重金属胁迫对小叶丁香叶片解剖结构的影响1)

孙 龙 纪楠楠 穆立蔷 徐文远

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

重金属污染对生态系统的影响是当今世界上普遍关注的环境问题之一。通常情况下，重金属大多不是植物体的必需元素，但一旦进入植物体内，就会参与植物的生理循环，对植物正常生长造成影响。同时，富集在粮食、蔬菜内的重金属物质，在被人们食入后还会侵犯人体的造血、消化及神经等系统，对人类健康造成严重危害［1］。关于重金属污染对植物影响的研究，大多集中于对植物形态、生理生化效应及植物对重金属污染耐性机制等方面，且主要以农作物为研究对象［2－4］。对重金属胁迫下园林绿化物种的叶片解剖构造影响的研究鲜有报道。园林绿化植物不仅可以美化环境，而且具有修复重金属污染的功能［5］。所以在城市及公路绿化中，选择对重金属污染抗性强的物种可以有效减少重金属的污染。

叶片是植物进化过程中对环境变化较敏感且可塑性较大的器官，在不同选择压力下已经形成各种适应类型，其结构特征最能体现环境因子的影响或植物对环境的适应。因而，了解植物叶片形态解剖结构对环境变化的响应与适应是探索植物对环境变化的适应机制和制定相应对策的基础［6］。

小叶丁香在哈尔滨市有悠久的栽培历史，是珍贵的四旁绿化树种，具有耐寒、耐旱、耐贫瘠、耐轻盐碱以及抗虫害能力强等诸多优点。但目前对其抗重金属及修复重金属能力尚不清楚，相关研究未见报道。因此，本文选择小叶丁香的2年生幼苗为试验材料，通过盆栽方式，研究其在不同程度土壤重金属污染下的叶片解剖结构特征，科学评价其抗重金属胁迫能力的强弱，为重金属污染区选择抗性强的树种提供科学依据。

1 材料与方法

本试验以小叶丁香(Syringa microphylla Diels)2年生幼苗为研究对象。栽培土壤来源于东北林业大学哈尔滨城市林业示范基地，为东北地区典型的暗棕壤腐殖层、淀积层土壤(pH=6.5，有机质质量分数＜10%)和风沙化的混合物。黑土呈中性至微酸性。资料表明，哈尔滨地表土壤重金属质量分数:Cu为0.97 ～ 20.60 mg·kg－1、Zn 为 2.89 ～ 96.30 mg·kg－1，Cd 为 0.03 ～0.41 mg·kg－1，Hg 为 0.04 ～2.13 mg·kg－1，Pb为13.91 ～ 181.66mg·kg－1，Cr为32.40 ～63.50 mg·kg－1［7］。

重金属胁迫:将待处理的小叶丁香苗木植入规格相同的容器中，并且把含有 Pb、Cu、Zn、Cd、Cr和Hg的化合物药剂注射入土壤中，根据各重金属在土壤中的含量设计质量分数梯度及对照，见表1。2009年7月中旬施入重金属，将栽植好的苗木50余株在塑料温室内进行培养，采用相同的苗木水分管理措施。9月选择3～5株采摘中上部位叶子，用石蜡切片并结合光学显微镜观察植物解剖结构的变化。

石蜡切片:取小叶丁香当年生成熟叶片(阳面顶部第3叶片)3～5片，用 FAA固定液固定(V(50%酒精)∶V(5%福尔马林)∶V(5%冰醋酸)=90∶5∶5)。试材系列经过5次不同浓度酒精脱水后，用60℃容蜡进行包埋，常规石蜡切片法制片，用旋转式切片机(CUT5062)切片(厚度 10 μm)，番红—固绿对染，二甲苯透明，中性树胶封片［8］，在显微镜下观察拍照。

测量方法:每片叶子分别测量10个栅栏组织、海绵组织上表皮厚度、下表皮厚度、角质层厚度、叶片总厚度的厚度并取其平均值。

试验数据采用 SPSS 17.0和 Microsoft Excel 2003软件进行处理。采用One－way ANOVA进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 叶的解剖结构特征

