著（p<0.01）低于PB86和PR107（图5-A）。

观察还发现，这3个品系石细胞形态大小以及细胞壁的厚度不同，单个石细胞体积PR107明显大于PB86和RY8-79（图4-B、D、F）。对石细胞壁的厚度进行测定，PB86约为9 μm，而PR107高达14 μm，RY8-79仅为7.8 μm，可见，石细胞壁厚度PR107极显著高于PB86和RY8-79（p<0.01）（图5-B），3个品系中，RY8-79石细胞壁厚度最小。

上述研究结果表明，在3个无性系中，PR107单个石细胞的体积最大，石细胞壁最厚，而且在树皮中分布最集中；RY8-79的单个石细胞体积最小，壁最薄，而且分布最稀疏；PB86的石细胞无论大小还是细胞壁的厚度及分布均介于PR107和RY8-79之间。

3 讨论与结论

在植物的生长发育中，厚壁组织起重要的机械支持和保护作用，还有物种中的厚壁组织（如纤维）具有重要的经济价值，所以对于该组织的研究很早就引起人们的重视[20-24]。巴西橡胶树是以收获树皮胶乳为主要目的的特种经济林木，对其厚壁组织的研究较为缺乏。

本文对成龄大树树皮及不同发育状态的萌条中的厚壁组织都展开了研究。在橡胶树萌条茎皮的初生结构中最早观察到的是皮层纤维，这一点在前人的研究中基本没有提及[15-16]；随后观察到初生韧皮纤维组织，但石细胞尚未出现。可见，树皮初生结构中的厚壁组织主要是以纤维的形式出现，所以这一时期的树皮表现出良好的韧性。在进行了次生生长并出现周皮的树皮组织中，纤维细胞逐渐消失，大量的石细胞开始出现。在成龄橡胶树中，树皮中的石细胞占有相当大的比例，可见，在橡胶树树皮的次生生长中，石细胞替代纤维起到了机械支持和保护的作用，因此，树皮也呈现出较强的硬度和易碎性。

对3个代表性品系的研究发现，树皮中石细胞数量的多少、在树皮中的排列分布以及石细胞壁的加厚程度具有明显的品系特征。生产中发现，PR107树皮较硬、割胶困难、胶刀耗费大，但具有良好的抗风特性，推测与PR107中石细胞分布密集、石细胞壁木质化加厚程度强有关。RY8-79是早熟高产的代表性品系，树皮厚，但在这3个无性系中属于石细胞分布最稀疏、石细胞壁木质化程度最低的品系。乳管中膨压极大，高达10～14个标准大气压，在石细胞少而细胞壁薄的情况下，如果遭遇不利气候，很可能因抗压能力小而无法维持乳管及周围组织的正常结构，生产中还发现，RY8-79很容易爆皮流胶，可能就是与该品系树皮中缺乏石细胞有关。PB86容易割胶，树皮表现出较软的特征，可能也是与石细胞壁较薄有关，但该品系不会出现与RY8-79类似的爆皮流胶，则可能是与其树皮中石细胞群具有较大的密集度有关。因此认为，石细胞的分布密集度和壁的厚度等参数可作为评价树皮硬度和抗压能力的参考指标。当前割胶人工成本高，培育树皮厚壁组织分布适度、相对易割的品系也是育种中需要考虑的方向。本研究不仅完善了橡胶树树皮结构的基本知识，而且为优良品种的培育提供了理论基础。

本文在研究萌条厚壁组织中的实验材料品系单一，没有对多个品系的初生结构进行比较分析，由此对树皮中纤维组织的分析相对简单。不同品系中纤维细胞的分化和发育是否不同，纤维的长短或者多少与萌条的抗风能力有怎样的关系将是下一步需要研究的问题。

参考文献

[1] Gomez J B， Moir G F J. The ultracytology of latex vessels in Hevea brasiliensis[M]. Kuala Lumpur： Malaysian Rubber Research and Development Board， 1979.

[2] Sando T， Hayashi T， Takeda T， et al. Histochemical study of detailed laticifer structure and rubber biosynthesis-related protein localization in Hevea brasiliensis using spectral confocal laser scanning microscopy[J]. Planta， 2009， 230（1）： 215-225.

