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随着中国城市化和工业化进程的快速发展，煤炭燃烧、工业和交通废气不断增多，大气颗粒物造成的空气污染问题愈发严峻，对城市的生态环境和人类健康造成了严重影响[1]。大气颗粒物是中国多个城市的首要污染物，其中空气动力学直径小于或者等于10.0 μm的可吸入颗粒物(PM10)会被吸入人体口鼻引发呼吸系统疾病，空气动力学直径小于或者等于2.5 μm的细颗粒物(PM2.5)更容易携带细菌、病毒、重金属等有害物质，直接进入人体肺泡和血液循环系统，引发心血管疾病[2−4]。因此，降低大气颗粒物质量浓度是缓解当今城市大气污染的有效途径之一。
园林植物可以降低大气中的颗粒物(PM)质量浓度，改善城市空气质量[5−6]。植物主要通过叶片滞留大气颗粒物。叶表粗糙且沟壑较窄、密生绒毛与气孔密集的植物滞尘能力较强，叶片革质且表面光滑的植物滞尘能力差[7]。植物的滞尘能力也受其生长环境的污染状况的影响[8−9]，同一植物在燃油区、燃煤区等重污染地区的滞尘量均显著高于清洁区[10]。叶片作为植物进行气体交换的主要器官，表面的尘滞会阻断60%的光强而引发气孔堵塞，抑制其光合作用，导致植物的生长发育受阻[11−13]。同时，大气颗粒物污染严重的区域，植物的结构与功能会发生变化，其光合及生理活动受到影响[14]。植物的净光合速率和气孔导度以及叶片叶绿素质量分数，往往随着颗粒物质量浓度的升高呈下降趋势[15]。颗粒物污染程度加剧还会导致植物叶片内活性氧的产生和清除机制失调，引发膜脂过氧化，使叶片丙二醛(MDA)质量摩尔浓度以及相关的过氧化物酶(POD)、总超氧化物歧化酶(T-SOD)活性显著升高[16]。研究发现：不同植物在遭受颗粒物污染后自身光合作用与生理指标的响应程度能够反映其对颗粒物污染抗性的强弱[17−18]。栾树Koelreuteria paniculata与紫叶李Prunus cerasifera ‘Atropurpurea’受颗粒物污染后，其净光合速率与气孔导度在同一污染环境下较其他植物损失小，抗颗粒物污染能力较强[19]。圆柏Juniperus chinensis、雪松Cedrus deodara随着生长区域颗粒物质量浓度的提升，叶片叶绿素质量分数的下降幅度小于其他植物，对颗粒物污染的抗性较高[20]。
郑州市位于中国中部地区，随着经济的快速发展，城市的颗粒物质量浓度超出国际限值，严重影响了城市的大气环境[21]。目前，关于郑州市典型绿化植物受颗粒物胁迫后的抗污染能力研究较少。本研究以郑州市常见的7种园林植物为研究对象，测定单位叶面积滞留的不同粒径颗粒物的质量，比较分析不同污染程度下各植物对颗粒物污染的生理与光合指标响应程度，旨在筛选出滞尘能力和抗污染能力综合水平较高的优良植物，为有效治理郑州市大气污染和加强城市绿化建设提供科学依据。
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郑州市位于河南省中北部(34°16′~34°58′N，112°42′~114°14′E)。本研究选取郑州市金水区3个具有代表性的区域进行采样，其中道路区域中州大道(简称道路)，机动车数量多且周围建筑密集，车流、人流量均较多；校园区域河南农业大学文化路校区(简称校园)人流量密集，车流量相对较少；公园区域郑州之林(简称公园)植被丰富，环境质量好。采样时现场测得的道路、校园、公园3个区域大气颗粒物质量浓度分别是265.3、105.6、56.7 μg·m−3，对应划分为高、中、低3个不同程度的污染水平。
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在对采样区域植物种类进行调查的基础上，选取了郑州市常见的7种园林植物[22]作为研究对象(表1)。
表 1 供试植物
Table 1. Test plants
序号 植物 科 属 叶片特征 叶表形态特征 1 女贞Ligustrum lucidum 木犀科Oleaceae 女贞属Ligustrum 叶长卵形或椭圆形；革质 叶表面光滑平整，无毛状体分布 2 枇杷Eriobotrya japonica 蔷薇科Rosaceae 枇杷属Eriobotrya 叶披针形或椭圆形；革质 叶表面粗糙，具有大量毛状体、沟壑与褶皱 3 石楠Photinia serrulata 蔷薇科Rosaceae 石楠属Photinia 叶长椭圆形或倒卵形；革质 叶表面粗糙，中脉与侧脉显著 4 八角金盘Fatsia japonica 五加科Araliaceae 八角金盘属Fatsia 叶掌状；革质 叶表面粗糙，具有较密的集棉状绒毛与起伏不平的辐射状叶脉 5 大叶黄杨Euonymus japonicus 卫矛科Celastraceae 卫矛属Euonymus 叶卵形或椭圆形；革质或薄革质 叶表面较光滑，具有少量毛状体，沟槽较浅或平整 6 海桐Pittosporum tobira 海桐科Pittosporaceae 海桐属Pittosporum 叶倒卵形或倒卵状披针形；革质 叶表面光滑，中脉附近有少量毛状体，沟壑较浅 7 南天竹Nandina domestica 小檗科Berberidaceae 南天竹属Nandina 叶椭圆形或椭圆状披针形；薄革质 叶表面光滑，除中脉外叶表面其余部分光滑无毛 -
采样时间选在树木生长的茂盛期，采样植株生长良好、无病虫害，株高和冠幅接近。于2021年7月雨后(降雨量大于15 mm)第7天，无风、无雨，天气晴朗的环境下在3个采样区开始采集叶片。各供试植物设置3个重复。因为各植物高度并非完全一致，在距离地面50~150 cm处东南西北4个方向随机采集长势良好、完整的成熟叶片。单叶面积较大的植物采取10~15片，较小的采取30~50片。将采集的叶片小心放入自封袋中，避免抖动，减少对叶片表面粉尘量的干扰。所有叶片采集完毕后，分为2个部分：用于滞尘实验的叶片置于4 ℃保存，用于生理实验的叶片经液氮处理后置于−80 ℃保存。
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运用改良的分级滤膜过滤法[23]测量并计算3个采样区各植物叶片的总悬浮颗粒物(TSP)、可吸入颗粒物、细颗粒物的滞留量，使用叶面积仪(CI-203，美国思爱迪公司)对清洗后的供试植物叶片进行叶面积测定，重复3次；单位叶面积滞尘量=叶片颗粒物质量/叶片总面积。本研究叶片颗粒物滞留量的测量结果只针对在叶表面沉积的物理的、不溶性的颗粒物数量。
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选取新鲜植物叶片进行生理指标测定，叶片叶绿素a (Chla)、叶绿素b (Chlb)质量分数用体积分数为80%丙酮溶液浸提比色分析测定；MDA质量摩尔浓度用硫代巴比妥酸法测定；超氧化物歧化酶(SOD)活性用氮蓝四唑(NBT)光化还原法测定；POD活性用愈创木酚法测定[24]。
利用LI-6400便捷式光合测定仪(美国LI-COR公司)开放式气路测量植物的净光合速率(Pn)和气孔导度(Gs)。叶片采集当天在自然光照下进行光合测量，测定时间为采集叶片当天的9:00—12:00。每种植物测量3株，每株随机选取3片长势良好、大小相近、长于阳面的叶片，每片叶测取3个有效瞬时值。
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利用SPSS 23.0对数据进行主成分分析(PCA)、单因素方差分析(one-way ANOVA)，相关性分析采用 Pearson 检验； Exce1 2021 对数据整理、统计；采用Origin 2021和Photoshop 2020绘图。
