基于具緣紋孔膜特征的木質部栓塞機制研究進展*

李 姍 李玉軍 張 亞 王 杰 萬賢崇 姜笑梅 孫熙佑 朱新京 殷亞方

(1.中國林業科學研究院木材工業研究所 北京 100091； 2.中國林業科學研究院木材標本館 北京 100091； 3.國家林業和草原局木材科學與技術重點實驗室 北京 100091； 4.陜西科技大學環境科學與工程學院 西安 710021； 5.西北工業大學機電學院 西安 710072； 6.安徽師范大學生命科學學院 蕪湖 241000； 7.中國林業科學研究院林業新技術研究所 北京 100091)

在全球陸地生態系統中，植物約貢獻45%的碳匯資源，對保障水文和營養循環、維持生物多樣性起著至關重要的作用(Panetal.， 2011)； 但隨著氣候變化、干旱、蟲害和凍害脅迫導致的植物木質部栓塞頻發(申衛軍等， 1999； Clarketal.， 2016； 李志民等， 2019)，原本充水的木質部管道被空氣占據，植物面臨著輸水功能障礙、分生組織活力降低、初級生產力減小、死亡率增加的風險(Chenetal.， 2019； Choatetal.， 2018； Lengetal.， 2013； Lietal.， 2017； 2021)，且一些已經發生栓塞的植物復水之后面臨著更高的栓塞形成風險(栓塞疲勞)(Hackeetal.， 2001； Stilleretal.， 2002)，其木質部抗栓塞能力降低。因此，明確木質部栓塞成因，厘清木質部栓塞形成、擴散和疲勞機制，對提高植物抗寒、抗旱能力具有重要的科學價值。

大多數被子植物導管和裸子植物管胞中普遍存在的具緣紋孔，可精準調控植物水分傳導效率，應對氣穴栓塞(Tyreeetal.， 2002； 萬賢崇等， 2007)，其中具緣紋孔膜是木質部栓塞形成、擴散和疲勞產生的關鍵部位(Jansenetal.， 2018)。近年來，具緣紋孔膜特征在木質部栓塞機制研究中日益受到關注。為更全面和清晰理解木質部栓塞形成、擴散和疲勞過程中具緣紋孔膜的作用，本研究在整理分析國內外木質部栓塞相關研究的基礎上，首先探討被子植物、裸子植物木質部栓塞的形成機制和擴散規律，闡釋栓塞形成和擴散的“氣種假說”，明確具緣紋孔膜的核心作用； 然后分別針對具緣紋孔膜的構造、化學、物理和微力學性質與微液流行為等主要特征以及不同特征間的相互關系，歸納具緣紋孔膜在木質部栓塞形成、擴散和疲勞等不同階段的重要作用，概述三維結構模型構建、化學成分原位檢測、力學行為模擬和單個紋孔膜微液流量化分析等具緣紋孔膜特征關鍵表征方法的發展現狀和問題； 最后提出木質部栓塞應優先開展的研究方向。

1 木質部栓塞的形成機制和擴散規律

關于木質部栓塞成因，迄今為止被廣泛接受和認可的最主要機制為“氣種假說”(air seeding hypothesis)(Tyreeetal.， 2002)，其中具緣紋孔的紋孔膜起核心作用(圖1)。具緣紋孔主要存在于被子植物導管和裸子植物管胞中(IAWA Committee， 1989； 2004)，是木質部輸水管道側壁次生加厚產生的穹窿形空洞，將輸水管道連接成一個三維網絡。與之不同的另一種紋孔類型是單紋孔，紋孔呈圓柱形，缺乏拱形環抱的紋孔緣，紋孔膜一般不具紋孔塞或紋孔托，常出現在韌性纖維、軸向薄壁細胞和射線薄壁細胞中(IAWA Committee， 1989； 姜笑梅等， 2010)。具緣紋孔膜由構成輸水管道的相鄰木質部細胞復合胞間層(含初生壁)發育而成，為水分在相鄰管道間的流動提供了重要通道。

圖1 被子植物導管與裸子植物管胞的具緣紋孔結構及“氣種假說”

