重金屬脅迫對小葉丁香葉片解剖結構的影響1)

孫 龍 紀楠楠 穆立薔 徐文遠

(東北林業大學，哈爾濱，150040)

重金屬污染對生態系統的影響是當今世界上普遍關注的環境問題之一。通常情況下，重金屬大多不是植物體的必需元素，但一旦進入植物體內，就會參與植物的生理循環，對植物正常生長造成影響。同時，富集在糧食、蔬菜內的重金屬物質，在被人們食入后還會侵犯人體的造血、消化及神經等系統，對人類健康造成嚴重危害［1］。關于重金屬污染對植物影響的研究，大多集中于對植物形態、生理生化效應及植物對重金屬污染耐性機制等方面，且主要以農作物為研究對象［2－4］。對重金屬脅迫下園林綠化物種的葉片解剖構造影響的研究鮮有報道。園林綠化植物不僅可以美化環境，而且具有修復重金屬污染的功能［5］。所以在城市及公路綠化中，選擇對重金屬污染抗性強的物種可以有效減少重金屬的污染。

葉片是植物進化過程中對環境變化較敏感且可塑性較大的器官，在不同選擇壓力下已經形成各種適應類型，其結構特征最能體現環境因子的影響或植物對環境的適應。因而，了解植物葉片形態解剖結構對環境變化的響應與適應是探索植物對環境變化的適應機制和制定相應對策的基礎［6］。

小葉丁香在哈爾濱市有悠久的栽培歷史，是珍貴的四旁綠化樹種，具有耐寒、耐旱、耐貧瘠、耐輕鹽堿以及抗蟲害能力強等諸多優點。但目前對其抗重金屬及修復重金屬能力尚不清楚，相關研究未見報道。因此，本文選擇小葉丁香的2年生幼苗為試驗材料，通過盆栽方式，研究其在不同程度土壤重金屬污染下的葉片解剖結構特征，科學評價其抗重金屬脅迫能力的強弱，為重金屬污染區選擇抗性強的樹種提供科學依據。

1 材料與方法

本試驗以小葉丁香(Syringa microphylla Diels)2年生幼苗為研究對象。栽培土壤來源于東北林業大學哈爾濱城市林業示范基地，為東北地區典型的暗棕壤腐殖層、淀積層土壤(pH=6.5，有機質質量分數＜10%)和風沙化的混合物。黑土呈中性至微酸性。資料表明，哈爾濱地表土壤重金屬質量分數:Cu為0.97 ～ 20.60 mg·kg－1、Zn 為 2.89 ～ 96.30 mg·kg－1，Cd 為 0.03 ～0.41 mg·kg－1，Hg 為 0.04 ～2.13 mg·kg－1，Pb為13.91 ～ 181.66mg·kg－1，Cr為32.40 ～63.50 mg·kg－1［7］。

重金屬脅迫:將待處理的小葉丁香苗木植入規格相同的容器中，并且把含有 Pb、Cu、Zn、Cd、Cr和Hg的化合物藥劑注射入土壤中，根據各重金屬在土壤中的含量設計質量分數梯度及對照，見表1。2009年7月中旬施入重金屬，將栽植好的苗木50余株在塑料溫室內進行培養，采用相同的苗木水分管理措施。9月選擇3～5株采摘中上部位葉子，用石蠟切片并結合光學顯微鏡觀察植物解剖結構的變化。

石蠟切片:取小葉丁香當年生成熟葉片(陽面頂部第3葉片)3～5片，用 FAA固定液固定(V(50%酒精)∶V(5%福爾馬林)∶V(5%冰醋酸)=90∶5∶5)。試材系列經過5次不同濃度酒精脫水后，用60℃容蠟進行包埋，常規石蠟切片法制片，用旋轉式切片機(CUT5062)切片(厚度 10 μm)，番紅—固綠對染，二甲苯透明，中性樹膠封片［8］，在顯微鏡下觀察拍照。

