大熊猫弃食竹秆皮的化学原因

赵志琛， 林达， 孙雪， 张贵权， 贾竞波*

(1．东北林业大学野生动物资源学院，哈尔滨150040； 2．中国保护大熊猫研究中心碧峰峡研究基地，四川雅安625000)



DOI:10.11984/j.issn.1000-7083.20150351

大熊猫弃食竹秆皮的化学原因

赵志琛1， 林达1， 孙雪1， 张贵权2， 贾竞波1*

(1．东北林业大学野生动物资源学院，哈尔滨150040； 2．中国保护大熊猫研究中心碧峰峡研究基地，四川雅安625000)

大熊猫Ailuropodamelanoleuca依赖竹子才能够生存，但取食时却有很强的选择性，特别在取食竹秆时，会撕去竹秆皮。尽管这可以简单解释为大熊猫不喜欢吃坚韧的竹秆皮，但研究其背后的化学原因却有助于加深对这种行为的理解。2015年4—5月，在中国保护大熊猫研究中心雅安碧峰峡研究基地和都江堰研究基地，通过观察8只圈养大熊猫对10种竹子的采食，发现这些大熊猫只取食其中的8种竹子，并且明显表现出弃食竹秆皮的行为。进一步采用范氏洗涤分析滤袋技术、全自动纤维素分析仪对10种竹子的竹秆皮进行化学分析，结果显示：10种竹子中除个别竹种外，纤维类物质含量在竹秆皮与竹秆其余部位之间的差异有统计学意义。竹秆皮中的半纤维素含量较竹秆其余部位低15%～35%(9种：P<0.01；1种：P>0.05)，纤维素含量较竹秆其余部位高5%～30%(3种：P<0.01；5种：P<0.05；2种：P>0.05)，木质素含量较竹秆其余部位高5%～48%(2种：P<0.01；6种：P<0.05；2种：P>0.05)。显然，纤维类物质的含量差异，尤其是能使竹秆皮变硬的高含量纤维素和木质素，是大熊猫弃食竹秆皮的主要原因之一。观察中的个别例外也意味着纤维类物质也许不是大熊猫选择性取食的唯一原因。

大熊猫；竹子；竹秆皮；选择性取食；纤维类物质

竹子的秆、叶、笋等器官均是大熊猫Ailuropodamelanoleuca的食物(傅金和等，2011)。其中，竹秆指竹子地上茎的主干，主要包括竹节和竹节间，从竹节间的横切面上看，其组成由内向外依次为髓腔(亦称竹腔)、秆髓(亦称竹黄)、秆肉(亦称竹肉)、秆皮(亦称竹青、竹皮)。秆髓较薄，包括髓(亦称竹膜、竹衣)和髓环，无维管束。秆肉是竹秆的主体，基本组织中密布由内向外逐渐密集的维管束。维管束纵向平行排列，横切面则表现为深色的菱形斑点。最外层的秆皮也较薄，无维管束，微观结构为表皮、皮下层和皮层，均由体小壁厚、排列紧密的细胞所构成(Jiang，2007)。

据文献记载(张颖溢等，2002)和本研究观察，大熊猫尽管取食竹秆，但取食时却通常撕去竹秆皮(简称“撕皮”)。这种行为可以视为大熊猫不喜欢吃坚韧的竹秆皮，但其背后的化学原因如何，如是否为纤维素类物质所致(孙雪等，2015)，以及其如何影响大熊猫取食，却鲜有研究。为此，2015年4—5月，先后在中国保护大熊猫研究中心雅安碧峰峡研究基地和都江堰研究基地对8只大熊猫及其10个取食竹种进行了观察和化学分析，旨在揭示大熊猫取食竹秆时撕皮的可能原因，为进一步深入研究提供参考。