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不同采样区植物的单位叶面积总悬浮颗粒物(TSP)、可吸入颗粒物(PM10)、细颗粒物(PM2.5)滞尘量如图1所示。在3个采样区中，枇杷的单位叶面积总悬浮颗粒物、细颗粒物的滞尘量均高于其他植物，女贞在道路与校园的单位叶面积总悬浮颗粒物滞尘量最低，南天竹在公园的单位叶面积总悬浮颗粒物滞尘量最低。南天竹的单位叶面积可吸入颗粒物与细颗粒物滞尘量在3个采样区均低于其他植物。石楠在道路的单位叶面积可吸入颗粒物滞尘量最高，枇杷在公园与校园的单位叶面积可吸入颗粒物滞尘量最高。
图 1 植物在3个采样区滞尘能力的比较
Figure 1. Comparison of dust retention capacity of different plants in three sampling areas
同一植物在不同采样区的单位叶面积总悬浮颗粒物、可吸入颗粒物、细颗粒物滞尘量在整体上从高到低依次为道路、校园、公园，且7种植物在道路与校园的单位叶面积各粒径平均滞尘量均显著高于公园(P＜0.05)。不同植物对各粒径颗粒物的滞留量在污染加剧后增幅是不均衡的，南天竹对总悬浮颗粒物、可吸入颗粒物的滞留量增幅最大，其道路区域的单位叶面积总悬浮颗粒物、可吸入颗粒物滞尘量是公园的2.79与4.01倍，增幅最小的女贞仅为1.16与1.89倍。海桐对细颗粒物的滞留量增幅最大，其道路的单位叶面积细颗粒物滞尘量是公园的2.86倍。7种植物在3个采样区的平均总悬浮颗粒物滞尘量较大的为枇杷(2.53 g·m−2)与石楠(2.06 g·m−2)，较小的为海桐(1.46 g·m−2)与女贞(1.21 g·m−2)。单位叶面积平均可吸入颗粒物滞尘量最大的为海桐(0.52 g·m−2)，最小的为八角金盘(0.29 g·m−2)。单位叶面积平均细颗粒物滞尘量最大的为枇杷(0.57 g·m−2)，最小的为南天竹(0.05 g·m−2)。
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7种植物在3个采样区的净光合速率、气孔导度从高到低依次均为公园、校园、道路(图2A、图2B)，且植物在道路与校园的平均净光合速率、气孔导度与公园之间均存在显著差异(P＜0.05)。3个采样区的平均净光合速率和气孔导度最大的是海桐，分别为10.12 μmol·m−2·s−1和0.13 mmol·m−2·s−1，最小的为南天竹，分别为3.72 μmol·m−2·s−1和0.07 mmol·m−2·s−1。各植物遭受颗粒物胁迫后，净光合速率损失率较小的为大叶黄杨(11%)，较大的为南天竹(63%)；气孔导度损失率较小的为八角金盘(40%)，较大的为南天竹(58%)与海桐(59%)。各植物叶片叶绿素a、叶绿素b质量分数均随着采样区颗粒物质量浓度的升高而下降(图2C、图2D)，且校园与道路植物叶片的平均叶绿素a、叶绿素b质量分数均显著低于公园(P＜0.05)。八角金盘在3个采样区的叶片平均叶绿素a质量分数(0.41 mg·g−1)最高，枇杷的叶片平均叶绿素b质量分数(0.21 mg·g−1)最高。女贞的叶片平均叶绿素a和叶绿素b质量分数最低，分别为0.18和0.07 mg·g−1。随着颗粒物污染加剧，女贞的叶片叶绿素a质量分数和南天竹的叶片叶绿素b质量分数变化较小，变化量分别为0.23和0.06 mg·g−1。八角金盘的叶片叶绿素a质量分数与枇杷叶绿素b质量分数变化较大，变化量分别为0.47和0.22 mg·g−1。
图 2 植物在3个采样区光合与生理指标的变化
Figure 2. Changes of photosynthetic and physiological indexes of plants in three sampling areas
同一植物在3个采样区的叶片丙二醛质量摩尔浓度均随着采样区颗粒物质量浓度的升高而上升(图2E)，其中道路采样区植物叶片平均丙二醛质量摩尔浓度显著高于其他采样区(P＜0.05)。各植物在3个采样区叶片平均丙二醛质量摩尔浓度最高的为南天竹(38.02 μmol·g−1)，最低的为石楠(11.28 μmol·g−1)。且在污染加剧的情况下，叶片丙二醛质量摩尔浓度增幅较大的为南天竹和女贞，增幅分别为63.25和35.57 μmol·g−1，增幅最小的为八角金盘(0.69 μmol·g−1)。
植物叶片超氧化物歧化酶、过氧化物酶活性从高到低依次为道路、校园、公园(图2F、图2G)，且道路采样区植物叶片酶活性与公园之间存在显著差异(P＜0.05)。各植物叶片平均超氧化物歧化酶、过氧化物酶活性最高的为大叶黄杨，分别为8.88和12.00 μkat·g−1；平均超氧化物歧化酶活性最低的为南天竹(4.37 μkat·g−1)，平均过氧化物酶活性最低的为海桐(6.39 μkat·g−1)。颗粒物污染加剧后，八角金盘的过氧化物酶活性与枇杷的超氧化物歧化酶活性变化较小，变化量分别为4.34和2.08 μkat·g−1。大叶黄杨的过氧化物酶活性与海桐的超氧化物酶活性变化较大，分别为15.99和6.32 μkat·g−1。
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通过对各植物滞尘量、光合、生理等10个指标进行相关性分析可知：各指标的相关系数达到显著水平的有31个(表2)(P＜0.05)。但将10个指标转化为主成分分析时，提取出的前3个主成分的累积方差贡献率较低，能反映出各植物滞尘与抗污染能力综合的信息较少，不能用来进行综合评价。但将超氧化物歧化酶、过氧化物酶活性指标去除后，再次进行主成分分析时，在提取出的前3个主成分中，叶绿素a质量分数、叶绿素b质量分数和气孔导度在第1个主成分荷载较大，净光合速率在第2个主成分荷载较大，总悬浮颗粒物质量浓度在第3个主成分荷载较大，说明第1个与第2个主成分主要反映了植物的抗污染能力，第3个主成分主要反映了植物的滞尘能力，且前3个主成分的累积方差贡献率为80.84%，反映出滞尘能力和抗污染能力80% 以上的信息(表3)。因此，可以提取前3个主成分为植物滞尘与抗污染能力评价的综合指标。至于超氧化物歧化酶、过氧化物酶活性指标的存在不能满足主成分分析，可能是植物遭受颗粒物污染时抗氧化酶活性的变化不能有效反映植物对颗粒物污染的抗性强弱。
表 2 植物滞尘能力与光合、生理指标的相关性分析
Table 2. Correlation analysis of plant dust arrest capacity and photosynthetic and physiological indicators
指标 x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x1 1 0.299* 0.478** −0.321* −0.397** −0.359** −0.208 0.338** 0.459** 0.192 x2 1 0.222 0.057 −0.159 −0.478** −0.328** 0.203 0.285* 0.039 x3 1 −0.089 −0.212 −0.357** −0.254* 0.034 0.383** 0.214 x4 1 0.635** 0.199 0.228 −0.439** −0.309* −0.386** x5 1 0.526** 0.460** −0.340** −0.377** −0.269* x6 1 0.875** −0.309* −0.384** −0.299* x7 1 −0.285* −0.252* −0.268* x8 1 0.165 0.411** x9 1 0.356** x10 1 说明：*表示各指标在0.05水平上显著相关，**表示各指标在0.01水平上极显著相关。x1. 总悬浮颗粒物(TPS)质量浓度；x2. 可吸入颗粒物(PM10)质量浓度；x3. 细颗粒物(PM2.5)质量浓度；x4. 净光合速率(Pn)；x5. 气孔导度(Gs)；x6. 叶绿素a (Chla)质量分数；x7. 叶绿素b (Chlb)质量分数；x8. 丙二醛(MDA)质量摩尔浓度；x9. 超氧化物歧化酶(SOD)活性；x10. 过氧化物酶(POD)活性。 表 3 滞尘、生理与光合指标的前3个主成分贡献率和因子载荷矩阵
