砷脅迫下3-吲哚乙酸對不同砷富集能力植物根系形態(tài)和生理的影響

和淑娟，王宏鑌，王海娟，趙　賓，李勤椿（昆明理工大學環(huán)境科學與工程學院，昆明650500）

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砷脅迫下3-吲哚乙酸對不同砷富集能力植物根系形態(tài)和生理的影響

和淑娟，王宏鑌*，王海娟，趙賓，李勤椿
（昆明理工大學環(huán)境科學與工程學院，昆明650500）

摘要：采用室內(nèi)水培法，研究了2 mg·L-1五價砷脅迫下，外源添加不同濃度（0、10、20、40、60 mg·L-1）3-吲哚乙酸（IAA）14 d對砷超富集植物大葉井口邊草（Pteris cretica var. nervosa）和同屬的非超富集植物劍葉鳳尾蕨（Pteris ensiformis）株高、生物量、砷含量、根系形態(tài)（根長、根尖數(shù)、根表面積）、根系活力、根細胞質(zhì)膜ATPase活性、抗氧化酶（超氧化物歧化酶SOD、過氧化氫酶CAT、過氧化物酶POD）活性以及細胞膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛（MDA）含量的影響，并用逐步回歸法分析了根部砷含量與所測定根系形態(tài)和生理指標的關系。結(jié)果表明：20 mg·L-1IAA處理下，兩種植物的生物量與對照相比顯著增加，大葉井口邊草葉片和葉柄砷含量、根系活力和根細胞質(zhì)膜ATPase酶活性顯著增加，且明顯高于劍葉鳳尾蕨；20～60 mg·L-1IAA處理下，大葉井口邊草根中的CAT、SOD和POD活性顯著增加，而劍葉鳳尾蕨根中的CAT活性顯著降低，SOD活性顯著增加，POD活性則無顯著變化；20～40 mg·L-1IAA處理下，兩種植物根中的MDA含量顯著降低，但大葉井口邊草顯著低于劍葉鳳尾蕨。逐步回歸分析結(jié)果顯示，大葉井口邊草根中砷含量與根系活力顯著正相關，而劍葉鳳尾蕨根中砷含量與各變量無關。因此，IAA的添加促使大葉井口邊草保持較高的根系活力，進而有助于其超量富集砷。

關鍵詞：3-吲哚乙酸；超富集植物；砷；根系；根系活力

和淑娟，王宏鑌，王海娟，等.砷脅迫下3-吲哚乙酸對不同砷富集能力植物根系形態(tài)和生理的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報, 2016, 35（5）：878-885.

HE Shu-juan, WANG Hong-bin, WANG Hai-juan, et al. Effects of indole-3-acetic acid on morphologic and physiological characteristics of root systems of plants with different arsenic-accumulating abilities under As stress［J］. Journal of Agro-Environment Science, 2016, 35（5）:878-885.

雖然植物的根、莖、葉均可吸收污染物，但因根系與土壤或水環(huán)境直接接觸，所以根是植物吸收污染物的主要器官。植物要維持自身的生長和發(fā)育必須依賴根從環(huán)境中吸收營養(yǎng)物質(zhì)和水分［1］，隨之也會有污染物的吸入。生長素是最早發(fā)現(xiàn)的植物激素，3-吲哚乙酸（IAA）又是生長素的常見代表物，植物體內(nèi)微量的IAA具有調(diào)控植物生長發(fā)育的功能，如促進植物細胞分裂、伸長生長以及新器官的分化和形成［2］。通過在Cd處理的水稻中分別添加濃度為10-9～10-7mmol·L-1的生長素萘乙酸（NAA）、IAA、吲哚丁酸（IBA）和2，4-二氯苯氧乙酸（2，4-D）發(fā)現(xiàn)，當4種生長素濃度為10-8mmol·L-1時，均促進了初生根和不定根的生長［3］。對于外源添加生長素后研究植物體內(nèi)重金屬分布和解毒機制已有很多文獻報道，如周建民等［4］研究發(fā)現(xiàn)外源施加一定濃度IAA后，受Pb、Zn、Cu、Cd復合污染土壤上生長的玉米（Zea mays）植株地上部生物量顯著增加，且增加了重金屬富集量，提高了植物修復效率，但相關機理尚不明確。