測量方法:每片葉子分別測量10個柵欄組織、海綿組織上表皮厚度、下表皮厚度、角質層厚度、葉片總厚度的厚度并取其平均值。

試驗數據采用 SPSS 17.0和 Microsoft Excel 2003軟件進行處理。采用One－way ANOVA進行方差分析和多重比較。

2 結果與分析

2.1 葉的解剖結構特征

小葉丁香柵欄組織由兩層長柱狀細胞排列而成，柵欄組織的平均厚度為84.3917 μm，柵欄組織的細胞間隙為19.00 μm。小葉丁香葉脈非常豐富，主脈和各級側脈大小差異明顯，主脈明顯突出于葉片的上、下表皮。近軸心由維管組織填充，占主脈的大部分面積。葉片主脈厚444.61 μm，葉片厚度211.20 μm。海綿組織厚度 75.11 μm，海綿組織細胞間隙37.36 μm，柵欄組織和海綿組織比值1.11。

2.2 不同質量分數重金屬脅迫下小葉丁香組織結構變化

由表1 可知，在重金屬 Zn、Cu、Cd、Cr、Pb 和 Hg的脅迫下，在Cr質量分數最大(200 mg·kg－1)時，小葉丁香柵欄組織厚度達到最大值87.4313 μm，海綿組織厚度達到最小值75.1262 μm，柵欄組織與海綿組織比值達到最大值1.163。在Pb(150 mg·kg－1)脅迫下，柵欄組織厚度達到最小值84.0339 μm，海綿組織厚度達到最大值76.9810 μm，柵欄組織和海綿組織厚度比值達到最小值1.091。上表皮厚度則在Pb質量分數最大時呈現最小值27.214 μm，在 Hg質量分數最大值(2.00 mg·kg－1)時呈現最大值27.245 μm。下表皮厚度則在Zn質量分數最小時和Cu質量分數最小(200 mg·kg－1)時表現最大18.998 μm，在 Zn 質量分數最大(200 mg·kg－1)時表現為最小 18.789 μm。

從總的植物葉片解剖數據上來看，不同濃度重金屬處理下葉片組織結構中柵欄組織厚度、海綿組織厚度、柵欄組織厚度/海綿組織厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、角質層厚度較對照組均出現了變化。其中，隨著6種重金屬質量分數的增加，解剖結構中的柵欄組織厚度、上表皮厚度、下表皮層厚度均呈現逐漸增大的趨勢，而海綿組織的厚度則越來越小。并且小葉丁香受重金屬脅迫的時間越長、質量分數越高，柵欄組織和海綿組織變化會越明顯。

圖1 可見，在重金屬 Zn、Cu、Cd、Cr和 Hg的脅迫下，隨著施加重金屬質量分數的升高，小葉丁香柵欄組織的厚度在逐漸變厚，海綿組織的厚度逐漸變薄，且柵欄組織與海綿組織的比值也隨之增加，在質量分數最大的時候柵欄組織與海綿組織的比值達到了最大值，即為 1.122、1.126、1.130、1.143、1.163和1.131，說明小葉丁香是隨著重金屬 Zn、Cu、Cd、Cr和Hg質量分數的增加，抗性越來越強。雖然Pb(100 mg·kg－1)和 Pb(150 mg·kg－1)處理下的小葉丁香的柵欄組織和海綿組織均發生明顯變化，但是柵欄組織與海綿組織的比例變化差異不大，說明小葉丁香只對Pb(50 mg·kg－1)產生了抗性，可能Pb的質量分數越高小葉丁香對金屬的抗性越弱，質量分數越低，抗性越強。小葉丁香在Zn(100 mg·kg－1)處理下，雖然海綿組織厚度出現了顯著性變化，柵欄組織沒有出現顯著差異，但是柵欄組織與海綿組織的比值出現了明顯變化，說明小葉丁香對重金屬Zn(100 mg·kg－1)有一定的抗性作用。在重金屬 Zn(150 mg·kg－1)和 Zn(200 mg·kg－1)脅迫下時，小葉丁香柵欄組織和海綿組織均發生了顯著性變化，并且柵欄組織/海綿組織分別為1.109和1.121。柵欄組織與海綿組織的比值越小說明植物對重金屬的抗性越弱。因此，小葉丁香對重金屬Zn抗性作用大小為 Zn(100 mg·kg－1)＞Zn(200 mg·kg－1)＞Zn(150 mg·kg－1)。但是在重金屬Pb的脅迫下，并沒出現隨著濃度的增加出現增長的規律，在質量分數為150 mg·kg－1時，雖然柵欄組織與海綿組織的厚度出現了變化，但是柵欄組織與海綿組織的比例并未出現顯著性變化，即為1.091(P＞0.05)。這些指標分析均說明在不同質量分數不同重金屬的處理下，植物為了耐受環境的苛刻條件，尤其是重金屬的制約，其自身關鍵的形態特征指標較常態環境下已經發生了改變。受環境制約的植物葉片結構，其葉肉組織中的柵欄組織比較發達，并且細胞排列緊密為多層結構，而海綿組織則逐漸退化，因而柵欄組織厚度/海綿組織厚度的比值較高，這也將對植物的光合作用產生了顯著的影響。