Table 3. First three principal component contribution rates and factor load matrix of dust arrest, physiology and photosynthetic indicators
主成分 成分矩阵 特征值 贡献率/% 累计贡献率/% x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 1 −0.71 −0.69 −0.63 0.51 0.77 0.88 0.78 −0.55 3.90 48.79 48.79 2 0.02 0.49 0.47 0.77 0.41 −0.24 −0.16 −0.47 1.53 19.13 67.92 3 0.61 0.01 0.45 −0.11 −0.01 0.36 0.55 −0.08 1.03 12.93 80.84 说明：x1. 总悬浮颗粒物(TPS)质量浓度; x2. 可吸入颗粒物(PM10)质量浓度; x3. 细颗粒物(PM2.5)质量浓度; x4. 净光合速率(Pn); x5. 气孔导度(Gs); x6. 叶绿素a (Chla)质量分数; x7. 叶绿素b (Chlb)质量分数; x8. 丙二醛(MDA)质量摩尔浓度。 -
为了更好地评价各植物的滞尘与抗污染的能力，根据提取的前 3个主成分的贡献率得到植物的综合得分公式：y= 0.4879y1+0.1913y2+0.1293y3。其中：y1表示植物在第 1 主成分的得分；y2表示植物在第 2 主成分的得分；y3表示植物在第 3 主成分的得分；y表示植物的综合得分。海桐在y1与y2的得分高于其他植物，说明海桐在颗粒物胁迫后生理与光合指标响应程度小，具备较强的抗污染能力，且各植物y1与y2的得分从大到小依次为海桐(3.03)、石楠(0.46)、大叶黄杨(0.11)、八角金盘(−0.05)、女贞(−0.50)、枇杷(−1.26)、南天竹(−1.80)。枇杷在y3得分高于其他植物，说明其具备较强的滞尘能力。基于以上公式对植物的滞尘与抗污染综合能力进行评价和排序(表4)，其中滞尘和抗污染综合能力较强的植物是海桐与八角金盘，较差的是南天竹和女贞。
表 4 植物滞尘、抗污染能力综合评价
Table 4. Comprehensive evaluation of dust resistance and anti-pollution ability of plants
植物 得分 排名 植物 得分 排名 y1 y2 y3 y y1 y2 y3 y 海桐 1.29 1.74 −0.25 0.93 1 枇杷 −0.77 −0.49 1.90 −0.22 5 八角金盘 0.92 −0.97 0.03 0.27 2 南天竹 −0.03 −1.77 −0.96 −0.47 6 石楠 −0.34 0.80 0.74 0.09 3 女贞 −1.04 0.54 −1.20 −0.56 7 大叶黄杨 −0.04 0.15 −0.26 −0.03 4 说明：y1、y2、y3分别表示第1、第2、第3主成分得分，y表示综合得分。 -
在同一采样区中，不同植物的单位叶面积滞尘量存在较大差异，可能是植物叶表的毛状体分布、沟壑深浅与粗糙度等形态特征不同所引起的[7]。枇杷与石楠在3个采样区滞尘量都较高，可能是因为两者叶表面较粗糙，沟壑或毛状体较多、叶脉突出，使更多的颗粒物沉积于叶表面[25]。而女贞、海桐与南天竹在3个采样区的滞留颗粒物能力均较差，可能是因为三者叶表面较光滑，无明显褶被，毛状体较少，不易黏附颗粒物[23]。八角金盘叶表面密生绒毛，大叶黄杨叶表面有一定绒毛与沟壑，增加了叶片粗糙度，因此两者滞尘量也相对较高[26]。同时，植物对不同粒径颗粒物的滞留能力不同。本研究中，枇杷对总悬浮颗粒物、细颗粒物的滞留能力高于其他植物，海桐对可吸入颗粒物的滞留能力较强。这可能也与植物叶表面形态特征以及对颗粒物粒径的选择性等因素相关[27]。除了叶表形态特征外，采样区的污染程度对同一植物的颗粒物滞留量也会产生较大影响[10]。本研究中不同污染区域的同一植物各粒径滞尘量存在显著差异，从高到低依次表现为道路、校园、公园。同时，各植物对颗粒物的滞留量随采样区污染程度的增加幅度是不均衡的，南天竹随污染程度增加对颗粒物滞留量增幅较大，女贞随污染程度增加对颗粒物滞留量增幅较小。由此可见，同一植物对颗粒物的滞留量受环境污染的影响程度较大，不同植物的滞尘能力受叶表形态特征影响较大[28]。
植物的光合参数是植物生长状态的重要参数，常被用作反映植物生长情况以及抗逆性的强弱[29]。本研究中7种植物的净光合速率与气孔导度都与采样区的颗粒物质量浓度成反比。这可能是由于叶表面颗粒物的堆积抑制了植物对光照的吸收，植物叶表面滞尘量越高，对可吸收光强的阻碍越严重[30]。同时，颗粒物在叶片表面结成硬壳堵塞气孔，致使植物气孔导度下降，影响植物的生理生化进程[31]。气孔是植物叶片与外界进行气体交换的主要通道，气孔导度反映气孔孔径的大小，污染加剧后植物气孔孔径变小，导致气孔长和宽下降、密度提升。而气孔密度的提升增强了叶表面对颗粒物的阻滞作用，可能使得同一植物在污染较高的区域滞留更多的颗粒物[20]。各植物受颗粒物污染后光合参数的损失率存在差异性，大叶黄杨的净光合速率损失率较小，八角金盘气孔导度损失率较小，南天竹的光合参数损失率较高。大叶黄杨与八角金盘的光合参数损失率较小，可能是其对颗粒物污染的抗性较强，南天竹的光合参数损失率较大，可能是其对颗粒物污染的抗性较弱[17−18]。叶绿素是植物受到逆境胁迫后调节光合作用的重要指标，其质量分数会影响植物的光合能力[32]。植物叶片叶绿素a、叶绿素b质量分数与采样区域污染程度呈负相关，可能是因为颗粒物中含有多种污染物质，使叶片内的叶绿素受到破坏而分解，降低了植物的光合能力[33]。且不同植物在遭受颗粒物污染后叶片素a、叶绿素b质量分数变化幅度不同，女贞与南天竹的叶片叶绿素质量分数变化较小，可能是因为这2种植物对颗粒物污染的抵抗能力较强；而八角金盘与枇杷叶片的叶绿素质量分数变化较大，则可能是其对颗粒物污染较敏感，适应性弱[11]。
植物受颗粒物污染后，最先受到影响的是细胞膜。细胞膜稳定性越好，植物对环境胁迫的抗性越强[13]。本研究中叶片的丙二醛质量摩尔浓度、超氧化物歧化酶活性和过氧化物酶活性与环境污染程度成正比。可能是由于植物受颗粒物污染后，体内产生大量的活性氧，引发细胞膜脂过氧化作用，使叶片丙二醛质量摩尔浓度升高，并破坏了光合反应中心PSⅡ活性[34]。而超氧化物歧化酶与过氧化物酶作为膜脂过氧化防御系统的保护酶，其活性的升高可以清除植物体内多余的活性氧[35]。同时，有研究发现：超氧化物歧化酶等抗氧化酶主要分布于光合反应中心PSⅠ附近，故推测植物遭到颗粒物污染后，通过提升PSⅠ附近抗氧化酶的活性来促进活性氧代谢，从而增强光合反应中心PSⅡ的光化学效率，使植物的光合作用正常进行[36]。且不同植物受到的颗粒物污染后，体内抗氧化酶活性的变化幅度不同，八角金盘与枇杷的抗氧化酶活性变化较小，大叶黄杨与海桐的抗氧化酶活性变化较大，植物对颗粒物污染呈现出不同程度的抗性[17]。同时，随着污染加剧，石楠与海桐叶片的丙二醛质量摩尔浓度增幅较小，南天竹叶片的丙二醛质量摩尔浓度增幅较大。可能是由于石楠与海桐受到颗粒物污染后，对其抗性较强，而南天竹对颗粒物污染的抗性较差，膜脂过氧化程度严重[37]。各植物叶片丙二醛质量摩尔浓度变化幅度的大小顺序与植物抗污染能力的得分(y1+y2)排序基本一致，说明丙二醛质量摩尔浓度可作为鉴定植物抗污染能力的重要指标[38]。综上所述，植物在受颗粒物污染后通过生理指标的响应去减缓颗粒物污染对自身生长发育的影响，且不同植物对颗粒物污染的抗性存在差异[20]。