1 研究地区

中国保护大熊猫研究中心雅安碧峰峡研究基地位于四川盆地西缘、邛崃山系西南部余脉的中低山地，雅安市北碧峰峡景区内，102°51′～103°12′E，29°40′～30°14′N。基地占地400 hm2，平均海拔1 100 m左右(1 050～1 180 m)，年平均气温13.9 ℃±7.5 ℃，年平均降雨量1 000 mm以上，属中纬度内陆亚热带季风性湿润气候(汤纯香等，2007；王小红，2007)。

中国保护大熊猫研究中心都江堰研究基地位于四川盆地西缘山地，都江堰市青城山镇石桥村(103°33′E，34°57′N)。基地占地约51 hm2，海拔约785 m。年平均气温10 ℃左右，雨量丰沛，年降水量1 300～1 800 mm，属中亚热带湿润季风气候(陈昌笃，2000；毕温磊等，2014)。

2 材料与方法

2.1 实验动物

8只大熊猫的名字(谱系)分别为：蜀兰(407)、公主(477)、芊芊(650)、喜斗(654)、华奥(669)、憨憨(852)、跷远(416)、怡畅(838)。其中，前4只生活在雅安碧峰峡研究基地，后4只生活在都江堰研究基地。

2.2 实验用竹

刺竹子Chimonobambusapachystachys、箬叶竹Indocalamuslongiauritus、白夹竹Phyllostachysbissetii、毛竹P.heterocycla、金竹P.sulphurea、苦竹Pleioblastusamarus、紫竹P.nigra、大琴丝竹Neosinocalamusaffinisf.flavidorivens、慈竹Neosinocalamusaffinis、雷竹P.praecox共10种。其中，前7种有大熊猫取食记录(傅金和等，2011)，后3种记载不详。本文实验中的雷竹、箬叶竹、白夹竹均采自都江堰研究基地，其余采自雅安碧峰峡研究基地。

2.3 投喂实验

在雅安碧峰峡研究基地和都江堰研究基地将所采集的竹子分别投喂大熊猫。投喂的竹子取成竹(竹龄3年左右)，竹茎地上30 cm以上部分。每种竹子均取6株以上(n≥10×6)。投喂时间为每天08∶30—15∶30，同一种竹子(n≥6)连续投喂3 d。每次投喂完成后，连续观察2 h，记录是否有取食或选择性取食的行为发生。

取食：观察到竹子被大熊猫啃食且吞咽，不包括啃食后未吞咽或啃食一口后放弃。

选择性取食(撕皮)：取食竹秆时剥离并弃食竹秆皮。

2.4 化学分析

仪器：ANKOM-A2000i全自动纤维分析仪、SX-2.5-12马弗炉、分析天平、GZX-9240MBE电热恒温鼓风干燥箱、ANKOM-F57滤袋(孔径25 μm)、IKA A11 basic粉碎机、封口机、干燥器、F08耐溶剂标记笔等。

试剂：十二烷基硫酸钠(USP)、十六烷三甲基溴化胺(CTAB)、十水四硼酸钠(Na2B4O7·10H2O)、乙二胺四乙酸二钠(Na2EDTA)、无水磷酸氢二钠(Na2HPO4)、三甘醇(C6H14O4)、α淀粉酶、无水亚硫酸钠(Na2SO3)、丙酮(CH3COCH3)、72%硫酸(H2SO4)等。

分析方法：纤维类物质分析测定均基于范氏(Van Soest)洗涤分析(Van Soestetal.，1991；Van Soest，1994)的滤袋技术(FBT)(Goering & Van Soest，1970)。分别测定中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)和酸性洗涤木质素(ADL)。

NDF测定：将样品烘干、粉碎、称重，装入滤袋，然后用中性洗涤剂煮沸。煮沸结束后，已将可溶物质(NDS)煮出，滤袋内获得非溶性残渣，即NDF，内含半纤维素、纤维素、木质素和硅酸盐。煮沸后的样品(含滤袋)风干称重，然后按公式NDF=[W3-(W1×C1)]×100/W2计算NDF含量。式中，W3为洗涤后滤袋及样品干重，W1为滤袋质量，C1为滤袋校正系数(烘干后质量/原质量)，W2为竹粉样品干重。具体步骤包括：

