重金屬脅迫對(duì)紫葉稠李葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響

張樹森，紀(jì)楠楠，孫龍

重金屬脅迫對(duì)紫葉稠李葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響

張樹森1，紀(jì)楠楠2，孫龍2

（1.黑龍江省尚志國有林場管理局，黑龍江哈爾濱150600；2.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040）

以城市綠化栽培品種紫葉稠李（Prunus padus L.）為研究對(duì)象，在6種重金屬鋅、銅、鉛、汞、鉻、鎘的不同濃度脅迫條件下，觀測紫葉稠李葉片解剖結(jié)構(gòu)以及抗重金屬特征，測定葉片厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、柵欄組織／海綿組織、角質(zhì)層厚度等7個(gè)指標(biāo)，并進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：除鎘外，隨著其他重金屬濃度的增加，柵欄組織逐漸變厚，海綿組織逐漸變薄，而隨著鎘濃度的逐漸增加，柵欄組織先變厚后變薄，海綿組織逐漸分化，在不同梯度鎘濃度重量處理下，角質(zhì)層厚度顯著增加。可見，紫葉稠李具有較強(qiáng)的抗重金屬特征，該樹種可作為重金屬富集區(qū)園林綠化樹種。

重金屬脅迫；葉片解剖結(jié)構(gòu)；紫葉稠李

隨著全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，含有重金屬的污染物通過各種途徑進(jìn)入土壤中，造成土壤中重金屬元素富集。土壤遭受污染后不僅影響農(nóng)作物產(chǎn)量與品質(zhì)，而且降低大氣和水環(huán)境質(zhì)量，并通過食物鏈影響動(dòng)物和人類健康，因此，土壤污染關(guān)系到人類整個(gè)生存環(huán)境質(zhì)量［1，2］。當(dāng)前，土壤重金屬污染已成為環(huán)境和土壤學(xué)工作者的研究熱點(diǎn)。Fakayode和 Owolabi［3］研究了尼日利亞不同車流密度公路旁表層土壤中Pb、Cd、Cu、Ni和Zn的分布，結(jié)果表明，公路兩側(cè)土壤中重金屬含量在車流密度大的地區(qū)要高于車流密度小的地區(qū)，且隨著距公路距離的增大重金屬含量呈快速降低趨勢。土壤中的重金屬會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生一定的毒害作用，使受害植物的株高、主根長度、葉面積等一系列生理特征發(fā)生改變［4］。

截至目前，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)重金屬危害植物的特征、危害機(jī)理以及植物對(duì)重金屬抗性的反應(yīng)、抗性機(jī)理等方面做了大量研究，研究對(duì)象多數(shù)以生長期較短的作物或1年生草本植物為主，對(duì)紫葉稠李抗鋅、銅、鉛、汞、鉻、鎘等重金屬污染的研究較少，因此本文選擇具有廣泛代表性的綠化樹種紫葉稠李作為研究對(duì)象，從植物解剖學(xué)角度，探討植物受重金屬污染后葉片的組織特點(diǎn)和發(fā)育規(guī)律，為利用植物監(jiān)測重金屬污染和篩選抗性樹種提供理論依據(jù)。通過觀察葉片的柵欄組織厚度、海綿組織厚度、葉片總厚度、上、下表皮細(xì)胞厚度以及柵欄組織與海綿組織比值等的變化情況，研究不同重金屬污染對(duì)植物葉片解剖特征的影響，進(jìn)而綜合評(píng)價(jià)植物的抗重金屬污染能力，研究結(jié)果將為重金屬污染區(qū)選擇綠化樹種提供理論依據(jù)。

1 紫葉稠李形態(tài)特征及其分布

紫葉稠李（Prunus padus L.）系薔薇科稠李屬落葉喬木，別名臭李子、臭梨。樹高達(dá)20～30m，樹干灰褐色或黑褐色，淺縱裂；小枝紫褐色，有棱；幼枝灰綠色，近無毛；單葉互生，葉橢圓形，先端突漸尖；兩性花，腋生總狀花序，花瓣白色，略有異味；核果近球形，黑紫紅色。稠李廣泛分布于我國東北、華北、西北等地區(qū)；俄羅斯、朝鮮、日本亦有分布。喜光、耐陰，抗寒性較強(qiáng)，怕積水澇洼，不耐旱、耐寒（在零下30℃的低溫下可安全越冬）、耐瘠薄，在濕潤肥沃的砂質(zhì)壤土上生長良好，萌蘗力強(qiáng)，病蟲害少，對(duì)土壤要求不嚴(yán)格。紫葉稠李開花較早，白色俏麗，常作為綠化觀光樹種。