研究园林植物滞尘能力的同时要关注植物的抗颗粒物污染的能力，只有植物本身对颗粒物的滞留量大且受颗粒物污染影响小，才是适合城市绿化建设的滞尘与抗污染综合能力强的植物[37]。通过对植物的滞尘量与单个生理、光合指标的响应程度进行讨论并不能有效反映植物本身抗尘能力的强弱，因此，本研究通过主成分分析法综合评价7种的植物滞尘与抗污染能力的得分，其中海桐与八角金盘的得分高于其他植物，两者的滞尘能力较强，且受到颗粒物污染后生理与光合指标变化小即对颗粒物污染的抗性较强。
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植物的滞尘量与所在环境的颗粒物质量浓度成正比，颗粒物质量浓度越高，植物的单位叶面积滞尘量越大。不同植物对颗粒物的滞留量在粉尘污染加重的情况下增幅是不均衡的，南天竹在污染加剧后对颗粒物的滞留量增幅较大，女贞对颗粒物滞留量增幅较小。同时，不同植物的滞尘能力受叶表形态特征影响较大，枇杷与石楠的滞尘能力较高，女贞、海桐与南天竹的滞尘能力小。其次，各植物滞留不同粒径颗粒物的能力有较大差异，其中枇杷对总悬浮颗粒物、细颗粒物的滞留能力最强，海桐对可吸入颗粒物的滞留能力最强。随着采样区颗粒物质量浓度的增加，各植物的净光合速率、气孔导度以及叶片的叶绿素a和叶绿素b质量分数均呈下降趋势，叶片的丙二醛质量摩尔浓度与超氧化物歧化酶、过氧化物酶活性呈上升趋势。采用主成分分析法得出，海桐、八角金盘的滞尘与抗污染综合能力较突出，在今后郑州市治理城市粉尘污染、进行城市绿化建设时可作为优先选择的植物。
Dust retention capacity and leaf physiology and photosynthesis response of 7 garden plants in Zhengzhou City
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摘要:
目的 深入探究郑州市典型园林植物的滞尘及综合抗污染能力。 方法 以7种常见园林植物(女贞Ligustrum lucidum、枇杷Eriobotrya japonica、石楠Photinia serrulata、八角金盘Fatsia japonica、大叶黄杨Euonymus japonicus、海桐Pittosporum tobira、南天竹Nandina domestica)为研究对象，在郑州市设立了街道、校园、公园3个采样区，采集各植物叶片滞留的不同粒径大气颗粒物[总悬浮颗粒物(TSP)、可吸入颗粒物(PM10)、细颗粒物(PM2.5)]，采用分级滤膜过滤法测定各植物叶片单位叶面积滞尘量，同时比较不同污染程度下各植物的光合参数以及叶片生理指标，对植物滞尘与生理光合指标进行相关性与主成分分析，筛选滞尘与综合抗污染能力突出的园林植物。 结果 ①植物的单位叶面积滞尘量与所在环境的大气颗粒物质量浓度成正比，且在颗粒物污染加重的情况下，不同植物对颗粒物的滞留量增幅是不均衡的。各植物滞留不同粒径颗粒物的能力有较大差异，枇杷对总悬浮颗粒物、细颗粒物的滞留能力最强，海桐对可吸入颗粒物的滞留能力最强。②随着采样区大气颗粒物质量浓度的增加，各植物的净光合速率、气孔导度、叶片叶绿素a、b质量分数均呈下降趋势，叶片的丙二醛质量摩尔浓度与超氧化物歧化酶、过氧化物酶活性呈上升趋势。③采用主成分分析方法得出，海桐与八角金盘的滞尘与抗污染综合能力较突出。 结论 在今后郑州市治理城市粉尘污染，进行城市绿化建设时，海桐与八角金盘可作为优先选择的植物。图2表4参38 Abstract:Objective The objective is to investigate the dust retention and comprehensive anti-pollution capacity of typical garden plants in Zhengzhou. Method 7 common garden plants (Ligustrum lucidum, Eriobotrya japonica, Photinia serrulata, Fatsia japonica, Euonymus japonicus, Pittosporum tobira, and Nandina domestica) were selected as the objects, and 3 sampling areas of streets, campuses and parks were set up. Atmospheric particulate matter with different particle sizes (total suspended particulate, inhalable particulate matter, fine particulate matter) retained by each plant leaf was collected. The dust retention per unit leaf area of each plant was determined by the method of graded membrane filtration. At the same time, the photosynthetic parameters and leaf physiological indicators of the plants under different pollution levels were compared. The correlation and principal component analysis of plant dust retention and physiological photosynthetic indexes were carried out, and garden plants with outstanding dust retention and comprehensive anti-pollution ability were screened. Result (1) The amount of dust retention per unit leaf area of plants was proportional to the mass concentration of atmospheric particulate matter in the environment. The increase in particulate matter retention by different plants was uneven with the aggravation of particulate matter pollution. (2) With the increase in atmospheric particulate matter concentration, the net photosynthetic rate, stomatal conductance, chlorophyll a and b content of leaves decreased, while the malondialdehyde content and superoxide dismutase and peroxidase activities of leaves increased. (3) The results of principal component analysis showed that the comprehensive ability of dust retention and anti-pollution of P. tobira and F. japonica was more prominent. Conclusion In the future control of urban dust pollution and urban greening construction in Zhengzhou, P. tobira and F. japonica can be selected as priority plants. [Ch, 2 fig. 4 tab. 38 ref.] -