1)配置试剂：称取30 g USP，18.61 g Na2EDTA，6.81 g Na2B4O7·10H2O，4.56 g Na2HPO4，10.0 mL C6H14O4，全部溶解在1 L水中，适当搅拌帮助溶解，pH值控制在6.9～7.1。

2)样品准备：将样品100 ℃下烘干，粉碎，过40目筛与60目筛，取中间部分，并将滤袋编号。

3)称量封装：称量编号的滤袋和样品，样本取0.50 g±0.05 g。将样品分别放入编号的滤袋底部，并用封口机在距袋口4 mm处封口。烘干和称量空白滤袋，求C1。

4)丙酮浸泡：将样品滤袋放入烧杯，加入足量丙酮，至完全淹没。震荡浸泡10 min，倒出丙酮，平铺滤袋，风干。

5)仪器测定：将样品放入纤维素全自动分析仪，注入中性洗涤剂，手动加入无水亚硫酸钠(20 g)和α淀粉酶(4 mL)。在分析仪B口处再添加α淀粉酶8 mL，并稀释至350 mL，然后开始洗涤。

6)烘干称重：洗涤结束后，将样品取出，挤压出水，放入烘箱(102 ℃±2 ℃)，烘3 h。烘干后，将滤袋放入干燥器，冷却后称重，即W3。

ADF测定：将NDF残渣用酸性洗涤剂CTAB和72%硫酸洗涤，获得ADF残渣(内含纤维素、木质素和硅酸盐)，然后按公式ADF=[W3-(W1×C1)]×100/W2计算ADF含量。式中，W3=酸洗后滤袋及样品干重，W1=滤袋质量，C1=滤袋校正系数(烘干后质量/原质量)，W2=NDF样品干重。除试剂配置外，具体步骤与DNF测定相同。配置ADF试剂时，取20 g CTAB，溶于1 L已标定72%硫酸，加热搅拌，使其溶解。

测定ADL和灰分。将ADF残渣用72%硫酸处理，获得ADL残渣(内含木质素和硅酸盐)。再将ADL残渣高温灰化，最后只剩灰分残渣(内含硅酸盐)。ADL含量计算用公式ADL=[(W3-W1×C1)-(W4-C)]×100/W2，式中W3=酸洗后滤袋及样品干重，W1=滤袋质量，C1=滤袋校正系数(烘干后质量/原质量)，W4=灰化后连同坩埚的质量，C=坩埚质量，W2=ADF样品干重。具体步骤包括：

1)配置硫酸：取734.69 mL浓硫酸(分析纯)，倒入265.31 mL水中，冷却，稀释至1 000 mL。

2)硫酸浸泡：将完全干燥的ADF残渣滤袋放入烧杯，加入足量(约250 mL)72%硫酸，使滤袋浸没，并适当搅拌。

3)淋洗和称重：浸泡3 h后倒掉硫酸，用水淋洗，至pH值为中性。然后用250 mL丙酮淋洗3 min，除水。在102 ℃烘箱中干燥4 h，放入干燥器，冷却至室温，称重，即W3。

4)样品灰化：将称重后的滤袋放入已知质量(C)的30 mL坩埚中，在600 ℃±15 ℃的马弗炉中灰化2 h。灰化后，连同坩埚一起称重(W4)。

2.5 数据处理

使用Excel 2013与SPSS 22对实验数据进行处理。纤维类物质含量计算为：半纤维素=NDF-ADF，纤维素=ADF-ADL，木质素=ADL-灰分。

3 结果与分析

3.1 大熊猫选择性取食

大熊猫取食了10种竹子中的8种(表1)，并且绝大多数(箬叶竹、白夹竹有例外)被取食的竹子都被撕去了竹秆皮。这说明，尽管存在微小个体差异(除芊芊、华奥、憨憨、跷远外)，这些实验大熊猫的确不喜欢吃竹秆皮。