一般認為，生長素能誘導質(zhì)膜ATPase的激活，從而產(chǎn)生離子跨膜運輸?shù)淖兓?］。在重金屬脅迫下，植物的生長一般會受抑制，尤其是當重金屬濃度較高時［6］。重金屬脅迫下植物體內(nèi)會產(chǎn)生大量活性氧自由基［7］，但植物可以通過抗氧化系統(tǒng)來清除［8］，如超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）等。胡擁軍等［9］發(fā)現(xiàn)，大葉井口邊草葉片內(nèi)源IAA含量與CAT活性顯著負相關；向言詞等［10］研究施用外源IAA對生長在鉛污染土壤（500 mg·kg-1）上的芥菜型油菜（Brassica juncea）SOD活性的影響發(fā)現(xiàn)，添加IAA后，SOD活性比對照升高77.3%，POD參與IAA的分解，具有催化IAA氧化脫羧的能力［11］。Srivastava等［12］研究也發(fā)現(xiàn)，在As（Ⅴ）脅迫下，砷超富集植物蜈蚣草（Pteris vittata）具有比非超富集植物劍葉鳳尾蕨（Pteris ensiformis）和波士頓腎蕨（Nephrolepis exaltata L.）更高的SOD、CAT和POD活性，因而具有更強的抗氧化能力。然而，在IAA作用下不同砷富集能力植物中這些生理指標的變化研究尚少。

發(fā)達的根系為植物超量吸收砷提供了可能。Forino等［13］發(fā)現(xiàn)在砷超富集植物蜈蚣草中，低、中濃度的砷處理（250～334 μmol·L-1）引起根毛傾向于根尖部位發(fā)育，且數(shù)量和長度增加，但高濃度砷處理（500 μmol·L-1）卻未觀察到該現(xiàn)象。這種砷誘導的根系形態(tài)的反應調(diào)整了根對砷的吸收速率。然而，在砷脅迫下，如果有外源IAA介入，砷超富集植物根系形態(tài)和生理是否會作出相應的調(diào)整，以吸收和富集更多的砷，目前文獻還報道較少。

大葉井口邊草（Pteris cretica var. nervosa）是砷超富集植物［14］，劍葉鳳尾蕨是與大葉井口邊草同屬的非超富集植物［12］，同屬中不同砷富集能力的植物為比較生理學的研究提供了極好材料。本研究通過室內(nèi)水培實驗，在固定的五價砷脅迫濃度下，通過外源添加不同濃度IAA，考察大葉井口邊草和劍葉鳳尾蕨的株高、生物量、砷含量、根系形態(tài)（根長、根尖數(shù)、根表面積）、根系活力、根細胞質(zhì)膜ATPase活性以及抗氧化酶活性等形態(tài)和生理指標的變化，并結(jié)合逐步回歸法揭示植物根部砷含量與所測定根系形態(tài)和生理指標的關系。

1　材料與方法

1.1供試植物

砷超富集植物大葉井口邊草初生小苗采自昆明理工大學校園，非砷超富集植物劍葉鳳尾蕨初生小苗采自云南省紅河州河口縣附近橡膠林中。初生小苗帶回溫室后進行修剪并于清潔土壤中適應性培養(yǎng)2個月，選取長勢良好、大小一致的幼苗（高8～9 cm、帶7～8片小葉）進行水培試驗。

1.2植物培養(yǎng)

采用室內(nèi)水培法，以容積為2.5 L的塑料小桶作容器，培養(yǎng)液含有1/10的Hoagland營養(yǎng)液和不同濃度的IAA。根據(jù)預實驗結(jié)果確定As（Ⅴ）濃度為2 mg· L-1，以砷酸鈉（Na3AsO4·12H2O）的形式添加，As離子濃度以純As計。生長素IAA濃度設定為對照（0 mg· L-1）、低濃度（10 mg·L-1）、中濃度（20、40 mg·L-1）和高濃度（60 mg·L-1），每一處理設置3個重復。每桶放置2～4株植物，且保證每桶中植株的大小和鮮重較為一致，連續(xù)充氧，每隔3 d更換一次培養(yǎng)液［15］，室溫為15～25℃。

