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几种鉴定植物抗大气污染能力指标的介绍


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植物生理学通讯 第 4 2卷 第 2期,2 0 0 6年 4月 

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几种鉴定植物抗大气 污染能力指标 的介绍 
康敏 明 陈红跃 
华南农 业大学林学 院 ,广州 5 0 4   16 2

I t o u to

 o  d n i c t n o   o ePl n   rPo l to . e it n  n e e   n r d c i n f rI e tf a i   f m   a t i o S Ai  l i n r ss a t d x s u I
KANG  i— ig CHEN  n - e M nM n , Ho g Yu  

C lg   oet , o t  hn g iu ua  nvri , a gh u5 0 4 , hn   ol e fF rs y S uhC ia r l rl i sy Gun zo 1 6 2 C ia e o r A ct U e t

提要 文章从植物形态、生长和生理生化指标、c N D A微阵列技术和综合评价等方面,对鉴定植物抗大气污染的各种指 
标 进 行 了评 述 。  

关键词 植物;抗 大气污染;鉴定指标 

植物可吸收和净化大气中的污染物 ,其在保 
护 环 境 中 的作用 是 不 言而 喻 的 。 但 不 同植物 的抗 

较气孔数 目或大小更为密切。韩素梅(0 1也得  20)
出相 同 的结 论 ,认 为 在特 定环 境 下 ,相 同树 种 的 

污染能力差异很大 。植物抗大气污染能力的鉴定  是衡量植物抗性大小的指标,近年来 ,人们在这  方面做了大量的研究,本文就这些鉴定指标及其 
研 究进 展 作 介 绍 。   l 形 态指标 

气孔浸润级较稳定,不 同树种间差异较大 ,且浸  润级 与 K 渗 出量 呈极 显著 正相 关 ,从 而 说 明浸 润   
级是影响植物抗性 的因子 。   2 生 长指 标 

植物生长、发育状况是植物对大气污染敏感  性反应最直观 的指示,可为植物对大气污染敏感  性或抗性反应 的分级提供依据 。由于植物对大气 
污 染反 应 非 常复 杂 , 单 一 的 生长 指 标 无法 准 确 反  映植 物 对 大 气污 染 的响 应 。刘世 忠 等 (0 3用 综  20)

植物表皮细胞 、角质层、气孔均是植物抵抗  污染物侵入的第一道防线 。植物表皮细胞排列情 
况 、细 胞 层 数 、厚 度 , 细 胞 壁 、 蜡 质 层 和 角 质 

层 厚薄 ,表 皮毛 的存在 与否 、数 量多少 ,叶 肉  
细胞 以及 气 孔形 态 结 构 、着 生 位 置 ,都 对植 物 抗 

合生长 比值( m l  rw hrt G C 方法,采  c pe go t  e R ) o x a,
用 株 高 、 基 径 、 冠 幅 等 多 因 子 ,对 大 气 污 染 下 

大气污染的能力有影P( e s 等 2 0 :Fri n   ̄ G r a 0 3 ed ad ] o n 等 20 ) 0 0。孔国辉等(0 3认为抗性强的植物一般  20) 具有 较厚 的角质 层 ,角质 脊 纹 饰较 致 密 ,气孔 有  覆盖物遮盖 ,气孔数较少( 多在 3 0个 .  以 0 mm   下) ,具有 发达 、紧密的栅栏组织等旱生植物解  剖结构特征(ed ad 2 0 ) s 17 ) F ri n 等 0 0 。A h(9 6测量  n 苜蓿 、豌 豆 、黄瓜 和蚕 豆叶片 厚度 、角质层 厚  度 、栅 栏 组 织 与 叶 肉 比 、 叶 肉密 度 、气 孔 数 量 、   表皮层数量后,将其转换为该植物的早生形态指  数,并研究其旱生形态指数与抗性之问的关系后  指出,某一植物种 的这一指数可以作为该种植物 

的 3 种 园林植物 的生长情况进行比较排列 ,并对  5 其抗性进行比较评价 ,结果表 明,大气污染对树  木基径的影响最小,对株高的影响次之,对冠幅 
的影 响 最 大 , 对这 3种 生 长 因子 分 别 赋 以 02   .5、