[3] 吴继林，郝秉中. 巴西橡胶树初生乳管分化与苗生长的关系[J]. 热带作物学报， 2000， 21（4）： 1-6.

[4] Hao B Z， Wu J L. Laticifer differentiation in Hevea brasiliensis： induction by exogenous jasmonic acid and linolenic acid[J]. Annals of Botany， 2000， 85（1）： 37-43.

[5] Tian W M， Shi M J， Yu F Y， et al. Localized effects of mechanical wounding and exogenous jasmonic acid on the induction of secondary laticifer differentiation in relation to the distribution of jasmonic acid in Hevea brasiliensis[J]. Acta Bot Sin， 2003， 45（11）： 1 366-1 372.

[6] Tian W M， Yang S G， Shi M J， et al. Mechanical wounding-induced laticifer differentiation in rubber tree（Müll. Arg.）： An indicative role of dehydration， hydrogen peroxide， and jasmonates.[J]. Journal of Plant Physiology， 2015， 182： 95-103.

[7] 孙 强. 巴西橡胶树有节乳管组织发育的研究[J]. 厦门大学学报（自然科学版）， 1997， 36（6）： 935-941.

[8] Zhao Y， Zhou L M， Chen Y Y， et al. MYC genes with differential responses to tapping， mechanical wounding， ethrel and methyl jasmonate in laticifers of rubber tree（Hevea brasiliensis Müll. Arg.）[J]. J Plant Physiol， 2011， 168（14）： 1 649-1 658.

[9] Buttery B R， Boatman S G. Turgor pressure in phloem：measurements in Hevea latex. Science， 1964， 145： 285-286.

[10] 李正理，张新英. 植物解剖学[M]. 北京： 高等教育出版社， 1984.

[11] 贺新强，王幼群. 毛竹茎纤维次生壁形成过程的超微结构观察[J]. 植物学报， 2000， 42（10）： 1 003-1 008.

[12] 胡玉熹，李正理. 芦苇和芒的茎杆与其纤维的比较解剖观察[J]. 植物学报， 1963， 11（3）： 252-260.

[13] 李正理，胡玉熹，刘淑琼. 青檀各年枝韧皮纤维的比较解剖[J]. 植物学报， 1965， 13（4）： 331-336.

[14] Gritsch C S， Murphy R J. Ultrastructure of fibre and parenchyma cell walls during early stages of culm development in Dendrocalamus asper[J]. Ann Bot， 2005， 95： 619-629.

[15] Bobilioff W. Anatomy and physiology of Hevea brasiliensis[M]. Zürich： Art Institut Orell Fussli Esau K， 1923.

[16] Gomez J B. Anatomy of Hevea and its influence on latex production[M]. Kuala Lumpur： Malaysian Rubber Research and Development Board.1982.

[17] 郝秉中， 吴继林， 云翠英. 乙烯利刺激割胶对巴西橡胶树树皮结构的影响[J]. 热带作物学报， 1980， 1（1）： 61-65.

[18] 卢世香， 马瑞丰， 陈月异， 等. 巴西橡胶树树皮结构特征与胶乳产量的相关性[J]. 热带作物学报， 2010， 31（8）： 1 335-1 339.

[19] 史自强， 胡正海. 植物含橡胶组织的制片方法[J]. 植物学报， 1964， 13： 179-182.

[20] Sen M K， De R N. Helical fibrillar arrangements in jute[J]. Nature， 1949（4 172）： 670.

[21] Marti R， Mieszkin S， Solecki O， et al. Effect of oxygen and temperature on the dynamic of the dominant bacterial populations of pig manure and on the persistence of pig-associated genetic markers， assessed in river water microcosms[J]. Journal of Applied Microbiology， 2011， 111（5）： 1 159-1 175.

[22] 胡正海. 罗布麻茎内韧皮纤维形成过程的研究[J]. 科学通报， 1980， 25（9）： 414-417.

[23] Takayuki K， Ken I. Identification and functional analysis of a locus for improvement of lodging resistance in rice[J]. Plant Physiology， 2004， 134（2）： 676-683.

[24] Yunhai L， Qian Q， Yihua Z， et al. Brittle Culm1， which encodes a COBRA-like protein， affects the mechanical properties of rice plants[J]. Plant Cell， 2003， 15（9）： 2 020-2 031.