茶鹃木木材解剖学、生理特性及挥发性成分研究

王露露，刘欣怡，王雅丽，唐 文，洪少友，王 军*

1. 海南省黎药资源天然产物研究与利用重点实验室/农业农村部热带作物生物学与遗传资源利用重点实验室/中国热带农业科学院热带生物技术研究所，海南海口 571101；2. 海南热带农业资源研究院，海南海口 571101；3. 海南省产品质量监督检验所，海南海口 570003

马达加斯加是非洲大陆以东、印度洋西部，非洲第一和世界第四大岛，属于热带雨林气候，终年湿热，年降水量达2000~3800 mm，年平均气温约24 ℃，这里拥有众多奇特生物，80%左右的野生动植物都是该岛独有，特有植物有1万多种，生物多样性极其丰富，成为许多濒危物种最后的家园，所以马达加斯加又被称为“最后的诺亚方舟”[1-5]。茶鹃木（HumbertiamadagascariensisLam.）也是该岛特有的单种属物种，生长在东海岸古老的玄武岩流或沿海沙滩上，其木材不易腐烂，呈黄色，坚硬，密度大于水，有“柑橘檀香”味，又被称为“药香黄檀”和“马达加斯加黄檀”，是整个东海岸地层中出现的典型物种，由于大量开采木材，使珍贵物种匮乏[6-7]。

茶鹃木为乔木，可高达30 m；树皮浅褐色，具凹槽，皮孔不明显。顶生花序，花冠钟形，边缘乳白色，雄蕊和花柱外露。蒴果椭球形或卵形，顶部具脐，被紧贴的萼片包围果皮不开裂，肉质，棕色，光滑，干燥后具网状纹饰。种子1~2（4）粒，卵球形[8]。有学者[9]对茶鹃木的树皮解剖发现其粗糙且很硬，横切面无石细胞带，形成层规则，高度硬化且面积大。微观构造特征表明：横切面形成层宽约4层，连续13层均匀交替的薄壁筛管层；晶体纤维2行，薄壁组织1~2行，成排的筛管1~2行，晶体纤维2行等；横截面分隔的隔间里均有一层草酸钙晶体；在树皮的硬化部分，大多数薄壁细胞转化成巨大的石细胞，是旋花科树皮结构中的稀有情况。研究还发现，茄科（Solanaceae）植物和旋花属（Convolvulus）植物亲缘关系紧密，均含有大量草酸钙晶体，从树皮的解剖学角度无法阐明茶鹃木的亲缘关系。

有关茶鹃木的相关研究报道甚少，其中包括化学成分、分子生物学及上述的树皮解剖学方面研究。在化学方面，有学者通过高效液相色谱法（HPLC）在茶鹃木木材中检测到木质素成分松脂素二甲醚[pinoresinol dimethyl ether或(+)-eudesmin)][10-11]，该成分具有拮抗血小板活性因子（PAF）活性的药理作用[12]，另外还鉴定到化学成分环已二酸（cyclohexanderivate）[13]。分子生物学方面研究证明，茶鹃木因其具有辐射对称的花，保留了旋花科的一些疑似祖先的特征，有别于其他主要草本类。通过rbcL、atpB、psbE-Joperon和trnL-trnF四个叶绿体片段证明了茶鹃木属于旋花科[14]。利用核糖体和质体rps2、matK、ITS序列构建了旋花科菟丝子属（CuscutaL.）系统发育模型，茶鹃木属（HumbertiaLam.）分别与菟丝子属rbcL、rps2、ITS单个基因树在拓扑结构是基本一致的[15]。在旋花科内，目前最新的分子系统学研究主要基于细胞器和核基因片段，其结果支持广义旋花科为一个单系，并进一步将其划分成2亚科12族，其中茶鹃木被归入单独的茶鹃木亚科，包含茶鹃木族（Humbertieae）、茶鹃木属[14,16]。目前，尚无茶鹃木木材生理指标、解剖结构和挥发性成分的研究报道，本研究将从茶鹃木木材生理指标、宏观与微观结构等方面对其木材解剖学进行研究，并对其挥发性成分进行GC-MS分析，旨在为茶鹃木木材的识别、生理指标、化学成分等方面的深入研究提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验样品 茶鹃木木材样品于2021年5月收集于海南省海口市木材市场，标本号为CJM202105，由洪少友鉴定为茶鹃木（Humbertia madagascariensisLam.），凭证标本藏于中国热带农业科学院热带生物技术研究所。