1.3樣品處理及測定

植物培養(yǎng)14 d后收獲。先用自來水清洗，再用0.1 mol·L-1稀HCl沖洗［16］，最后用去離子水洗凈。用濾紙吸干植物表面水分，將植株分為兩部分：一部分裝入自封袋放入冰箱于-18℃保存，以進行根系活力、根細胞質(zhì)膜ATPase酶活性以及根系形態(tài)和抗氧化酶活性的測定；另一部分于烘箱105℃殺青30 min，在70℃下烘干至恒重，磨碎混勻，稱取0.2 g左右樣品，用HNO3-H2O2加熱消化，定容至25 mL進行砷含量測定。

測定砷含量前待測液加入60 g·L-1的硫脲和抗壞血酸混合液進行還原（至少0.5 h），并用5%HCl按一定稀釋倍數(shù)進行定容。植物砷含量運用原子熒光光譜儀（北京瑞利儀器公司，AF-610D型）測定。砷的標準樣品（100 mg·L-1）購自國家標準物質(zhì)研究中心。測定砷的工作曲線為y=27.159x+8.461，R2=0.999 4，式中y為熒光強度，x為標樣砷濃度（μg·L-1）。砷的加標回收率為93%～95%，符合砷測定質(zhì)量控制要求。

參照張中峰等［17］方法，利用掃描儀（HP LaserJet M 1005 MEP）掃描完整根系圖像，用Winrhizo根系系統(tǒng)分析軟件分析總根長、根系總面積和根尖數(shù)量。

根系活力測定采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法［18］；根細胞質(zhì)膜H+-ATPase活性測定采用高俊鳳等［19］介紹的方法；CAT酶活性測定采用紫外分光光度法［20］；SOD活性測定用氮藍四唑法［21］；POD活性測定用愈創(chuàng)木酚法［22］；細胞膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛（MDA）含量測定用硫代巴比妥酸法［18］。

1.4數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)先用Microsoft Excel 2007進行簡單處理，再用SAS 9.2軟件進行雙因素方差分析，并用Tukey’s HSD法進行多重比較。顯著性差異水平P取0.05，極顯著差異水平P取0.01。采用SPSS 19.0軟件進行多元逐步回歸分析，用Origin 8.0軟件繪圖。

2　結(jié)果與分析

2.1 IAA對砷脅迫下植物株高和生物量的影響

不同IAA濃度處理下，砷超富集植物大葉井口邊草的株高除60 mg·L-1處理顯著降低外，其他處理與對照相比均無顯著差異（P＞0.05）；非超富集植物劍葉鳳尾蕨在20 mg·L-1IAA處理下，株高顯著高于對照和60 mg·L-1IAA處理（P＜0.05），但對照與60 mg· L-1處理相比無顯著差異（圖1a）。

在20 mg·L-1IAA處理下，兩種植物的鮮重均達最大值；在40、60 mg·L-1IAA處理下，大葉井口邊草鮮重與對照相比顯著降低，而劍葉鳳尾蕨在60 mg·L-1IAA處理下與對照相比無顯著變化（圖1b）。雙因素方差分析結(jié)果顯示，兩種植物之間、生長素濃度之間對植物的生物量和株高均有極顯著影響（P＜0.01），兩者交互作用對生物量也具有極顯著影響。

圖1　2 mg·L-1As（Ⅴ）脅迫下IAA對植物株高和生物量的影響Figure 1 Effects of IAA on plant biomass and height under 2 mg·L-1As（Ⅴ）stress

圖中不同字母表示同一植物在不同IAA處理濃度之間的差異顯著（P＜0.05）。下同

Different letters indicate a significant difference（P＜0.05）among different IAA concentrations within a plant species. The same below

2.2IAA對植物根系形態(tài)的影響

在2 mg·L-1As（Ⅴ）脅迫下，10、20 mg·L-1IAA顯著增加了兩種植物的根長和根尖數(shù)（P＜0.05），且大葉井口邊草的根長（圖2a）和根尖數(shù)（圖2b）顯著高于劍葉鳳尾蕨。在20 mg·L-1IAA處理下，兩種植物的根表面積均最大（圖2c）。雙因素方差分析結(jié)果表明，兩種植物之間、生長素處理濃度之間以及兩者交互作用對植物根長、根尖數(shù)和根表面積具有極顯著影響（P＜0.01）。