根據“氣種假說”，當木質部汁液負壓超出輸水管道中水分的抗張強度時，連續的水柱斷裂形成空腔，來自外界或植物組織自身的微小氣泡在具緣紋孔膜兩側壓力差作用下迅速進入原本充水的相鄰管道，不斷膨脹并填充空腔，最終導致充水管道內形成栓塞。木質部栓塞形成后，氣泡經由已栓塞輸水管道的具緣紋孔膜在相鄰輸水管道間傳播，即發生栓塞擴散。此過程中，具緣紋孔膜位置由紋孔室中央向一側逐漸偏移，甚至緊貼紋孔口導致紋孔閉塞(Sperryetal.， 2004)。同時，具緣紋孔膜基于自身結構和力學性質對膜兩側壓力差的響應發生變形甚至損傷(Hillabrandetal.， 2016)，微液流效率隨之改變。在木質部栓塞后復水時，所引發的壓力差變化使具緣紋孔膜回彈至紋孔室中央，當再次經歷栓塞時又發生紋孔膜向紋孔口偏移，其反復偏移導致自身構造特征、力學性質和微液流效率發生顯著變化，繼而可能導致木質部在較低壓力差閾值下形成栓塞，即栓塞疲勞(Umebayashietal.， 2019)。持續栓塞會引起氣泡經由具緣紋孔膜不斷擴散、輸水系統大面積栓塞，最終導致木質部水力失衡，植物即使復水也難以恢復活力，甚至發生死亡(Lietal.， 2015)。

過去20年中，學者們多從組織水平研究不同樹種木質部栓塞形成和擴散規律，并常采用木質部栓塞抗性作為評價栓塞形成、擴散和疲勞難易程度的關鍵指標(Lietal.， 2016； Zhangetal.， 2018)。以被子植物為例，葡萄(Vitisvinifera)樹栓塞首先出現在髓心周圍的初生木質部導管內，而后徑向擴散至樹皮(Brodersenetal.， 2013)； 小果黑核桃(Juglansmicrocarpa)栓塞則首先出現在散生導管，隨后擴散至臨近導管團(Knipferetal.， 2015)。就裸子植物而言，北美紅杉(Sequoiasempervirens)主干木質部栓塞在管胞間，同時以弦向帶狀擴散、散生管胞擴散以及與葉柄木質部相連通的管孔團擴散3種方式擴散(Choatetal.， 2015)； 而花旗松(Pseudotsugamenziesii)栓塞首先出現在髓心周圍的初生木質部和靠近樹皮的管胞中，并逐步向木質部中部擴散(Torres-Ruizetal.， 2016)。木質部輸水管道連通性以及具緣紋孔膜構造、性質和微液流行為的差異，可能是導致不同樹種栓塞形成和擴散規律多樣化的主要因素。近年來，基于木質部輸水管道連通性開展木質部栓塞機制的研究相對較多，但受限于精準表征手段的局限性，從具緣紋孔膜角度探究栓塞形成和擴散機制的研究僅限于生物仿真模擬，如Park等(2019)采用納米纖維素紙模擬栓塞經由被子植物具緣紋孔膜形成和擴散的方式，提出栓塞擴散呈現持續型和離散型2種方式，并進一步證實了“氣種假說”。

此外，以往研究也提出栓塞形成的其他機制或假說，如氣泡的同型成核機制(homogeneous nucleation)、異型成核機制(heterogeneous nucleation)以及納米氣泡假說(nanobubble hypothesis)等，這些機制或假說對栓塞形成和擴散可能同時起輔助作用(Pickard， 1981； Schenketal.， 2015)； 但是，目前絕大多數研究結果仍支持“氣種假說”作為栓塞形成和擴散的主要機制，認為明確具緣紋孔膜構造特征、性質和微液流行為對理解木質部栓塞形成、擴散和疲勞機制至關重要(Torres-Ruizetal.， 2016； Jansenetal.， 2018)。

2 具緣紋孔膜主要特征及其在木質部栓塞中的作用

具緣紋孔膜特征主要包含其三維構造、化學、物理和微力學性質與微液流行為，這些特征相互關聯、相互影響，在木質部栓塞形成、擴散和疲勞等階段均起著重要作用，共同決定木質部栓塞抗性和疲勞性(圖2，Lietal.， 2020)。