圖1 小葉丁香在自然狀態下葉片解剖構造特征(×200)

表1 6種重金屬不同質量分數脅迫下小葉丁香葉片解剖結構

3 結論與討論

在重金屬脅迫下，小葉丁香的柵欄組織、海綿組織及柵欄組織與海綿組織的比值均出現了不同程度的變化。小葉丁香對重金屬Zn抗性作用大小為Zn(100 mg·kg－1)＞Zn(200 mg·kg－1)＞Zn(150 mg·kg－1);小葉丁香只對 Pb(50 mg·kg－1)產生了抗性Pb(50 mg·kg－1)＞Pb(100 mg·kg－1)＞Pb(150 mg·kg－1);小葉丁香是隨著重金屬Cu質量分數的增加，抗性越來越強，Cu(300 mg·kg－1)＞Cu(200 mg·kg－1)＞Cu(100 mg·kg－1);小葉丁香對重金屬 Hg 的抗性大小為 Hg(2.00 mg·kg－1)＞Hg(1.10 mg·kg－1)＞Hg(0.20 mg·kg－1);小葉丁香對重金屬 Cr抗性作用為 Cr(100 mg·kg－1)＞Cr(150 mg·kg－1)＞Cr(200 mg·kg－1);小葉丁香對重金屬Cd抗性作用大小為 Cd(1.750 mg·kg－1)＞Cd(1.00 mg·kg－1)＞Cd(0.25 mg·kg－1)。

彭威等［9］對植物葉片的比較解剖結構及其與抗旱性的關系中研究表明，植物柵欄組織變厚，海綿組織變薄，及其二者比值變大，說明植物的抗旱性越強，這與本文研究中重金屬脅迫植物的反應是一致的;畢淑琴等［10］針對重金屬對植物的產量和品質的影響進行了研究，指出在外界條件確定的情況下，植物受單因素重金屬污染的危害程度主要由其在土壤中含量決定;多種金屬元素共存時，其復合污染均表現出加和作用、協同作用和拮抗作用。南開大學生物系將Pb、Cr、Cd單一和復合污染對種子萌發的影響進行研究，顯示鉛、鎘、鉻單一污染物的濃度對數與青菜主根抑制指數之間存在顯著的正相關性;而復合時，鎘可降低植物對鉛的吸收，鉛則加劇了鎘對植物的毒害作用;和Pb2+能夠快速形成沉淀，而使Cr6+和Pb2+相遇后彼此毒性皆減弱;鉻的存在可減弱鎘對植物的毒害［11］。本文研究中僅考慮林單種重金屬施加后小葉丁香的葉片解剖結構，未考慮多種重金屬的綜合作用，所以在以后試驗中應考慮不同重金屬濃度施加后的綜合效果，以得出更加科學合理的結論。李芳蘭等［6］對植物葉片在水分與鹽脅迫下進行了研究，研究指出在干旱條件下植物葉片具有耐旱性形態結構特征，表現出葉表皮細胞變小，切向壁加厚等變化，說明植物對環境脅迫的適應;在鹽份脅迫響應和對干旱脅迫的響應表現出極為相似的形態解剖結構，也與本文的研究結果基本一致。張玉來等［12］針對大氣污染對植物葉片解剖構造的影響，研究表明，植物在大氣污染環境中，葉片厚度增厚，柵欄組織普遍增厚，與本文研究結果一致。上述研究均是針對大氣污染、水分、鹽及干旱脅迫下植物解剖構造的變化，目前國內文獻還沒有對土壤重金屬脅迫下植物的解剖學特征變化這一角度開展相關研究，因此是很具有前景的研究領域。在土壤重金屬污染日益嚴重的今天，本項研究在探討植物對重金屬吸收能力及抗性方面具有重要意義，并將為重金屬污染區修復植物的選擇提供科學依據。

圖2 小葉丁香在六種重金屬脅迫下葉片解剖構造特征(×200)

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