圖2　2 mg·L-1As（Ⅴ）脅迫下IAA對植物根系形態(tài)的影響Figure 2 Effect of IAA on plant root morphology under 2 mg·L-1As（Ⅴ）stress

2.3IAA對植物砷吸收的影響

植物培養(yǎng)14 d后，在20 mg·L-1IAA處理下，大葉井口邊草葉片和葉柄的砷含量均顯著增加，與不加IAA的對照相比存在顯著差異（表1）。在10、40 mg· L-1IAA處理下，大葉井口邊草葉柄砷含量與對照相比顯著增加，但在葉片中砷含量與對照并無顯著變化；劍葉鳳尾蕨葉片和葉柄砷含量在20～40 mg·L-1IAA處理下顯著增加，其余IAA濃度處理則與對照無顯著差異。IAA處理下，兩種植物根部砷含量均未發(fā)生顯著變化。

在20 mg·L-1IAA處理下，大葉井口邊草葉片、葉柄和根中的砷含量分別達到215、323、408 mg·kg-1，而劍葉鳳尾蕨中只分別有158、123、186 mg·kg-1。與不添加IAA的對照相比，大葉井口邊草葉片和葉柄砷含量增加了29.5%和84.4%，而劍葉鳳尾蕨這兩個部位砷含量卻增加了165.7%和182.4%。

表1　2 mg·L-1As（Ⅴ）脅迫下IAA對植物各部位砷含量的影響Table 1 Effect of IAA on As concentrations in different parts of plants under 2 mg·L-1As（Ⅴ）stress

2.4IAA對植物根系活力和根細胞質(zhì)膜ATPase酶活性的影響

在不同濃度IAA處理下，兩種植物的根系活力與對照相比均顯著增加，但大葉井口邊草比劍葉鳳尾蕨增加顯著（圖3a，P＜0.05）。

兩種植物根中的細胞質(zhì)膜ATPase活性在IAA處理下顯著增加（圖3b）。在20 mg·L-1IAA處理下，大葉井口邊草根細胞質(zhì)膜ATPase活性最高，而劍葉鳳尾蕨則在40 mg·L-1IAA作用下最高。在相同的IAA處理濃度下，大葉井口邊草根細胞質(zhì)膜ATPase活性顯著高于劍葉鳳尾蕨（P＜0.05）。

2.5IAA對植物根系抗氧化酶活性的影響

2 mg·L-1As（Ⅴ）脅迫下，IAA處理使大葉井口邊草根中的CAT和SOD活性顯著增加（圖4a），但使劍葉鳳尾蕨根中的CAT活性顯著降低。除10 mg·L-1IAA處理外，其余IAA濃度作用下劍葉鳳尾蕨根中的SOD活性均顯著增加（圖4b）。20～60 mg·L-1IAA添加顯著增加了大葉井口邊草根中的POD活性，但劍葉鳳尾蕨中未發(fā)生顯著改變（圖4c）。從細胞膜脂過氧化產(chǎn)物MDA的生成情況看，在20～40 mg·L-1IAA處理下，兩種植物根中的MDA含量顯著降低，但大葉井口邊草降低的程度顯著高于劍葉鳳尾蕨（P＜0.05）（圖4d）。雙因素方差結(jié)果表明，兩種植物之間、IAA處理濃度之間以及兩者交互作用對植物根中的抗氧化酶活性和MDA含量具有顯著影響（P＜0.05）。

2.6逐步回歸分析

令y為植物根部砷含量，x1為生長素處理濃度、x2為根長、x3為根尖數(shù)、x4為根表面積、x5為根細胞質(zhì)膜ATPase活性、x6為根系活力、x7為CAT活性、x8為 SOD活性、x9為POD活性、x10為MDA含量，對兩種植物分別進行多元逐步回歸分析，得到大葉井口邊草根中砷含量與根系活力（x6）顯著正相關：y=274.495+ 164.626x6，P=0.004，r=0.695，F(xiàn)=12.179。劍葉鳳尾蕨則沒有變量進入方程。

圖3　2 mg·L-1As（Ⅴ）脅迫下IAA對植物根系活力和根細胞質(zhì)膜ATPase活性的影響Figure 3 Effects of IAA on root activities and ATPase activity in root cytoplasmic membrane of plants under 2 mg·L-1As（Ⅴ）stress

