
圖1 彎曲干形毛竹的多尺度結構特征及應力傳遞示意
應力組織(reaction tissue)可調整植物的形狀和生長方向,被視為植物面對外力的一種自適應策略,如樹木因抵御傾斜或橫風形成的應力木。然而,禾本科竹類在進化中喪失維管形成層,缺乏次生增厚能力,傳統觀點認為其無法形成應力組織。在本研究中,南京林業大學木材性質與利用團隊詹天翼、朱健祎等研究了彎曲干形毛竹(Phyllostachys edulis)在宏觀、組織及細胞壁等尺度的結構特征,揭示其應力傳遞與再分配機制。結果表明彎曲干形毛竹可形成應力組織,其特征包括:
(1)外凸側受壓應力,內凹側受拉應力;
(2)竹筒宏觀形態呈偏心橢圓狀;
(3)纖維鞘外側存在未完全發育纖維,其壁層數量和壁厚顯著降低,充當“鉸鏈”角色有效緩沖剛性纖維與柔性薄壁組織間的應變梯度;
(4)纖維細胞壁層的木質素含量增加,微纖絲角增大。
上述特征與針葉樹應壓木結構類似,證實了禾本科竹類與裸子植物在應力組織發育中的趨同進化現象。本研究為理解植物的環境自適應策略提供了新視角,同時其揭示的多尺度結構特征也為開發高性能仿生異形材料提供了新范式。研究工作得到國家重點研發計劃(2023YFD2200501)、國家自然科學基金(32171705)的資助。

圖2 彎曲干形毛竹的多尺度結構特征:(a、c)外凸側與內凹側橫截面形貌;(b)不同高度處竹筒橫截面宏觀形貌;(d)生長應變;(e)彎曲干形示意;(f、g)纖維鞘掃描電鏡圖像;(h、j)纖維鞘光學顯微圖像及壁層數量分布;(i)竹筒橫截面形態參數(偏心度、橢圓度)
南京林業大學材料科學與工程學院朱健祎(現中國林業科學研究院木材工業研究所博士研究生)為第一作者,南京林業大學材料科學與工程學院詹天翼副教授為通訊作者。
論文信息:
Jianyi Zhu, Kaiwen Chen, Wenjuan Zhao, Yujing Tan, Fengze Sun, Hui Peng, Jianxiong Lyu, Tianyi Zhan*. Structural adaptations of curved-stem moso bamboo: tissue specialization for resilience under mechanical stress. Acta Biomaterialia, 2025.
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1742706125005173
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