SEM_EDXA分析不同生长应力木材细胞壁微区木质素沉积

第３１卷，第１２期 光谱学与光谱分析

Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．１２，ｐｐ

３３５８－３３６１２　０　１　１年１　２月 Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　ａｎｄ　Ｓｐｅｃｔｒａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２０１１　

ＳＥＭ－ＥＤＸＡ分析不同生长应力木材细胞壁微区木质素沉积

刘晓丽１，

２

，殷亚方２＊，姜笑梅２，边明明２１．北京自然博物馆，北京　１０００５０ ２．中国林业科学研究院木材工业研究所，北京　１０００９１

摘　要　选取具不同生长应力水平的人工林尾巨桉（Ｅｕｃａｌｙｐｔｕｓ　ｕｒｏｐｈｙｌｌａ×Ｅ．ｇ

ｒａｎｄｉｓ）正常木为研究对象，借助场发射环境扫描电子显微镜系统，结合以溴元素做标记的Ｘ射线能谱分析技术，分析了尾巨桉细胞壁微区木质素沉积与生长应力的关系。研究结果表明，木纤维细胞壁各微区间木质素含量的大小关系与生长应力高低无关，其含量顺序为细胞角隅＞复合胞间层＞次生壁（Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３）

；而随着生长应力增大，木纤维细胞壁各微区木质素含量均下降，木质化进程减慢。

关键词　人工林尾巨桉；正常木；生长应力；细胞壁；木质素含量

中图分类号：Ｓ７９５ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ

．ｉｓｓｎ．１０００－０５９３（２０１１）１２－３３５８－０４　收稿日期：２０１１－０３－０２，修订日期：２０１１－０６－

１０　基金项目：国家自然科学基金项目（

３０３００２７０，３０９７２３０３）资助　作者简介：刘晓丽，女，１９７４年生，北京自然博物馆助理研究员 ｅ－ｍａｉｌ：ｈａｐｐ

ｉｅｒ１１４＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ＊通讯联系人 ｅ－ｍａｉｌ：ｙａｆａｎｇ

＠ｃａｆ．ａｃ．ｃｎ引　言

生长应力是形成层分化出来的细胞在发育成熟过程中，

细胞间产生的相互作用力［

１］

，所有树种都有生长应力的存在。生长应力的大小是通过测试生长应变计算出来的。通常情况下，树干在每一年形成层活动期内都会产生这样的应力，有利于树干承受外界的各种载荷而不被破坏。Ｏｋｕｙ

ａｍａ等提出生长应力形成的［２，３］“统一假说”

，认为生长应力是纤维素微纤丝上拉应力和木质素等基质物质在微纤丝空隙中沉积形成的压应力二者共同作用的结果。对应力木（比正常木的应力水平高）研究表明，随着生长应力的增大木材细胞壁

木质素含量有所降低［

４－

６］；关于正常木的研究也得到了类似的结果［

４］

，但木材细胞壁作为一种多层次结构，由木粉测得的木质素含量并不能反映出细胞壁各层（

微区）木质素沉积情况，而不同生长应力水平下细胞壁各微区木质素含量的变化情况，对于进一步揭示木材生长应力的形成与木质素沉积的关系具有重要意义。近年来，扫描电子显微镜结合Ｘ射线能谱分析技术已越来越广泛地被应用于多个研究领域，成为将分析样品特定微区的微观形态和化学成分、元素构成等有机联系起来的有力工具，实现了样品分析的准确定位。

本文借助于场发射扫描电子显微镜（ＦＥ－ＳＥＭ）与Ｘ射线能谱技术，通过对不同生长应变水平的人工林尾巨桉正常木细胞壁各微区上木质素沉积进行定量分析比较，从而揭示细

胞壁各微区木质素沉积与生长应力之间的关系，为进一步阐

明木材生长应力的形成机理提供理论依据，并为实现依靠木质素沉积来预测木材生长应力水平提供科学依据。

１　实验部分

１．１　样品的制备

试材取自广西省扶绥县东门林场（２２°１７′—２２°３０′Ｎ，１０７°１４′—１８０°０′Ｅ，海拔１００～３００ｍ）１５年生的人工林尾巨

桉（Ｅｕｃａｌｙｐｔｕｓ　ｕｒｏｐｈｙｌｌａ×Ｅ．ｇ

ｒａｎｄｉｓ）。利用应变片方法，选取高生长应变（＞１　０００×１０－６

）和低生长应变（＜５

００×１０－６）

的样木［７］

，在胸高处凿取包括树皮、形成层和木质部的生材材料，迅速放入植物组织固定液ＦＡＡ溶液进行现场固定。由于具应力木组织的细胞壁在采用番红和亮绿对染后呈现绿色，将本文中高生长应变材料制备组织切片，并采用此法处理后，切片均未出现绿色，排除了应力木的存在。清洗后的各部分材料均切成１ｍｍ×１ｍｍ×５ｍｍ的径向小木片，用乙醇系列脱水，氯仿置换。按照溴、氯仿、木片比例为０．３ｍＬ∶９０ｍＬ∶１ｇ量取试剂与试样，置于锥形瓶中。经震