低温是限制植物生长和发育的主要逆境因子。较低的温度会损伤植物细胞的膜结构，抑制酶活性，诱导活性氧产生，破坏代谢平衡等，引起植物生长受阻、早衰甚至死亡[1]。世界上只有三分之一的陆地面积温度在冰点以上，却有42%的陆地会经历−20 ℃以下的低温，因此低温也是限制植物地理分布的重要因素[2]。为了应对低温胁迫，植物在长期进化过程中逐渐形成了低温适应机制，用来提高植物耐受低温逆境的能力，降低低温胁迫伤害。在代谢层面上，植物可以通过提高可溶性糖、游离脯氨酸等小分子渗透调节物，以及抗氧化酶过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)等的活性来增加对低温的耐受力[3]。分子层面上，低温下植物细胞膜的流动性降低，膜蛋白的构象发生改变，进而使膜刚性增加，细胞膜的这些物理变化为膜上低温受体对低温的感受提供了基础。植物细胞的受体感受低温信号后，通过提高细胞质中的钙离子(Ca2+)水平，并与Ca2+结合蛋白结合，作为二级信号激活抗寒相关转录因子，调控耐寒相关基因，实现低温胁迫响应[4]。目前，低温响应的分子调控途径中，ICE1-CBF-COR途经被认为是植物响应耐寒胁迫的主要途径[5]。低温通过Ca2+信号引发蛋白激酶磷酸化脱落酸(ABA)信号调控途径中的蛋白激酶OST1 (open stomata1，气孔开放1)/SnRK2.1 (SNF1-related protein kinase 2.1，SNF1相关蛋白激酶2.1)，磷酸化的OST1与bHLH类转录因子ICE1结合并将其磷酸化，稳定ICE1的活性，使其稳定结合在CBF (C-repeat binding factor，C-重复结合因子)基因上，激活它们的表达。CBF转录因子会进一步启动冷响应相关基因CORs (cold responsive，低温响应)，如编码渗透调节物质合成酶以及低温保护蛋白COR、LT1 (low temperature 1，低温1)和CIN (cold-induced，冷诱导)基因等，提高植物的低温适应性[6-7]。除此之外，植物激素[8]和ROS (reactive oxygen species，活性氧)[9]也参与了植物低温响应的调控。
植物细胞中，低温的响应和调控主要发生在细胞质和细胞核中，但叶绿体在低温响应中也发挥了重要作用。叶绿体不仅是低温响应二级信号分子ROS产生的主要场所[10]，还参与水杨酸(SA)[11]、茉莉酸(JA)[12]、ABA[13]以及脯氨酸[14]等的生物合成。这些物质在植物低温响应中都产生了积极效应。因此，参与叶绿体生物活性的相关基因在低温逆境响应中也发挥了重要的功能。近年来，研究者发现叶绿体产生的ROS等信号分子可以通过逆行性信号传递途径进入细胞核来调控核基因的表达，以实现植物对环境的适应[15]。但叶绿体参与低温胁迫响应的具体分子机制大多不清楚。随着人们对植物逆境生物学研究重视程度的提高，越来越多参与植物非生物逆境响应的基因被挖掘出来，这些基因中有些响应特异逆境，也有些能够响应多种逆境，表明植物响应逆境的分子机制非常复杂的。尽管已经确定了相当数量逆境响应基因的功能，但仍有很多功能未知的基因响应非生物逆境胁迫[16]。
桉Eucalyptus树是世界上生长最快的木本植物之一，作为重要的用材树种广受欢迎，但大部分桉树对低温的耐受程度比较差。以桉树为材料研究它们的耐低温分子机制，深入挖掘低温胁迫响应相关的基因资源，对桉树的栽培和育种都有促进作用[17]。EgrCIN1 (cold induced 1)是一个随低温处理时间延长表达不断增强的基因。亚细胞定位表明其表达的蛋白定位在巨桉Eucalyptus grandis叶绿体中。本研究通过对该基因及其编码蛋白序列特征的分析和在拟南芥Arabidopsis thaliana中异源过表达后转基因株系对低温的响应等实验，分析该基因响应低温胁迫的功能。
1. 材料与方法
1.1 植物材料
巨桉为保存于浙江农林大学苗圃的G5扦插无性系材料。拟南芥野生型为哥伦比亚生态型，生长于浙江农林大学智能实验楼拟南芥生长室，生长条件为25 ℃ 16 h光照/22 ℃ 8 h黑暗，相对湿度为65%，光照强度为100 µmol·m−2·s−1。
1.2 EgrCIN1基因、编码蛋白序列及启动子顺式作用元件分析
根据EgrCIN1的编号(Eucgr.B02882)在phytozome (
https://phytozome-next.jgi.doe.gov )中获取其基因、蛋白序列。使用ProtParam (http://web.expasy.Org/protparam/ )分析EgrCIN1蛋白的相对分子量、理论等电点；使用PSIPRED (http://bioinf.cs.ucl.ac.uk/psipred/?disopred=1 )在线预测其二级结构；使用TMHMM(http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/ )进行跨膜结构预测；利用Plant-mPLoc (http://www.csbio.sjtu.edu.cn/bioinf/plant-multi/ )对EgrCIN1在细胞中的表达位置进行预测；同时截取EgrCIN1基因起始密码子ATG上游1 500 bp的序列作为其启动子，使用在线分析网站Plant Care (http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/ )分析EgrCIN1基因启动子上的顺式作用元件。1.3 定量分析实验设置
1.3.1 4 ℃低温不同处理时间下的表达分析
取6个月苗龄的巨桉G5无性系幼苗，于低温生长箱(Snijder，荷兰)中进行0.5、2.0、6.0、12.0、24.0、48.0 h的4 ℃低温处理。8 h光照/16 h黑暗，相对湿度为60%，光照强度为150 µmol·m−2·s−1。同时分别以正常温度(白天26 ℃，晚上22 ℃，湿度、光照与处理相同)条件下生长的G5无性系幼苗为对照(ck)。3株幼苗为1个处理组，设置3次重复。处理结束后，取叶片置于液氮速冻。
1.3.2 组织特异性分析
分别取6个月苗龄的巨桉G5无性系幼苗根、茎、嫩叶(顶端新生叶片)以及成熟叶片各100 mg，置于液氮速冻，待测。
1.3.3 干旱、高盐、ABA、茉莉酸甲酯(MeJA)处理下的表达分析
选取长势一致、6个月苗龄的巨桉G5无性系幼苗，分别进行干旱、高盐、ABA、MeJA等4种胁迫处理。干旱、高盐处理：干旱组不浇水即可；高盐处理组每次浇灌300 mmol·L−1氯化钠(NaCl)溶液200 mL，间隔12 h续浇1次；对照组浇灌等量清水，连续处理1周。ABA、MeJA处理：分别配制浓度为100 μmol·L−1的ABA和MeJA溶液，均匀喷洒在幼苗叶片上，对照组喷施等量清水，12 h处理1次，共处理24 h。每个处理3个植株，重复3次。处理结束后选择相同叶位的成熟叶片取样。
1.3.4 RNA提取
使用TIANGEN总RNA提取试剂盒(DP432)，利用PrimerScript TM RT reagent Kit (TaKaRa，日本)试剂盒将RNA反转录为cDNA。设计引物(表1)，以EgrACTIN为内参，用TB Green Premix Ex Taq Ⅱ(Tli RNaseH Plus)试剂盒(TaKaRa，日本)进行EgrCIN1基因表达的实时荧光定量PCR (RT-qPCR)实验，分析EgrCIN1在巨桉不同组织中及不同逆境处理后的表达情况。
