花斑木形成機制的研究動態

邱 堅 李 智 賈慧文 何海珊

（1. 西南林業大學材料科學與工程學院，云南 昆明 650233；2. 云南林業職業技術學院，云南 昆明 650204）

花斑木又稱菌紋木，國內外一直認為是一種由真菌侵染而具白腐、染色和帶線的自然斑紋的木材[1-4]。因此，花斑木在視覺上有漂白、菌紋線和染色3種表現形式。漂白是指白腐菌降解木材中的木質素等成分而導致白腐后的木材中出現片狀白色相雜其中[5-6]；菌紋線是由特殊真菌引起的形狀不規則、粗細不均的暗色線條；染色是由于在木材細胞中變色菌菌絲體分泌色素而產生的連續大面積木材顏色改變，最常見的為藍綠色變[7-8]。一般在同一塊木材上，花斑木具有上述3種形式中的至少1種，而最有價值的是木材腐朽不嚴重、由帶線構成的不定形斑紋的木材[9-10]。

花斑木的優點為木材上形成獨一無二、生動多變的天然色彩與花紋，提高木材的裝飾性的同時，避免了使用污染環境的化工顏料；菌紋中的菌紋線類型所形成的黑色及黑褐色線條主要由黑色素構成，化學性質穩定[11-13]。歐美國家歷史上主要流傳下來的菌紋木工藝品多為教堂等的鑲嵌畫、家具貼面等藝術作品，這些作品歷經半個多世紀，色彩仍然鮮艷[4]，這類花斑木的特點是由真菌引起，均伴隨一定程度的腐朽，在邊材上局部形成，菌紋圈比較小。花斑木生動多變的天然色彩與自然花紋，是家具表面裝飾和室內裝修中的優良材料，可將其制成高附加值的裝飾工藝品和貼面用單板，在歐美非常流行，近年來在國內也得到人們的喜愛（見圖1）。因此，探討花斑木木材形成花斑的機理、形成條件，對促進高附加值木材和木質工藝品加工生產意義重大，為多種類型的花斑木的人工培育提供參考依據。

圖 1 中國花斑木工藝品和家具Fig. 1 Chinese spalted wood crafts and furniture

1 花斑木的形成機理

花斑木最初是從自然中發現，但可以人工培育。人工培養花斑木方法之一是把木材包埋在帶有各種真菌的土里，在土壤含水量為30%～50%、溫度15～30 ℃條件下培育數月[14]。早在1933年Campbell[15]對闊葉材上多形炭角菌（Xylaria polymorpha）形成的帶線花紋進行了研究，但直到2005年，Liers等[16]將鹿角炭角菌（X.hypoxylon）和多形炭角菌2種真菌分別接種到山毛櫸木塊上，經過8周的培養，2種真菌都能在木塊上形成黑色的帶線花紋。

關于花斑紋的形成，一直以來都有許多不同的觀點。最常見的一種是Rayner等[17]提出的，認為花斑的形成是由于2種真菌在木材上相互抵抗產生的。Mallet等[18]研究表明，黑色菌紋線是由真菌相互作用生成的菌絲組成。Cease等[19]指出，帶線花紋的形成是由于真菌在寄居的木材上為了保護和維持自己資源的防衛機制，是真菌控制木材條件而提供持續利用木材寄居區域資源并繁殖后代的辦法。尚衍重等[20]認為帶線的形成與木腐菌特別是白腐菌對含水率的要求密切相關，在帶線處有一些封閉區域，此封閉區域層為真菌在木材侵入區內提供了最適宜的濕度條件。Blanchette[10]也認為此封閉層表面由真菌產生的假菌核塊限制了水分的蒸發，很可能在2種不同菌絲體接觸時所形成的分界線也起到上述作用。真菌抵抗機制能解釋不同真菌間帶線花紋的形成，但是研究最多的多形炭角菌沒有其他真菌的對抗也能形成帶線花紋[9]。Rayner等[21]認為這種現象是因為多形炭角菌本身個體變異快，產生新突變體對抗原來個體形成的。

西南林業大學邱堅團隊提出內生真菌在木材上形成花斑紋的原因包括3個部分：一是為了抵御不良環境，二是為了保持自身生長環境的水分，三是為了形成子實體以繁殖后代而在木材上形成花斑紋[22-25]。該團隊廣泛調查采集了木腐菌資源，篩選菌紋真菌，優選菌紋木培育條件，形成了一批專利，構建了花斑木制備的整套技術體系[26-35]。

2 花斑木的形成條件

2.1 易形成花斑的樹種

花斑紋可以在任何木材樹種上形成。白腐菌（Trametes versicolor）是形成花斑紋最常見的菌種，而且因為闊葉材木質素含量低，比針葉材更容易白腐，所以花斑紋主要出現在闊葉材上，主要包括槭木（Acerspp.）、樺木（Betulaspp.）和山毛櫸（Fagusspp.）等樹種[36]。白腐菌主要降解木素，在木材的細胞壁里也會形成輕微的染色[37]。Robinson等[9]通過將多形炭角菌在山楊（Populus davidiana）、糖 槭（Acer saccharum）、黃 樺（Betula costata）和椴木上接種，發現山楊和糖槭比黃樺和椴木產生的帶線花紋多，隨著培養時間的增加帶線花紋一般會減少，減少的原因可能是白腐菌引起的，只有山楊內外的帶線花紋隨著培養基時間的增加不會減少，同時認為內含物高的樹種容易產生花斑的原因是真菌在木材內含物的作用下產生了應激和對抗。

