俎麗紅，王 鑫，王潤(rùn)璽，午紅蕊，黃亞萍，石福臣

不同大氣環(huán)境中白皮松針葉重金屬積累及抗性特征研究

俎麗紅，王 鑫，王潤(rùn)璽，午紅蕊，黃亞萍，石福臣*

（南開(kāi)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，天津 300071）

為了解白皮松（Pinus bungeana Zucc.）針葉在不同大氣環(huán)境中對(duì)重金屬的積累狀況和抗性特征，分別測(cè)定了城區(qū)、郊區(qū)和山區(qū)的白皮松當(dāng)年生、二年生和三年生針葉中Cu、Mn、Zn和Cd的含量，比較了3種年齡針葉中超氧化物歧化酶（SOD）活性以及丙二醛（MDA）、可溶性蛋白、可溶性糖和游離脯氨酸含量。結(jié)果表明：在不同采樣點(diǎn)，白皮松針葉中的Cu、Mn、Zn和Cd的含量表現(xiàn)為城區(qū)>郊區(qū)>山區(qū)；在不同年齡間，Cu、Mn和Cd的含量在山區(qū)表現(xiàn)為三年生＞二年生＞當(dāng)年生，而在城區(qū)、郊區(qū)和山區(qū)Zn的含量則隨著針葉年齡的增加而降低。采樣點(diǎn)對(duì)針葉中Cu、Zn和Cd的含量影響較大，而針葉年齡對(duì)Mn的影響較大。針葉中重金屬含量的增加促進(jìn)了MDA、可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸含量的積累。隨著針葉年齡的增加，白皮松針葉SOD活性呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，并在山區(qū)最低；山區(qū)當(dāng)年生白皮松針葉SOD活性顯著低于郊區(qū)和城區(qū)。相關(guān)性分析表明，可溶性蛋白、可溶性糖和游離脯氨酸與4種重金屬呈顯著或極顯著正相關(guān)。綜上表明，白皮松三年生針葉對(duì)于大氣重金屬污染具有監(jiān)測(cè)價(jià)值；針葉中可溶性蛋白、可溶性糖和游離脯氨酸對(duì)重金屬造成的氧化脅迫具有指示作用；白皮松積累可溶性蛋白、可溶性糖和游離脯氨酸可能是其抵御重金屬脅迫的一種適應(yīng)機(jī)制。

白皮松；重金屬；針葉年齡；抗性指標(biāo)

近年來(lái)，隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，大氣污染問(wèn)題備受矚目。大氣顆粒物（PM10和PM2.5）比表面積大、成分復(fù)雜，能吸附大量重金屬，如Zn、Cu、Cd等，不僅污染環(huán)境，還可通過(guò)多種途徑進(jìn)入人體，給人類健康造成不利影響[1-2]。大氣顆粒物的重金屬污染已成為當(dāng)前大氣污染的研究熱點(diǎn)之一[3]。植物能通過(guò)氣孔吸收大氣重金屬，并將其積累于體內(nèi)，使形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理生化特征發(fā)生改變[4]。重金屬脅迫能導(dǎo)致超氧陰離子和過(guò)氧化氫等大量活性氧自由基（ROS）的產(chǎn)生，造成脂質(zhì)過(guò)氧化和細(xì)胞代謝異常[5]。由于植物可以直接反應(yīng)空氣污染狀況，在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，常作為常規(guī)氣象觀測(cè)技術(shù)的補(bǔ)充而廣泛應(yīng)用于大氣污染的防治與監(jiān)測(cè)[6-7]。植物葉片通過(guò)干濕沉降或?qū)︻w粒物的攔截吸附重金屬，進(jìn)而將重金屬吸收到葉片[8]。因此植物葉片中積累的重金屬量，以及葉片本身的抗性生理指標(biāo)，不僅能真實(shí)反映該地區(qū)空氣污染狀況，也可以反映空氣污染對(duì)生物的影響[9-11]。與闊葉樹(shù)木相比，常綠針葉植物在空氣污染發(fā)生嚴(yán)重的秋冬季節(jié)仍保持生長(zhǎng)，且針葉表面有發(fā)達(dá)的氣孔線，可以從環(huán)境中大量吸收污染物，因而更能反映大氣環(huán)境的變化過(guò)程[12]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)常綠植物與大氣環(huán)境的相關(guān)研究多集中在針葉的滯塵能力及對(duì)污染的監(jiān)測(cè)方面，對(duì)于滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的報(bào)道不多。事實(shí)上植物在污染的大氣環(huán)境下，體內(nèi)可以積累可溶性蛋白和游離脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)以抵抗環(huán)境脅迫[13]。