1.1.2 仪器与试剂 半自动切片机（德国Leica RM 2235）；体式解剖显微镜（日本Olympus）；手持式数码显微镜（深圳东仪精工AM413T）；万分之一电子天平（北京赛多利斯BP221S）；中性树胶（国药集团）；环保组织透明液（哈尔滨格林标本）；GC-MS联用仪（美国安捷伦HP6890/5975C）；超声波清洗仪（美国Bransonic-B5510EMT）；烘箱（上海精密仪器设备有限公司）；雷磁pH酸度计S-3C（上海仪电科学仪器）；电热恒温水浴锅DK-98-11（天津市泰斯特仪器有限公司）；全波长多功能酶标仪Synergy H1（美国Bio-Tek）；微量法/蒽酮比色法试剂盒（苏州科铭生物技术有限公司）；微量法/考马斯亮蓝法试剂盒（苏州科铭生物技术有限公司）；使用的试剂均为分析纯。

1.2 方法

1.2.1 木材基本密度测定 木材基本密度测定方法参照国家标准GB/T 1933—2009[17]。具体操作步骤如下：（1）试样加工成尺寸为50 mm×50 mm×50 mm的标准立方体，相邻面互相垂直，立方体六面用砂纸打磨使其表面尽量平整光滑。（2）将样品放入烘箱内，初始温度60 ℃保持约6 h，然后将温度升至(103±2)℃再烘10 h，然后从中选定3个样品进行第1次试称，以后每隔2 h称量1次，至最后2次质量差不超过试样质量的0.5%时将样品从烘箱内取出，放入干燥器内冷却。（3）样品冷却至室温后，从称量瓶中取出称量（m0）精确至0.001 g。（4）将样品浸泡在水中，使样品处于饱和水状态，5 d后在样品各面的中心位置用卡尺分别测出弦向、径向和顺纹方向的尺寸，准确至0.01 mm，计算出饱和水样品体积V0，样品测量过程中始终保持表面湿润。基本密度（ρ），按下列公式计算，精确到0.001 g/cm3：式中，m0为烘干后试样质量，g；V0为饱和水样品体积，cm3。

1.2.2 木材生理指标测定 参照国家标准GB/T 6043—2009测定木材的酸碱性，具体步骤如下：（1）试样制备。将试样破碎后置于通风良好，无酸、碱性气体的室内气干，均匀混合后取约200 g，用植物原料粉碎机粉碎后取粒径为40~60目的木粉，备用；（2）在使用前按使用说明书校正酸度计。称取木粉3 g（以绝干计，精确至0.001 g)，置于50 mL烧杯内，准确加入30.0 mL去除CO2的蒸馏水，搅拌5 min，放置15 min后再搅拌5 min，静置20 min，测定pH，重复3次。每种木粉平行测定3次，3次测定结果差值不得大于0.04，取其平均值为测定结果。

采用蒽酮比色法测定淀粉含量，具体步骤如下：（1）称取0.1 g新鲜样本，3次重复，加入1 mL 80%乙醇充分匀浆后转移到离心管中，80 ℃水浴提取30 min，3000×g，25 ℃离心5 min，弃上清；（2）沉淀中加入0.5 mL蒸馏水，放入95 ℃水浴糊化15 min，冷却后加入0.35 mL高氯酸溶液，常温提取15 min；（3）加入0.85 mL蒸馏水混匀，3000×g，25 ℃离心10 min，取50 μL上清液和250 μL蒽酮-浓硫酸溶液混匀，95 ℃水浴10 min，自然冷却后取200 μL在酶标仪波长620 nm下记录吸光值。

采用考马斯亮蓝法测定可溶性蛋白含量，具体步骤如下：（1）取0.1 g新鲜样本，3次重复，加入2 mL蒸馏水充分冰浴匀浆后转移到离心管中，8000×g，4 ℃离心10 min，取上清即待测液；（2）在96孔板中，取100 μL待测液（空白用100 μL蒸馏水）加入100 μL考马斯亮蓝G-250试剂，混匀后在酶标仪波长620 nm下记录吸光值。

1.2.3 木材解剖学 用木锯将茎段沿垂直于轴向锯断且断口处保持平整，选取木材三切面（横切面、弦切面和径切面），置于手持式数码显微镜下（倍数为35倍）观测拍照，并记录木材宏观构造特征。按王军等[18]的木材制片方法制成三切面切片，将压制好的切片置于体式解剖显微镜下观测，其中木材横切面放大倍数为40倍，弦切面和径切面均为100倍，观测拍照，并记录木材微观构造特征。

