花斑木形成机制的研究动态

邱 坚 李 智 贾慧文 何海珊

（1. 西南林业大学材料科学与工程学院，云南 昆明 650233；2. 云南林业职业技术学院，云南 昆明 650204）

花斑木又称菌纹木，国内外一直认为是一种由真菌侵染而具白腐、染色和带线的自然斑纹的木材[1-4]。因此，花斑木在视觉上有漂白、菌纹线和染色3种表现形式。漂白是指白腐菌降解木材中的木质素等成分而导致白腐后的木材中出现片状白色相杂其中[5-6]；菌纹线是由特殊真菌引起的形状不规则、粗细不均的暗色线条；染色是由于在木材细胞中变色菌菌丝体分泌色素而产生的连续大面积木材颜色改变，最常见的为蓝绿色变[7-8]。一般在同一块木材上，花斑木具有上述3种形式中的至少1种，而最有价值的是木材腐朽不严重、由带线构成的不定形斑纹的木材[9-10]。

花斑木的优点为木材上形成独一无二、生动多变的天然色彩与花纹，提高木材的装饰性的同时，避免了使用污染环境的化工颜料；菌纹中的菌纹线类型所形成的黑色及黑褐色线条主要由黑色素构成，化学性质稳定[11-13]。欧美国家历史上主要流传下来的菌纹木工艺品多为教堂等的镶嵌画、家具贴面等艺术作品，这些作品历经半个多世纪，色彩仍然鲜艳[4]，这类花斑木的特点是由真菌引起，均伴随一定程度的腐朽，在边材上局部形成，菌纹圈比较小。花斑木生动多变的天然色彩与自然花纹，是家具表面装饰和室内装修中的优良材料，可将其制成高附加值的装饰工艺品和贴面用单板，在欧美非常流行，近年来在国内也得到人们的喜爱（见图1）。因此，探讨花斑木木材形成花斑的机理、形成条件，对促进高附加值木材和木质工艺品加工生产意义重大，为多种类型的花斑木的人工培育提供参考依据。

图 1 中国花斑木工艺品和家具Fig. 1 Chinese spalted wood crafts and furniture

1 花斑木的形成机理

花斑木最初是从自然中发现，但可以人工培育。人工培养花斑木方法之一是把木材包埋在带有各种真菌的土里，在土壤含水量为30%～50%、温度15～30 ℃条件下培育数月[14]。早在1933年Campbell[15]对阔叶材上多形炭角菌（Xylaria polymorpha）形成的带线花纹进行了研究，但直到2005年，Liers等[16]将鹿角炭角菌（X.hypoxylon）和多形炭角菌2种真菌分别接种到山毛榉木块上，经过8周的培养，2种真菌都能在木块上形成黑色的带线花纹。

关于花斑纹的形成，一直以来都有许多不同的观点。最常见的一种是Rayner等[17]提出的，认为花斑的形成是由于2种真菌在木材上相互抵抗产生的。Mallet等[18]研究表明，黑色菌纹线是由真菌相互作用生成的菌丝组成。Cease等[19]指出，带线花纹的形成是由于真菌在寄居的木材上为了保护和维持自己资源的防卫机制，是真菌控制木材条件而提供持续利用木材寄居区域资源并繁殖后代的办法。尚衍重等[20]认为带线的形成与木腐菌特别是白腐菌对含水率的要求密切相关，在带线处有一些封闭区域，此封闭区域层为真菌在木材侵入区内提供了最适宜的湿度条件。Blanchette[10]也认为此封闭层表面由真菌产生的假菌核块限制了水分的蒸发，很可能在2种不同菌丝体接触时所形成的分界线也起到上述作用。真菌抵抗机制能解释不同真菌间带线花纹的形成，但是研究最多的多形炭角菌没有其他真菌的对抗也能形成带线花纹[9]。Rayner等[21]认为这种现象是因为多形炭角菌本身个体变异快，产生新突变体对抗原来个体形成的。

西南林业大学邱坚团队提出内生真菌在木材上形成花斑纹的原因包括3个部分：一是为了抵御不良环境，二是为了保持自身生长环境的水分，三是为了形成子实体以繁殖后代而在木材上形成花斑纹[22-25]。该团队广泛调查采集了木腐菌资源，筛选菌纹真菌，优选菌纹木培育条件，形成了一批专利，构建了花斑木制备的整套技术体系[26-35]。

2 花斑木的形成条件

2.1 易形成花斑的树种

花斑纹可以在任何木材树种上形成。白腐菌（Trametes versicolor）是形成花斑纹最常见的菌种，而且因为阔叶材木质素含量低，比针叶材更容易白腐，所以花斑纹主要出现在阔叶材上，主要包括槭木（Acerspp.）、桦木（Betulaspp.）和山毛榉（Fagusspp.）等树种[36]。白腐菌主要降解木素，在木材的细胞壁里也会形成轻微的染色[37]。Robinson等[9]通过将多形炭角菌在山杨（Populus davidiana）、糖 槭（Acer saccharum）、黄 桦（Betula costata）和椴木上接种，发现山杨和糖槭比黄桦和椴木产生的带线花纹多，随着培养时间的增加带线花纹一般会减少，减少的原因可能是白腐菌引起的，只有山杨内外的带线花纹随着培养基时间的增加不会减少，同时认为内含物高的树种容易产生花斑的原因是真菌在木材内含物的作用下产生了应激和对抗。

