张云，陈金发，李海涛,高容,孙琪旗

(1.西昌学院 资源与环境学院，四川 西昌 615013；2.凉山彝族自治州林业和草原局，四川 西昌 615000 )

重金属污染的土壤的治理与修复是生态学与环境科学近年来研究的热点之一，其中植物修复是目前研究最多的一种有潜力、低成本的绿色土壤污染修复技术。植物细胞的微观变化间接反映了植物的耐污力，而较强的耐活力是修复备选植物的重要条件之一[1]。长期生长在重金属污染土壤中的植物，其体内各种生物结构会发生变化，而内部结构的变化特点最能体现出植物对环境的适应能力或环境因子对植物造成的影响[2]。近年来，国内外对异质环境下植物解剖结构变化方面的研究报道较多。崔国文等[3]发现在寒冷环境下，植物的叶脉突起度和气孔密度会增大。孙琳旎等[4]发现长期处在干旱条件中的植物茎会为了适应环境而产生相应的变化，它们有较厚的皮层组织和排列紧密的细胞结构；易诗明等[5]在对蓖麻抵挡铅锌胁迫时的研究发现，蓖麻根系外皮层也会有加厚并出现木栓积累的现象。目前对生长在重金属污染土壤中的植物茎叶解剖特征变化的报道较少，茎是植物输送养分和水分的器官，叶片是与环境接触面积最大的器官，两者对外界的环境变化较为敏感，它们的解剖结构与植物对异质环境的适应性之间存在紧密关系[6]。

本试验以某冶炼厂铜矿渣堆放地生长的5种常见植物为研究对象，以自然背景土壤中相应的5种植物做对照，对它们的茎叶进行显微观察，探讨重金属对植物解剖结构的伤害特点以及植物对重金属的适应机理，为选育耐重金属污染植物提供植物解剖学方面的参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验植物(experimental group，EG)与对照植物(control check，CK)分别采自于某冶炼厂铜矿渣堆放地和西昌学院周边，时间为2018年9月。采集时选择生长状况良好的蓖麻、刺苋、鬼针草、空心莲子草和紫茎泽兰，植物的基本情况见表1，土壤的重金属含量及理化性质见表2。

1.2 试验方法

1.2.1 样品的处理 将两地采集的植物保湿带回实验室，先用自来水将表面污垢洗干净，再用去离子水漂洗3遍，做好标签放入4℃冰箱冷藏备用。

表1 试验所用材料的基本情况

表2 基质的重金属含量及理化性质

1.2.2 叶片下表皮气孔结构的观察 采用徒手切片法，先在洁净的载玻片上加几滴蒸馏水，然后摘取植株顶部第三片成熟叶，用镊子轻微撕下叶片的下表皮放在载玻片的水滴上，等表皮完全展开后用盖玻片轻轻盖上，尽量不要有气泡[7]。将制好的临时装片放在光学显微镜CX31(40×)下观察并拍照记录结果，然后用ToupView软件测量气孔的长度和宽度，计算长宽比。每种植物至少做3 次重复，结果以“平均值±标准差”的形式表示。

1.2.3 主叶脉横切面的观察 先在两片刀片间沾几滴清水，使两片刀片贴紧对齐。右手捏紧刀片，从叶片主脉一端缓慢地切向另一端，注意刀片不要来回切割，把切下的切片放在装有去离子水的干净养皿中。用镊子选取最薄的切片按1.2.2的方法在光学显微镜(10×)下观察其结构，测量及统计的指标有叶脉厚度、叶片厚度和叶脉突起度。叶脉突起度=叶脉厚度/叶片厚度。

1.2.4 茎解剖结构的观察 用1.2.3的方法切取植物第3～6位茎节制作成装片在光学显微镜(10×)下观察其结构，并测量统计茎表皮细胞大小和皮层厚度。

1.2.5 茎叶重金属含量的测定 分别取1.2.1中保存的5种植物的茎叶，先在105℃的烘箱中杀青5 min，然后在70℃下烘至质量不变，用粉碎机粉碎并过80目筛。称取0.2 g左右粉碎样品放到消解罐中，精确记录其质量，加入5 mL硝酸，用微波消解仪(上海屹尧，WX-4000)消解。等消解仪上显示的温度降到80℃以下后，将消解罐取出并放在通风橱内。再加入2 mL H2O2至浓烟冒尽，然后将其移到50 mL容量瓶并用去离子水定容。定容后的样品采用火焰原子吸收分光光度计(普析，TAS990)测定相应部位中铜、铅和锌含量。每个部位做3个平行样，所有数据以“平均值±标准差”表示。

1.3 数据分析

试验数据用excel进行整理，采用SPSS 23.0软件进行数据的统计分析。

2 结果与分析

2.1 植物茎叶重金属含量

对照植物的重金属含量均在正常含量[8](Cu：5～30；Zn：10～100；Pb≤10；单位mg/kg)范围内，满足对照试验要求。矿渣地的5种植物对于3种重金属的总富集量除空心莲子草外，均高于自然地的对应总富集量(图1，图2)。说明空心莲子草向茎叶转移重金属的能力较差，具有重金属的规避特征[9]。

2.2 叶解剖结构特征比较

2.2.1 气孔结构 矿渣地植物与对照植物的叶表皮细胞形状无较大差异，蓖麻、刺苋、空心莲子草多为多边形，鬼针草、紫茎泽兰多为花瓣形(图3)。

图1 自然地植物茎叶重金属含量Fig.1 Heavy metals content in stems and leaves of natural plants

图2 矿渣地植物茎叶重金属含量Fig.2 Heavy metals content in stems and leaves of slag field plants

图3 植物叶下表皮气孔结构Fig.3 Stomatal structure of lower epidermis of plant leaves注：图片中所有符号表示含义见表1，下同