03 、04 .0 .5的加权系数,根据公式:GR= .5     02 × R D 03 x H 0 5 R A( 中,GR 为综 合增 长 比  B+ .0 R + . x c 式 4 C
值 ,R 。 R   、  、R 分 别 为 基 径 、 株 高 、 冠 幅   

的增长 比值) 进行 计算 。综合增 长 比值越高 ,表 
示 植物 受 大 气污 染 影 响越 小 , 生长 较 为 正 常 : 反  之 ,则受 大气 污染 影 响较大 ,生 长受 较严 重抑 制 。  

对S , O 潜在伤害的抗性指标 。I ia 等(9 1根  3 生理生化指标  s hr h a 17 ) 据气孔数量和开度与植物抗性的密切关系提出的气  31 电解 质渗漏 率 细胞 膜透 性 是 反映 膜 系统稳 定  . 孔浸润级 的概念 ,综合反映了气孔数量和开度 的   状况。刘荣坤等( 8) 1 3研究植物气孔浸润级与 S   9 O 伤害的关系后发现,植物抗性随着浸润级的增大  而有规律地减小,其与植物伤害等级的相关性远 
收 稿  2 0 .O O   修 定  2 0 -3 0   0 5 1.8 0 60 -9 资助  广 东省科技 攻关项 目( 4 0 E 4 3 ) 4 0 一 0 0 6。  
通 讯作 者( mal c e y e c ue uc ,T l 2 — E— i: h n u @sa .d .n e :0 0 
8 2 02 )  5 8 59 。

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植物生理学通讯 第 4 卷 第 2期 ,2 0 2 0 6年 4月 

性的一个重要指标。植物在不 良环境 因素,如极  端温度 、干旱、盐渍 、S   O2 、O" NO  等大气  污染胁迫下,细胞质膜受到损伤,细胞透性显著 

皮细胞有较大的耐酸力 ,能够接 受较 多的酸性物  质 ,因此 ,植物 叶片 受污染 后 ,首先在 脉 间 出   现伤斑 ,叶脉不易受害( 陈锐章 1 8 ) 9 2 。植物的抗  氯性( 陈锐章和彭桂英 18) 9 2及抗氟性( 杨玉珍 19 ) 96 

增大 。S , O 伤害植物的过程中,细胞透性变化 早 
于可见症状的出现 ,测定较灵敏 。在 S , O 浓度达  到植物 的伤害闽值( 不同植物伤害阈值不同) 之前,   渗漏率随着污染物浓度的升高而呈小幅波动 ;当   解质( 主要是 K )   渗漏量越大,随后 的可见伤害症 

同 样与叶细胞耐酸力呈正相关。刘楠等( 0a参 2 3i   0
照化学工业 中关于缓冲容 ̄(a ai  f ufr cp c yo  f ) t b e 的  定义和计算公式 ,分别选取 了初 始 p ( H。和  H p ) 各种植物 的缓冲 能力 ,即单位质量 的植物 叶片 ,   其细胞液( 定容后体积为 5/. 2   L 在初始 p   02 = 0m ) 5 H 基础上 ,每上升或下降 1 p 单位时所消耗 的  个 H

S : O 浓度超过阈值时,叶组织的渗漏率大增 ,电  p 。4(l) p 。 p 。 l > ) H + < O或 H 和 H 一 I 2两个区间,计算  6(

状 越 严重 ( 余叔 文等 l  9;卞 咏梅 和 陈树 元   7 9 
1 8) 9 2。Na 等(0 4在研究 3 l 20 ) i 种地中海常绿阔叶 

树对 O 污染的生理生态及生化反应 中发现 ,O 导  N O     a H或 H 1 C 的物质的量 , 并以此为衡量植物抵抗  外来酸性污染气体能力的指标 。用此指标研 究植  致植物叶片电解质渗漏率增加 ,但 月桂( a r s L u u  n b iL) ois . l  和莓实树(ru s nd   . i b t   eo ) t uu L 的叶片电解  质渗漏率增加幅度远远大于对 O 具有抗性的欧女  , 贞属的 P iye  toi L 。因此 ,可用测定的 hl ral i l   . l af a   叶片电解质渗漏率( 电导率或 K 渗 出量)   判定植物  物抗大气污染的结果与用叶绿素荧光、光合作 用  