3.2 纤维类物质含量

化学分析表明，相较于竹秆的其余部位，竹秆皮的半纤维素含量普遍较低，比竹秆其余部位低约15%～35%。除白夹竹外，其余9种竹子半纤维素含量差异有高度统计学意义(P<0.01)(表2)。

纤维素含量则相反，除金竹外，竹秆皮中的含量普遍高于竹秆的其余部位，高5%～30%。在刺竹子、紫竹、大琴丝竹中差异有高度统计学意义(P<0.01)，白夹竹、毛竹、慈竹、苦竹、雷竹差异有统计学意义(P<0.05)，箬叶竹、金竹差异无统计学意义。

和纤维素相似，除雷竹外，木质素在竹秆皮中的含量普遍高于竹秆的其余部位，高5%～48%。在大琴丝竹、金竹中的含量差异有高度统计学意义(P<0.01)，在刺竹子、紫竹、箬叶竹、毛竹、慈竹、苦竹中的差异有统计学意义(P<0.05)，而在白夹竹、雷竹中的含量差异无统计学意义。

4 讨论

大熊猫是食性高度特化的物种，但所食用的竹子营养价值相对较低，纤维类物质含量较高。在长期的协同进化中，大熊猫为了获取更多能量会主动采取相应的取食策略(Schaller，1985；Weietal.，1999)，如增加进食时间与频率、选择易消化的食物、回避逆营养物质等(刘颖颖，2009；孙雪等，2015)。取食竹秆时的撕皮也应是其取食策略之一，本研究结果很好地证明了这一点。

研究表明，营养因子并不是大熊猫取食的主要限制因子，大熊猫主食竹之间的主要营养成分和微量元素差异通常并不显著(何东阳，2010)，从而很难从营养的角度来解释大熊猫的选择性取食(Hunteretal.，2003；刘颖颖，2009)。因此，竹子的逆营养物质(如：纤维类物质、硅元素、次级代谢物质、寄生真菌毒素等)对大熊猫取食有重大影响(赵晓虹等，2001；Keski-Saarietal.，2008；李腾飞，李俊清，2009；Helanderetal.，2013；孙雪等，2015)。

纤维类物质主要包括半纤维素、纤维素和木质素。半纤维素是由不同类型单糖构成的多聚体，纤维素是葡萄糖组成的大分子多糖，木质素则是无定形、分子结构中含氧代苯丙醇或其衍生物的芳香性高聚物。通常，半纤维素与纤维素还能以氢键和范德瓦耳斯力相连，相互交叉，构成网状结构，并由果胶和木质素填充其中。半纤维素与木质素之间也能以苯甲基醚形式连接，形成木素-碳水化合物复合体，影响植物的坚韧度(Buchanan & Jones，2000；谭仁祥等，2002；陈晓亚，薛红卫，2012)。

纤维类物质能成为大熊猫取食的限制因子之一，一是使竹子的适口性下降，二是不能被大熊猫直接消化(张亚新，2007；樊程等，2012)。纤维类物质使食物适口性下降是动物营养学中的普遍现象(杨凤，2010)，而大熊猫借助消化道中共生细菌帮助消化纤维类物质(费立松等，2005；罗永久等，2013；王海娟，潘渠，2014)，最多只能代谢8%的纤维素和27%的半纤维素，木质素则几乎无法消化(Dierenfeldetal.，1982)。