圖2 具緣紋孔膜主要特征及其在木質部栓塞中的作用示意

2.1 具緣紋孔膜構造特征

明確具緣紋孔膜構造特征，是深入理解木質部栓塞形成和擴散機制的重要基礎。根據Young-Laplace方程，引起木質部栓塞擴散的相鄰導管間壓力差ΔP與紋孔膜上微孔半徑R呈反比(Schenketal.， 2015)。近年來提出的納米氣泡假說認為，當體積較大的氣泡從已栓塞導管通過由無數個紋孔膜微孔組成的通道時，如果每個有效孔隙通道的最小孔隙半徑越小，則大氣泡被分解成納米氣泡(nanobubble)的概率越大。雖然這些納米氣泡可通過具緣紋孔膜進入相鄰充水導管，但不會再次聚集形成栓塞(Schenketal.， 2015)。同時，隨著具緣紋孔膜厚度增加，紋孔膜具有小孔徑通道的概率也提高，因此當具緣紋孔膜微孔直徑越小且紋孔膜越厚時，納米氣泡聚集并導致栓塞發生的概率越小，木質部栓塞抗性越強(Kaacketal.， 2019； Lietal.， 2016)。由此可見，具緣紋孔膜厚度、孔隙結構在木質部栓塞形成和擴散中發揮著決定性作用。

實現具緣紋孔膜構造特征的精準表征，是探究木質部栓塞形成、擴散和疲勞機制的前提條件。關于具緣紋孔膜構造特征的研究始于20世紀初，當時的觀測局限在光學顯微鏡水平(Bailey， 1913； Phillips， 1933)。20世紀中葉出現的碳復型法結合透射電子顯微鏡技術，呈現了具緣紋孔膜的亞顯微構造(Frey-Wysslingetal.， 1956； Ctéetal.， 1964)。隨后，各國學者結合透射電子顯微鏡、場發射掃描電子顯微鏡、冷凍掃描電子顯微鏡等多種手段研究了不同樹種具緣紋孔膜的超微構造及其生物學功能(周崟等， 1990； 姜笑梅等， 1992； 1996； 殷亞方， 2002； Jansenetal.， 2009； Gorbetal.， 2010； Lietal.， 2019； 2021； Wangetal.， 2021)。樣品保存狀態對具緣紋孔膜觀測結果影響較大，相較于離體干燥的木材樣品，采自活立木新鮮樣品更有利于具緣紋孔膜微觀結構的精準表征(Lietal.， 2016； Zhangetal.， 2020)。研究表明，被子植物與裸子植物的具緣紋孔膜構造特征差異明顯，被子植物的具緣紋孔膜大多具有均質性，由多層隨機分布的纖維素微纖絲堆疊排列，形成大量形狀不規則的微孔，孔隙直徑在5～20 nm之間(Kaacketal.， 2019)，這些微孔既是相鄰導管間的水分流動通道，也是栓塞在相鄰導管間的擴散通道。此外，也有部分被子植物的具緣紋孔膜呈現3層膜、2層膜和有塞膜的特異型結構，其各層間纖維素微纖絲排布方式不一(Jansenetal.， 2004； Sano， 2005)。而裸子植物的具緣紋孔膜具有異質性，通常由中部加厚的紋孔塞和高度孔隙化的膜緣組成，膜緣微纖絲束隨機組合呈網狀排列(周崟等， 1994； 佟永萍等， 2007)，孔隙直徑約為0.1 μm(Hackeetal.， 2004)，是其木質部水分流動的安全閥門(Roskillyetal.， 2019)。受樣品處理方式和表征手段的影響，目前具緣紋孔膜高分辨率成像仍存在技術瓶頸，不同手段獲取的結果差異較大(Zhangetal.， 2020)，且相關研究多集中在二維尺度，納米精度水平上具緣紋孔膜的三維空間結構特征尚不明晰。