等生理指标的检测结果基本一致 ,这种计算和 比  较植物叶片缓冲能力的方法为筛选高抗污染能力的  

植物提供 了一条新思路( 刘楠等 2 0 a 。 0 3)   的抗污染能力( 刘荣坤等 19 ) 9 8。通常情况下,S 2 3   B O  . A A含量 在大气污染下 ,脱落酸(b csc 3 a s ii   ai, B ) cd A A 的生成能促进气孔关 闭,调节气孔 开  污染后 ,强抗性树种 的叶片电解质外渗速度慢 、  
数量少 ,因而外渗液 电导率较低 ,但也有例外 ,  

如女 ̄(i s u  ies  o r ,不论是否受伤  Lg t m s ne u. ur n L ) 害,其 叶外渗液的电导率都 比其他抗性强的树种  源 A A还是植物体 内源 A A的增加, B B 伤害值都大  高。对此 ,卞咏梅和陈树元(9 2认为 ,可用 电  18 ) 导率指数加以比较 ,即以煮沸杀死后植物 叶片的 
外渗液的电导率代表植物总渗 出的 电解质(0 ) 10,   处理 的叶片外渗液的电导率与之相 比。   3 细胞液的缓冲能力 S 、NO2 1、HC 、 . 2 O2   、C   2 1   幅度下降( tisn等 1 9 ) A kn o 9 1。近年来,越来越 多   的证据表 明,在逆境下 ,A A还有增加植物体内 B   脯氨酸含量、稳定细胞膜结构等效应 ,并参与 调 

度,减少污染气体进入植物体 内,从而减少和避  免污染对植物 的伤害。实验证实 ,无论是施用外 

节逆境胁迫相关基 因的表达 。Z u S a d l s h 和 c n ai   o
(94 的研究发现,A A能诱导玉米野 生型和玉  19 ) B 从而使 植物体 内超氧 化物歧化 酶 ( u c o i e s p r xd  来,内源 A A含量多寡也可能是筛选抗性植物 的  B


H F等酸 性污染物 ,进入植物体后 ,可扰乱细胞  米 A A合成缺失突变体( 5 S d 基 因的表达 , B v ) o3 p  

的酸碱平衡 ,而对植物产生伤害 。但细胞 中有各 
究表 明,植物叶片细胞 p H缓冲能力的大小与其对 

种具有缓冲作用的物质,可增加植物的抗性 。研  ds ts , O ) imuae S D 活性提高,抗 性增强。由此看 

酸性气体忍耐力呈正相关(o rs 19 ) S ae 等 9 5 。有报  个重要指标( 刘荣坤等 1 8 ) 9 3。   道指 出,根据叶片细胞液 中p H大小,可 以大致  3 脯氨酸含量 大气污染胁迫会导致植物体内游  . 4 地衡量植物抵御酸性气体伤害的能力,p H值低的  
植物抗 性弱 ,易受伤害,p H值接 近中性的则抗  性 强 , 因此 认 为 ,叶 组 织 的 p 变 化 可 作 为抗 性  H 指标( 吴宗庆等 17 ) 95。陈锐章( 8 ) 10 1 2在 2 种植物  9 中发现 ,植物的抗性不仅与植物细胞 p H值有关 ,  

离脯氨酸(rl e Po含量发生变化 。Sle t n poi , r) n i re   b si
等(9 6 研究两种地衣在大气污染胁迫下的反应  I9 ) 时,发现具抗性 的果实黄衣(a t r  ai i ) X nh i p r t a  oa en 比敏感型的树花(a ai  ui i R m la r e 积累更多的脯氨  nd a)

酸 。韩素梅等(9 6 的研 究表 明,植物体 内脯氨  19 )
酸含量 随着亚硫酸处理浓度 的增高而增加,与 K   植物的脯氨酸含量与 l 渗 出量呈负相关变化 ,即  ( 十

还受等 电点的影响;植物抗性大 小与叶细胞的耐 
成正相关。同一叶片中,叶脉表皮细胞 比脉间表 

酸力( 细胞 p H值和原生质等 电点之间相差的数值) 渗 出量变化趋势相 同;在 同一污染条件下,不同   

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植物生理学通讯 第 4 2卷 第 2期 ,2 0 0 6年 4月 