竹秆皮中，长形细胞、硅质细胞和栓质细胞分布在表皮层。栓质和硅质细胞形态小，成对结合，插生于长形细胞纵列中。长形细胞胞壁很厚，栓质细胞呈梯形六面体，硅质细胞含有硅酸盐结晶。表皮层往里是皮下层，由1～3层柱状细胞构成。柱状细胞纵向排列，细胞壁也很厚。皮下层至出现维管束的部分为皮层，由3～7层圆柱细胞构成，由此细胞开始增大，细胞壁变薄。秆肉中富含薄壁细胞，并环绕维管束，尽管秆肉中有随竹龄增加而增厚的纤维束和木质化细胞，但相较于竹秆皮，秆肉中有维管束、导管等众多复杂结构，还有大量未木质化的短细胞，后者不仅细胞壁薄，细胞质也较浓稠。由此可见，大熊猫撕去的竹秆皮是竹秆中最坚韧的部分(Jiang，2007)。本研究结果表明，竹秆皮中纤维素与木质素含量远超过竹秆的其余部分。相反，能被较多代谢的半纤维素含量在竹秆皮中却非常少，这就解释了大熊猫撕皮行为背后的化学原因。

观察还发现，大熊猫不撕皮取食的只见于箬叶竹(1例)和白夹竹(2例)(表1)。化学分析表明，箬叶竹虽然竹秆皮和秆肉的半纤维素含量差异有统计学意义，但纤维素含量无统计学意义，木质素略有差异。白夹竹虽然纤维素略有差异，但木质素无差异，说明竹秆皮并不坚韧。此外，这2种竹秆较纤细，大熊猫可直接咬断，难以形成缺口撕皮(张颖溢等，2002)。纤维类物质虽然能明显影响大熊猫的选择性取食，但本研究中也出现了例外。尤其是紫竹和慈竹，它们的纤维类物质含量与其他竹子相差无几，但大熊猫完全没有取食。因此，纤维类物质可能并不是唯一影响大熊猫选择性取食的因子。

致谢：本研究得到中国保护大熊猫研究中心雅安碧峰峡研究基地和都江堰研究基地的大力支持，在此特别感谢工作人员所给予的各项帮助!

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Chemical Reasons for Giant Panda Peeling the Bamboo Culm Skin

ZHAO Zhichen1, LIN Da1, SUN Xue1, ZHANG Guiquan2, JIA Jingbo1*

(1. Northeast Forestry University, Harbin 150040, China;2. China Conservation and Research Center for the Giant Panda, Ya’an, Sichuan Province 625000, China)

The survial of giant pandas (Ailuropodamelanoleuca) is highly depended on the bamboo, however, they are strongly selective on the bamboo when feeding. Especially, when eating the bamboo culm, they usually peel the culm skin. Although this behavior may simply be regarded as giant pandas’ dislike the hard skin, it would be necessary to explore the underlying chemical reasons. By observing eight captive giant pandas in Ya’an Bifeng Gorge Base and Dujiangan Disease Control Center, China Conservation and Research Center for the Giant Panda, Sichuan, China, from April to May of 2015, 8 of 10 species of bamboo were selected by the pandas, and the bamboo culm skin was robustly peeled. The result of chemical analysis by using filter bag technology of Van Soest with ANKOM-A2000i Automated Analyzer showed that, the contents of fiber-like substance of majority of bamboo were significantly different between culm skin and the rest part of culm. In the culm skin, the content of hemicellulose was 15%～35% lower than the rest part (9 species:P<0.01; 1 species:P>0.05), but cellulose content was 5%～30% higher than the rest part (3 species:P<0.01; 5 species:P<0.05; 2 species:P>0.05), and lignin content was 5%～48% higher than the rest part (2 species:P<0.01; 6 species:P<0.05; 2 species:P>0.05). Our results showed that, the fiber-like substance, especially the cellulose and lignin, may harden the culm skin, and this might be one of the possible chemical reasons for giant panda abandoning the bamboo culm skin.

giant panda; bamboo; bamboo culm skin; selective feeding; fiber-like substance

2015-11-07 接受日期：2016-01-15

国家林业局大熊猫国际合作项目(WY1103)

赵志琛(1990—), 男, 硕士研究生, E-mail:maorongrong9@foxmail.com

*通信作者Corresponding author， E-mail:jiajingbo2011@163.com

Q959.8

A

1000-7083(2016)02-0161-06