孫 龍 紀(jì)楠楠 穆立薔 徐文遠(yuǎn)

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

重金屬污染對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響是當(dāng)今世界上普遍關(guān)注的環(huán)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(jìn)入植物體內(nèi)，就會(huì)參與植物的生理循環(huán)，對(duì)植物正常生長(zhǎng)造成影響。同時(shí)，富集在糧食、蔬菜內(nèi)的重金屬物質(zhì)，在被人們食入后還會(huì)侵犯人體的造血、消化及神經(jīng)等系統(tǒng)，對(duì)人類健康造成嚴(yán)重危害［1］。關(guān)于重金屬污染對(duì)植物影響的研究，大多集中于對(duì)植物形態(tài)、生理生化效應(yīng)及植物對(duì)重金屬污染耐性機(jī)制等方面，且主要以農(nóng)作物為研究對(duì)象［2－4］。對(duì)重金屬脅迫下園林綠化物種的葉片解剖構(gòu)造影響的研究鮮有報(bào)道。園林綠化植物不僅可以美化環(huán)境，而且具有修復(fù)重金屬污染的功能［5］。所以在城市及公路綠化中，選擇對(duì)重金屬污染抗性強(qiáng)的物種可以有效減少重金屬的污染。

葉片是植物進(jìn)化過(guò)程中對(duì)環(huán)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(jīng)形成各種適應(yīng)類型，其結(jié)構(gòu)特征最能體現(xiàn)環(huán)境因子的影響或植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)。因而，了解植物葉片形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)與適應(yīng)是探索植物對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)機(jī)制和制定相應(yīng)對(duì)策的基礎(chǔ)［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(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。但目前對(duì)其抗重金屬及修復(fù)重金屬能力尚不清楚，相關(guān)研究未見報(bào)道。因此，本文選擇小葉丁香的2年生幼苗為試驗(yàn)材料，通過(guò)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(jié)構(gòu)特征，科學(xué)評(píng)價(jià)其抗重金屬脅迫能力的強(qiáng)弱，為重金屬污染區(qū)選擇抗性強(qiáng)的樹種提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

本試驗(yàn)以小葉丁香(Syringa microphylla Diels)2年生幼苗為研究對(duì)象。栽培土壤來(lái)源于東北林業(yè)大學(xué)哈爾濱城市林業(yè)示范基地，為東北地區(qū)典型的暗棕壤腐殖層、淀積層土壤(pH=6.5，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜10%)和風(fēng)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(zhì)量分?jǐn)?shù):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(guī)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(jù)各重金屬在土壤中的含量設(shè)計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度及對(duì)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(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)，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(jié)合光學(xué)顯微鏡觀察植物解剖結(jié)構(gòu)的變化。

石蠟切片:取小葉丁香當(dāng)年生成熟葉片(陽(yáng)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(jīng)過(guò)5次不同濃度酒精脫水后，用60℃容蠟進(jìn)行包埋，常規(guī)石蠟切片法制片，用旋轉(zhuǎn)式切片機(jī)(CUT5062)切片(厚度 10 μm)，番紅—固綠對(duì)染，二甲苯透明，中性樹膠封片［8］，在顯微鏡下觀察拍照。

測(cè)量方法:每片葉子分別測(cè)量10個(gè)柵欄組織、海綿組織上表皮厚度、下表皮厚度、角質(zhì)層厚度、葉片總厚度的厚度并取其平均值。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 SPSS 17.0和 Microsoft Excel 2003軟件進(jìn)行處理。采用One－way ANOVA進(jìn)行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉的解剖結(jié)構(gòu)特征

小葉丁香柵欄組織由兩層長(zhǎng)柱狀細(xì)胞排列而成，柵欄組織的平均厚度為84.3917 μm，柵欄組織的細(xì)胞間隙為19.00 μm。小葉丁香葉脈非常豐富，主脈和各級(jí)側(cè)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(xì)胞間隙37.36 μm，柵欄組織和海綿組織比值1.11。

2.2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)重金屬脅迫下小葉丁香組織結(jié)構(gòu)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(zhì)量分?jǐn)?shù)最大(200 mg·kg－1)時(shí)，小葉丁香柵欄組織厚度達(dá)到最大值87.4313 μm，海綿組織厚度達(dá)到最小值75.1262 μm，柵欄組織與海綿組織比值達(dá)到最大值1.163。在Pb(150 mg·kg－1)脅迫下，柵欄組織厚度達(dá)到最小值84.0339 μm，海綿組織厚度達(dá)到最大值76.9810 μm，柵欄組織和海綿組織厚度比值達(dá)到最小值1.091。上表皮厚度則在Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大時(shí)呈現(xiàn)最小值27.214 μm，在 Hg質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值(2.00 mg·kg－1)時(shí)呈現(xiàn)最大值27.245 μm。下表皮厚度則在Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小時(shí)和Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小(200 mg·kg－1)時(shí)表現(xiàn)最大18.998 μm，在 Zn 質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大(200 mg·kg－1)時(shí)表現(xiàn)為最小 18.789 μm。

