木材形成过程中次生壁沉积和细胞程序性死亡的分子调控机制

木材的形成经历了维管形成层细胞的增殖,木质部细胞的分化和扩张,次生细胞壁的沉积和细胞程序性死亡(programmed cell death, PCD)的过程.近年来,基于遗传学和组学分析,人们已经从模式植物拟南芥和杨树中鉴定出许多调控次生壁沉积的的关键转录因子和转录抑制因子.这些转录因子调控层次分明,共同构成次生壁沉积的转录调控网络,不仅在次生壁组分木质素、纤维素、木聚糖等物质的生物合成过程中起重要作用,而且可激活下游调控细胞程序性死亡相关的水解酶,启动木质部细胞的程序化死亡过程.对这些基因的生物学功能和调控网络进行解析,为阐明木材形成的分子生物学机制奠定了理论基础.本文综述了木材形成过程中次生壁沉积的转录调控网络和细胞程序性死亡相关的酶学机制及其最新研究进展.     

毛白杨维管形成层带细胞超微结构的季节性变化

木材(次生木质部)是树木形成层细胞分化的产物,形成层的活动方式不仅影响木材的产量,而且影响木材的结构和性质.利用透射电子显微镜观察了生长在北京地区的毛白杨(Populus tomentosa Carr.)枝条形成层带细胞一个完整活动周期的超微结构变化.在木质部母细胞完全恢复活动之前,形成层纺锤状原始细胞的分裂和韧皮部细胞的分化已经开始.枝条上芽的展开和幼叶的生长可能决定了形成层带细胞的这种活动方式.透射电镜观察更清楚地揭示了树木形成层细胞在活动初期的分化特点.活动期形成层细胞中的大液泡在进入休眠期后逐渐分成许多小液泡分散在细胞质中.随着液泡融合逐渐消失的深色蛋白类物质又重新充满了大部分液泡.油滴和淀粉颗粒的年变化情况同液泡中的蛋白类物质基本相似.无论在活动期还是休眠期,形成层纺锤形细胞的质膜上都发现有许多可能与物质运输有关的小泡状内折.由核膜、内质网和高尔基体及其分泌小泡组成的细胞内膜系统,在形成层活动周期的不同阶段,其形态和分布明显不同,尤其在形成层细胞的恢复活动及其衍生木质部细胞次生壁的沉积过程中发挥着重要作用.整个活动周期中,形成层纺锤形细胞的径向壁都比弦向壁厚,处在休眠期的形成层带细胞,其径向壁与弦向壁的差别则更明显.形成层恢复活动时,径向壁上特别是与弦向壁相连的角隅处出现部分自溶现象.细胞壁特别是径向壁的变薄是形成层细胞恢复活动的重要特征.     

毛白杨维管形成层带细胞超微结构的季节性变化

木材（次生木质部）是树木形成层细胞分化的产物,形成层的活动方式不仅影响木材的产量。而且影响木材的结构和性质。利用透射电子显微镜观察了生长在北京地区的毛白杨（Populus tomentosa Carr.)枝条形成层带细胞一个完整活动周期的超微结构变化。在木质部母细胞完全恢复活动之前,形成层纺锤状原始细胞的分裂和韧皮部细胞的分化已经开始。枝条上芽的展开和幼叶的生长可能决定了形成层带细胞的这种活动方式。透射电镜观察更清楚地揭示了树木形成层细胞在活动初期的分化特点。活动期形成层细胞中的大液泡在进入休眠期后逐渐分成许多小液泡分散在细胞质中。随着液泡融合逐渐消失的深色蛋白类物质又重新充满了大部分液泡。油滴和淀粉颗粒的年变化情况同液泡中的蛋白类物质基本相似。无论在活动期还是休眠期,形成层纺锤形细胞的质膜上都发现有许多可能与物质运输有关的小泡状内折。由核膜,内质网和高尔基体及其分泌小泡组成的细胞内膜系统,在形成层活动周期的不同阶段,其形态和分布明显不同,尤其在形成层细胞的恢复活动及其衍生木质部细胞次生壁的沉积过程中发挥着重要作用。整个活动周期中,形成层纺锤形细胞的径向壁都比弦向壁厚。处在休眠期的形成层带细胞,其径向壁和弦向壁的差别则更明显。形成层恢复活动时,径向壁上特别是弦向壁相连的角隅处出现部分自溶现象。细胞壁特别是径向壁的变薄是形成层细胞恢复活动的重要特征。     