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脯氨酸含量多者,抗性较强,细胞膜透性伤害较  轻,反之伤害较重。上述表现是脯氨酸积累减轻  膜伤害,以致 K 渗 出量降低 ,抑或是 K 渗 出量     
增 加促 进 脯氨 酸 积 累 , 尚不 清 楚 。植 物脯 氨 酸含 

叶绿素 荧光诱导 曲线( 彭长连 等 1 9 ) 9 8 的结果表 
明: 仪花(yiiero otga、竹 节树 (aal   L s c h d se i) d C rla i bahaa、格 木( rtrp lu  odi等 叶片 的  rc it) E yho hem fri )

和 

下降幅度较小,为不作处理的8. %一 50   2

量增加是植物对环境胁迫的一种生理反应,不仅  仅是植物细胞结构和功能受损伤 害的反应,而且 
是植 物 在逆境 下 的适 应性 表现 ,具有 防护 效应 ( 卞 

9 .7 和 7 .8 8 .3 48 % 48 %一 54 %,说 明它 们 的 P  I S I依 

然能保持相对较高 的活性 ,属 于抗性强 的树种 ;   而另一些植物如 山玉兰( g oi d l ai Ma n l  e vy 、枫香  a a ) ( iud m a o m s n ) Lq ia b r r o a a 、蓝花楹(a a a d   f J c rn a mio i l ) I 花决 明( a s  o oa的 叶片 / m soi  ̄ 粉 f a C si n d s) a   和 F /。   下降幅度甚大,仅为不作处理的 04 % F .   2
11 % 和 01 %加 .9 %,显 示它 们 的 P  I .5 .6 25 S I受到 

咏梅等 18 ;汤章诚 1 8 ) 98 9 4 。积累的脯氨酸除 了  
作 为细 胞 质渗 透 调节 物 以外 , 还在 稳 定 生物 大分 

子 结构、 降低 细胞酸度 、解 除氨毒 、作 为能量  库调节细 胞氧化还 原势( min f 和 C mb   S rof u e  s
18 ;K v. s o 等 19 ) 9 9 ai hr Ki 9 5 、对 . OH和  的专  O,


严重伤害,属于抗性弱的树种 。植物在 C , O O 、N  
( 长连 等 19 )  (c rie 等 18 ) 彭 9 8 、O S heb r 9 6污染 下 ,  

性清除抑制膜脂过氧化( 蒋明义等19 ) 9 7等方面起 

作用,因此似也可作为鉴定植物相对抗性的指标 
( 汤章 城 l 8 )  94 。

具有同样特性。另外 ,常用的还有叶绿素荧光光  化 学 猝 灭 系数 (   、 非 光 化 学 猝 灭 系 数 ( N  g) P q)
(c rie 等 1 8 ) S he r 9 6 以及 P b SⅡ非环 式 电子传 递 的量 

3 抗氧化酶活性 大气污染物促使生成的一系列  . 5 活性氧和 自由基,可使脂质、氨基酸 、蛋 白质、   碳水化 合物 、核酸等 生物分子 变性 ,破 坏膜 系  统,甚至杀死细胞 。由于 内源活性氧清除剂能够 
清 除胁 迫 条件 下 植物 体 内过 量 的 活性 氧 ,从 而 使  植 物 在 一 定 程 度 上 能 忍 耐 、减 缓 或 抵 抗 逆 境 胁 

子效率( t ( et 等 18)     Gn r ) y 9 9等指标。与其他生理 
状 况 评 价 方 法 相 比 , 叶绿 素 荧 光 测 定 具 有 快 速 、   无 损 、精 度 高和 费用低 的特 点 , 是用 于 测 定植 物  生 理 状 况 的 良好 工 具 ( 方 圆 和 徐 锡 增 2 0   喻 0 3; Cak等 2 0) 已广 泛 应用 于检 测植 物对 O 的抗  l r 0 0,   性评 价 (oe i i 19 ) L rni 等   9 。 n 9  

迫,其 中抗氧化酶系统的作用最为重要 。在细胞 
中,S D 是抵 抗 活性 氧 的第 一道 防 线 ,在抗 氧化  O 酶 中处于 核心 地位 ,通 常将 S D 活性作 为 植物抗  O