1.2.4 GC-MS分析 样品切碎后，过40目筛，精确称取样品，分别用3 mL乙醚超声提取3次，每次超声15 min，静置5 min后过滤得到乙醚提取液，合并3次提取液，待乙醚挥发后，得到油状乙醚提取物样品，准确称重，加入2mL乙醚溶剂溶解，用0.45 μm有机微孔滤膜过滤，即为样品溶液。色谱条件：色谱柱HP-5MS 5% phenyl methyl siloxane（30 m×0.25 mm×0.25 μm）弹性石英毛细管柱；升温程序：柱温50 ℃，以5 ℃/min升温至310 ℃，保持10 min，汽化室温度为250 ℃，载气为高纯He（99.999%），载气流量为1.0 mL/min，不分流，溶剂延迟时间为4.0 min。质谱条件：电子轰击（EI）离子源，电子能量为70 eV，离子源温度为230 ℃，四极杆温度为150 ℃，接口温度为280 ℃，倍增器电压为1612 V，质量扫描范围为29~500m/z。

2 结果与分析

2.1 茶鹃木木材基本密度

通过测定木材基本密度，测得茶鹃木木材的基本密度为1.684 g/cm3；通过水试发现该木材沉水。

2.2 茶鹃木木材pH、淀粉含量及可溶性蛋白含量

通过测定，茶鹃木木材的pH为6.78，略呈碱性木材（按照文献[19]划分）；茶鹃木木材淀粉含量为10.953 mg/g，可溶性蛋白含量为0.271 mg/g。

2.3 茶鹃木木材的解剖学研究

茶鹃木木材的宏观构造见图1，微观构造见图2，对木材构造特征描述参照《中国木材志》[20]。观测结果如下：

图1 茶鹃木木材的宏观切面Fig. 1 Macro sections of the wood of H. madagascariensis Lam.

图2 茶鹃木木材的微观切面Fig. 2 Micro sections of wood of H. madagascariensis Lam.

木材粗视构造：黄褐色，心边材区别不明显，有光泽，有“柑橘檀香”味。生长轮不明显，木材类型为散孔材；管孔较大，肉眼下可见，在放大镜下清晰可见，管孔大小略一致，分布均匀，管孔内及边缘含有白色至金黄色侵填体，弦切面上较明显。轴向薄壁组织无或不明显。横切面上木射线清晰，均匀细密；径切面上木射线斑纹明显，分布密集；弦切面上呈细线状，波痕略可见。

木材显微构造：散孔材，管孔为椭圆形、圆形，数目为3~5个/mm2，单管孔，分散分布，管孔弦径80~210 μm，管孔内及边缘含有金黄色树胶，树胶通常有不规则分隔，穿孔板斜列。轴向薄壁组织无或不明显。木射线非叠生，同形，单列，7~9根/mm；射线细胞较大，清晰可见，大小均等，长30~47 μm，宽55~70 μm，多数为椭圆形、长圆形，边缘规则；射线高度为1~10个细胞，多数为4~8个细胞，9~10个细胞甚少，射线长32~280 μm，多数为100~170 μm；射线宽度为6~20 μm；射线间距35~300 μm，多数为150~200 μm；横卧射线含方形细胞3~7层，长20~100 μm，高20~50 μm；射线细胞通常不含树胶。三切面上导管外侧及纤维组织中椭圆状晶体明显，数量众多，纵向排列规则，大小平均为1.3 μm×6.5 μm。

2.4 茶鹃木挥发性成分GC-MS分析

图3为茶鹃木样品乙醚提取物的总离子流图，对总离子流图中的各峰经质谱数据系统检索及核对Nist 2005和Wiley 275标准质谱图，借鉴前人[21-22]的鉴定方法，结合质谱图与文献数据进行对照，并用峰面积归一化法得出色谱峰在样品中的总相对含量占出峰总面积的98.44%，总检出率较高，各挥发性化学成分的类型和相对质量分数见表1。由图3和表1可知，茶鹃木木材挥发性成分共鉴定出13个化合物，其中，主要成分为脂肪酸类（88.81%），还有脂类（8.12%）和萜烯类（0.94%）等，鉴定出的化合物中含量较高的为棕榈酸（47.32%），其次为硬脂酸（38.79%），二者的相对百分含量合计为86.11%，其他成分相对百分含量较高的还有己二酸二辛酯（2.81%）、十二烯酸十二烯酯（2.81%）、异丙烯酸十二酯（1.70%）和十二烷酸（1.53%）等。

表1 茶鹃木木材挥发性成分Tab. 1 Volatile constituents in wood of H. madagascariensis Lam.

图3 茶鹃木木材的GC-MS总离子流图Fig. 3 GC-MS total iron chart of wood of H. madagascariensis Lam.