近年來，隨著成像技術的快速發展，針對木質部細胞壁及其具緣紋孔膜構造特征的研究不斷深入(Guoetal.， 2016； Zhangetal.， 2017)，越來越多學者逐漸聚焦具緣紋孔膜三維結構的可視化及模型構建(Mascheketal.， 2013； Zhangetal.， 2020)；但由于具緣紋孔膜上微孔的空間結構緊密相連且迂曲度復雜(Kaacketal.， 2019)，現有手段如X射線CT疊層成像(PXCT)、4Pi聯用激光共聚焦顯微鏡等依然普遍存在成像分辨率不足等問題，具緣紋孔膜三維結構模型構建的相關研究還處于起步階段(Schulte， 2012； Schulteetal.， 2015)。最近，有研究采用虛擬沉積技術(Lietal.， 2018)對被子植物具緣紋孔膜進行了三維模型構建(Lietal.， 2020)，該模型可呈現纖維素微纖絲的隨機堆疊，更接近木質部具緣紋孔膜的真實形貌。

2.2 具緣紋孔膜化學和物理性質

在木質部栓塞形成、擴散和疲勞過程中，具緣紋孔膜的三維結構發生明顯變化(Hackeetal.， 2001； Tixieretal.， 2014)，這些變化與具緣紋孔膜自身化學性質密切相關(Hillabrandetal.， 2016； Zhangetal.， 2017)，具緣紋孔膜的化學成分直接影響木質部栓塞形成和擴散規律(Pereiraetal.， 2018a)。研究表明，枝條纖維素水解顯著降低木質部栓塞抗性(Dusotoit-Coucaudetal.， 2014)，木質素含量與木質部栓塞抗性呈正相關(Pereiraetal.， 2018b)。總體而言，木質部具緣紋孔膜的主要化學成分為纖維素，其被包埋在由木質素、半纖維素和果膠組成的無定形基質中(Schmitzetal.， 2012)，但不同植物木質部具緣紋孔膜的化學成分和含量不盡相同。被子植物成熟木質部具緣紋孔膜的主要化學成分為纖維素，還含有木質素(Herbetteetal.， 2014)以及少量的酚類化合物和蛋白質等物質(Pereiraetal.， 2018a)，果膠和半纖維素在其發育過程中水解消失，僅紋孔環具有微量果膠(Kaacketal.， 2019; Plavcovetal.， 2011)。裸子植物木質部具緣紋孔膜一般含有木質素(Kimetal.， 2014)，且其紋孔塞與膜緣之間的化學成分差異顯著，其中紋孔塞主要成分為果膠(Danieletal.， 1996)，而膜緣則主要為纖維素。盡管紫外分光光度法、X射線光譜顯微鏡、免疫標記、熒光標記、近紅外納米光譜技術等多種手段被用于具緣紋孔膜化學成分檢測(Boyceetal.， 2004； Schmitzetal.， 2008； Mascheketal.， 2013； Kimetal.， 2016； Pereiraetal.， 2018a)，但遺憾的是，受限于技術手段和分辨率，目前還難以實現新鮮飽水狀態下具緣紋孔膜化學成分的原位精準表征。

在木質部栓塞不同階段，具緣紋孔膜所處水分環境發生明顯變化。由于纖維素微纖絲具有親水性，水分子存在影響細胞壁中聚合物分子鏈之間的孔隙分布狀態(Yinetal.， 2015； 2017； Hanetal.， 2020)，從而改變其原有結構(Kulasinskietal.， 2015)，因此，水分環境變化直接影響具緣紋孔膜三維結構，導致其表現出干縮濕脹行為，進而引起其微液流效率發生顯著變化。盡管研究發現離體干燥狀態下具緣紋孔膜厚度收縮近一半，孔隙直徑也顯著減小(Zhangetal.， 2020)，但其纖維素微纖絲的微觀結構對不同水分環境的響應機制仍需要進一步探究。