此外，產生花斑的菌種適宜的樹種也明顯不同。例如多形炭角菌最適宜產生花斑的樹種為美洲榆（Ulmus americana），而紅色染色菌（Arthrographis cuboidea）最適宜紅葉臭椿（Ailanthus altissima），白腐菌傾向于美洲榆、糖槭以及歐洲七葉樹（Aessculrs hippocastanum）[38]。

邱堅團隊研究認為易形成菌紋的樹種主要為主要歸屬于核桃科（Juglandaceae）、槭樹科（Aceraceae）、榛木科（Corylaceae）、樺木科（Betulaceae）、梧桐科（Sterculiaceae）、樟科（Lauraceae）等，而 龍 腦 香 科（Dipterocarpaceae）、蕓香科（Rutaceae）、無患子科（Sapindaceae）、桃金娘科（Myrtaceae）的木材較難以形成菌紋，大部分木材的邊材易于形成菌紋[39]。這可能與不同樹種木質素中含有的酚羥基有關，自由酚羥基對真菌具有毒性[40]。

2.2 花斑真菌主要種類

真菌在不同的木材上有不同的表現，如最常見的白腐菌[41]，它的漂白作用是由于分泌的白色菌絲而不是去木質素作用[42]。白腐菌相對于重量的損失來說對木材腐朽沒有褐腐嚴重，強度的損失比褐腐發生得慢，但隨著時間的延長，白腐可導致整塊木材完全不能利用[43]。染色真菌是非腐朽菌，不會導致木材細胞壁主要結構成分的降解[44]，主要是用木材里的糖和低分子碳水化合物[17]。

能形成菌紋線的主要是擔子菌和子囊菌。美國俄勒岡州立大學的Robinson團隊對花斑木在現代的應用做了大量研究，通過培育花斑木的實驗確定了常見的7種真菌可以形成穩定的花斑。它們分別是多形炭角菌、白腐菌、煙管菌（Bjerkandera adusta）、冬生多孔菌（Polyporus brumalis）、絲 孢 菌（Arthrographis cuboidea）、小孢綠盤菌（Chlorociboria aeruginascens）以及長喙殼屬菌（Ceratocystis virescens）[3]。

另外冬生多孔菌（Polyporus brumalis）/白腐菌組合是實驗室生產花斑木最好的選擇，能夠產生大量的帶線花紋和漂白，而木塊質量損失也相對較低，煙管菌/變色栓菌組合產生的帶線花紋和漂白也很理想，但質量損失較大[7]。

何海珊等[22,39]采用間座殼科間座殼屬9種、炭角菌科炭角菌屬5種真菌都培育出黑色菌紋線，并發現炭角菌（Xylaria venosula）、擬莖點霉屬（Phomopsissp.）和粘束孢霉菌株在毛白楊（Populus tomentosa）上菌紋線花紋豐富，腐朽程度輕。

2.3 影響花斑形成的因素

影響花斑形成的因素主要包括木材含水率、pH值以及培養基類型。

1）含水率是花斑真菌生長最重要的因素。木材中自由水含量過少，真菌生長過程中所需水分不能得到滿足；木材含水率太高，木材中的氧氣被水分取代，真菌的生長受到抑制。控制木材基質的含水率，可以刺激特定的花斑真菌的生長。值得注意的是，花斑真菌種類不同，其在不同樹種中產生最大花斑的含水率也不同[45]。

2）木材本身的pH值介于4～6之間，正是木本植物真菌最適宜的pH值范圍。Tudor等[46]利用不同pH濃度的磷酸鉀緩沖溶液調節木材的pH值，結果發現變色栓菌當pH為4.5時在糖槭和山毛櫸上形成最多的花斑，而多形炭角菌分別在pH為4.5的糖槭木塊上和pH為5的山毛櫸上都產生最多的花斑。Robinson等[47]研究顯示木棲柱孢霉（Scytalidium lignicola）在瓊脂培養基中生成紅色花斑的最大pH為6，生成藍色花斑的最大pH為8。

3）培養基類型也會影響花斑的形成。Robinson等[1]用蛭石和土壤2種培養基，接種5種真菌到糖槭木塊上，發現以蛭石為培養基產生的花斑數量多，重量損失少，形成的顏色對比度更好。Robinson等[2]研究表明用一定濃度的CuSO4處理木塊，接種多形炭角菌/花斑木菌（Arthrographis cuboidea）組合，能用于誘導產生更多的染色，產生的黑色帶線花紋減少，而紅色帶線花紋和內部紅色染色增加。

3 細菌型花斑木的構想

3.1 植物中內生細菌作用

Kloepper等[48]于1992年提出了植物內生細菌的概念，認為植物內生細菌是可以定殖在健康的植物組織內部，并且能夠與植物本身呈和諧共處的關系。目前從多種植物的不同器官均分離得到了植物內生細菌，并對其在植物體產生的影響做了進一步的研究[49]。