杜仲次生木质部分化和脱分化过程中酸性磷酸酶的超微细胞化学定位

杜仲（EucommiaulmoidesOliv．）次生木质部分化过程中,在形成层刚衍生的木薄壁细胞中,酸性磷酸酶（APase）主要分布于核膜边缘和高尔基体;在分化程度较高的木薄壁细胞中,APase散布于整个核中,进而,在各种细胞器残体上聚集;在成熟的木薄壁细胞中,APase沿细胞壁内侧分布。在未成熟导管分子中,核、质膜及纹孔上明显存在APase聚集,进而,核解体;在即将分化成熟的导管分子中,APase主要集中于初生壁;在已分化成熟的导管分子中,APase集中于次生壁。脱分化过程中,只在细胞质中可见分散的APase活性,而细胞核和细胞壁上未见此酶的分布;更深层的即将分化成熟和已分化成熟的导管分子,未见有细胞分裂,其上APase的分布与剥皮前相同。通过比较分化和脱分化过程中APase的分布,推测不同的APase同工酶可能分别参与了次生木质部细胞程序性死亡过程中原生质体的解体和次生壁的建成。APase的聚集程度可能是决定细胞能否脱分化的一个重要特征。     

乌拉尔甘草根与根状茎发育解剖学研究

应用常规石蜡切片方法,对乌拉尔甘草根和根状茎的结构及其发育进程进行研究.结果显示:(1)乌拉尔甘草根的发育包括原分生组织、初生分生组织、初生生长和次生生长4个发育阶段.原分生组织由3层原始细胞组成,具有典型分生组织细胞的特征;初生分生组织由根冠原、表皮原、皮层原和中柱原组成;初生结构包括表皮、皮层和中柱,初生木质部为4原型,偶见3原型,内皮层细胞具凯氏带;次生生长依靠维管形成层和木栓形成层活动完成,维管形成层源于初生木质部和初生韧皮部之间的薄壁细胞,而木栓形成层由中柱鞘细胞脱分化产生;次生结构由次生维管组织和周皮共同组成,根中央不具髓.(2)根状茎发育过程与地上茎类似,包括原分生组织、初生分生组织、初生生长和次生生长4个发育阶段.原生分生组织由原套和原体组成,其衍生细胞分化成由原表皮、基本分生组织和原形成层组成的初生分生组织;初生结构包括表皮、皮层、外韧维管束、髓和髓射线,维管束呈环形排列;位于维管束中的原形成层细胞恢复活动产生次生木质部和次生韧皮部,束间形成层产生射线细胞;靠近维管束内侧的皮层薄壁组织细胞脱分化产生木栓形成层,以后形成周皮.周皮、次生维管束、射线和髓共同构成根状茎的次生结构.     

毛青藤茎的发育解剖学研究

毛青藤茎顶端的原生分生组织由原套和原体组成,其行生细胞形成初生分生组织──原表皮、原形成层和基本分生组织。初生分生组织的衍生细胞分化形成茎的初生结构,包括表皮、皮层、维管束和髓。随着茎的继续发育,维管形成层开始活动,由束中形成层产生次生韧皮部和次生木质部分子,而束间形成层仅产生薄壁组织细胞形成宽的射线。在原生韧皮部筛管分化成熟的过程中,韧应部外方仍保留1—2层原形成层细胞,以后,它们分裂为多层纤维原始细胞,在次生结构形成时,这些细胞的细胞壁加厚,形成初生初皮纤维。茎始终未产生用皮。     

龙眼剥皮再生的解剖学研究

龙眼(Dimocarpus tongan Lour.)茎干经过大面积环剥,都能再生出新皮。环剥初期,愈伤组织都由近暴露面的射线细胞产生,稍后,其他未成熟木质部细胞也参加愈伤组织的形成,这些愈伤组织一般在靠近表面都可发生木栓形成层,以后迅速形成正常的周皮。在愈伤组织与木质部交界处的未成熟木质部细胞发生维管形成层。新发生的形成层正常地向外分化出次生韧皮部,向内分化出次生木质部。初期有些原来的射线将新形成层带分割成许多小区,二个月后,由于新的形成层不断平周活动,逐渐将形成层连成一圈,以后基本上与正常树皮维管组织的发育一样。     

白鲜根的发育解剖学研究

应用半薄切片、常规石蜡切片并结合离析法,对药用植物白鲜(Dictamnus dasycarpus Turcz.)根的发生发育过程进行了研究。结果表明:白鲜根的发生发育过程包括4个阶段,即原分生组织阶段、初生分生组织阶段、初生结构阶段以及次生结构阶段。原分生组织位于根冠内侧及初生分生组织之间,衍生细胞分化为初生分生组织。初生分生组织由原表皮、基本分生组织以及中柱原组成。原表皮分化为表皮,基本分生组织分化为皮层,中柱原分化为维管柱,共同组成根的初生结构;在初生结构中,部分表皮细胞外壁向外延伸形成根毛,皮层中分布有油细胞,内皮层有凯氏带,初生木质部为二原型或偶见三原型,外始式;根初生结构有髓或无。次生结构来源于原形成层起源的维管形成层的活动以及中柱鞘起源的木栓形成层的活动;白鲜次生韧皮部宽广,其中多年生根中可占根横切面积的85%,另外除基本组成分子外,还分布有油细胞;周皮发达,木栓层厚;初生皮层、次生木质部和次生韧皮部薄壁细胞中常充满丰富的淀粉粒。     