此外，产生花斑的菌种适宜的树种也明显不同。例如多形炭角菌最适宜产生花斑的树种为美洲榆（Ulmus americana），而红色染色菌（Arthrographis cuboidea）最适宜红叶臭椿（Ailanthus altissima），白腐菌倾向于美洲榆、糖槭以及欧洲七叶树（Aessculrs hippocastanum）[38]。

邱坚团队研究认为易形成菌纹的树种主要为主要归属于核桃科（Juglandaceae）、槭树科（Aceraceae）、榛木科（Corylaceae）、桦木科（Betulaceae）、梧桐科（Sterculiaceae）、樟科（Lauraceae）等，而 龙 脑 香 科（Dipterocarpaceae）、芸香科（Rutaceae）、无患子科（Sapindaceae）、桃金娘科（Myrtaceae）的木材较难以形成菌纹，大部分木材的边材易于形成菌纹[39]。这可能与不同树种木质素中含有的酚羟基有关，自由酚羟基对真菌具有毒性[40]。

2.2 花斑真菌主要种类

真菌在不同的木材上有不同的表现，如最常见的白腐菌[41]，它的漂白作用是由于分泌的白色菌丝而不是去木质素作用[42]。白腐菌相对于重量的损失来说对木材腐朽没有褐腐严重，强度的损失比褐腐发生得慢，但随着时间的延长，白腐可导致整块木材完全不能利用[43]。染色真菌是非腐朽菌，不会导致木材细胞壁主要结构成分的降解[44]，主要是用木材里的糖和低分子碳水化合物[17]。

能形成菌纹线的主要是担子菌和子囊菌。美国俄勒冈州立大学的Robinson团队对花斑木在现代的应用做了大量研究，通过培育花斑木的实验确定了常见的7种真菌可以形成稳定的花斑。它们分别是多形炭角菌、白腐菌、烟管菌（Bjerkandera adusta）、冬生多孔菌（Polyporus brumalis）、丝 孢 菌（Arthrographis cuboidea）、小孢绿盘菌（Chlorociboria aeruginascens）以及长喙壳属菌（Ceratocystis virescens）[3]。

另外冬生多孔菌（Polyporus brumalis）/白腐菌组合是实验室生产花斑木最好的选择，能够产生大量的带线花纹和漂白，而木块质量损失也相对较低，烟管菌/变色栓菌组合产生的带线花纹和漂白也很理想，但质量损失较大[7]。

何海珊等[22,39]采用间座壳科间座壳属9种、炭角菌科炭角菌属5种真菌都培育出黑色菌纹线，并发现炭角菌（Xylaria venosula）、拟茎点霉属（Phomopsissp.）和粘束孢霉菌株在毛白杨（Populus tomentosa）上菌纹线花纹丰富，腐朽程度轻。

2.3 影响花斑形成的因素

影响花斑形成的因素主要包括木材含水率、pH值以及培养基类型。

1）含水率是花斑真菌生长最重要的因素。木材中自由水含量过少，真菌生长过程中所需水分不能得到满足；木材含水率太高，木材中的氧气被水分取代，真菌的生长受到抑制。控制木材基质的含水率，可以刺激特定的花斑真菌的生长。值得注意的是，花斑真菌种类不同，其在不同树种中产生最大花斑的含水率也不同[45]。

2）木材本身的pH值介于4～6之间，正是木本植物真菌最适宜的pH值范围。Tudor等[46]利用不同pH浓度的磷酸钾缓冲溶液调节木材的pH值，结果发现变色栓菌当pH为4.5时在糖槭和山毛榉上形成最多的花斑，而多形炭角菌分别在pH为4.5的糖槭木块上和pH为5的山毛榉上都产生最多的花斑。Robinson等[47]研究显示木栖柱孢霉（Scytalidium lignicola）在琼脂培养基中生成红色花斑的最大pH为6，生成蓝色花斑的最大pH为8。

3）培养基类型也会影响花斑的形成。Robinson等[1]用蛭石和土壤2种培养基，接种5种真菌到糖槭木块上，发现以蛭石为培养基产生的花斑数量多，重量损失少，形成的颜色对比度更好。Robinson等[2]研究表明用一定浓度的CuSO4处理木块，接种多形炭角菌/花斑木菌（Arthrographis cuboidea）组合，能用于诱导产生更多的染色，产生的黑色带线花纹减少，而红色带线花纹和内部红色染色增加。