植物內生細菌在生長增殖的過程中不僅能夠跟寄主植物產生相同的化合物，還能夠產生一些次生代謝產物[50]。這些次生代謝產物具有抗病蟲害和促進植物生長的作用[51]。此外，內生細菌本身產生或者協助寄主植物產生植物激素來促進植物的生長，不同的植物激素作用于植物不同的生長階段，促進植物細胞的分裂、伸長、分化[52]。

3.2 木材中的內生細菌作用

細菌在高濕環境下也可作用于木材。少數放線菌（Actinomycetes）、桿菌（Bacillius）、假單孢菌（Pseudomonas）及產氣桿菌（Aerobacter）會腐朽木材，最常被報導的細菌屬于桿菌和假單孢菌[43]。細菌可從活立木的傷口侵入樹桿形成高濕木，細菌也腐朽存于幾乎缺氧狀況的木材，缺氧狀況包長埋在土里、長時間置于水中及長期處于高濕狀態，細菌破壞木材的程度及速度，遠不如蟲害及真菌腐朽那么嚴重[40]。Wilcox[53]指出，所有的研究都同意細菌先在木射線組織繁殖并破壞細胞壁和紋孔結構，然后再腐蝕闊葉材纖維細胞壁；Holt等[54]把歐洲赤松（Pine sylvestris）和山毛櫸（Fagus sylvatica）樣品埋在湖泊及河流淤泥中長達1.5 a，3個月后樣品感染多種細菌，以桿狀菌為主。Schmidt等[55]用分離的菌種逐個腐蝕歐洲赤松和山毛櫸切片，并沒有發生任何腐蝕的跡象，空穴式及鉆隧式腐朽要到12個月才發生。細菌所分泌腐蝕細胞的酶不能擴散到遠處，細菌須緊貼才能分解細胞壁里的纖維素和半纖維素，因此細菌腐朽過程很緩慢[53]。相關研究表明細菌腐朽以3種方式進行，表面腐蝕式、空穴式及鉆隧式[54-56]。除此之外，細菌也可以破壞重紋孔的紋孔膜[57]，在千年古木中，Kim等[58]還發現細菌可直向隧鉆腐朽中膠層。

3.3 細菌型花斑木的提出

目前花斑木形成機理是以真菌感染形成為基礎，研究集中在樹種的優選、真菌菌種篩選和組合、染色方法、滅菌條件和花斑木真菌形成機理等方面。但是在研究過程中邱堅團隊發現一些樹種能夠在心材部位形成粗大的圈狀花紋，且貫穿整個樹干，表面無腐朽跡象（圖2）。且經切片觀察褐色斑紋周圍未發現真菌的存在（見圖3）。原有真菌花斑木形成機理無法解釋這類在心材部位形成斑紋的現象。

圖 2 黑柿木前后兩面的黑色粗大斑紋圈Fig. 2 Thick black mottled circles on both front and back sides of Diospyros sp.

另外，經初步調查，同一材種同批次木材，有的沒有形成花斑，有的形成了花斑。因此這類無真菌、無腐朽跡象的心材花斑木的形成，目前國內外均未見相關理論的提出和研究報道。

根據心材型花斑木是在樹木生長過程在心材部位形成、無腐朽跡象、無真菌及貫穿樹干的特征，原有真菌花斑木理論無法解釋這類心材型花斑木的形成機理，提出了“細菌誘導花斑木”的理論假說，即心材型花斑木是由細菌引起的，細菌從斷枝或其他傷口進入樹干的邊材，邊材薄壁細胞分泌黑色素或其他顏色的色素物質把細菌感染部位圍圈起來形成花斑木，隨著時間的推移邊材部分轉變成心材。

圖 3 黑柿木的樣品和解剖圖Fig. 3 The macrostructure of Diospyros sp.

4 發展前景展望

真菌形成的花斑木優點：一是生動多變的天然色彩與自然花紋，避免了使用污染環境的化工顏料；二是黑色及黑褐色線條主要由黑色素構成，化學性質穩定，經久不變。但其最大的缺點是在花斑木的形成過程中有明顯的白腐，特別是斑紋明顯且量大的花斑木時常伴隨腐朽現象，腐朽嚴重者需經過加固處理后才能用于工藝品、家具等制造。另外真菌形成的花斑木一般菌紋較細，所圍成的菌紋圈也小，在木材的邊材上形成。

根據心材型花斑木是在樹木生長過程在心材部位形成、無腐朽跡象、無真菌及貫穿樹干的特征，原有真菌花斑木理論無法解釋這類心材型花斑木的形成機理，提出了“細菌型花斑木”的科學假說，將通過微生物分離培養及生物高通量測序、將可能細菌接種于未產生花斑的立木上進行試驗，分析心材型花斑木的形成與細菌的誘導關系。從而有效地控制腐朽和促進大花斑的形成，為多種類型的花斑木的人工培育奠定理論基礎，促進高附加值木材和木質工藝品加工生產。