为什么木质部被称为“死组织”？

什么是木质部？

木质部是植物的两种主要维管组织之一，与韧皮部共同构成维管束。这两种组织协同工作，在植物体内输送液体。木质部负责将水、溶解的矿物质和其他营养物质从根部输送到植物的其余部分。 “木质部”一词来源于希腊语“xylon”，意为“木材”，强调了该组织在木本茎生长和为植物提供结构支撑方面的关键作用。

构成木质部的各种特化细胞类型各自为木质部的独特功能做出了贡献。导管元素和管胞是木质部中两种主要的细胞类型，这两者在成熟时都处于非活性状态。导管元素是长而锥形的细胞，具有厚壁和小孔，允许水通过。相比之下，管胞的细胞比导管元素更长、更宽，其端壁上有穿孔，形成连续的管道，称为导管，以实现更好的水分传导。

木质素是一种复杂的物质，它赋予木质部组织强度和刚性，将这些细胞固定在一起。木质素还能防止上升的水压导致导管塌陷。由于木质部细胞是非活性的，缺乏细胞质，因此可以形成长而连续的通道。

木质部细胞的类型

木质部中的主要细胞类型是管胞、导管元素、纤维和薄壁组织细胞。

1. 管胞： 管胞是最基本也是最普遍的木质部细胞类型，几乎存在于所有维管植物中。它们是细长的、锥形的细胞，具有厚实的次生细胞壁，富含木质素，为木质部组织提供强度和刚性。管胞壁上的小孔允许水和溶解的营养物质从一个细胞传递到另一个细胞。其端壁上缺乏孔洞会阻碍水流，同时有助于防止空气进入木质部。
2. 导管元素： 被子植物，即开花植物，其木质部包含导管元素。与管胞相比，它们具有较宽较短的端壁，端壁上有大的孔洞，称为穿孔板。这些穿孔板有助于更有效地输送水分，并有助于形成长管状的导管。由于导管元素通常是由端对端堆叠的导管元素组成的，这进一步提高了水分运输的效率。
3. 纤维： 纤维是存在于木质部中的细长细胞，为植物提供机械支撑。其富含木质素的厚细胞壁赋予它们强度和抗弯曲或断裂的能力。在木本植物中，纤维尤为丰富，有助于整体增强茎的强度。虽然它们不积极参与水分运输，但纤维能够增强木质部和整个植物的强度。
4. 薄壁组织细胞： 称为薄壁组织细胞（通常称为木质薄壁组织或射线细胞）的活细胞散布在木质部导管和管胞之间。与管胞和导管元素不同，薄壁组织细胞在成熟时仍保留其原生质和细胞器。它们对于储存营养物质、侧向输送水分和矿物质以及木质部中物质的径向运动至关重要。这些细胞对于维持植物的生理健康和促进其生长发育至关重要。

木质部的功能

1. 木质部的主要功能是将水分和营养物质从根部输送到植物的茎、叶和其他地上部分。这个过程被称为“蒸腾拉力”。当植物的根毛通过渗透、毛细作用和根压从土壤中吸收水分时，水就会进入根部的木质部。由于水分子通过相互连接的木质部管道流动，会产生一股从根部延伸到叶子的连续水柱。
2. 木质部能够实现最重要的过程之一——蒸腾作用，即植物表面（特别是叶片）的水分散失过程。当水分从叶片表面的微小孔洞（称为气孔）蒸发时，会产生负压，将水通过木质部管道向上吸入，以补充损失的水分。水分子自身的内聚力和粘附性，加上木质部的支撑，使得植物能够克服重力，将根部的水向上吸。

木质部的类型

木质部有两种类型：初生木质部和次生木质部，它们执行相同的功能，但根据其形成的生长类型进行分类。

1. 初生木质部

初生木质部在植物生长过程中形成。这是茎尖、根尖和花蕾的伸长。它使植物能够长得更高，根系更长。初生生长发生在生长季节早期，在次生生长之前。初生木质部和次生木质部都负责输送水分和营养物质。

2. 次生木质部

次生木质部在植物的次生生长过程中产生；这是使植物能够随时间推移而增粗的生长类型。例如，宽大的树干就表现出大量的次生生长。它发生在主生长之后，每年都会发生。次生木质部是树干内部黑色年轮的原因，这些年轮用于确定树的年龄。

为什么木质部被称为“死组织”？

木质部之所以被称为“死组织”，是由于其形态学上的特点。木质部主要的输水细胞，称为管胞和导管元素，缺乏原生质，而原生质是大多数植物细胞中的活细胞成分。在成熟阶段，这些细胞会经历凋亡，这是一种程序性细胞死亡，原生质会分解，留下一个空腔。

管胞和导管元素这种结构上的改变具有特定的功能作用：

• 增强水分运输： 原生质的缺失在木质部内部形成了中空的、连续的管道，大大降低了水的流动阻力。这使得水能够有效地从根部向上穿过植物到达叶部，克服重力。水通过木质部的流动过程是由蒸腾作用驱动的，蒸腾作用是指水分从叶片表面蒸发，产生负压（张力），将水向上拉动。
• 降低栓塞风险： 缺乏活体内容物还可以降低栓塞的风险，栓塞是指可能阻塞木质部水流的气泡。如果空气渗入输水管道，在普通的活细胞中可能会发生栓塞。木质部细胞的空腔可以防止空气滞留，并允许连续的水分运输。
• 增加结构支撑： 木质素是一种复杂的聚合物，为细胞壁提供刚性和强度，用于加固木质部中管胞和导管元素的细胞壁。这种木质化的次生细胞壁在结构上支撑着植物，使其能够长高并承受机械力。

虽然木质部中主要的输水细胞没有原生质，因此被视为“死组织”，但重要的是要强调，木质部并非完全没有功能或没有生命。周围的活细胞和组织，如薄壁组织细胞和伴胞，在调节水分和营养物质的流动方面起着至关重要的作用。此外，“死组织”一词并不意味着木质部是无用的；恰恰相反，它通过允许水分和营养物质从根部输送到植物的其他部分，对植物的生存和生长至关重要。

木质部与韧皮部有何不同？

韧皮部和木质部都为植物的循环系统做出贡献，并共同构成赋予植物机械强度的维管束，但它们之间也存在显著差异。韧皮部输送食物和营养物质，而木质部输送水分。单向性的木质部旨在确保水分向上流动。另一方面，韧皮部是双向的，将食物和营养物质输送到整个植物。而韧皮部包含活细胞，成熟的木质部则由不含细胞内容的死细胞组成。木质部和韧皮部的结构也不同。韧皮部由筛管组成，有许多孔用于输送营养物质，而木质部由管胞和导管组成。韧皮部呈圆形，木质部呈星形。

木质部在植物中的重要性

为了使植物能够在各种条件下生存和茁壮成长，维持其内部的水分平衡至关重要。木质部在此发挥作用。它确保水分和营养物质能够有效地分散到整个植物，即使是在远离根部的区域。光合作用，即植物通过结合水、二氧化碳和光来制造自身食物的过程，依赖于这种持续的水分供应。

此外，木质部还有助于植物保持其结构完整性，特别是对于木本植物。木质部细胞壁中的木质素沉积提供了机械支撑，使植物能够建立强大的框架并长高。这种支撑对于植物承受重力和风等外部压力是必不可少的。