本研究以白皮松（Pinus bungeana）為材料，測(cè)定了白皮松在城區(qū)、郊區(qū)、山區(qū)不同大氣環(huán)境中各年齡針葉中Cu、Mn、Zn、Cd重金屬的含量，為揭示白皮松在不同大氣環(huán)境中重金屬的積累狀況，明確不同年齡針葉對(duì)重金屬污染物的累積效應(yīng)和抗性生理特征，進(jìn)而為闡明植物與空氣污染的生態(tài)關(guān)系提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)材料選擇各地常用的園林綠化植物——白皮松。白皮松屬于松科（Pinaceae）常綠喬木，針葉3針一束，是我國(guó)特有樹(shù)種[14]。因?yàn)榘灼に稍谌A北地區(qū)栽培廣泛，其針葉易區(qū)分年齡，所以是本研究比較理想的材料。

1.2 采樣地點(diǎn)

通過(guò)分析天津市環(huán)境空氣質(zhì)量GIS發(fā)布平臺(tái)的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，城區(qū)和郊區(qū)的大氣污染程度明顯高于山區(qū)。以空氣中 PM2.5為例，城區(qū)（591～618 μg·m-3）和郊區(qū)濃度（304 μg·m-3）均高于我國(guó)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3095—2012）規(guī)定的濃度限值（75 μg·m-3），而山區(qū)低于該標(biāo)準(zhǔn)限值[15]。因此，本研究選取城區(qū)、郊區(qū)、山區(qū)3個(gè)大氣污染程度不同的地點(diǎn)作為采樣點(diǎn)（圖1）。

圖1 樣點(diǎn)分布圖Figure 1 The location of sample sites

1.3 樣品的收集與處理

在城區(qū)、郊區(qū)和山區(qū)各選取樹(shù)高、胸徑、生長(zhǎng)狀況一致的白皮松5株，每株樹(shù)間隔10 m。在樹(shù)高約2 m處按東、西、南、北四個(gè)方位采集當(dāng)年生（C）、二年生（C+1）和三年生（C+2）針葉及林冠下表層土壤（0～5 cm）。之后針葉按年齡混合均勻，表層土壤按樣點(diǎn)混合均勻，并將其小心裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室[16]。

采集的植物樣品隨機(jī)取一部分先用自來(lái)水清洗，再用去離子水沖洗3次，最后用超純水沖洗3次，以清除針葉表面的灰塵，一部分不清洗。清洗完畢的植物鮮樣一部分用于測(cè)定抗性指標(biāo)，另一部分和未清洗鮮樣在105℃下殺青30 min，80℃烘干至恒重，粉碎，過(guò)60目篩。土壤樣品自然風(fēng)干，過(guò)篩[17]。用分析天平分別稱取0.500 0 g針葉和土壤干樣，放置聚四氟乙烯管中，按一定比例加入優(yōu)級(jí)純濃硝酸和濃鹽酸，用微波消解儀進(jìn)行消解[18]。消解后的溶液定容至25 mL，0.45 μm微孔濾膜過(guò)濾，用火焰原子吸收分光光度計(jì)（SP-3520AA，上海光譜）測(cè)定 Cu、Mn、Zn和 Cd的含量。針葉中超氧化物歧化酶（SOD）活性測(cè)定采用氮藍(lán)四唑（NBT）光還原法；丙二醛（MDA）含量測(cè)定采用硫代巴比妥酸法；可溶性糖含量測(cè)定采用蒽酮比色法；可溶性蛋白含量測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)法；游離脯氨酸含量測(cè)定采用酸性茚三酮法[19]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)為3次實(shí)驗(yàn)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。采用Excel 2013軟件整理數(shù)據(jù)并繪制圖表，SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙因素方差分析（Two-way ANOVA）、單因素方差分析（One-way ANOVA），并用最小顯著差法（LSD）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較，P<0.05。以未清洗與清洗針葉中重金屬含量的差值作為大氣重金屬含量的相對(duì)值[20]。采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析針葉重金屬含量和抗性指標(biāo)的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 白皮松針葉中Cu、Mn、Zn和Cd的含量

