丛生竹竹材中硅的生物矿化研究

Biomineralization is part of the life process of living bamboo wall. It is a dynamic process of a multi-level complex system in which the chemical factors, matrix factors and state of cells that participate in the regulatory process are constantly changing.Three-level mutual control of chemical regulation, matrix regulation and cell regulation of living bamboo is synchronously achieved in this process. The project mainly studies how the changes at these regulatory levels lead to the formation of the hard epidermal tissue (silicification materials of bamboo) of bamboo wall, the growth of biological minerals and morphogenesis mechanism of bamboo, and aims at illustrating the relationship among the biological mineral composite structure-property-function of bamboo, and the symbiosis and interface features between the organic polysaccharide and inorganic silicon, and identifying the types of biological mineralization in bamboo. Finally, the relationship among the three levels will be revealed, biomineralization of living bamboo interpreted, and the theoretical basis for biological silicification of bamboo constructed. Understanding the bio-mineralization and formation mechanism of bamboo contributes to further revealing the natural property of bamboo, also to the development and utilization of new bamboo materials based on the biomineralization theory and bionic principles, to promoting utilization of the entire bamboo plant, to providing theoretical basis for adhesion between the outer and the inner of bamboo culm, and to playing an important role in the relevant high-tech fields, such as the intelligent design, bionic structure materials and so on.

生物矿化是活体竹材的生命过程的一部分，是在一个多层次的复杂系统中进行的动态过程，参与调控的化学因素、基质因素和细胞状态都是在变化之中的。在这个过程中，在活的竹材机体内是同时实现化学调控、基质调控和细胞调控三层次相互调控的过程，本项目主要研究这些调控层次上的变化是如何最终形成竹材表皮硬组织（竹硅化材料）的，竹材中生物矿物生长和形态发生机理，阐释竹材生物矿物复合结构-性质-功能的关系和有机多糖/无机硅之间的共存关系及界面特征，明确竹材生物矿化的作用类型。最终要揭示这三个层次之间的关系，阐释竹材生物矿化的机理，构建竹材生物硅化的理论基础。认识竹类的生物矿化及其形成机理，不但有助于更深入地揭示竹材的自然属性，而且有助于竹类基于生物矿化理论和仿生原理的竹质新材料的开发和利用，促进竹材的全竹利用、为竹青竹黄胶合提供理论依据，以及在智能设计、仿生结构材料学等高科技领域发挥重要作用。

生物矿化是活体竹材的生命过程的一部分，是在一个多层次的复杂系统中进行的动态过程，参与调控的化学因素、基质因素和细胞状态都是在变化之中的。本项目对不同秆龄常见丛生竹种不同组织器官及部位的硅含量进行测定和分析，并采用传统的干式和湿式灰化法提取不同组织器官的植硅体，在光学显微镜下观察其形态特征并统计其形态参数，对竹表皮层硅沉积SEM-EDAX分析研究，结果表明：（1）丛生竹不同组织器官硅含量存在明显差异，表现为：竹叶＞箨鞘＞竹枝＞竹秆＞竹笋＞根。随着秆龄增加，竹秆硅含量呈显著增加趋势，竹青硅含量大于竹黄，竹秆上部硅含量大于基部，成熟组织中的硅含量大于幼嫩组织中的硅含量。（2）丛生竹不同组织器官植硅体类型和数量不同。竹叶植硅体含量最高、种类最丰富，主要存在锯齿杆形、圆形、圆端哑铃形、平端哑铃形、鞍形、尖形、长方形以及扇形8种类型植硅体，其中鞍形和哑铃形植硅体占比最大。箨鞘植硅体含量较高，但类型单一，仅有鞍形植硅体；枝条中分布6种类型的植硅体，分别为杆形、长方形、哑铃形、鞍形、圆形以及椭圆形植硅体，未发现扇形植硅体。新生竹秆以哑铃形、鞍形为主；二年三年生成熟竹秆中圆形、长方形、杆形占优势。竹根和竹笋的植硅体含量极少，只含圆形植硅体和无定型硅沉积。随着秆龄、枝龄和叶龄的增加，植硅体数量和体积呈上升趋势。（3）丛生竹枝叶硅含量和植硅体含量随物候期的变化而发生相应的变化。在丛生竹林经营管理中，可在发笋期至伸枝展叶期施加适量硅肥。（4）根据叶片中占优势的圆端哑铃形、平端哑铃形和鞍形植硅体的比例或老叶各类型植硅体的长宽值进行聚类分析，可为牡竹属、慈竹属和箣竹属三属分类提供参考。通过对勃氏甜龙竹幼苗施加硅酸钠溶液，分析冬季低温条件下，不同浓度的外源硅对勃氏甜龙竹幼苗中硅的分布、耐寒生理指标以及叶片解剖结构的影响，为竹林经营管理中硅肥的施用提供理论依据。本项目发表论文12篇，其中SCI收录5篇。发表专著《丛生竹硅及植硅体机理研究》。培养1名博士生及3名硕士生完成毕业论文，其中2篇评选为校级优秀毕业论文。