落叶松边心材转变过程中细胞结构和性能的季节性动态变化

It is necessary to understand the biological mechanism of heartwood formation based in its importance of wood utilization. At present, most studies on the mechanism of heartwood formation have focus on one or two aspects. However, the heartwood formation is a seasonal and complex biochemistry dynamic process, which influenced by the environmental impacts. Therefore, in order to further reveal the real heartwood formation mechanism, the project will intend to investigate the seasonal variation of heartwood formation on larch (Larix gmelinii) in cell wall structure, parenchyma cell death, heartwood substances accumulation and cell dehydration. The time and orders of the cells' changes as well as the relationship between them will be confirmed. In addition, the cell wall's chemical component distribution, mechanical properties, viscoelasticity and hygroscopicity will be studied in order to clarify the correlation between cells’ changes and strength properties. The research findings will provide the theory basis for further studying the mechanism of heartwood formation, promote scientific cytology data from the genetic angle controlling heartwood formation and heartwood properties and provide reliable biological basis for efficient processing and utilization of heartwood and directional preparation of high performance on new bionic materials.

基于心材在木材利用中的重要性，必须深入理解心材形成的生物学机理。目前对于心材形成机理的研究多数集中于细胞变化的某一方面或两方面展开研究。但边心材的转变是受环境影响的季节性动态变化的复杂的生物化学过程。为深入揭示真实的心材形成机理，本项目拟以落叶松（Larix gmelinii）为研究对象，从管胞结构、薄壁细胞死亡、心材物质沉积、细胞水分分布四个方面系统研究边心材转变过程中细胞的季节性动态变化，并确定这些变化发生的时间点、先后顺序及之间的相关性；同时测定边心材转变过程中管胞的化学成分含量和分布、力学性能、粘弹性和吸湿性的季节性动态变化规律，并探讨管胞结构和化学成分的变化对其强度性能的影响机理。研究成果将为探讨心材形成的生物化学过程提供更可靠的时间定位和取样定位，为从遗传基因角度控制心材形成和促进心材的性质提供科学的细胞学数据，为高效加工利用心材和定向制备高性能仿生新材料提供可靠的生物学基础。

边材向心材转变是树干内部继形成层原始细胞向木质部细胞分化之后，木质部细胞发生的二次分化，也是树木特有的生物学过程和次生发育过程的重要组成部分。心材形成过程中细胞的死亡是树木保证其生物学功能平衡和树干强度的生理机制。树干中心材的天然耐久性赋予了木材极高的力学强度，心材的天然防腐性赋予了木制品极强的抗菌性，心材颜色的独特性赋予了木制品极高的观赏价值，心材内含物的丰富性赋予了木材极广的药用价值，基于心材在木材利用中的重要性，必须搞清楚边心材转变的季节性动态变化的复杂生物化学过程。为深入揭示真实的心材形成机理，本项目以落叶松（Larix gmelinii）为研究对象，以年生长周期内边心材转变过程中细胞的季节性动态变化为研究主线，确定了落叶松年生长周期内三种高度上边材、过渡区和心材存在的位置，并揭示了其宽度在年生长周期内的动态变化规律及其在高度上的动态变化规律，为后续从细胞结构、细胞壁化学成分分布、细胞壁力学性能等方面的季节性动态变化规律及探讨细胞壁结构变化对其强度性能的影响机理提供理论依据。该研究不仅为进一步探讨心材形成的生物化学过程提供更可靠的时间定位，为构建边心材转变发展过程的细胞动态变化模式图，为用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和定向制备高性能仿生新材料提供可靠的生物学基础，对我国林业资源的培育和利用以及新材料的开发都具有重要的现实意义。