3　討論

本文研究了在2 mg·L-1As（Ⅴ）脅迫下，IAA對不同砷富集能力植物根系形態(tài)和生理指標的影響。結(jié)果表明，20 mg·L-1IAA顯著增加了兩種植物的生物量（圖1b）以及葉片和葉柄的砷含量（表1）。在20 mg·L-1IAA處理下，兩種植物的根系形態(tài)有顯著改善（圖2），根系活力以及根細胞質(zhì)膜ATPase活性均顯著增加（圖3a、圖3b），且大葉井口邊草各指標均優(yōu)于劍葉鳳尾蕨；20～60 mg·L-1IAA添加顯著增加了大葉井口邊草根部的POD活性，但劍葉鳳尾蕨中未發(fā)生顯著改變（圖4c）。逐步回歸分析結(jié)果顯示，只有大葉井口邊草根中的砷含量與其根系活力顯著正相關。

有研究發(fā)現(xiàn)，在Pb、Zn、Cu、Cd復合污染土壤中生長的玉米（Z. mays），IAA處理顯著增加了其地上部生物量，增幅為19%［4］。在本研究中，20 mg·L-1IAA處理下，大葉井口邊草和劍葉鳳尾蕨的生物量均顯著增加，該結(jié)果與之一致。但在60 mg·L-1IAA作用下，兩種植物的生物量顯著降低，可能是高濃度的生長素抑制了植物的生長，因為植物對生長素有一定的耐受范圍［23］。

圖4　2 mg·L-1As（Ⅴ）脅迫下IAA對植物根部抗氧化酶活性和丙二醛含量的影響Figure 4 Effects of IAA on antioxidative enzyme activities and MDA content in roots of plants under 2 mg·L-1As（Ⅴ）stress

重金屬脅迫下，植物根系的生長通常被抑制，包括主根的生長和側(cè)根的形成。IAA、NAA能夠促進植物細胞的分裂、根的生長以及根表面積增加，以利于其吸收重金屬［24］。本研究發(fā)現(xiàn)，20 mg·L-1IAA處理顯著改善了兩種植物的根系形態(tài)，包括根長、根尖數(shù)和根表面積。這可能是IAA促進細胞分裂、分化從而促進了植物的生長［25］。

F?ssler等［26］對向日葵（Helianthus annuus）添加10-10mol·L-1IAA后，葉片中Pb和Zn含量顯著增加。外源添加一定濃度的IAA后，植物吸收和轉(zhuǎn)運了一部分IAA，進入植物體內(nèi)的IAA在加強植物抵抗重金屬能力的同時也提高了植物吸收重金屬的能力［27］。本研究發(fā)現(xiàn)，20 mg·L-1IAA均顯著增加了兩種植物葉片和葉柄中的砷含量，但從增加的相對數(shù)看，超富集植物葉片和葉柄砷含量只增加了29.5%和84.4%，而非超富集植物卻增加了165.7%和182.4%，而兩種植物根中砷含量與對照相比均無顯著增加。這說明生長素有利于非超富集植物根部的砷向地上部轉(zhuǎn)移。Liu等［28］研究發(fā)現(xiàn)，100 μmol·L-1IAA處理下超富集東南景天（S. alfredii）生態(tài)型地上部Pb含量比對照增加了59%，而非超富集生態(tài)型地上部卻增加了121.6%。究其原因：一方面可能是IAA誘導質(zhì)膜上的ATPase酶活性，產(chǎn)生了離子跨膜運輸?shù)淖兓?］；另一方面可能是超富集植物對砷的富集有一閾值，超過該閾值，轉(zhuǎn)運砷的速率變緩，而非超富集植物對砷的吸收尚未飽和，還有較大的提升空間。關于IAA更有利于非砷超富集植物根部砷向地上轉(zhuǎn)運的機理還需進一步研究。

根系活力是植物生長的一個重要生理指標，可反映植株的生長健壯程度和抗逆能力［29］。本研究發(fā)現(xiàn)，不同濃度IAA處理下，兩種植物的根系活力顯著增加，但大葉井口邊草增加的程度顯著高于劍葉鳳尾蕨；而在高濃度處理下兩種植物的根系活力均有回落，但仍顯著高于對照。田俊霞等［30］發(fā)現(xiàn)當IAA濃度為200 mg·L-1時，月季（Rosa chinensis）扦插植株根系活力最大（73 μg·g-1·h-1），根系生長較好，可能是IAA促進細胞分裂和維管束的分化，形成不定根和側(cè)根，使植物旺盛生長，從而具有較高的根系活力。