小叶丁香栅栏组织由两层长柱状细胞排列而成，栅栏组织的平均厚度为84.3917 μm，栅栏组织的细胞间隙为19.00 μm。小叶丁香叶脉非常丰富，主脉和各级侧脉大小差异明显，主脉明显突出于叶片的上、下表皮。近轴心由维管组织填充，占主脉的大部分面积。叶片主脉厚444.61 μm，叶片厚度211.20 μm。海绵组织厚度 75.11 μm，海绵组织细胞间隙37.36 μm，栅栏组织和海绵组织比值1.11。

2.2 不同质量分数重金属胁迫下小叶丁香组织结构变化

由表1 可知，在重金属 Zn、Cu、Cd、Cr、Pb 和 Hg的胁迫下，在Cr质量分数最大(200 mg·kg－1)时，小叶丁香栅栏组织厚度达到最大值87.4313 μm，海绵组织厚度达到最小值75.1262 μm，栅栏组织与海绵组织比值达到最大值1.163。在Pb(150 mg·kg－1)胁迫下，栅栏组织厚度达到最小值84.0339 μm，海绵组织厚度达到最大值76.9810 μm，栅栏组织和海绵组织厚度比值达到最小值1.091。上表皮厚度则在Pb质量分数最大时呈现最小值27.214 μm，在 Hg质量分数最大值(2.00 mg·kg－1)时呈现最大值27.245 μm。下表皮厚度则在Zn质量分数最小时和Cu质量分数最小(200 mg·kg－1)时表现最大18.998 μm，在 Zn 质量分数最大(200 mg·kg－1)时表现为最小 18.789 μm。

从总的植物叶片解剖数据上来看，不同浓度重金属处理下叶片组织结构中栅栏组织厚度、海绵组织厚度、栅栏组织厚度/海绵组织厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、角质层厚度较对照组均出现了变化。其中，随着6种重金属质量分数的增加，解剖结构中的栅栏组织厚度、上表皮厚度、下表皮层厚度均呈现逐渐增大的趋势，而海绵组织的厚度则越来越小。并且小叶丁香受重金属胁迫的时间越长、质量分数越高，栅栏组织和海绵组织变化会越明显。

图1 可见，在重金属 Zn、Cu、Cd、Cr和 Hg的胁迫下，随着施加重金属质量分数的升高，小叶丁香栅栏组织的厚度在逐渐变厚，海绵组织的厚度逐渐变薄，且栅栏组织与海绵组织的比值也随之增加，在质量分数最大的时候栅栏组织与海绵组织的比值达到了最大值，即为 1.122、1.126、1.130、1.143、1.163和1.131，说明小叶丁香是随着重金属 Zn、Cu、Cd、Cr和Hg质量分数的增加，抗性越来越强。虽然Pb(100 mg·kg－1)和 Pb(150 mg·kg－1)处理下的小叶丁香的栅栏组织和海绵组织均发生明显变化，但是栅栏组织与海绵组织的比例变化差异不大，说明小叶丁香只对Pb(50 mg·kg－1)产生了抗性，可能Pb的质量分数越高小叶丁香对金属的抗性越弱，质量分数越低，抗性越强。小叶丁香在Zn(100 mg·kg－1)处理下，虽然海绵组织厚度出现了显著性变化，栅栏组织没有出现显著差异，但是栅栏组织与海绵组织的比值出现了明显变化，说明小叶丁香对重金属Zn(100 mg·kg－1)有一定的抗性作用。在重金属 Zn(150 mg·kg－1)和 Zn(200 mg·kg－1)胁迫下时，小叶丁香栅栏组织和海绵组织均发生了显著性变化，并且栅栏组织/海绵组织分别为1.109和1.121。栅栏组织与海绵组织的比值越小说明植物对重金属的抗性越弱。因此，小叶丁香对重金属Zn抗性作用大小为 Zn(100 mg·kg－1)＞Zn(200 mg·kg－1)＞Zn(150 mg·kg－1)。但是在重金属Pb的胁迫下，并没出现随着浓度的增加出现增长的规律，在质量分数为150 mg·kg－1时，虽然栅栏组织与海绵组织的厚度出现了变化，但是栅栏组织与海绵组织的比例并未出现显著性变化，即为1.091(P＞0.05)。这些指标分析均说明在不同质量分数不同重金属的处理下，植物为了耐受环境的苛刻条件，尤其是重金属的制约，其自身关键的形态特征指标较常态环境下已经发生了改变。受环境制约的植物叶片结构，其叶肉组织中的栅栏组织比较发达，并且细胞排列紧密为多层结构，而海绵组织则逐渐退化，因而栅栏组织厚度/海绵组织厚度的比值较高，这也将对植物的光合作用产生了显著的影响。