2.3 具緣紋孔膜力學性質

在木質部栓塞形成過程中，具緣紋孔膜兩側的壓力差發生明顯變化，導致其力學行為隨之改變。研究發現，凍融交替引發的色木槭(Acermono)木質部栓塞疲勞性具有明顯的季節性變化規律，具體表現為夏季栓塞疲勞性最大、冬季栓塞疲勞性最小，這可能與具緣紋孔膜力學性質的季節性差異有關(Zhangetal.， 2017)。作為一種具各向異性的生物質材料，具緣紋孔膜在外力作用下表現出非線性的力學變形行為，隨著外界壓力增大，紋孔膜逐漸經歷彈性、塑性變形階段(Tyreeetal.， 2002)。水分導致部分纖維素分子鏈間的氫鍵斷裂，引發包括纖維素微纖絲彈性模量在內的力學性質降低(Kulasinskietal.， 2015)，由此可推斷，具緣紋孔膜力學性質對栓塞不同階段其所處的水分環境變化具有敏感性。現階段，已構建的細胞壁微力學表征方法(Wimmeretal.， 1997； Yinetal.， 2011)開始逐漸應用于具緣紋孔膜力學性質研究，具緣紋孔膜彈性形變時的彈性模量可通過納米壓痕與納米彎曲技術結合原子力顯微鏡進行估算(Capronetal.， 2014)，探針式微力學系統可測試裸子植物具緣紋孔膜在載荷持續增大條件下的塑性變形(Zelinkaetal., 2015)。但現有微力學測試分析方法仍存在樣品制備困難和精度偏低等問題，開展具緣紋孔膜力學性質的理論分析和精確模擬，將有助于揭示木質部栓塞不同階段紋孔膜的力學行為。

基于具緣紋孔膜的幾何結構特征(厚度與直徑差別明顯)，可將其簡化為經典板殼結構，采用Kirchhoff-Love等薄板理論分析具緣紋孔膜在兩側壓力差作用下的彈性變形規律(Tixieretal.， 2014)，不過這種唯象型力學分析難以表征具緣紋孔膜變形前后的微觀結構差異。為此，可通過具緣紋孔膜的三維結構分析，建立其纖維素微纖絲分布的網絡結構模型，如“輪輻”網絡模型(Sperryetal.， 2004)和隨機纖維網絡模型(Lietal.， 2020)，其中基于單根纖維素微纖絲建立的隨機纖維網絡模型，可用于預測被子植物具緣紋孔膜力學性質及其在拉伸作用力下的位移變化規律。這些研究方法和模擬技術的發展，有助于研究不同水分條件下具緣紋孔膜剛度和強度的變化規律，以及其在微納尺度下的變形和斷裂機制，從而為在紋孔膜微力學尺度理解木質部栓塞形成、擴散和疲勞機制奠定理論基礎。

2.4 具緣紋孔膜微液流行為

由于植物細胞次生壁呈現高度木質化，阻礙水分流動(Donaldsonetal.， 2018)，而具緣紋孔膜的天然多孔隙結構使其成為植物輸水管道中水分跨細胞流動的關鍵部位，因此了解具緣紋孔膜微液流行為有助于明晰木質部網絡水分輸導功能，明確木質部栓塞過程中水分傳導功能的變化。水分傳導效率是表征微液流行為的重要指標，采用傳統植物生理學方法，難以直接獲取具緣紋孔膜尺度的水分傳導效率。前人通過低壓液流計比較分析木質部在纖維素酶降解前后的水分傳導效率，直接對具緣紋孔膜的水分傳導效率進行估算，結果顯示，纖維素酶對部分裸子植物具緣紋孔膜的降解無效(Schulteetal.， 1988)，這可能是由于其具緣紋孔膜紋孔塞結構含有豐富的果膠成分。微型毛細管技術(micro-capillary technique)結合低壓液流計被用于直接測定被子植物具緣紋孔膜的水分傳導效率，但該技術不適用于裸子植物(Choatetal.， 2006)。目前，一般多采用低壓液流計測定木質部水分傳導效率，通過剔除輸水管腔和紋孔口的水分傳導效率，從而間接獲得具緣紋孔膜的水分傳導效率(Sperryetal.， 2004)；但上述方法受限于木材二維解剖特征，無法獲得單個紋孔膜的水分傳導效率。X射線微計算機斷層掃描技術能夠實現木質部三維網絡結構中紋孔分布成像和量化分析(Brodersenetal.， 2016)，核磁共振流體成像技術可對木質部液流速率進行無損檢測(Windtetal.， 2009)，在此基礎上結合低壓液流計與酶解法，將有望實現單個紋孔膜微液流行為的量化分析。