2 材料與方法

本文以2年生紫葉稠李幼苗為研究對(duì)象。

栽培基質(zhì)：取自東北林業(yè)大學(xué)哈爾濱城市林業(yè)示范基地，土質(zhì)為暗棕壤的腐殖質(zhì)層、淀積層（pH＝6.5，有機(jī)質(zhì)含量＜10%）和風(fēng)沙化土壤的混合物。

重金屬脅迫：將50余株2年生紫葉稠李幼苗分別栽植到規(guī)格相同的容器中，并放置溫室內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)。2009年7月中旬，根據(jù)對(duì)照土壤中各重金屬含量設(shè)計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度，設(shè)定三種不同梯度的重金屬濃度，將含有Cu、Zn、Pb、Cd、Cr和Hg等重金屬的化合藥劑注入土壤中，重金屬濃度設(shè)置情況見表1。當(dāng)年9月采摘3～5株中上部位葉片，用石蠟切片并通過光學(xué)顯微鏡觀察植物解剖結(jié)構(gòu)的變化。

表1 重金屬脅迫實(shí)驗(yàn)中6種重金屬及對(duì)照質(zhì)量分?jǐn)?shù)

石蠟切片：取紫葉稠李陽面頂部第3葉片3～5片，用FAA固定液固定。系列試材從50%酒精開始，經(jīng)70%、85%、95%直至純酒精（無水乙醇）脫水后，采用60℃熔點(diǎn)石蠟進(jìn)行包埋，用常規(guī)石蠟切片法進(jìn)行制片，用旋轉(zhuǎn)式切片機(jī)（CUT5062）進(jìn)行切片（厚度10μm），經(jīng)過番紅—固綠對(duì)染，二甲苯透明，中性樹膠封片等過程［5］，然后在OlympusBH－2光學(xué)顯微鏡下觀察拍照。

測量方法：在顯微鏡下觀察，并用Motic Images Advanced3.0測微尺測量葉片柵欄組織厚度、海綿組織厚度、柵欄組織與海綿組織厚度的比值、上表皮厚度、下表皮厚度、角質(zhì)層厚度、葉片總厚度等7項(xiàng)指標(biāo)，數(shù)據(jù)采用每個(gè)切片上5個(gè)視野的平均值，5次重復(fù)［6－9］。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS17.0和Microsoft Excel 2003軟件進(jìn)行分析處理，通過單因素方差分析和多重比較進(jìn)行結(jié)果分析［10－11］。

3 結(jié)果與分析

3.1 紫葉稠李葉片解剖結(jié)構(gòu)特征

紫葉稠李葉肉分化為柵欄組織和海綿組織兩部分，柵欄組織通常為兩層，排列較緊密，上下表皮均為單層細(xì)胞，具角質(zhì)化層，上表皮細(xì)胞較大呈不規(guī)則形狀，下表皮細(xì)胞小且緊密排列，柵欄組織和海綿組織占比大致相等。海綿組織細(xì)胞排列疏松，存在大量胞間隙，有的成片連接形成通氣組織。主脈和各級(jí)側(cè)脈大小出現(xiàn)顯著差異，主脈明顯突出于葉片的上、下表皮。上表皮厚度為29.87μm，下表皮厚度為12.85μm；角質(zhì)層厚度為1.05μm，葉片總厚度262.38μm；柵欄組織厚度為92.91μm，海綿組織厚度83.24μm，柵欄組織和海綿組織厚度比值為1.12。

3.2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)重金屬脅迫下紫葉稠李解剖結(jié)構(gòu)變化