表 1 引物列表Table 1 Primers用途 引物名称 引物序列(5′→3′) 35S::EgrCIN1载体构建 35S::EgrCIN1-F cgggggtaccATGGCTTCTTCACCTTGCAAAA 35S::EgrCIN1-R gctctagaTCATCGGACATGGGGAATTACA 35S::EgrCIN1::GFP载体构建 EgrCIN1::GFP-F gctctagaATGGCTTCTTCACCTTGCAAAA EgrCIN1::GFP-R cgggggtaccTCGGACATGGGGAATTACA 半定量PCR EgrCIN1-F AGCCTATGCTTGTACTCCACCA EgrCIN1-R TTGCCGCCCTCGGCGCGGATGA AtACTIN-F TAGGCCAAGACATCATGGTGTCAT AtACTIN-R GTTGTACGACCACTGGCGTACAAG RT-qPCR EgrACTIN-F CCCGCTATGTATGTCGC EgrACTIN-R AAGGTCAAGACGGAGGAT qEgrCIN1-F ATGGCTTCTTCACCTTGCAAAA qEgrCIN1-R TCATCGGACATGGGGAATTACA 说明：引物前小写字母为酶切位点及保护碱基 1.4 EgrCIN1蛋白亚细胞定位
以改造过的pCAMbia1300-GFP载体为骨架，在phytozome上获得EgrCIN1的转录本序列，去掉终止密码子后使用Primer Premier 5设计上下游引物并在引物2端分别添加Kpn Ⅰ和Xba Ⅰ酶切位点及保护碱基(表1)，基因克隆后进行EgrCIN1::GFP融合载体构建。重组的阳性克隆提取质粒后，利用电转法转入农杆菌Agrobacterium tumetacie GV3101中。瞬时转化烟草Nicotiana tabacum叶片，共培养2 d后用激光共聚焦显微镜(ZEISS，LSM510，德国)观察并拍照。GFP荧光观察激发光波长设置为488 nm，吸收光波长为500~525 nm；观察叶绿素荧光时激发光波长设置为552 nm，吸收光波长则为620~650 nm。
1.5 EgrCIN1超表达载体构建及拟南芥异源转化
以含35S启动子的pCAMBIA1301为载体骨架，选取多克隆位点处的Xba Ⅰ和Kpn Ⅰ作为酶切位点，设计EgrCIN1带酶切位点的全长基因引物(表1)，PCR扩增，鉴定后进行35S::EgrCIN1载体构建。电击转化农杆菌GV3101，蘸花法侵染拟南芥。种子收获后，在含25 μg·mL−1潮霉素B (Hygromycin B，罗氏，瑞士)的1/2 MS培养基进行阳性株系筛选，获得的阳性株系培养一段时间后，提取叶片基因组DNA，利用EgrCIN1基因特异引物(表1)进行分子鉴定。阳性株系继续繁殖、筛选，直至获得T3代转基因纯合株系。
1.6 转基因拟南芥株系中EgrCIN1的表达
经筛选获得3个超表达EgrCIN1转基因纯合株系，纯合株系植株种植10 d后，提取叶片RNA，反转录为cDNA，设计引物(表1)，以AtACTIN为内参，进行半定量PCR实验。
1.7 EgrCIN1拟南芥过表达转基因株系低温和ABA处理
野生型和EgrCIN1过表达株系种子经体积分数为75%乙醇消毒后，播种在1/2 MS培养基上，4 ℃春化处理2 d。低温处理：培养基上培养1周后的野生型和转基因株系幼苗分别移栽至育苗盆中，每盆中野生型和1个转基因株系各移栽4株。生长2周后，在低温培养箱中−6 ℃处理12 h后移至正常生长条件下恢复1周，观察表型并拍照。每个株系处理3盆，重复3次。实验结束后统计野生型(COL)和各株系的存活率。ABA处理：野生型和3个过表达株系分别播于含0.5 μmol·L−1 ABA的培养基上，生长10 d后，观察表型并拍照。
1.8 数据处理
定量结果采用2－ΔΔCt[18]方法计算；作图软件为GraphPad Prism ver 6.01；使用SPSS 16.0进行显著性检验，分析方法选择单因素方差分析，默认置信区间95%。
2. 结果与分析
2.1 EgrCIN1基因的筛选及在4 ℃低温不同处理时间下的表达分析
课题组前期从巨桉4 ℃低温处理2 h的转录组中筛选到1个表达受到低温强烈诱导的基因，将其命名为EgrCIN1 (cold induced 1)。Phytozome数据库中该基因的序列号为Eucgr.B02882。为进一步了解EgrCIN1对低温的响应，利用RT-qPCR技术对4 ℃不同处理时间(0.5、2.0、6.0、12.0、24.0、48.0 h)的巨桉无性系幼苗进行EgrCIN1表达特性分析。结果表明(图1)：除了处理0.5 h的植株中EgrCIN1基因的表达水平与未处理植株(对照)相比没有显著差异外，随处理时间的延长，EgrCIN1的表达水平逐渐升高，处理48.0 h时，其表达水平已经达到了对照的48.6倍。48.0 h后，叶片萎蔫严重，明显受到低温生理伤害，故未进一步取样分析。可见，EgrCIN1表达明显受低温诱导，且随处理时间的延长表达有增强的趋势。
图 1 4 ℃低温处理不同时间下EgrCIN1的定量表达Figure 1 Relative expression of EgrCIN1 gene under 4 ℃ low temperature treatment for different time2.2 EgrCIN1基因、蛋白序列分析
根据巨桉数据库获取信息和相关分析可知：该基因开放阅读框全长579 bp，不含内含子。编码含有192个氨基酸的蛋白，等电点为6.98，相对分子量为20.80 kDa。该基因编码的蛋白既没有旁系同源物，也没有直系同源物，是巨桉中特有且唯一的蛋白。
利用PSIPRED对EgrCIN1编码的蛋白的二级结构预测表明：该蛋白含有2个β转角和7个ɑ螺旋，其余部分则为无规则卷曲(图2A)。利用TMHMM对EgrCIN1蛋白序列跨膜结构的预测则表明：序列中所有氨基酸序列位点的跨膜概率均小于0.02，没有明显跨膜区域(图2B)，说明其不是膜蛋白。亚细胞定位预测结果显示：EgrCIN1编码的蛋白可能在叶绿体、线粒体、细胞质及细胞核中都能表达。
图 2 EgrCIN1蛋白二级结构(A)和跨膜结构(B)预测Figure 2 Prediction of EgrCIN1 protein secondary structure (A) and transmembrane structure (B)2.3 EgrCIN1基因启动子顺式作用元件分析
对EgrCIN1的启动子上分布的顺式作用元件进行了分析，发现在EgrCIN1启动子上分布着多个与植物非生物逆境胁迫响应密切相关的顺式作用元件(表2)，其中脱落酸应答元件(ABA response element, ABRE) 2个，乙烯响应元件(ethylene response element, ERE) 1个，低温响应元件(low temperature response element, LTR) 1个，植物转录因子MYB识别序列(MYB recongnition site)、MYC结合序列均为干旱和ABA响应元件，分别有4和6个。表明该基因的表达可能受到逆境胁迫的调控。
表 2 EgrCIN1基因启动子上的顺式作用元件Table 2 Cis-elemtents in the promoter of EgrCIN1名称 位置 基序(5′→3′) 数量 功能 ABRE 1 165−、1 165+ GTGCAC 2 ABA响应元件 ERE 706+ ATTTAAA 1 乙烯响应元件 LTR 420− AAAGCC 1 低温响应元件 MYB 1 378+、1 152−、1 330+、1 378+ TAACCA 4 干旱、ABA响应元件 MYC 104−、935−、630−、622+、1 015−、668+ CATTTG 6 干旱、ABA响应元件 W-box 1 012−、1 280−、1 149− TTGACC 3 真菌诱导反应元件 说明：+表示正义链，−表示反义链 2.4 EgrCIN1组织特异性表达分析
通过RT-qPCR分析EgrCIN1在不同组织中的表达情况，结果表明：EgrCIN1在嫩叶、成熟叶和茎中都有表达，且在茎中的表达量最高，而在根中却没有表达(图3)。
