边心材转变过程中管胞结构和化学成分变化及其对管胞强度性能的影响

本项目拟选择我国南方重要的针叶树种杉木(Cunninghamia lanceolata Hook.)为研究对象，以边材向心材的转变为研究主线，自边材至心材沿径向方向连续选取新鲜实验材料，采用包括研究管胞空间结构的微尺度断层扫描成像技术、研究管胞化学成分的显微分光光度测量技术和研究管胞强度性能的动态纳米测量技术在内的多种定量解剖、微区化学和细胞力学分析方法，研究边材向心材转变过程中管胞结构、化学成分和管胞强度性能三个方面的变化方式，揭示针叶树种边心材转变过程中管胞的细胞学变化规律及其对管胞强度性能的影响，为现代生物技术调控树木心材形成提供科学的细胞学数据，同时也能为高效加工利用心材以及定向制备高性能仿生新材料提供可靠的生物学基础。

本文以杉木（Cunninghamia lanceolata）边心材转变过程中的细胞变化为研究主线，利用包括光学和电子显微镜，X-射线衍射、傅立叶变换红外显微成像、紫外可见显微分光光度计、动态力学分析仪和动态水分吸湿仪等在内的细胞壁结构与性能表征工具，在细胞水平上较系统研究了树木边材向心材转变过程中细胞壁结构与性能的变化方式和相互关系，为提高心材加工利用和定向制备仿生新材料提供科学基础。本项目研究的主要研究结果如下：.心材形成过程中，细胞显微和超微结构发生显著变化。形成层纺锤形细胞壁和射线细胞壁都较薄，细胞含有大液泡，原生质体被挤到细胞腔周围。纺锤形细胞的分化在当年就完成，随后原生质体完全分解，成为中空管状厚壁细胞；而射线细胞能保持存活状态至少13年，但是原生质体的数量、形状和大小发生了变化，随后射线薄壁细胞原生质体完全分解，标志着边心材转变的完成。.边心材转变过程中，细胞壁化学成分发生明显变化。从边材到心材，尽管细胞壁纤维素微纤丝排列方向没有大的差异，细胞壁基质中半纤维素的基本结构没有明显变化，但是基质中木质素含量与分子结构有差异。心材次生壁木质素含量和分子交联程度均高于边材，而过渡区细胞壁化学成分变化无明显规律。.边心材转变过程中，随着细胞壁结构和化学成分的变化，细胞壁粘弹性能发生明显变化。利用微型动态力学分析仪原位分析表明，从边材到心材，木质素粘弹性能表现出频率依赖性和软化温度均随频率的上升而增大；心材木质素软化温度明显高于边材和过渡区。心材木质素交联程度的增加，可能导致其玻璃态转变时的分子链段运动所需温度和热量更高。而边材与过渡区之间的细胞壁粘弹性能无显著差异。.边心材转变过程中，细胞壁吸湿性能发生变化。边材的吸湿性能大于过渡区和心材，过渡区的吸湿性能大于心材；而早材与晚材的吸湿性能在各位置区域无显著差异。.综上，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。边心材的细胞壁基质中木质素化学结构的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。