图1 小叶丁香在自然状态下叶片解剖构造特征(×200)

表1 6种重金属不同质量分数胁迫下小叶丁香叶片解剖结构

3 结论与讨论

在重金属胁迫下，小叶丁香的栅栏组织、海绵组织及栅栏组织与海绵组织的比值均出现了不同程度的变化。小叶丁香对重金属Zn抗性作用大小为Zn(100 mg·kg－1)＞Zn(200 mg·kg－1)＞Zn(150 mg·kg－1);小叶丁香只对 Pb(50 mg·kg－1)产生了抗性Pb(50 mg·kg－1)＞Pb(100 mg·kg－1)＞Pb(150 mg·kg－1);小叶丁香是随着重金属Cu质量分数的增加，抗性越来越强，Cu(300 mg·kg－1)＞Cu(200 mg·kg－1)＞Cu(100 mg·kg－1);小叶丁香对重金属 Hg 的抗性大小为 Hg(2.00 mg·kg－1)＞Hg(1.10 mg·kg－1)＞Hg(0.20 mg·kg－1);小叶丁香对重金属 Cr抗性作用为 Cr(100 mg·kg－1)＞Cr(150 mg·kg－1)＞Cr(200 mg·kg－1);小叶丁香对重金属Cd抗性作用大小为 Cd(1.750 mg·kg－1)＞Cd(1.00 mg·kg－1)＞Cd(0.25 mg·kg－1)。

彭威等［9］对植物叶片的比较解剖结构及其与抗旱性的关系中研究表明，植物栅栏组织变厚，海绵组织变薄，及其二者比值变大，说明植物的抗旱性越强，这与本文研究中重金属胁迫植物的反应是一致的;毕淑琴等［10］针对重金属对植物的产量和品质的影响进行了研究，指出在外界条件确定的情况下，植物受单因素重金属污染的危害程度主要由其在土壤中含量决定;多种金属元素共存时，其复合污染均表现出加和作用、协同作用和拮抗作用。南开大学生物系将Pb、Cr、Cd单一和复合污染对种子萌发的影响进行研究，显示铅、镉、铬单一污染物的浓度对数与青菜主根抑制指数之间存在显著的正相关性;而复合时，镉可降低植物对铅的吸收，铅则加剧了镉对植物的毒害作用;和Pb2+能够快速形成沉淀，而使Cr6+和Pb2+相遇后彼此毒性皆减弱;铬的存在可减弱镉对植物的毒害［11］。本文研究中仅考虑林单种重金属施加后小叶丁香的叶片解剖结构，未考虑多种重金属的综合作用，所以在以后试验中应考虑不同重金属浓度施加后的综合效果，以得出更加科学合理的结论。李芳兰等［6］对植物叶片在水分与盐胁迫下进行了研究，研究指出在干旱条件下植物叶片具有耐旱性形态结构特征，表现出叶表皮细胞变小，切向壁加厚等变化，说明植物对环境胁迫的适应;在盐份胁迫响应和对干旱胁迫的响应表现出极为相似的形态解剖结构，也与本文的研究结果基本一致。张玉来等［12］针对大气污染对植物叶片解剖构造的影响，研究表明，植物在大气污染环境中，叶片厚度增厚，栅栏组织普遍增厚，与本文研究结果一致。上述研究均是针对大气污染、水分、盐及干旱胁迫下植物解剖构造的变化，目前国内文献还没有对土壤重金属胁迫下植物的解剖学特征变化这一角度开展相关研究，因此是很具有前景的研究领域。在土壤重金属污染日益严重的今天，本项研究在探讨植物对重金属吸收能力及抗性方面具有重要意义，并将为重金属污染区修复植物的选择提供科学依据。

图2 小叶丁香在六种重金属胁迫下叶片解剖构造特征(×200)

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