白皮松針葉中重金屬積累情況如表1所示，可以看出，在城區(qū)、郊區(qū)和山區(qū)，相同年齡針葉中重金屬含量存在差異。當(dāng)年生針葉中Cu、Mn、Zn和Cd的含量表現(xiàn)為城區(qū)>郊區(qū)>山區(qū)；二年生針葉中，郊區(qū)和城區(qū)的Cu、Mn、Zn和Cd的含量均顯著高于山區(qū)；三年生針葉中Cu、Mn、Zn和Cd的含量表現(xiàn)為城區(qū)>郊區(qū)>山區(qū)。由表1可知，在相同樣點(diǎn)，不同年齡針葉對(duì)重金屬的積累情況也存在差異。在城區(qū)，隨著針葉年齡的增加，三年生針葉中Cu、Mn和Cd的含量分別比當(dāng)年生針葉提高了18%、14%和73%；在郊區(qū)，二年生和三年生針葉中Cu、Mn和Cd的含量均顯著高于當(dāng)年生針葉；在山區(qū)，二年生和三年生針葉中Mn的含量分別是當(dāng)年生針葉的2.2倍和3.3倍，三年生針葉中Cu和Cd的含量顯著高于當(dāng)年生針葉；而在三個(gè)樣點(diǎn)，Zn的含量隨著針葉年齡的增加逐漸降低。

采樣點(diǎn)、針葉年齡與白皮松針葉中重金屬含量的方差分析結(jié)果如表2所示，可以看出采樣點(diǎn)和針葉年齡對(duì)針葉中重金屬的積累情況均有顯著影響。針葉中Cu、Zn和Cd的含量均受到采樣點(diǎn)和針葉年齡的顯著影響，采樣點(diǎn)比針葉年齡影響更大，對(duì)針葉中的Mn而言，針葉年齡對(duì)其影響比采樣點(diǎn)影響更大。

2.2 白皮松針葉中重金屬元素的來(lái)源分析

2.2.1 采樣點(diǎn)表層土壤中重金屬含量

各個(gè)采樣點(diǎn)表層土壤重金屬含量如表3所示，可以看出城區(qū)、郊區(qū)和山區(qū)表層土壤中Cu、Mn、Zn和Cd含量存在差異。土壤中Cu的含量城區(qū)和郊區(qū)分別是山區(qū)的4.5倍和1.9倍，Mn的含量城區(qū)和郊區(qū)分別是山區(qū)的2.1倍和1.6倍，Zn和Cd的含量城區(qū)、郊區(qū)和山區(qū)也存在顯著差異。城區(qū)可能存在嚴(yán)重的重金屬污染，即隨著城區(qū)、郊區(qū)、山區(qū)環(huán)境變化土壤重金屬含量逐漸降低。

2.2.2 針葉與大氣、土壤重金屬含量的回歸分析

植物主要通過(guò)土壤吸收和大氣沉降兩個(gè)途徑吸收環(huán)境中的金屬元素，將大氣重金屬含量的相對(duì)污染值取未清洗與清洗針葉中重金屬含量的差值，二者之間重金屬含量的線性回歸可以用來(lái)研究大氣重金屬含量對(duì)針葉重金屬積累的影響[20]。從圖2可以看出，針葉與大氣中Cu、Mn和Cd含量存在極顯著相關(guān)性，說(shuō)明大氣中的重金屬對(duì)針葉中重金屬的積累產(chǎn)生顯著影響。針葉與表層土壤中Cu、Mn和Cd存在顯著正相關(guān)關(guān)系，與Zn存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明針葉中重金屬含量不僅與大氣重金屬的含量有關(guān)，也可能與土壤重金屬含量有關(guān)。

表 1 白皮松針葉中 Cu、Mn、Zn 和 Cd 的含量（mg·kg-1）Table 1 The contents of Cu,Mn,Zn and Cd in P.bungeana needles（mg·kg-1）

表2 采樣點(diǎn)、針葉年齡和二者交互對(duì)針葉中重金屬含量的方差分析Table 2 ANOVA results for sampling sites（SS），needles ages（NA）and sampling sites×needle ages（SS×NA）for heavy metals contents

表3 不同采樣點(diǎn)表層土壤重金屬含量（mg·kg-1）Table 3 Heavy metal contents in top soil of different sites（mg·kg-1）