中药秦艽根内中柱裂分的发育解剖学研究

通过发育解剖学研究表明,秦艽根的初生结构正常,初生木质部四原型。次生生长早期阶段也是正常的,但天以后的次生生长过程中,由于木质部内部分薄壁细胞的分裂,且迅速 化成异常形成层细胞,并与原维管形成层相连,从而形成多个新的形成层环,将木质部柱分为几个子木质部。     

种子植物中的异常形成层

引起种子植物次生生长的维管形成层一般源自原形成层和经过脱分化的薄壁组织,位于木质部和韧皮部之间,向内产生次生木质部和向外产生韧皮部。这类形成层由于普遍存在而又被称为“正常形成层”;另有少数植物的形成层或是因其发生部位,或是因其活动产物异于正常形成层,...     

木材的立体结构与花纹

在木本双子叶植物与裸子植物的茎中,形成层环绕在木质部外方,不断产生新的木质部,包围在原有木质部外面,逐年增多,形成了有用的木材。双子叶植物木材由导管分子、管胞、木纤维及木薄壁细胞等组成,松柏类等裸子植物的木材不具有导管与木纤维。这些木材分子的细胞壁有不同程度的木质化,即细胞壁纤维素间隙     

风花菜根异常次生结构的解剖学观察

利用光镜观察了风花菜（Rorippa islandica (Oed.)Borb.）的根的发育过程中的解剖结构的变化,发现风花菜根具有异常次生结构,第一年早期次生结构中,在导管周围形成额外形成层并由额外形成层向内外分裂形成大量的薄壁组织,从而使根快速增粗,在根的横切面上,导管分散在薄壁组织当中。第一年晚期的次生结构中,由木质部中薄壁组织细胞反分化形成额外形成层,许多分散的额外形成层片段连接形成形成层环,形成层环向内向外分裂形成三生木质部及三生韧皮部,从而构成三生维管组织环,三生维管组织环形成方向由外向内,可以形成多环。第二年风花菜的韧皮部以及皮层中的薄壁组织反分化形成额外形成层,并且由额外形成层片段连接形成额外形成层环,进而分裂形成三生维管组织环,而且在皮层中可以形成多层,形成的方向为由内向外。风花菜根不同发育时期的异常次生结构是与其生理活动相适应的。     

维管形成层分化的研究

种子植物的生长主要由于顶端分生组织和侧生分生组织的作用,特别是木本植物(例如通常所说的树木)的长粗、长大,基本上是侧生分生组织的维管形成层的活动结果。这些木本植物的维管形成层(简称形成层)向外分化出次生韧皮部,向内形成次生木质部。这种分化形成,界线明显,容易看到它的衍生细胞。     

杜仲次生木质部分化过程中的细胞编程死亡

通过电子显微镜观察、DNA断裂检测及类似半胱氨酸蛋白酶(caspase-like proteases,CLPs)降解检测等技术,对杜仲(Eucommia ulmoides Oliv.)次生木质部分化过程的细胞编程死亡进行了研究.分化中的次生木质部细胞总DNA凝胶电泳检测到DNA ladder,并通过TUNEL检测进一步确定了DNA被降解.Western blot结果表明;caspase-8和caspase-3状蛋白酶(caspase-8-和caspase-3-like proteases,CLPs)及多聚ADP-核糖聚合酶(poly(ADP-ribose)polymerase,PARP)在次生木质部分化过程中被降解.这些研究结果表明,杜仲次生木质部的细胞分化是一个典型的编程性死亡(Programmed cell death,PCD)过程,CLPs可能参与了此过程.     

远志根的发育解剖学研究

运用石蜡切片法对远志根的发育过程及1~3年生根的结构进行解剖学研究。结果显示:远志根的原分生组织由3群原始细胞组成,具有典型分生组织的细胞学特征。初生分生组织分化为根冠原、表皮原、皮层原和中柱原;初生结构由表皮、皮层和中柱组成,初生木质部为二原型。次生生长是依靠维管形成层和木栓形成层的活动完成,次生结构从外到内由周皮和次生维管组织组成;远志根次生结构特点为:次生韧皮部在次生维管组织中占主要部分,次生韧皮部中以韧皮薄壁细胞为主且其中储存有丰富的内含物,随着根龄的增加,韧皮薄壁细胞中的内含物也随之增加。3年生的主根中次生韧皮部薄壁细胞中的内含物最丰富;不同年份远志的主根随根龄的增加,周皮、次生韧皮部和次生木质部的面积都呈增加趋势,其中韧皮部和木质部的面积比值随根龄增长呈由小到大的变化,这是远志根的显著特点;根中的周皮发达,具有较厚的木栓层,次生木质部中导管和纤维发达,导管分布频率较高,并具有较大的口径。周皮和次生木质部的结构特征与远志的抗旱特性相适应。     