荡、回流、清洗、抽提等处理后，利用环氧树脂包埋、聚合。等树脂固化后，在ＬＫＢ－

２１８８型超薄切片机上切取０．５μｍ厚的半薄切片，用光谱纯碳棒切制成的单孔碳网覆福尔马膜和碳膜后捞片，再用碳托固定后备用。１．２　仪器

场发射环境扫描电子显微镜，型号为ＸＬ３０ＥＳＥＭ－ＦＥＧ。工作条件：加速电压为２０ｋＶ，工作距离１０ｍｍ，束斑４，起飞角３５°，倾角０°，死时间３３％左右。Ｘ射线能谱分析仪，型号为ＳＪ－ＥＤＳ，采用点扫描。工作条件：测量时间１００ｓ，时间间隔１０２．４μｓ。在对木质素的沉积做定性分析的基础上，测得溴的原子分数和质量分数（简称为溴含量），进而得到木质素的相对含量。

２　结果与讨论

２．１　尾巨桉木材纤维细胞壁中木质素分布情况

利用溴对木质素的特异性，可对溴化后木材中木质素含量进行定量分析。然而在细胞不同的分化阶段，细胞壁形成时需要的各种酶也会与溴发生反应，从而影响测试结果。蛋白质的主要组成成分是含有硫的氨基酸，因此对细胞各形态区测试是否有Ｓ－Ｋα特征峰即可判定是否含有酶。

图１为木纤维细胞壁Ｘ射线能谱图。谱图显示环氧树脂的Ｃｌ－Ｋα（２．６２２ｋｅＶ）特征峰和Ｂｒ－Ｌα（１．４８０ｋｅＶ）特征峰，而没有出现Ｓ－Ｋα（２．３０８ｋｅＶ）特征峰。表明在样品制备过程中酶的作用被消除，而溴对木质素的特异反应表现出来

。

Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｃｅｌｌ

ｗａｌｌ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｎｇ　ｗｏｏｄ　ｆｉｂｅｒ

为了更直观地看到溴元素在木纤维细胞壁中的分布状态，在场发射环境扫描电子显微镜下分别对高、低生长应力木材切片的同一部位拍摄二次电子图像［图２（ａ）］和背散射电子图像［图２（ｂ）］。背散射图像的特点是反差分明，主要由白区和黑区组成［８］，白区越亮，表明该区具有的元素其原子量越高。溴元素具有较高的原子量，故溴元素所在部位显示为亮色，代表木质素的沉积部位。

如图２（ｂ）所示，形成层区域细胞壁呈现黑色，故没有木质素沉积。木质部细胞随着细胞壁的不断加厚，木质素的沉积逐渐增多，溴元素的分布以不连续的亮线勾勒出细胞的轮廓，如图２（ｂ）箭头所示，逐渐过渡到均匀分布整个细胞壁皆呈现亮色，表明木质化过程结束，细胞壁中木质素含量趋于一致。实验结果也表明，对于高、低不同生长应力的人工林尾巨桉正常木，具有相似的木质素分布情况

。

Ｆｉｇ．２　ＳＥＭ　ｉｍａｇｅ　ｏｆ　ｂｒｏｍｉｎａｔｉｎｇ　ｗｏｏｄ

ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ｇｒｏｗｔｈ　ｓｔｒｅｓｓ

（ａ）：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｉｍａｇｅ；（ｂ）：Ｂａｃｋ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｉｍａｇｅ；

Ｐ：Ｐｈｌｏｅｍ；Ｃ：Ｃａｍｂｉｕｍ；Ｘ：Ｘｙｌｅｍ

２．２　高、低生长应力尾巨桉木材纤维细胞壁微区木质素含量的比较

将与形成层带细胞距离最近、已有溴分布（表明木质素已开始沉积）的木纤维细胞层数依次记为１，２，３……，如图２（ａ）所示。利用点扫描和定量分析技术对该列细胞的细胞壁各微区溴含量进行测试。细胞壁微区包括：次生壁（Ｓ１，Ｓ２和Ｓ３层）、细胞角隅（ＣＣ）、复合胞间层（ＣＭＬ），扫描位置如图３所示

。

Ｆｉｇ．３　Ｐｏｉｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｌｏｃａｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｅａｃｈ

ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｅｌｌ　ｗａｌｌ

ＣＣ：Ｃｅｌｌ　ｃｏｒｎｅｒ；ＣＭＬ：Ｃｏｍｐｏｕｎｄ　ｍｉｄｄｌｅ　ｌａｍｅｌｌａｅ；

Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｗａｌｌ　Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３；Ｆ：Ｆｉｂｅｒ

图４和图５分别表示高、低生长应力人工林尾巨桉正常木的木质部纤维细胞壁各微区的溴含量情况。在高、低生长应力尾巨桉正常木中，细胞层数与细胞角隅、复合胞间层、次生壁Ｓ１和Ｓ２层上木质化过程中溴含量符合对数关系，均呈递增趋势，而与次生壁Ｓ３层不具有对数关系。同时，细胞角隅处的溴含量明显高于其他各微区，次生壁Ｓ３层溴含量始终低于其他微区；从细胞６开始复合胞间层、次生壁Ｓ１和Ｓ２溴含量渐趋于一致，但仍高于Ｓ３层溴含量。总体来说，在木纤维细胞壁各微区间的木质素含量的大小关系为：ＣＣ＞ＣＭＬ＞Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３，与生长应力的高低无关。

９

５

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第１２期 光谱学与光谱分析