2.3 白皮松針葉中抗性指標(biāo)的分析

2.3.1 白皮松針葉中SOD活性

針葉中SOD活性如圖3所示，可以看出，相同年齡針葉中SOD活性總體趨勢(shì)表現(xiàn)為城區(qū)>郊區(qū)>山區(qū)。當(dāng)年生針葉中SOD活性表現(xiàn)為城區(qū)>郊區(qū)>山區(qū)，郊區(qū)和城區(qū)分別比山區(qū)提高了17%和19%，而城區(qū)和郊區(qū)二者間差異不顯著；二年生針葉中SOD活性，城區(qū)顯著高于山區(qū)和郊區(qū)；三年生針葉中SOD活性表現(xiàn)為城區(qū)>郊區(qū)>山區(qū)，城區(qū)比山區(qū)提高了14%。由圖3也可以得知，在相同采樣點(diǎn)，不同年齡針葉中SOD活性也存在差異。在城區(qū)，隨著針葉年齡的增加，二年生和三年生針葉SOD活性分別比當(dāng)年生針葉降低了14%和32%；在郊區(qū)，3種年齡針葉中SOD活性存在顯著差異，二年生和三年生針葉分別比當(dāng)年生針葉下降了22%和38%；在山區(qū)，隨著針葉年齡的增加，SOD活性逐漸降低。

2.3.2 白皮松針葉中MDA含量

白皮松針葉中MDA的含量如圖4所示，可以看出相同年齡針葉，不同采樣點(diǎn)MDA含量總體表現(xiàn)為城區(qū)>郊區(qū)>山區(qū)。當(dāng)年生針葉中MDA含量表現(xiàn)為城區(qū)>郊區(qū)>山區(qū)，郊區(qū)和城區(qū)分別比山區(qū)增加了57%和145%；二年生針葉中MDA含量，郊區(qū)和城區(qū)分別是山區(qū)的1.2倍和1.3倍；三年生針葉中MDA含量城區(qū)顯著高于山區(qū)，城區(qū)和郊區(qū)間差異不顯著。從圖4還可以看出，相同采樣點(diǎn)，不同年齡針葉中MDA含量也存在差異。在城區(qū)，針葉中MDA含量隨著年齡的增加而增加，二年生和三年生均顯著高于當(dāng)年生；在郊區(qū)，二年生針葉和三年生針葉中MDA含量分別是當(dāng)年生針葉的2.3倍和2.4倍；在山區(qū)，隨著針葉年齡的增加，針葉中MDA含量逐漸增多。

2.3.3 白皮松針葉中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量

針葉中可溶性蛋白、可溶性糖和游離脯氨酸含量分別如圖 5（a）、（b）和（c）所示，可以看出在 3 個(gè)采樣點(diǎn)，相同年齡針葉中可溶性蛋白、可溶性糖和游離脯氨酸含量均存在差異。當(dāng)年生針葉中，可溶性蛋白和可溶性糖含量表現(xiàn)為城區(qū)>郊區(qū)>山區(qū)，而山區(qū)和郊區(qū)差異不顯著；游離脯氨酸含量郊區(qū)和城區(qū)分別是山區(qū)的2.2倍和4.2倍。二年生針葉中，可溶性蛋白含量城區(qū)和郊區(qū)分別是山區(qū)的2.9倍和1.7倍；可溶性糖含量城區(qū)顯著高于山區(qū)和郊區(qū)；游離脯氨酸含量城區(qū)和郊區(qū)顯著高于山區(qū)。三年生針葉中，可溶性蛋白含量城區(qū)最高（4.27 mg·g-1FW），分別是山區(qū)和郊區(qū)的3.9倍和1.8倍；可溶性糖含量城區(qū)分別是山區(qū)和郊區(qū)的11.1倍和8.0倍；游離脯氨酸含量郊區(qū)和城區(qū)顯著高于山區(qū)。從圖5還可得知，在相同采樣點(diǎn)，不同年齡針葉中可溶性蛋白、可溶性糖和游離脯氨酸含量也存在差異。無(wú)論在城區(qū)、郊區(qū)還是山區(qū)，隨著針葉年齡的增加，可溶性蛋白、可溶性糖和游離脯氨酸含量表現(xiàn)為三年生>二年生>當(dāng)年生。在城區(qū)，可溶性蛋白含量三年生是當(dāng)年生的3.2倍；可溶性糖含量三年生比當(dāng)年生增加了47%；游離脯氨酸含量在3種年齡間存在顯著差異。在郊區(qū)，可溶性蛋白含量三年生和二年生分別是當(dāng)年生的3.5倍和2.3倍；可溶性糖含量三年生和二年生分別比當(dāng)年生提高29%和22%。