木質部運輸水分過程中，具緣紋孔膜的微液流行為受木質部汁液中陽離子含量的影響，陽離子濃度增加可使其水分傳導效率提高(離子效應)(van Ieperenetal.， 2000)。最初前人認為主要是因為具緣紋孔膜中果膠的存在(Zwienieckietal.， 2001)，但隨著越來越多研究證實具緣紋孔膜中果膠含量很低，該解釋逐漸受到質疑(Herbetteetal.， 2014； Klepschetal.， 2016)。van Doorn等(2011)提出，木質部汁液中陽離子濃度增加引起的具緣紋孔膜部分或整體收縮是導致其孔隙直徑增加和液流效率提高的主要原因。具緣紋孔膜化學成分與其微液流行為密切相關，開展具緣紋孔膜微區化學成分研究對理解其三維結構、微液流行為在栓塞過程中的變化規律具有重要意義。

具緣紋孔膜的孔隙特征因樹種而異，決定其微液流行為的關鍵孔隙結構特征有所不同。裸子植物具緣紋孔膜的微液流效率與其孔隙度呈正相關，大尺寸孔隙承擔主要的水分輸導功能(Schulte， 2012； Schulteetal.， 2015)。而決定被子植物具緣紋孔膜水分傳導效率的關鍵因素不是直徑最大的孔隙，而是其孔隙通道的阻塞度(Kaacketal.， 2019； Lietal.， 2020)。目前，盡管多數研究基于計算流體動力學模型所得到的數據與試驗結果匹配度較高(Sperryetal.， 2005)，但一般是將紋孔膜簡化為剛體，忽略了變形對水分傳導的影響(Schulte， 2012； Schulteetal.， 2015)，或僅考慮了具緣紋孔膜與水分之間的流固耦合(陳琦， 2016)，與具緣紋孔膜栓塞過程中的實際情況不符。事實上，木質部栓塞涉及水分、氣體、固體3種介質的相互作用,同時，栓塞過程中具緣紋孔膜在壓力差作用下發生變形或斷裂，又會反過來影響水分傳導效率和氣泡擴散規律。但具緣紋孔膜在不同水分條件下的微液流效率如何響應、氣泡在具緣紋孔膜三維孔隙結構內以何種方式形成和擴散目前尚不清楚。

植物生長發育過程中，不同生物學宏觀性狀與木質部微觀構造均發揮著非常重要的作用，其間存在一定的權衡關系。例如，在宏觀性狀方面，油棕(Elaeisguineensis)的植株高度與其木質部栓塞抗性呈正比(Waiteetal.， 2019)，加州刺柏(Juniperuscalifornica)的枝條體積與其木質部栓塞抗性呈反比(Mahaffeyetal.， 2020)；在微觀構造方面，木質部管道連接度、紋孔膜厚度、紋孔膜孔隙度等主要特征共同決定木質部栓塞抗性(Scholzetal.， 2013； Zhaoetal.， 2019)。此外，紋孔塞與紋孔口直徑之間的比例等構造特征也與木質部栓塞抗性顯著相關(Boucheetal.， 2014)。這說明，在研究不同樹種木質部栓塞形成和擴散規律時，應綜合考慮宏觀性狀、微觀特征及其相互之間權衡關系對理解木質部栓塞機制的重要性。

3 優先研究問題及展望

綜上所述，圍繞木質部具緣紋孔膜，本研究提出木質部栓塞領域應優先開展以下3方面研究： 1) 不同水分條件下具緣紋孔膜化學成分、物理和力學性質的變化； 2) 氣泡在水分與具緣紋孔膜三維孔隙結構間水-固耦合界面的形成與擴散方式； 3) 不同水分條件下具緣紋孔膜結構變化及其對微液流效率的影響。具緣紋孔膜三維空間結構的原位精準表征與生物模型構建及優化，仍是亟待突破的關鍵技術瓶頸，構建具緣紋孔膜三維模型需充分考慮不同樹種的紋孔膜類型。在厘清具緣紋孔膜構造特征的基礎上，進一步研究不同水分條件下其化學、物理、力學性質和微液流行為的變化以及相互關系，揭示具緣紋孔膜特征對木質部栓塞的影響規律這一關鍵科學問題，將有助于深入理解木質部栓塞機制，為探究木質部抗旱機制、選育優良耐旱種質資源提供科學依據。