37 净光合速率 生长在污染环境中的大多数植物  . 的净光合速率都会 出现不 同程度的下 降,下降幅  度因植物种类不同而有较大差异 。S m a 20 ) a i等(0 2  
在研 究 3 0多种 埃及 植 物在 臭氧 胁 迫下 的反 应 时发  现 ,敏 感 植 物 的净 光 合速 率 下 降幅度 比抗 性植 物  更 为 明显 。温 达志 等(0 3研 究 3 20 ) 9种木 本 植物 对 

逆性 的指标 ,广泛运用于品种 的鉴定和选育。一 
般情 况 下 ,植物 体 内 S OD、过 氧化氢 酶 (aaae ctls,   C ) AT 、过氧 化物 酶(eo iae P D) prxd s, O 、抗坏 血 酸 

过氧化物酶( cr tprx aeA X 等抗氧化酶  a ob e e i s, P ) s a  o d 的活性 水平 与植物抗 污 能力呈 正相关( l 等  Na i
2 0 ;S lesen等 1 9 ;S e b 等 2 0 )  0 4 i rti b   6 cb a 9 0 3。

二氧化硫 、氟化物和降尘污染 的生理生态反应与   敏感性 时也得 出同样的结论 ,抗性较强的菩提榕 
( iu  l is ) 石笔 木 (uc ei  etbl ) F c sr i o a ̄ eg T th r s ca is的  ap i

3 . 6叶绿素荧光参数的变化 叶绿素荧光参数  /  
和  是研 究植 物对逆 境响应 的生理 参数 。  

净光合速率甚至有一定程度 的增幅。抗性植物在  胁迫解除后,其光合作用在一定程度上可 以得到 

代表 P   原初光能转换效率,常作为光合抑制的  sI I

标志( r s 和 We  9 1 ;   。 Ka e u i 19 ) F/ 代表从 C l / s F h a   恢复(aq a n 等 2 0 )  b P su l i 0 2。 i   蛋 白复合体 L P到 P  I HC SI的光能 传递 能力 ,两者  4 c NA微 阵列技 术(D   co ra )  D c NA mi ary  r 都能有效地反映 P   的功能状态( sI I 刘楠等 2 0b 。 03)   般 认为 P  I SI活性 在光 合作 用对 逆境 的反应 中起 


大多数植物伤害的检测 以及抗性植物 的筛选 
都是根据 叶片受 到损伤所 引起 的形态和 生理上 的变 

作用( a e 9 1。刘楠等(0 3 ) B k r19 ) 2 0 b在筛选抗 S , O  的植物时,用脉冲调制荧光仪(us Mo ua o   P l   d lt n e i Fu rm t , A Wa , e n ) lo e rP M, l G r y ̄定 7 种以模  o e z ma 2
拟 S 22  O (0mmo.—Na O ) 1 L HS  处理 的植物 幼 苗叶 片 

化而确定的。随着分子生物学和生物信息学的快  速发展 ,人们越来越集 中于在基因组水平上对各  类胁 迫耐受机制 的研究 。c N D A微阵列技术便是 
近年 来 发展起 来 的又一 新 的分子 生物 学研 究 工具 ,  

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植物生理学通讯 第 4 2卷 第 2期 ,2 0 4月  0 6年

它是根据反fR A印迹杂交( vr  ot r)  ̄N r es N r e 检测  e e hn 基因表达差异的技术 。其基本思路是先将数 以万 

的总级别值 ,以此来 比较抗性大小 ;另一种 是隶  属 函数法,对鉴定材料抗大气污染指标的隶属值 

计的 c N D A,或表达序列标签( pesdsq ec  进行累加,求其平均数,并对鉴定材料之间进行  e r e  une x s e 倪郁和 李唯 2 0 ) 0 1。   t ,S ) a E T 或基因特异的寡核苷酸有序地固定排列在  比较 ,评 定其抗性 大小( g 固相支持物表面,并与来 自不同细胞、组织或整  个器官的 m NA反转录生成 的第一链 c N R D A探针  进行杂交 ,然后用特殊的检测系统对每个杂交点  等 l9 ) 9 5 。从理论上讲 ,杂交点的强度基本上反  映了其所代表 的基因在不同细胞 、组织或器官 中   的相对表达的丰度( 李子银和陈受宜 2 0 ) 0 0 。采用  e N 微阵列技术可 以通过比较不同植物组织细胞  D A 基 因表 达 谱 的差 异 ,发 现 可 能 与抗 性 相 关 的   ES T,从而 选择抗性植物或检 测植物 的受害程  6 结束语  植物抗 大气污 染 的鉴定指标是 多种 多样 的,  