圖2 針葉中重金屬含量與大氣或表層土壤重金屬含量的回歸分析Figure 2 Regression analysis between the contents of heavy metals in needles and atmosphere or topsoil

圖3 白皮松針葉中SOD活性Figure 3 The superoxide dismutase activity in P.bungeana needles

圖4 白皮松針葉中MDA的含量Figure 4 The malondialdehyde content in P.bungeana needles

2.4 白皮松針葉中Cu、Mn、Zn和Cd與抗性指標(biāo)間的相關(guān)性分析

針葉中重金屬含量和抗性指標(biāo)的Pearson相關(guān)性分析如表4所示。當(dāng)年生針葉中，SOD與Cu、Zn和Cd存在顯著正相關(guān)關(guān)系；MDA含量與Cu、Mn、Zn和Cd存在極顯著正相關(guān)關(guān)系；可溶性蛋白、可溶性糖和游離脯氨酸含量均與針葉中四種重金屬呈顯著正相關(guān)關(guān)系。二年生針葉中，SOD與Mn、Zn和Cd存在顯著正相關(guān)關(guān)系，MDA含量與Cu和Zn呈極顯著相關(guān)，與Mn和Cd存在顯著相關(guān)關(guān)系；可溶性蛋白、可溶性糖和游離脯氨酸與Cu、Mn、Zn和Cd存在顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系。三年生針葉中，SOD與Mn、Zn和Cd呈極顯著正相關(guān)，與Cu呈顯著正相關(guān)關(guān)系；可溶性蛋白、可溶性糖和游離脯氨酸含量均與四種重金屬含量存在顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系。

圖5 白皮松針葉中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量Figure 5 The osmoregulation substance contents in P.bungeana needles

3 討論

3.1 白皮松針葉對(duì)重金屬的積累能力

植物通過(guò)葉片上的氣孔吸收大氣污染物，并將其積累或降解，從而起到凈化大氣的作用[20]。有研究表明，植物葉片對(duì)重金屬的累積量與大氣中重金屬的含量密切相關(guān)[21]。在本研究中的3個(gè)采樣點(diǎn)，白皮松針葉中Cu、Mn、Zn和Cd的含量表現(xiàn)為城區(qū)>郊區(qū)>山區(qū)，說(shuō)明城區(qū)重金屬污染比山區(qū)和郊區(qū)嚴(yán)重。有研究表明，大氣污染環(huán)境下，針葉年齡對(duì)重金屬的積累有影響，老葉比新葉能積累更多重金屬，老葉比新葉更具有監(jiān)測(cè)價(jià)值[22-23]。在城區(qū)，三年生針葉中Cu、Mn和Cd的含量高于當(dāng)年生和二年生針葉，山區(qū)和郊區(qū)也存在相似的現(xiàn)象，說(shuō)明重金屬在針葉中的積累是不均衡的。重金屬的積累量隨著針葉年齡以及與環(huán)境接觸時(shí)間的增加而增加的現(xiàn)象，進(jìn)一步說(shuō)明白皮松老葉比新葉更具有監(jiān)測(cè)價(jià)值。然而，在城區(qū)、郊區(qū)和山區(qū)，隨著針葉年齡的增加，針葉中Zn含量逐漸下降，可能在植物衰老的葉片中Zn能運(yùn)輸轉(zhuǎn)移至幼嫩的葉子中，這種轉(zhuǎn)移可以提高必需元素的利用率[24-25]。

表4 白皮松針葉中重金屬含量與抗性指標(biāo)之間的相關(guān)性分析Table 4 Correlation coefficients between heavy metals and resistance indexes in P.bungeana needles

相關(guān)研究表明，植物體內(nèi)的重金屬含量可以反映土壤和大氣的污染水平[26]，本研究發(fā)現(xiàn)針葉中重金屬含量不僅與大氣重金屬含量相關(guān)，也與土壤重金屬含量呈正相關(guān)，說(shuō)明針葉中的重金屬不僅來(lái)源于大氣，而且體內(nèi)也積累了來(lái)自于土壤的重金屬。陳培飛等[27]的研究表明，PM2.5中Cu和Zn的含量分別達(dá)0.13、1.08 μg·m-3，說(shuō)明針葉表層吸附的大氣沉降物含有大量的重金屬元素。