药用植物川牛膝根中异常次生结构的发育解剖学研究

药用植物川牛膝的根内具有异常的次生结构。其异常的次生生长是由维管柱外围发生的异常形成层通过正常的活动方式完成的。后一轮异常形成层起源于前一轮异常形成层向外产生的薄壁组织细胞,位于韧皮部的外侧。每一轮异常形成层向内产生木质部,向外产生韧皮部,组成异常维管束。其中,木质部最先开始分化。异常维管束排成螺旋状,分散在结合组织中。除最外轮一些木质部束之间的结合组织是厚壁组织外,其余结合组织都是薄壁的。由于初生结构和早期的次生结构是正常的,所以,这种异常结构可能是后起的特征。     

木材的次生变化

从树木次生木质部各类细胞的发生到成熟木材的形成常常伴随着树干的生理老化过程(physiological senility)。这一过程的重要特征是继维管形成层细胞的分裂,细胞的增大,胞壁的加厚和木质化之后,在细胞腔内逐渐地填入一些不同类型的化合物,进而不同程度地引起细胞壁构造和细胞壁化学组成的变化。这种变化称为木材的次生变化(secondary changes)。木材的次生变化也反映在树干的断面上:根据木材的宏观特征,多数树种有心材和边材之分;从边材到心材,中间包含着一个过渡区域,称做中间区(intermediate zone)或过渡区     

牛膝根的发育解剖学研究

应用植物解剖学方法研究了牛膝(Achyranthes bidentataBlume.)根的发育过程.研究结果表明,牛膝根的发育包括原分生组织、初生分生组织、初生结构、次生结构和三生生长5个发育阶段.原分生组织具有典型分生组织的细胞特征;初生分生组织包括根冠原、表皮原、皮层原和中柱原;初生结构由表皮、皮层和中柱组成.其内皮层细胞上凯氏带明显.初生木质部多为二原型;次生结构从外到内由周皮和次生维管组织组成,其木栓形成层由中柱鞘细胞恢复分裂能力而形成,次生结构中,次生维管组织占主要地位;牛膝根的进一步加粗主要是由于三生结构的发生和分化.第一圈额外形成层产生于次生韧皮部外侧的薄壁组织细胞和射线细胞,以后的每一圈由前一圈向外衍生的薄壁组织细胞产生.额外形成层无纺锤状原始细胞和射线原始细胞之分,在切向纵切面上呈叠生排列.三生维管束以离心方式排列成整齐的同心环状,由薄壁结合组织将其彼此分开,其圈数与额外形成层的圈数是一致的,随着根的个体发育而不断增加.     

杜仲次生木质部分化过程中的细胞编程死亡

通过电子显微镜观察、DNA断裂检测及类似半胱氨酸蛋白酶（caspase-like proteases,CLPs)降解检测等技术,对杜仲（Eucommia ulmoides Oliv.）次生木质部分化过程的细胞编程死亡进行了研究。分化中的次生木质部细胞总DNA凝胶电泳检测到DNA ladder,并通过TUNEL检测进一步确定了DNA被降解。Western blot结果表明：caspase-8和caspase-3状蛋白酶（caspase-8-和caspase-3-like proteases,CLPs)及多聚ADP-核糖聚合酶（poly(ADP-ribose) polymerase,PARP)在次生木质部分化过程中被降解。这些研究结果表明,杜仲次生木质部的细胞分化是一个典型的编程性死亡（Programmed cell death,PCD)过程,CLPs可能参与了此过程。     

桔梗根的发育解剖学研究

以桔梗(Platycodon grandiflorum A.DC)根为材料,运用石蜡切片和半薄切片法对其根的发育过程及结构进行解剖学观察,并对不同年限根的结构进行了比较。结果表明:桔梗根的结构发育过程包括原生分生组织、初生分生组织、初生生长和次生生长4个阶段。其原生分生组织由3群原始细胞组成,表现出典型分生组织的细胞学特征;初生分生组织包括根冠原、表皮原、皮层原和中柱原;初生结构由表皮、皮层和中柱组成,其中皮层薄壁细胞占主要地位,初生木质部为二原型;次生生长主要依靠维管形成层和木栓形成层的活动来完成,其次生结构从外到内由周皮和次生维管组织组成,次生维管组织占主导地位,其中以薄壁细胞为主,维管分子少量,分散在薄壁组织中。不同年限的根的结构基本相同,但它们在主根长度和直径、周皮厚度、木质部与韧皮部面积之比等方面存在差异。