3 讨论

植物晶体主要存在于植物器官的茎中，其次是叶，最后是根，其含量与环境的盐浓度、胁迫时间和生长时间均呈正比[23]，具有特殊的结构和生理功能，在植物保护和防御、结石病防治、离子平衡、植物病虫防治、植物适应逆境等方面具有重要作用[24-27]。马达加斯加东海岸由于气候炎热、台风众多、土壤盐碱化严重等因素，造就了其独特的气候环境[6]，对于植物而言需要有特殊的适应机制。本研究通过木材特性和解剖学发现：茶鹃木木材沉水，基本密度为1.684 g/cm3；管孔较大、分布较稀，射线单列、细密，内含众多纵向规则排列的椭圆状晶体。且前人从茶鹃木的树皮中也发现了大量草酸钙晶体，从而造就了上述木材构造细密、重硬和抗逆性强等特点。

木材的酸碱性质主要来自抽提物、半纤维素的糖醛酸和乙酰基，以及木质素具有的弱酸性基和纤维素含有的羟基，并且木材在贮藏过程中，会不断产生酸性物质，因此世界上绝大部分木材呈弱酸性，把pH<6.5的木材归属于酸性木材，把pH>6.5的木材归属于碱性木材，极少数木材或者心材属于碱性木材[19]。半纤维素是决定木材pH的一个因子，当树体受胁迫时，形成愈伤组织，因而加速生长，并降低了半纤维素的含量，木材pH提高，因此受胁迫的树体有偏碱性的趋势[28]。本研究中，茶鹃木的pH为6.78，略呈碱性。

当植物遭受非生物胁迫（高温、盐碱地等）时，植物体内淀粉水解，会增加植物体内可溶性糖含量，保护酶活性增多，细胞液的浓度增高，冰点降低，可减轻细胞的脱水，保护原生质胶体，从而提高对非生物胁迫的抵抗力[29]；且可溶性蛋白也是一种渗透调节物质，其含量也是植物代谢过程中蛋白质损伤的一项重要指标[30]，植物中可溶性蛋白含量高，抗逆性就越强[31]。本研究中茶鹃木的淀粉含量为10.953 mg/g，蛋白含量为0.271 mg/g，均有利于抵抗生长过程中遭受非生物胁迫。

植物脂肪酸既是细胞膜脂的主要成分，又是重要的能源物质，随着深入研究表明，很多脂肪酸及其衍生物可诱导各种植物产生防御反应[32]。例如大豆中硬脂酸可抑制种子种传病毒茎溃疡病菌的侵染[33]；拟南芥油酸参与了水杨酸和茉莉酸介导植物防御信号传导[34]；在鳄梨发生炭疽病时，亚油酸可增强抗性等[35]。本研究发现，茶鹃木木材中的脂肪酸类成分共有6种，占样品总相对百分质量的88.81%，尤其是饱和脂肪酸棕榈酸（47.32%）和硬脂酸（38.79%）含量较高。其中棕榈酸可诱导胰岛素瘤细胞MIN6细胞凋亡并对胰岛素成熟有影响，也可诱导大鼠主动脉内皮细胞凋亡，此外棕榈酸还可用于多种化工原料，其特殊香气和滋味，亦可用于配制食用香料或作为食品添加剂的原料，据报道木质部棕榈酸具有促使肿瘤细胞或其他细胞凋亡的作用[36-37]。硬脂酸是长链饱和脂肪酸的主要成分，可作为信号分子参与机体炎症、代谢、免疫的调节，其具有致炎和抗炎、致氧化和抗氧化等多重作用，可通过多种途径参与风湿性疾病的发生、发展，代谢组学研究还揭示其可作为风湿性疾病的潜在生物学标志物[38]。

不饱和脂肪酸含有碳碳双键，具有极强还原性，可氧化形成小分子挥发性物质，如醛、酸等，而不同的不饱和脂肪酸所氧化产生的挥发性成分不同，使得其气味也不同[39]。本研究发现，茶鹃木木材挥发性成分中含有少量的不饱和脂肪酸，即亚油酸（0.23%）和油酸（0.61%），亚油酸可被氧化生成亚油酸过氧化物，进而裂解生成己醛。在浓度较低时，己醛能赋予食品一定的青香、果香香味；油酸可被氧化生成8-油酸氢过氧化物、9-油酸氢过氧化物、10-油酸氢过氧化物和11-油酸氢过氧化物等混合物，再裂解生成壬酸，而壬酸具有蜡香和柑橘香味[40]，据此推测茶鹃木具有的特殊“柑橘香味”可能与此有关。

由于茶鹃木为马达加斯加特有物种，其分布区狭窄，数量稀少，因此，人们对其了解和研究甚少。本研究对茶鹃木木材性质、生理生化指标、木材解剖学及其挥发性成分进行了初步分析，拓宽了马达加斯加特有植物的研究，为该植物的木材识别、资源的保护、开发利用及进一步深入研究等方面提供科学依据。