3.2 白皮松針葉重金屬對(duì)其抗性生理特性及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

在正常情況下，細(xì)胞內(nèi)自由基的產(chǎn)生和清除處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。當(dāng)植物受到重金屬脅迫時(shí)，會(huì)造成植物體自由基的過(guò)量積累，造成氧化脅迫[28]。為了保護(hù)自身免受傷害，植物進(jìn)化出了有效的抗氧化系統(tǒng)以清除活性氧自由基[29]。SOD在活性氧清除系統(tǒng)中作為第一道防線，可以催化超氧陰離子自由基轉(zhuǎn)化為過(guò)氧化氫。在本研究中，在城區(qū)中當(dāng)年生針葉中SOD活性顯著高于山區(qū)和郊區(qū)，在二年生和三年生針葉中也可以看到相似的現(xiàn)象，這可能因?yàn)槌菂^(qū)針葉中重金屬元素含量較高，脅迫較嚴(yán)重，SOD活性提高，進(jìn)一步促進(jìn)酶庫(kù)中酶被激活或者是編碼SOD的基因表達(dá)增加[30-31]。無(wú)論在城區(qū)、郊區(qū)還是山區(qū)，隨著針葉年齡的增加，SOD活性逐漸下降，可能是植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)一定程度上緩解了脅迫，使植物適應(yīng)了環(huán)境；或者可能是隨著針葉年齡中重金屬的積累增加，過(guò)量的過(guò)氧化氫抑制了酶的活性[30，32]。

MDA是不飽和脂肪酸過(guò)氧化的最終產(chǎn)物，其含量可以反映細(xì)胞膜脂類過(guò)氧化程度，因而MDA含量常被作為鑒別逆境傷害程度的指標(biāo)之一[33-34]。有研究表明，重金屬會(huì)使植物MDA含量升高，體內(nèi)MDA含量越高，植物受脅迫越嚴(yán)重[35]。在本研究中，無(wú)論在城區(qū)、郊區(qū)還是山區(qū)，同年齡針葉中MDA含量表現(xiàn)為城區(qū)>郊區(qū)>山區(qū)，說(shuō)明城區(qū)白皮松受脅迫嚴(yán)重，與針葉中重金屬含量結(jié)果一致。在城區(qū)，隨著針葉年齡增加MDA含量逐漸增加，相同的積累模式可以在山區(qū)和郊區(qū)中觀察到。從表4可知，針葉中MDA含量與重金屬含量存在正相關(guān)關(guān)系，MDA含量的增加可能是由于植物體內(nèi)重金屬積累引起的。

植物在受到重金屬等逆境脅迫時(shí)，會(huì)迅速積累脯氨酸，可溶性蛋白、可溶性糖以及有機(jī)酸等一系列滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，從而增強(qiáng)植物的抵抗能力[36]。蛋白質(zhì)合成是植物抵抗重金屬脅迫的機(jī)制之一，可溶性蛋白含量是植物生理狀態(tài)的重要指標(biāo)[37]。相關(guān)研究表明，重金屬脅迫下，植物體內(nèi)可溶性蛋白含量增加[4]。在本研究中，相同年齡針葉中可溶性蛋白含量表現(xiàn)為城區(qū)>郊區(qū)>山區(qū)，針葉中可溶性蛋白含量的增加可能是細(xì)胞補(bǔ)償與金屬結(jié)合而失活的蛋白的機(jī)制，也可能是應(yīng)激蛋白增加的結(jié)果[38-39]。可溶性糖是構(gòu)成植物體生物大分子的碳架和主要能量來(lái)源，可以有效地提高細(xì)胞滲透壓，降低水勢(shì)[40-41]。有研究表明，可溶性糖能通過(guò)保護(hù)膜結(jié)構(gòu)和滲透調(diào)節(jié)來(lái)緩解脅迫[37]。在本研究中，可溶性糖含量城區(qū)顯著高于山區(qū)和郊區(qū)。游離脯氨酸與植物體氧自由基的清除有密切關(guān)系，能抑制大氣重金屬污染導(dǎo)致的膜脂過(guò)氧化[42]。有研究表明，在大氣污染環(huán)境下，植物體積累游離脯氨酸是一種普遍的現(xiàn)象[43-44]，并發(fā)現(xiàn)在污染區(qū)，歐洲赤松（P.sylvestris）在重金屬脅迫下，體內(nèi)脯氨酸積累量增加[45]。在本研究中，針葉中游離脯氨酸含量表現(xiàn)為城區(qū)>郊區(qū)>山區(qū)，與前人研究結(jié)果一致。長(zhǎng)期生長(zhǎng)在污染嚴(yán)重地區(qū)的白皮松未見(jiàn)形態(tài)學(xué)上的受害病癥，說(shuō)明這些有機(jī)小分子滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)避免了生物大分子物質(zhì)受到損害，起到維持細(xì)胞正常生理功能的作用。在本研究中，相關(guān)性分析表明，針葉中可溶性蛋白、可溶性糖和游離脯氨酸與Cu、Mn、Zn和Cd呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，可溶性蛋白、可溶性糖和游離脯氨酸可能作為指示重金屬脅迫的常用指標(biāo)。

