摘要
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变化，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。本文以杉木（Cunninghamia lanceolata）边心材转变过程中的细胞变化为研究主线，利用包括光学和电子显微镜，X-射线衍射、傅立叶变换红外显微成像、紫外可见显微分光光度计、动态力学分析仪和动态水分吸湿仪等在内的细胞壁结构与性能表征工具，在细胞水平上较系统研究了树木边材向心材转变过程中细胞壁结构与性能的变化方式和相互关系，为提高心材加工利用和定向制备仿生新材料提供科学基础。 心材形成过程中细胞显微和超微结构发生显著变化。形成层纺锤形细胞壁和射线细胞壁都较薄，细胞含有大液泡，原生质体被挤到细胞腔周围。纺锤形细胞的分化在当年就完成，随后原生质体完全分解，成为中空管状厚壁细胞；而射线细胞能保持存活状态至少13年，但是原生质体的数量、形状和大小发生了变化，随后射线薄壁细胞原生质体完全分解，标志着边心材转变的完成。 边心材转变过程中，细胞壁化学成分也发生明显变化。从边材到心材，细胞壁纤维素微纤丝排列方向没有大的差异，细胞壁基质中半纤维素的基本结构没有明显变化，但是木质素含量和分子结构有差异。心材次生壁木质素含量和分子交联程度均高于边材，而过渡区细胞壁化学成分变化没有明显的规律。 心材形成过程中，随着细胞壁结构和化学成分的变化，粘弹性能和吸湿性也发生了变化。利用微型动态力学分析仪原位分析表明，从边材到心材，木质素粘弹性能表现出频率依赖性和软化温度均随频率的上升而增大；但是心材木质素软化温度和活化能明显高于边材和过渡区，心材木质素较高的交联程度，可能导致其玻璃态转变时分子链段运动所需温度和热量更高。而边材与过渡区之间的粘弹性能无明显差异。 同时，边心材转变过程细胞壁吸湿性也发生了变化。从边材到心材，细胞壁吸湿性在较低相对湿度条件下（RH<40%）均没有明显差异，而在较高相对湿度条件下（RH>40%），心材细胞壁吸湿性能明显低于边材和过渡区。借助Hailwood-Horrobin水分吸着模型分析表明，在 RH>40%条件下，心材细胞壁较低的吸湿能力主要来自于多分子层水分吸收的减少，杉木心材细胞壁中丰富的抽提物成分可能是产生这种差异的主要原因。 综上，杉木边心材转变过程中，无论是细胞壁结构、化学成分、物理和力学性能均发生了明显变化，细胞壁基质中木质素化学结构差异是细胞壁粘弹性能变化的关键，心材细胞壁中抽提物是吸湿性能改变的主要原因。
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