弯曲茎秆毛竹的结构适应性：机械应力下组织特化的抗逆机制

为解决单子叶植物缺乏次生增厚组织是否具备类似反应木（reaction wood）的应力响应机制这一争议，南京林业大学团队以弯曲茎秆毛竹为模型，通过多尺度分析揭示了其跨层级结构适应性。研究发现凸侧通过增厚竹壁（降低8.8%内应力）、高木质素含量（+9%）和大微纤丝角（MFA>20°）形成协同负载机制，凹侧则通过纤维-薄壁组织"铰链"结构缓解应力集中。该研究为单子叶植物反应组织存在性提供新证据，对梯度结构生物材料设计具有启示意义。

　　

在自然界中，植物面对重力、风力等机械应力时，双子叶树木通过形成反应木（reaction wood）——如裸子植物的压缩木（compression wood）和被子植物的张力木（tension wood）——来调整生长方向。然而，作为单子叶植物的竹子缺乏次生增厚能力，其应对弯曲应力的机制长期存在争议。南京林业大学的研究人员以自然弯曲的毛竹（Phyllostachys edulis）为研究对象，通过跨尺度实验与模拟分析，揭示了单子叶植物独特的结构适应性策略，相关成果发表在《Acta Biomaterialia》。

研究团队采用多学科交叉技术：通过光学/扫描电镜（SEM）观察血管束梯度分布，结合数字图像相关（DIC）技术原位捕捉应变演化；利用单纤维拉伸和纳米压痕测试细胞壁力学性能；采用原位红外光谱解析微纤丝角（MFA）的应力再分配作用；最后通过有限元模拟验证梯度结构优化策略。样本来自中国镇江南京林业大学下蜀林场3年生毛竹，包含3株弯曲茎秆与3株直立茎秆对照。

【形态学特征】
弯曲茎秆呈现偏心椭圆截面，凸侧壁厚增加使内应力降低8.8%。随着茎秆直立化，截面椭圆度趋近于1，生长应变凸侧达凹侧的3.9倍，形成宏观力学梯度。

【细胞层面】
凸侧纤维细胞发育不全，细胞壁层数减少形成"铰链样"界面，缓解纤维组织应力集中。木质素含量较直立竹高9%，MFA显著增大（>20°），促使纤维素骨架与基质协同承载拉伸应力。

【力学性能】
轴向拉伸模量凸侧和凹侧分别降低27.3%和54.7，虽牺牲刚度但提升应力传递效率，有效抵消重力导致的弯曲效应。有限元模拟证实梯度结构优化是毛竹缓解弯曲应力的核心策略。

该研究首次系统论证了单子叶植物通过跨层级结构重组实现机械适应性：宏观偏心截面、介观"铰链"界面、微观MFA调控共同构成"梯度结构优化"范式。这一发现不仅挑战了单子叶植物无法形成反应组织的传统认知，其揭示的木质素-MFA协同机制（lignin-MFA synergy）为开发具有应力自适应功能的仿生材料提供了新思路，尤其在需要兼顾轻量化与抗弯性能的工程领域具有应用潜力。研究建立的跨尺度分析方法（从分子红外光谱到宏观有限元模拟）也为植物生物力学研究提供了方法论参考。