单一或少量的指标有利于直接筛选 出抗性强的植物 
是否是最适合和最能反映实际情况的。 同时 ,用 

作灵敏 、快速 、高效 、并行 的定量分析( c e a 种类 ,但筛选 是否准确,全依赖 于所采用的指标  S h n 

多指标筛选植物 的难度大,在实际工作 中,不 同   的指标之间往往会有矛盾 。因此 ,如何在多指标 
基础上进行综合评定 ,这是值得研究 的重要方 向   之一 。在众多指标中能否选出若干指标( 甚至只有 


度 。e DNA微 阵列 技术的不足之 处是成本非常 
高,如需要机器人点膜和特殊的信号检测分析系  统,点在玻璃片上的 ary不能重复使用等( r a 李子  银和陈受宜 20 ) aa i 2 0 ) 0 0。T ks 等( 2已成功地将此  h 0 技术应用于研究 O 对植物的影响,并认为是目前    最为灵敏和特异性强 的方法 。   5综合指标  植物抗大气污染能力是一个受多基 因控制 的   复杂性状,不同抗性植物作用机制不 同。生理 生  化指标虽然能较为精确反映植物抗性的内在机制 ,   并能快速、有效地判别植物对大气污染的敏感程  度和耐受能力的差别,但每一个生理指标只能反  映植物体在某一方面对污染的反应敏感程度 ;而  单纯的植物生长指标 ,不但实验周期长 ,一次性  实验所筛选到的植物种类有限,而且也不能完全  准确地反映不同植物的抗性能力( 刘世忠等 2 0 ; 03   刘楠等 2 0 a ) 0 3 ,b 。此外 ,同一植物在某一指标  下表现为抗性强 ,在另一指标下则可 能表现为抗  性中等甚至弱,从而造成判别上的困难 。而综合  指标法,有可能更好 、更准确地确定植物抗性 的   强弱。 目前 ,测定植物抗大气污染的综合指标研  究较少 ,参照现在常用的综合评价植物抗逆性的 
方法 ,可从 以下 两方 面 对 植物 抗 大气 污 染进 行 综 



个指标) ,并 能准确地反 映植 物抗性 ,则是另  个需要探讨的方 向。此外 ,多种污染物状态下 

的植物 响应机制如何 ,评定指标 如何 ,也是亟待  解决 的 问题 。  
参 考 文献 
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生理学通讯 , 1: , 5 ( ) 41   4

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物学报。1 4 : 5 ~ 6     )3833 1(

刘楠, 温学. 国辉, 孔 彭长连, 林桂 珠. 薛克娜. 吴芝扬。 陆耀东。 刘 

合评价 :一种是抗性分级评价法,根据抗大气污  染的多项指标测得的数据,将所有指标分为相 同   数 目的级别( 一般分为 5 ,再将鉴定材料( 级) 物种  或变种等) 的各指标级别相加,即得到抗大气污染 

世忠(0 3) 抗 S 绿化植物 的初步筛选. 2 0 b. O, 热带亚热带 植物  学报。l ( ) 3 4 3 1 l 4: 6 — 7  刘荣坤。 胡艳。 李永政(9 8. 19 ) 沈阳陨石 山森林公 园 S 2 O 污染现状 
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刘荣 坤, 英娃,刘小洁 (9 3 . 沈 1 8 ) 植物 对二氧 化硫 生理反应 的研 

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植物生理学通讯 第 4 2卷 第 2 ,2 0 4月 期 0 6年  
究.I 植物气孔与 S   害及 A A 脱落酸) I . O伤 B ( 的保护效应 . 植  物 生理学通讯, 4 : 5 2   () 2 — 8 刘世忠, 薛克娜, 孔国辉, 胡羡聪, 陆耀东, 吴芝扬(0 3. 2 0 ) 大气污染  对 3 种 园林植物生长 的影 响. 5 热带亚热带植物学报 , 】() l 4:  
32 9 ̄33   5

33 5 

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