5种矿渣地植物的气孔开放度都相对较小。气孔宽度在两种生境中没有显著差异。气孔长宽比除刺苋外，其他4种植物均存在显著差异。除刺苋外的4种矿渣地植物气孔长度均显著大于自然地植物，其中鬼针草气孔长度的差异极显著(表3)。

2.2.2 主叶脉结构 2种生境下5种植物的主叶脉解剖结构没有差异(图4)。表皮位于叶脉的最外层，表皮以内是大量的基本组织，基本组织的细胞较大。维管束呈半环形，木质部靠上方，韧皮部靠下方。

表3 两种生境中植物叶片气孔特征比较

图4 植物主叶脉横切结构Fig.4 Transverse structure of main leaf vein of plant

与对照植物相比，矿渣地植物的叶脉及叶片厚度无显著性差异。鬼针草主叶脉的突起度显著大于自然地植物，而蓖麻、刺苋、空心莲子草和紫茎泽兰叶脉突起度在2种生境中的差异不显著(表4)。

表4 植物主叶脉横切结构特征

2.3 茎解剖结构特征比较

2.3.1 表皮细胞 受重金属影响，矿渣地植物茎表皮的细胞呈长方形或不规则，大小不一，含叶绿体少(图5)。除蓖麻外，其他4种植物茎表皮细胞宽度在2种生境中无显著差异；除鬼针草和紫茎泽兰外，另外3种植物茎表皮细胞长度均显著小于对照。2种生境下鬼针草与紫茎泽兰的皮层厚度无显著性差异，其余3种植物的皮层厚度均在0.01水平上差异显著(表5)。

图5 植物茎表皮细胞解剖结构Fig.5 Anatomical structure of plant stem epidermal cells

表5 植物茎解剖结构

2.3.2 茎横切结构 5种矿渣地植物茎的横切面结构相似，都能明显的分辨出表皮、皮层和维管柱(图6)。矿渣地植物茎的维管束与对照组差别大，发育受到了影响，皮层较厚(表5)。

2.4 植物茎叶中重金属含量与解剖结构相关性分析

植物茎中铜的含量与叶片厚度呈极强正相关，叶中的铜与气孔宽度、表皮细胞宽呈极强负相关。植物茎中锌的含量与气孔宽度呈极强正相关，叶中的锌与气孔长度、气孔长宽比、表皮细胞长呈极强正相关。植物茎中的铅与气孔长度呈极强负相关(表6)。

与其他4种植物蓖麻、刺苋、空心莲子草、鬼针草相比，矿渣地生境对紫茎泽兰的影响相对较小，叶脉突起度、皮层厚度与自然地差异不显著。

3 讨论

植物通过调整内部结构来适应逆境，这种调节过程可以反映植物对环境变化的适应能力[10]。茎有为植物体输送养料的作用，其组织构造对外界环境的反应较为敏感，其变化反映了植物茎对环境条件的适应以及环境对茎造成的影响，也是植物整体对环境条件的适应的结果[11]。本实验中，植物茎对重金属胁迫的反应主要表现为表皮细胞变小、皮层加厚。蓖麻、刺苋、空心莲子草的表皮细胞长度和皮层厚度在自然地和矿渣生境中均存在极显著差异。植物表面细胞变小、排列更紧密可能是由于重金属导致其生长变慢[12]。

图6 植物茎横切结构Fig.6 Transverse structure of plant stem

表6 5种植物茎叶中重金属含量与解剖结构相关性

气孔保卫细胞是一种高度分化的细胞，它有复杂的信号转导机制，能够非常灵敏地感受各种生物和非生物刺激，并转化成胞内信号来控制气孔的大小，从而调节植物的生理状态[13-14]。重金属胁迫下，5种植物叶下表皮气孔长宽比增大，气孔开放程度减小，这是因为植物体内信号在进行传导的过程中受到了重金属离子的干扰或因重金属离子导致保卫细胞活性降低而使气孔形态和气孔运动发生了异常。植物体内外气体交换和进行蒸腾作用都要依靠气孔，气孔开放度的减小不利于气体交换，这种变化必定会影响植物呼吸作用和光合作用等重要生理过程，从而使植物的生长发育也受到影响[15-16]。而气孔长度增大，说明叶片在减少水分被蒸腾的同时，尽可能地维持较大的气体交换速率，以减少重金属对植物的迫害[17]。叶脉突起度反映了叶片与叶脉所代表的同化组织和输导组织的相互协调、相互制约的关系，并且能够灵敏地对外界环境变化作出响应[18]。从叶脉解剖结构来看，矿渣地植物与自然地植物的叶脉突起度差异并不明显，重金属并没有对植物叶脉造成重大损伤。

植物茎叶中的锌与气孔宽度、气孔长度、气孔长宽比呈极强正相关的研究结论与SAIER[19]的研究一致，显示表皮细胞的液泡化促进了Zn2+的积累。较高浓度的铜离子会降低叶面气孔开度[20]，气孔宽度、表皮细胞宽与植物叶面中的铜含量呈极强负相关也说明了这一点。植物茎中的铅与叶片气孔长度呈极强负相关，可能是因为Pb 在向上部转运过程中除部分被沿途输导组织固定外，其余部分会随着蒸腾流最终在叶片表层的气孔和水孔附近过量累积，从而造成了对气孔的影响[21]。

4 结论

矿渣堆放地的5种植物为了适应环境胁迫，茎叶解剖结构与对照组相比均发生了相应的变化。与自然地生境中的植物相比，矿渣地5种植物以较为细长的气孔器、较厚的茎皮层组织等特征来适应重金属胁迫的环境。从2种生境的茎叶解剖结构差异性来看，矿渣地生境对紫茎泽兰的生长影响较小。