由表2可見，在Zn、Pb、Cu、Cr、Cd和Hg等重金屬脅迫下，紫葉稠李柵欄組織與海綿組織厚度與對(duì)照相比出現(xiàn)顯著變化，具體表現(xiàn)為隨著重金屬濃度增大，柵欄組織厚度、海綿組織厚度以及二者的比值變化逐漸加強(qiáng)，但當(dāng)重金屬濃度達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)最高值時(shí)，柵欄組織和海綿組織厚度均出現(xiàn)了顯著性變化。在Zn（200mg·kg－1）、Pb（150mg·kg－1）、Hg（2.0mg·kg－1）最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，柵欄組織與海綿組織厚度比值最大，分別為1.48、1.55、1.64，隨著重金屬濃度的逐漸增加，柵欄組織逐漸變厚，而海綿組織則逐漸變薄，結(jié)構(gòu)變化大小為Znc＞Znb＞Zna、Pbc＞Pbb＞Pba、Hgc＞Hgb＞Hga。Cuc＞Cub＞Cua和Crc＞Crb＞Cra，在Cu（300mg· kg－1）和Cr（200mg·kg－1）最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，柵欄組織與海綿組織厚度比值達(dá)最大，分別為1.61和1.59。在Cd（0.25mg·kg－1）最小質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，柵欄組織與海綿組織厚度比值達(dá)到最大值，隨著Cd濃度的不斷增加，柵欄組織厚度減少，海綿組織厚度逐漸分化，在Cda、Cdb濃度條件下，角質(zhì)層厚度也出現(xiàn)了顯著變化，結(jié)構(gòu)變化大小為Cda＞Cdb＞Cdc（見表2）。

表26種重金屬脅迫對(duì)紫葉稠李葉片解剖結(jié)構(gòu)變化分析結(jié)果

注：＊表示與對(duì)照相比，在P＜0.05水平上顯著；＊＊表示在P＜0.01水平上極顯著。

4 結(jié)論

紫葉稠李在Pb、Cu、Zn、Cd、Cr和Hg等重金屬的脅迫下，柵欄組織厚度、海綿組織厚度、柵欄組織與海綿組織厚度比值、上表皮厚度、下表皮厚度、角質(zhì)層厚度及葉片總厚度均發(fā)生了不同程度的變化。為適應(yīng)環(huán)境的變化，紫葉稠李解剖結(jié)構(gòu)中的柵欄薄壁細(xì)胞組織厚度逐漸增大，海綿組織薄壁細(xì)胞逐漸分化、柵欄組織與海綿組織的比值增大，角質(zhì)層厚度逐漸加大。試驗(yàn)結(jié)果表明紫葉稠李的抗重金屬能力較強(qiáng)。

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Effect of Heavy Metal Stress on Leaf Anatomical Structure of Prunus padus

Zhang Shusen1，JiNanna2，Sun Long2
（1.Shangzhi Administrative Bureau of National Forest Farm in Heilongjiang Prov.Harbin150600，China；2.Northeast Forestry University，Harbin150040，China）

Taking Prunus padus as research object，stress experiments with different concentration of zinc，copper，lead，mercury，chromium，cadmium were conducted.The anatomical structure and heavy metals resistance characteristics of leaves were observed.Leaf thickness，thickness of the epidermis，lower epidermis，palisade tissue，spongy tissue，palisade tissue／spongy tissue ＆cuticle were evaluated.Result shows that apart from the Cd，the thickness of the fence is thickened and the thickness of the sponge is thinning as the concentration of other heavy metals increases.In addition to Cd，With the gradual increase in the concentration of other heavy metals，thickness of palisade tissue are thicker，thickness of sponge tissue are thinner.With the gradual increase of Cd concentration，palisade tissue becomes thicker at first and then thinner；spongy tissue are gradually differentiated；thickness of cuticle increased significantly；result shows that Prunus padus have characteristics of strong anti－h(huán)eavy metal.So the tree species can be used as landscaping tree species in heavy－metal－enrichment area.

heavy metal stress；leaf anatomical structure；Prunus padus

S891.3

A

10.13601／j.issn.1005－5215.2017.07.029

2017－06－26

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31470657）

張樹森，男，大學(xué)，高級(jí)工程師，從事森林經(jīng)營研究，Emali：zssymp＠126.com

孫龍，博士，從事森林生態(tài)研究，Email：13945016458＠126.com