4 結(jié)論

（1）天津城區(qū)白皮松針葉中重金屬含量顯著高于山區(qū)和郊區(qū)，說(shuō)明城區(qū)的重金屬污染較山區(qū)和郊區(qū)嚴(yán)重。

（2）相同樣點(diǎn)針葉中的 Cu、Mn、Cd 含量，三年生針葉中積累量顯著高于當(dāng)年生，說(shuō)明老葉比新葉更具有生物監(jiān)測(cè)價(jià)值。

（3）相關(guān)性分析表明，可溶性蛋白、可溶性糖和游離脯氨酸與Cu、Mn、Zn和Cd存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，表明白皮松在遭受重金屬脅迫時(shí)可能主要通過(guò)積累這三種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)和對(duì)污染環(huán)境的生態(tài)適應(yīng)。

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Study on resistance characteristics to heavy metal accumulation of Pinus bungeana Zucc.needles from different atmospheric environments

ZU Li-hong,WANG Xin,WANG Run-xi,WU Hong-rui,HUANG Ya-ping,SHI Fu-chen*
（College of Life Sciences,Nankai University,Tianjin 300071,China）

The purpose of this study was to determine the contents of Cu,Mn,Zn,and Cd in current-year（C）,2-year old（C+1）,and 3-year old（C+2）needles of Pinus bungeana Zucc.from urban,suburban,and rural areas.Analysis also concerned resistance indices including superoxide dismutase（SOD）activity and the malondialdehyde（MDA）,soluble protein,soluble sugar,and free proline contents in needles.Results showed that the urban area had the highest accumulation of Cu,Mn,Zn,and Cd in needles of the same age from different sites.Accumulation of Cu,Mn,and Cd increased with age for needles from the rural area whereas that of Zn decreased with needle age for all three sites.Meanwhile,two-way analysis of variance（ANOVA）was used to evaluate the interactions between sampling site and plant species and showed that the sampling site played a greater role than needle age for Cu,Zn,and Cd,whereas for Mn,the effect of needle age was greater than that of the sampling site.MDA,soluble protein,soluble sugar,and free proline contents in the needles were elevated because of increasing heavy metal accumulation.SOD activity decreased with age and was the lowest in the rural area.Correlation analysis showed that the Cu,Mn,Zn,and Cd contents had a significant or extremely significant positive correlation with the soluble protein,soluble sugar,and free proline contents in the needles.In conclusion,the 3-year old needles of P.bungeana are considered suitable biomonitors for heavy met－al pollution in the environment.The soluble protein,soluble sugar,and free proline contents in the needles seem to be good indications for the oxidative stress caused by heavy metals and may be involved in an adaptation mechanism to external stress.

Pinus bungeana Zucc.;heavy metals;needle age;resistance index

X503.235

A

1672-2043（2017）11-2207-09

10.11654/jaes.2017-0332

俎麗紅，王 鑫，王潤(rùn)璽,等.不同大氣環(huán)境中白皮松針葉重金屬積累及抗性特征研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36（11）：2207-2215.

ZU Li-hong,WANG Xin,WANG Run-xi,et al.Study on resistance characteristics to heavy metal accumulation of Pinus bungeana Zucc.needles from different atmospheric environments[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（11）:2207-2215.

2017－03－10 錄用日期：2017-05-23

俎麗紅（1991—），女，碩士研究生，從事環(huán)境與資源植物學(xué)研究。E-mail：zulihong2015@163.com

*通信作者：石福臣 E-mail：fcshi@nankai.edu.cn

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（201610055097）

Project supported：National Undergraduate Training Program for Innovation（201610055097）