3 细菌型花斑木的构想

3.1 植物中内生细菌作用

Kloepper等[48]于1992年提出了植物内生细菌的概念，认为植物内生细菌是可以定殖在健康的植物组织内部，并且能够与植物本身呈和谐共处的关系。目前从多种植物的不同器官均分离得到了植物内生细菌，并对其在植物体产生的影响做了进一步的研究[49]。

植物内生细菌在生长增殖的过程中不仅能够跟寄主植物产生相同的化合物，还能够产生一些次生代谢产物[50]。这些次生代谢产物具有抗病虫害和促进植物生长的作用[51]。此外，内生细菌本身产生或者协助寄主植物产生植物激素来促进植物的生长，不同的植物激素作用于植物不同的生长阶段，促进植物细胞的分裂、伸长、分化[52]。

3.2 木材中的内生细菌作用

细菌在高湿环境下也可作用于木材。少数放线菌（Actinomycetes）、杆菌（Bacillius）、假单孢菌（Pseudomonas）及产气杆菌（Aerobacter）会腐朽木材，最常被报导的细菌属于杆菌和假单孢菌[43]。细菌可从活立木的伤口侵入树杆形成高湿木，细菌也腐朽存于几乎缺氧状况的木材，缺氧状况包长埋在土里、长时间置于水中及长期处于高湿状态，细菌破坏木材的程度及速度，远不如虫害及真菌腐朽那么严重[40]。Wilcox[53]指出，所有的研究都同意细菌先在木射线组织繁殖并破坏细胞壁和纹孔结构，然后再腐蚀阔叶材纤维细胞壁；Holt等[54]把欧洲赤松（Pine sylvestris）和山毛榉（Fagus sylvatica）样品埋在湖泊及河流淤泥中长达1.5 a，3个月后样品感染多种细菌，以杆状菌为主。Schmidt等[55]用分离的菌种逐个腐蚀欧洲赤松和山毛榉切片，并没有发生任何腐蚀的迹象，空穴式及钻隧式腐朽要到12个月才发生。细菌所分泌腐蚀细胞的酶不能扩散到远处，细菌须紧贴才能分解细胞壁里的纤维素和半纤维素，因此细菌腐朽过程很缓慢[53]。相关研究表明细菌腐朽以3种方式进行，表面腐蚀式、空穴式及钻隧式[54-56]。除此之外，细菌也可以破坏重纹孔的纹孔膜[57]，在千年古木中，Kim等[58]还发现细菌可直向隧钻腐朽中胶层。

3.3 细菌型花斑木的提出

目前花斑木形成机理是以真菌感染形成为基础，研究集中在树种的优选、真菌菌种筛选和组合、染色方法、灭菌条件和花斑木真菌形成机理等方面。但是在研究过程中邱坚团队发现一些树种能够在心材部位形成粗大的圈状花纹，且贯穿整个树干，表面无腐朽迹象（图2）。且经切片观察褐色斑纹周围未发现真菌的存在（见图3）。原有真菌花斑木形成机理无法解释这类在心材部位形成斑纹的现象。

图 2 黑柿木前后两面的黑色粗大斑纹圈Fig. 2 Thick black mottled circles on both front and back sides of Diospyros sp.

另外，经初步调查，同一材种同批次木材，有的没有形成花斑，有的形成了花斑。因此这类无真菌、无腐朽迹象的心材花斑木的形成，目前国内外均未见相关理论的提出和研究报道。

根据心材型花斑木是在树木生长过程在心材部位形成、无腐朽迹象、无真菌及贯穿树干的特征，原有真菌花斑木理论无法解释这类心材型花斑木的形成机理，提出了“细菌诱导花斑木”的理论假说，即心材型花斑木是由细菌引起的，细菌从断枝或其他伤口进入树干的边材，边材薄壁细胞分泌黑色素或其他颜色的色素物质把细菌感染部位围圈起来形成花斑木，随着时间的推移边材部分转变成心材。

图 3 黑柿木的样品和解剖图Fig. 3 The macrostructure of Diospyros sp.

4 发展前景展望

真菌形成的花斑木优点：一是生动多变的天然色彩与自然花纹，避免了使用污染环境的化工颜料；二是黑色及黑褐色线条主要由黑色素构成，化学性质稳定，经久不变。但其最大的缺点是在花斑木的形成过程中有明显的白腐，特别是斑纹明显且量大的花斑木时常伴随腐朽现象，腐朽严重者需经过加固处理后才能用于工艺品、家具等制造。另外真菌形成的花斑木一般菌纹较细，所围成的菌纹圈也小，在木材的边材上形成。

根据心材型花斑木是在树木生长过程在心材部位形成、无腐朽迹象、无真菌及贯穿树干的特征，原有真菌花斑木理论无法解释这类心材型花斑木的形成机理，提出了“细菌型花斑木”的科学假说，将通过微生物分离培养及生物高通量测序、将可能细菌接种于未产生花斑的立木上进行试验，分析心材型花斑木的形成与细菌的诱导关系。从而有效地控制腐朽和促进大花斑的形成，为多种类型的花斑木的人工培育奠定理论基础，促进高附加值木材和木质工艺品加工生产。