毛白杨次生维管系统再生过程的基因表达

【目的】次生维管系统再生能够在树干维管系统丧失后通过去分化、再分化或转分化等组织修复手段实现维管组织的再生。为了鉴定和研究次生维管系统发育相关的重要基因和调控元件,本文利用毛白杨次生维管再生系统,分析了不同再生时期的基因表达模式,为进一步揭示木材形成的基因调控机制奠定基础。【方法】将4年生毛白杨无性系在形成层活动旺盛期进行环剥取样。对剥皮后的树皮内侧和树干表面的样本,以及再生第7、10、14、18和21天5个不同时期获取的再生材料进行高通量转录组分析,并利用基因共表达分析(WGCNA)方法,得到与不同再生时期密切相关的模块,并对这些特异表达的基因进行表达网络和生物学功能分析。【结果】将第0天(剥皮当天)树皮内侧样本与树干表面样本、再生第7天样本与树干表面样本,以及相邻再生时期的样本进行表达差异分析。对得到的14 202个差异基因进行WGCNA分析,构建基因共表达网络,获得与维管再生过程相关的10个共表达模块。其中,Grey60模块的基因在再生第7天样本和树皮内侧样本中特异表达,主要涉及DNA复制、有丝分裂、细胞分裂和微管运动等功能;该模块还含有大量与表观遗传调控、细胞周期相关的基因,它们在再生第7天的高表达可能激活了脱分化木质部细胞的增殖和组织类型的改变,使其获得再分化能力。此外,Pink模块的基因在第0天成熟维管组织样本中的表达量极低,但在再生过程中表达呈上升趋势,到第21天达到最高值;这些基因主要参与细胞分裂、细胞壁修饰、韧皮部发育、碳水化合物代谢、DNA的转录调控等相关的生物学途径。Pink模块中与韧皮部分化相关的标记基因,比如APL、NAC45/86、DOF、BSPA、PP2和SUS的表达被重新激活,与调节形成层细胞增殖和分化的CLE41/44和CLV1一样,表达量都是从再生第10天开始逐渐增加。到次生维管系统再生后期的第18天和第21天,形成层已经完成了结构重构并能进行细胞的分裂、分化,此时木质部标记基因和次生壁调控因子有较高的表达。【结论】毛白杨次生维管系统再生早期,脱分化的木质部细胞通过表观遗传和细胞周期调控重新获得细胞分生能力;之后,韧皮部的细胞分化程序被启动,再生形成层开始细胞增殖和分化;到再生后期,通过相关基因调控,形成层再分化木质部和韧皮部。通过对次生维管组织再生过程中基因的表达分析和调控模块的鉴定,进一步验证了次生维管再生的遗传调控基础,也可为揭示植物维管组织再生的调控机制奠定基础。     

竹材受弯构件增强技术的研究进展

竹材是一种可持续发展的生物质材料,其作为传统建筑材料有悠久的历史。现代竹结构使用力学性能更加优异的工程竹材作为原材料,可实现更加灵活的建筑形式和结构布局,但普通竹材受弯构件存在截面刚度低、承载力与跨越能力不足等问题,在一定程度上限制了竹结构的应用,故研发竹构件增强技术具有重要意义。结合已有的竹材构件增强技术研究成果对其构造形式和力学性能进行系统阐述,主要包括配筋竹构件、工字形竹木组合构件、纤维复合材料(fibre-reinforced plastic,FRP)片材增强竹构件、竹-混凝土组合构件和竹-金属组合构件等。将竹材与金属、FRP及混凝土材料组合,其多种材料协调工作形成增强竹构件,增强竹构件的刚度、承载力等力学性能较普通竹构件有较大提升,能够更好地作为结构工程领域的承载构件使用。开发竹材受弯构件的更多有效增强形式、优化材料间连接构造形式、定量评价增强竹材构件的耐久性能、构建多样化的结构体系以及实现现代竹结构产业化发展等,应是未来竹材增强领域研究关注的重点方向。     

基于高速摄影的板栗果实振动脱落特性分析

中国是世界板栗第一生产大国,但板栗的采收主要以人工采收为主,劳动强度大、效率低,机械振动采收的方式可有效提高板栗的采收效率。为研究板栗振动过程中的运动规律以及脱落特性,自制了果实振动脱落特性试验装置对板栗果实进行振动试验,利用高速摄影仪记录了果实振动全过程,并通过PCC软件对图像进行了跟踪、捕捉和分析。结果表明:板栗果实脱落分离方式复杂多样,主要有果柄与果枝分离脱落,以及板栗从栗苞中分离脱落的方式;板栗果实在不同激振参数组合下形成的水平与垂直响应位移差异较大,对应的响应运动轨迹也较多;水平激振模式下振幅5 mm、频率22 Hz,与振幅10 mm、频率6～10 Hz,以及垂直振动模式下振幅15mm、频率6 Hz,这些组合激振形式均能将成熟度Ⅰ和Ⅱ的果实实现选择性采收,且激振时间设置为5～8 s较合适。此研究为理解板栗振动采收机理提供了一定的理论指导。     