從總的植物葉片解剖數(shù)據(jù)上來(lái)看，不同濃度重金屬處理下葉片組織結(jié)構(gòu)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(zhì)層厚度較對(duì)照組均出現(xiàn)了變化。其中，隨著6種重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，解剖結(jié)構(gòu)中的柵欄組織厚度、上表皮厚度、下表皮層厚度均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，而海綿組織的厚度則越來(lái)越小。并且小葉丁香受重金屬脅迫的時(shí)間越長(zhǎng)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，柵欄組織和海綿組織變化會(huì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)最大的時(shí)候柵欄組織與海綿組織的比值達(dá)到了最大值，即為 1.122、1.126、1.130、1.143、1.163和1.131，說(shuō)明小葉丁香是隨著重金屬 Zn、Cu、Cd、Cr和Hg質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，抗性越來(lái)越強(qiáng)。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(fā)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(shuō)明小葉丁香只對(duì)Pb(50 mg·kg－1)產(chǎn)生了抗性，可能Pb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高小葉丁香對(duì)金屬的抗性越弱，質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，抗性越強(qiáng)。小葉丁香在Zn(100 mg·kg－1)處理下，雖然海綿組織厚度出現(xiàn)了顯著性變化，柵欄組織沒有出現(xiàn)顯著差異，但是柵欄組織與海綿組織的比值出現(xiàn)了明顯變化，說(shuō)明小葉丁香對(duì)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(shí)，小葉丁香柵欄組織和海綿組織均發(fā)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(shuō)明植物對(duì)重金屬的抗性越弱。因此，小葉丁香對(duì)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(xiàn)隨著濃度的增加出現(xiàn)增長(zhǎng)的規(guī)律，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為150 mg·kg－1時(shí)，雖然柵欄組織與海綿組織的厚度出現(xiàn)了變化，但是柵欄組織與海綿組織的比例并未出現(xiàn)顯著性變化，即為1.091(P＞0.05)。這些指標(biāo)分析均說(shuō)明在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同重金屬的處理下，植物為了耐受環(huán)境的苛刻條件，尤其是重金屬的制約，其自身關(guān)鍵的形態(tài)特征指標(biāo)較常態(tài)環(huán)境下已經(jīng)發(fā)生了改變。受環(huán)境制約的植物葉片結(jié)構(gòu)，其葉肉組織中的柵欄組織比較發(fā)達(dá)，并且細(xì)胞排列緊密為多層結(jié)構(gòu)，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(duì)植物的光合作用產(chǎn)生了顯著的影響。

圖1 小葉丁香在自然狀態(tài)下葉片解剖構(gòu)造特征(×200)

表1 6種重金屬不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)脅迫下小葉丁香葉片解剖結(jié)構(gòu)

3 結(jié)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(xiàn)了不同程度的變化。小葉丁香對(duì)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(duì) Pb(50 mg·kg－1)產(chǎn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，抗性越來(lái)越強(qiáng)，Cu(300 mg·kg－1)＞Cu(200 mg·kg－1)＞Cu(100 mg·kg－1);小葉丁香對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)植物葉片的比較解剖結(jié)構(gòu)及其與抗旱性的關(guān)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(shuō)明植物的抗旱性越強(qiáng)，這與本文研究中重金屬脅迫植物的反應(yīng)是一致的;畢淑琴等［10］針對(duì)重金屬對(duì)植物的產(chǎn)量和品質(zhì)的影響進(jìn)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(shí)，其復(fù)合污染均表現(xiàn)出加和作用、協(xié)同作用和拮抗作用。南開大學(xué)生物系將Pb、Cr、Cd單一和復(fù)合污染對(duì)種子萌發(fā)的影響進(jìn)行研究，顯示鉛、鎘、鉻單一污染物的濃度對(duì)數(shù)與青菜主根抑制指數(shù)之間存在顯著的正相關(guān)性;而復(fù)合時(shí)，鎘可降低植物對(duì)鉛的吸收，鉛則加劇了鎘對(duì)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(duì)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(jié)構(gòu)，未考慮多種重金屬的綜合作用，所以在以后試驗(yàn)中應(yīng)考慮不同重金屬濃度施加后的綜合效果，以得出更加科學(xué)合理的結(jié)論。李芳蘭等［6］對(duì)植物葉片在水分與鹽脅迫下進(jìn)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(tài)結(jié)構(gòu)特征，表現(xiàn)出葉表皮細(xì)胞變小，切向壁加厚等變化，說(shuō)明植物對(duì)環(huán)境脅迫的適應(yīng);在鹽份脅迫響應(yīng)和對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)表現(xiàn)出極為相似的形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)，也與本文的研究結(jié)果基本一致。張玉來(lái)等［12］針對(duì)大氣污染對(duì)植物葉片解剖構(gòu)造的影響，研究表明，植物在大氣污染環(huán)境中，葉片厚度增厚，柵欄組織普遍增厚，與本文研究結(jié)果一致。上述研究均是針對(duì)大氣污染、水分、鹽及干旱脅迫下植物解剖構(gòu)造的變化，目前國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)還沒有對(duì)土壤重金屬脅迫下植物的解剖學(xué)特征變化這一角度開展相關(guān)研究，因此是很具有前景的研究領(lǐng)域。在土壤重金屬污染日益嚴(yán)重的今天，本項(xiàng)研究在探討植物對(duì)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(qū)修復(fù)植物的選擇提供科學(xué)依據(jù)。

圖2 小葉丁香在六種重金屬脅迫下葉片解剖構(gòu)造特征(×200)

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