图 3 EgrCIN1在巨桉不同组织中的定量表达Figure 3 Quantitative expression of EgrCIN1 in different tissues of E. grandis2.5 EgrCIN1蛋白亚细胞定位
由于EgrCIN1为巨桉特有的基因，尚无其功能信息的研究，本研究构建了EgrCIN1::GFP表达载体，针对其编码蛋白在细胞中发挥功能的位置进行了亚细胞定位分析。结果表明：EgrCIN1蛋白与烟草叶片中的叶绿体具有共定位效应，表明EgrCIN1是在叶绿体中发挥作用的蛋白(图4)。
图 4 EgrCIN1蛋白在烟草表皮细胞中的表达(标尺为50 μm)Figure 4 Expression of EgrCIN1 protein in tobacco epidermis cell(the bar is 50 μm)2.6 拟南芥过表达转基因株系中EgrCIN1的表达
通过遗传转化后，从中筛选获得3个转基因株系：EgrCIN1-OE3、EgrCIN1-OE7和EgrCIN1-OE9。利用RT-qPCR技术对这3个株系中EgrCIN1的基因表达情况进行分析，结果表明：EgrCIN1在3个株系中都有明显的表达(图5)。
图 5 野生型和EgrCIN1过表达转基因株系中EgrCIN1的半定量PCRFigure 5 Semi-quantitative PCR of EgrCIN1 in wild type and EgrCIN1 overexpression transgenic lines2.7 低温处理下EgrCIN1过表达转基因株系的表型分析
对3个拟南芥过表达转基因株系进行−6 ℃低温处理12 h，随后置于正常生长条件下生长1周。结果发现：−6 ℃低温处理对转基因株系和野生型都会造成低温伤害，但转基因株系的恢复情况明显好于野生型(图6A)。统计不同株系的存活率发现，野生型存活率为30.53%，而EgrCIN1-OE3、EgrCIN1-OE7和EgrCIN1-OE9等3个转基因株系分别达到了77.77%、86.07%和88.83% (图6B)，表明EgrCIN1的超表达在一定程度上可以提高植株的抗寒性。
图 6 野生型和EgrCIN1转基因株系低温处理后的表型(A)和存活率(B)Figure 6 Phenotype (A) and survival (B) of wild-type and EgrCIN1 transgenic lines after cold treatment2.8 ABA处理下EgrCIN1过表达转基因株系的表型分析
植物低温响应分子调控途径有ABA依赖型和ABA非依赖型。针对EgrCIN1参与的抗寒性途径是否有ABA参与的这一问题，对转基因株系进行了ABA处理。结果表明：在0.5 μmol·L−1 ABA处理10 d后，3个转基因株系受到的ABA抑制作用明显强于野生型(图7)，说明ABA也参与了EgrCIN1功能的发挥。
图 7 野生型和EgrCIN1过表达株系0.5 μmol·L−1 ABA处理10 d后的表型Figure 7 Phenotypes of wild-type and EgrCIN1 overexpression lines treated with 0.5 μmol·L−1 ABA after 10 days2.9 干旱、高盐、ABA和MeJA等其他非生物逆境处理下EgrCIN1的表达分析
由于不同非生物逆境因子之间往往存在相互作用，为了进一步了解其他非生物逆境因子对EgrCIN1的影响，分别分析了EgrCIN1在巨桉幼苗干旱、高盐、ABA和MeJA处理下的表达情况。结果表明：干旱和高盐处理都能诱导EgrCIN1的表达，干旱处理下EgrCIN1的表达量是对照的35.1倍；300 mmol·L−1 NaCl处理下EgrCIN1表达量则上调了16.4倍(图8A)。但EgrCIN1的拟南芥过表达转基因株系在干旱和高盐处理下与野生型相比没有显著的表型差异。此外，外源喷施ABA也能促进EgrCIN1的表达，而100 μmol·L−1 MeJA处理下，和对照相比EgrCIN1的表达并未发生显著变化(图8B)。
图 8 巨桉幼苗高盐、干旱(A)和ABA、MeJA(B)处理下EgrCIN1的定量表达Figure 8 Quantitative expression of EgrCIN1 in E. grandis seedlings under high salt, drought (A) and ABA, MeJA (B) treatments3. 讨论
EgrCIN1是巨桉中一个受低温诱导的未知功能的基因，本研究表明：它随着低温处理时间的延长，表达水平不断提高，显示其参与了巨桉的低温胁迫响应。基因、蛋白质序列的结构特征分析，以及多序列比对和可能功能域的搜索结果都表明该基因是巨桉中一个特有的新基因。启动子上顺式作用元件的预测也表明其表达可能受低温相关因素和信号的影响。组织特异性表达分析则表明该基因主要在巨桉茎和叶中表达，而根中没有表达。显示其可能主要在植株地上部分发挥作用。对于EgrCIN1功能的进一步研究有可能为揭示桉树低温适应性新机制提供基础。
叶绿体在植物低温响应过程中处于中心枢纽的位置，一方面植物抵抗低温的能力取决于低温下的叶片光合活性。另一方面，叶绿体中参与光合作用的光反应中心酶活性受到抑制，进而引发PSⅡ的光能溢出效应，导致ROS积累，产生控制核基因表达的逆行性信号，调控低温响应基因表达，提高植株适应性[19]。在一定程度上，叶绿体的抗低温程度与整体植株的抗寒性密切相关。因此，叶绿体冷诱导相关的基因受到了极大的关注和重视。很多冷诱导基因在叶绿体中表达，并参与植物的低温逆境响应。针叶福禄考Phlox subulata中PsCor413im1蛋白在叶绿体膜上表达，超表达PsCor413im1的拟南芥株系在低温和冷冻逆境下，存活率和种子发芽率都有较大程度的提高[20]。拟南芥中的NAC102在叶绿体中作为抑制因子参与叶绿体基因的表达，并介导ROS对低温响应基因ZAT6、ZAT10和ZAT12等的调控[21-22]；冷调控蛋白COR15A和COR15B在低温条件下也可以通过结构的改变稳定叶绿体的膜结构，实现拟南芥对低温的适应性[23]。这些结果表明：叶绿体中表达的低温诱导基因有可能成为植物低温驯化的重要靶标。尽管利用生物信息学软件预测EgrCIN1编码蛋白在叶绿体、线粒体、细胞质以及细胞核中都可能存在，但亚细胞定位结果表明其可能仅在叶绿体中表达。因此被低温强烈诱导的EgrCIN1基因表达的蛋白也定位在叶绿体中，表明其在桉树中同样有可能是叶绿体中参与低温耐受性提高的重要候选基因。拟南芥中过表达EgrCIN1株系低温处理下的结果说明了该基因的确参与了植物的低温胁迫响应，能够提高植株对低温的耐受程度。另外，该基因在不同叶绿体中表达的强度有所差异，同时并非所有叶绿体中都有该基因的表达。这可能与瞬时表达过程中该基因在不同叶绿体中表达的强度不同有关，也可能是该基因在叶绿体不同发育阶段表达模式不同。
ABA在植物低温响应中也发挥了重要作用[24-25]，包含叶绿体在内的质体是ABA生物合成开始的场所[13]。ABA在叶绿体中与逆境胁迫相关基因表达的蛋白互作调控植物对逆境的适应性。如小立碗藓Physcomitrella patens中，ABA介导了叶绿体蛋白PpCOR413im对植物低温逆境适应性的调控[26]。拟南芥中过表达匍匐剪股颖Agrostis stolonifera叶绿体定位蛋白AsHSP26.8a，可以通过调控ABA信号途径提高转基因植株对低温的抗性水平[27]。EgrCIN1的过表达株系对外源ABA表现出敏感性提高的表型，同时转基因植株对低温的抗性也得到了增强，这与AsHSP26.8a作用相似。暗示ABA合成或者信号途径可能也参与了EgrCIN1对低温逆境响应的调控。同时，在巨桉中，ABA的处理也能在一定程度上诱导EgrCIN1的表达，表明ABA合成或者信号途径可能也参与了EgrCIN1功能发挥的调控。因此，EgrCIN1一方面可能受到低温等非生物逆境信号诱导而参与ABA生物合成或者信号转导对逆境响应的调控；另一方面，ABA也极可能直接影响EgrCIN1的表达，参与其功能的调控。另外，干旱、高盐也能强烈诱导EgrCIN1的表达，但实验过程中EgrCIN1拟南芥过表达转基因株系并未表现出明显的耐旱、耐盐表型，显示EgrCIN1在拟南芥和巨桉的非生物逆境响应中发挥的功能可能不同，同时也表明EgrCIN1在植物非生物逆境响应中发挥的功能比较复杂，需要进一步研究以揭示其在巨桉低温等非生物逆境响应中的功能。