基于聚苯乙烯微球的木材表面仿生结构色涂层构筑

为探索木材表面的结构色装饰技术,以苯乙烯(St)为单体,采用乳液聚合法,探讨反应时间和引发剂过硫酸铵(APS)添加量对微球的影响,合成具有良好单分散性、结构均匀的聚苯乙烯(PSt)胶体微球,并通过热辅助重力沉积,使微球在木材表面自组装,形成具有仿生结构色的光子晶体涂层。通过对乳液中和干燥状态下的PSt胶体微球进行表征分析,发现胶体微球在乳液中的水合粒子直径大于干燥状态下的粒径。通过单因素试验得出,聚合时间为10 h, APS添加量为150 mg时,所获得的PSt胶体微球的单分散性最佳。同时研究发现,当APS添加量过低时,无法达到良好的引发效果,所合成微球的单分散性不佳。通过对木材表面的结构色涂层微观结构进行分析,发现单分散性好的PSt胶体微球在木材表面自组装能形成长程有序的光子晶体结构,展现出明亮的紫色,与涂层反射光谱峰值出现位置相对应。胶体微球粒径增大时,结构色涂层反射峰向更大波长红移。胶体微球的单分散性差及组装过程中的空间位阻作用会使涂层微观结构出现点、裂纹和错位等缺陷,弱化光子晶体的禁带特征,使木材表面涂层展现出的结构色效果不佳。     

西加云杉木材单宁铁变色因素及防治

为解决西加云杉木材加工中的铁变色问题,研究了西加云杉木材内单宁引发铁变色的因素,并探寻铁变色化学防治方法,为其加工利用提供理论依据。采用CIE-L~*a~*b~*色度体系对西加云杉木材的铁变色现象进行评价,通过控制变量法分别研究木材含水率(40%,60%,80%和饱水状态)、铁离子质量分数(0.01%,0.05%,0.1%,0.5%和1%)、反应温度(25,45,65,85和95℃)及时间(0 min、1 min、5 min、10 min、30 min、1 h、6 h、12 h和24 h)等因素对西加云杉木材表面颜色的影响,并研究了草酸、次磷酸、磷酸二氢钠、乙二胺四乙酸二钠(EDTA·2Na)试剂对西加云杉木材铁变色防治处理的效果。结果表明:以上因素均对西加云杉木材的铁变色有不同程度的影响,其中,铁离子质量分数、反应温度和反应时间等因素都与变色严重程度呈正相关,即铁离子质量分数为0.01%、反应温度为25℃,反应时间为1 min时木材变色程度均最小。当含水率为40%时,变色严重程度相对较低;当含水率高于40%时,变色程度随含水率增加有增大趋势;当含水率为60%左右时,变色程度较为严重;之后,变色程度在一定范围内波动。2%草酸、5%磷酸二氢钠和2%草酸+5%磷酸二氢钠的组合均能有效防治铁变色;3%草酸对消除铁变色有一定效果,当加入0.5%EDTA·2Na螯合剂时效果更优,为避免返色,应选择3%草酸+0.5%EDTA·2Na药剂进行除色处理。当铁离子质量分数较低时,可通过降低木材含水率、避免高温及长时间接触来减轻铁变色现象;通过对其加工表面喷涂2%草酸、5%磷酸二氢钠或2%草酸+5%磷酸二氢钠试剂组合可以有效预防木材铁变色;对于已经发生铁变色的木材,可采用3%草酸配合0.5%EDTA·2Na进行涂刷处理,消除已产生的变色。     

脲醛树脂包覆氟树脂微胶囊制备及对木器表面涂层性能的影响

木器水性涂料因其安全环保特性逐渐替代传统溶剂型涂料,但其力学性能较差,在使用过程中易产生微裂纹,影响木器表面涂层的性能与使用寿命。通过微胶囊技术对木器水性涂料进行改良,包覆含有修复功能的芯材材料,可以实现木器表面涂层的自修复功能。氟树脂性能优良,并且可在常温下固化。本研究以脲醛树脂为壁材,氟树脂和水性涂料为芯材,通过原位聚合法制备了脲醛树脂包覆氟树脂微胶囊,并探讨了微胶囊对木器表面水性涂层光泽度、力学、色度及修复效果的影响。结果表明:微胶囊芯壁比为0.75时包覆效果最佳,微胶囊添加量(质量分数,下同)为1%时漆膜中颗粒物团聚现象最少,表面最光滑;漆膜光泽度随微胶囊添加量升高而降低;微胶囊的芯壁比和添加量对漆膜硬度和附着力影响较大,对抗冲击力影响不大;微胶囊芯壁比为0.65、添加量为4%～10%时对漆膜耐老化性能改善效果最显著。微胶囊芯壁比为0.65、添加量为7%时椴木表面水性面漆漆膜综合性能最佳,此研究为氟树脂微胶囊应用于木材表面水性涂层提供了技术基础。     

一种基于体压分布和PCA-BP神经网络模型的办公椅舒适度测定方法

为了探索一种不依赖主观评价的办公椅使用舒适度测定方法,并建立一种可以直接用于产品评价以及设计研发辅助的办公椅使用舒适度评定模型,根据办公椅表面体压分布指标进行系统聚类,将26张实验椅聚类为5个类簇,综合分析各类簇办公椅表面体压分布指标的均值,将办公椅定义为5个舒适度等级。根据主成分分析法建立PCA-BP神经网络预测模型,使用表面体压分布指标预测办公椅舒适等级。结果表明:PCA-BP神经网络对各类簇办公椅平均预测误差为4.020%,对用于检测的3张办公椅预测结果符合办公椅表面体压分布特点,表明了该模型通过体压分布指标评定舒适度的可行性。通过系统聚类定义各类簇办公椅舒适度等级以及通过PCA-BP神经网络预测办公椅舒适度的方法是可行的,测定结果是可信的;该测定方法更加客观,能够避免主观评价随意性的缺陷;该模型使用时只需要测量办公椅表面体压分布指标值,可方便、高效应用在产品检测、评价以及新产品研发测试阶段,提高评价和设计效率。