本研究表明：EgrCIN1是巨桉中特有的一个基因，受低温强烈诱导，在叶绿体中表达。其拟南芥过表达转基因株系提高了对低温的耐受性，同时对ABA的敏感程度也被增强。这表明EgrCIN1有可能是存在叶绿体中，通过与ABA互作，以ABA依赖形式的途径参与了植物对低温逆境的响应。但仍有很多问题需要进一步深入研究，如EgrCIN1是否与叶绿体的发育有关系，与ABA采用什么样的互作方式共同参与植物对低温逆境适应性的调控，在干旱、高盐等其他非生物逆境响应中的作用等。
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图 1 植物在3个采样区滞尘能力的比较
Figure 1 Comparison of dust retention capacity of different plants in three sampling areas
图 2 植物在3个采样区光合与生理指标的变化
Figure 2 Changes of photosynthetic and physiological indexes of plants in three sampling areas
表 1 供试植物
Table 1. Test plants
序号 植物 科 属 叶片特征 叶表形态特征 1 女贞Ligustrum lucidum 木犀科Oleaceae 女贞属Ligustrum 叶长卵形或椭圆形；革质 叶表面光滑平整，无毛状体分布 2 枇杷Eriobotrya japonica 蔷薇科Rosaceae 枇杷属Eriobotrya 叶披针形或椭圆形；革质 叶表面粗糙，具有大量毛状体、沟壑与褶皱 3 石楠Photinia serrulata 蔷薇科Rosaceae 石楠属Photinia 叶长椭圆形或倒卵形；革质 叶表面粗糙，中脉与侧脉显著 4 八角金盘Fatsia japonica 五加科Araliaceae 八角金盘属Fatsia 叶掌状；革质 叶表面粗糙，具有较密的集棉状绒毛与起伏不平的辐射状叶脉 5 大叶黄杨Euonymus japonicus 卫矛科Celastraceae 卫矛属Euonymus 叶卵形或椭圆形；革质或薄革质 叶表面较光滑，具有少量毛状体，沟槽较浅或平整 6 海桐Pittosporum tobira 海桐科Pittosporaceae 海桐属Pittosporum 叶倒卵形或倒卵状披针形；革质 叶表面光滑，中脉附近有少量毛状体，沟壑较浅 7 南天竹Nandina domestica 小檗科Berberidaceae 南天竹属Nandina 叶椭圆形或椭圆状披针形；薄革质 叶表面光滑，除中脉外叶表面其余部分光滑无毛 
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表 2 植物滞尘能力与光合、生理指标的相关性分析
Table 2. Correlation analysis of plant dust arrest capacity and photosynthetic and physiological indicators
指标 x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x1 1 0.299* 0.478** −0.321* −0.397** −0.359** −0.208 0.338** 0.459** 0.192 x2 1 0.222 0.057 −0.159 −0.478** −0.328** 0.203 0.285* 0.039 x3 1 −0.089 −0.212 −0.357** −0.254* 0.034 0.383** 0.214 x4 1 0.635** 0.199 0.228 −0.439** −0.309* −0.386** x5 1 0.526** 0.460** −0.340** −0.377** −0.269* x6 1 0.875** −0.309* −0.384** −0.299* x7 1 −0.285* −0.252* −0.268* x8 1 0.165 0.411** x9 1 0.356** x10 1 说明：*表示各指标在0.05水平上显著相关，**表示各指标在0.01水平上极显著相关。x1. 总悬浮颗粒物(TPS)质量浓度；x2. 可吸入颗粒物(PM10)质量浓度；x3. 细颗粒物(PM2.5)质量浓度；x4. 净光合速率(Pn)；x5. 气孔导度(Gs)；x6. 叶绿素a (Chla)质量分数；x7. 叶绿素b (Chlb)质量分数；x8. 丙二醛(MDA)质量摩尔浓度；x9. 超氧化物歧化酶(SOD)活性；x10. 过氧化物酶(POD)活性。
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表 3 滞尘、生理与光合指标的前3个主成分贡献率和因子载荷矩阵
Table 3. First three principal component contribution rates and factor load matrix of dust arrest, physiology and photosynthetic indicators
主成分 成分矩阵 特征值 贡献率/% 累计贡献率/% x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 1 −0.71 −0.69 −0.63 0.51 0.77 0.88 0.78 −0.55 3.90 48.79 48.79 2 0.02 0.49 0.47 0.77 0.41 −0.24 −0.16 −0.47 1.53 19.13 67.92 3 0.61 0.01 0.45 −0.11 −0.01 0.36 0.55 −0.08 1.03 12.93 80.84 说明：x1. 总悬浮颗粒物(TPS)质量浓度; x2. 可吸入颗粒物(PM10)质量浓度; x3. 细颗粒物(PM2.5)质量浓度; x4. 净光合速率(Pn); x5. 气孔导度(Gs); x6. 叶绿素a (Chla)质量分数; x7. 叶绿素b (Chlb)质量分数; x8. 丙二醛(MDA)质量摩尔浓度。
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表 4 植物滞尘、抗污染能力综合评价
Table 4. Comprehensive evaluation of dust resistance and anti-pollution ability of plants
植物 得分 排名 植物 得分 排名 y1 y2 y3 y y1 y2 y3 y 海桐 1.29 1.74 −0.25 0.93 1 枇杷 −0.77 −0.49 1.90 −0.22 5 八角金盘 0.92 −0.97 0.03 0.27 2 南天竹 −0.03 −1.77 −0.96 −0.47 6 石楠 −0.34 0.80 0.74 0.09 3 女贞 −1.04 0.54 −1.20 −0.56 7 大叶黄杨 −0.04 0.15 −0.26 −0.03 4 说明：y1、y2、y3分别表示第1、第2、第3主成分得分，y表示综合得分。
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