在IAA作用下，兩種植物根細胞質(zhì)膜ATPase酶活性顯著增加。有研究發(fā)現(xiàn)IAA可以激活細胞質(zhì)膜上的H+-ATPase［31］，使IAA的轉(zhuǎn)運加快。對煙草（Nicotiana tabacum）和玉米（Z. mays）的研究發(fā)現(xiàn)，定位于細胞膜的ABP1蛋白通過激活膜上的H+-ATPases參與生長素對細胞伸長的促進，而H+-ATPases向胞外泵出質(zhì)子，導致細胞壁的酸化松弛，從而使細胞以膨脹的方式伸長［32］。

IAA顯著增加了植物一些抗氧化酶的活性，以減少重金屬的毒性，如CAT活性的增加有利于清除細胞內(nèi)出現(xiàn)的活性氧［9］。本研究中，不同濃度IAA處理使大葉井口邊草根中的CAT和SOD活性顯著增加，劍葉鳳尾蕨在20～60 mg·L-1IAA處理時SOD活性增加，而CAT活性則顯著降低，說明大葉井口邊草清除ROS的能力比劍葉鳳尾蕨強。添加20～60 mg·L-1IAA后大葉井口邊草根中POD的活性顯著增加。一方面，POD可以調(diào)節(jié)活性氧的水平，催化過氧化物參與的各種氧化反應［33］；另一方面，POD可以分解IAA，使植物體內(nèi)的IAA保持動態(tài)平衡［34］。因此，大葉井口邊草根中由IAA誘導的較高的POD活性和高的根系活力可能有利于其富集更多的重金屬。但是，外源IAA未改變劍葉鳳尾蕨根中POD的活性。在2 mg·L-1As（Ⅴ）脅迫下，當不添加IAA時，大葉井口邊草和劍葉鳳尾蕨地上部生物量（葉片加葉柄干重）分別為1.17、0.57 g· 株-1，地上部砷含量分別為336.01、102.85 mg·kg-1，大葉井口邊草砷去除率為19.66%，劍葉鳳尾蕨砷去除率僅為2.93%（假定每盆種1株）。但是，添加20 mg· L-1的IAA后，大葉井口邊草和劍葉鳳尾蕨地上部生物量（葉片加葉柄干重）分別增至1.57、1.03 g·株-1，其地上部砷含量也分別增至538.41、280.52 mg·kg-1，此時大葉井口邊草砷去除率為42.27%，劍葉鳳尾蕨也增至14.45%。與不加IAA相比，兩種植物的砷去除效率分別提高了22.61%和11.52%。因此，IAA的添加使兩種植物都增加了對砷的去除，但大葉井口邊草增加更為明顯。一般認為植物修復效率取決于植物重金屬含量和生物量［35］。因此從應用的角度看，在砷污染土壤和水體的植物修復實踐中，可以考慮施用合適濃度的IAA，以達到植物生物量和砷吸收量的雙贏。

4　結(jié)論

（1）20 mg·L-1的IAA處理使兩種植物的生物量顯著增加，同時，大葉井口邊草根系活力、根細胞質(zhì)膜ATPase酶活性以及葉片和葉柄砷含量顯著增加并高于劍葉鳳尾蕨。

（2）20～60 mg·L-1IAA處理下，大葉井口邊草根中的CAT、SOD和POD活性顯著增加，而劍葉鳳尾蕨根中的CAT活性顯著降低，SOD活性顯著增加，POD活性則無顯著變化。20～40 mg·L-1IAA處理下，兩種植物根中的MDA含量顯著降低，且大葉井口邊草顯著低于劍葉鳳尾蕨。

（3）大葉井口邊草根中砷含量與根系活力呈顯著正相關，而劍葉鳳尾蕨根中砷含量與各變量無關。因此，保持較高的根系活力有助于大葉井口邊草超量富集砷。

致謝：衷心感謝昆明理工大學環(huán)境科學與工程學院潘波教授協(xié)助修改潤色英文摘要。

參考文獻：

［1］Bertin C, Yang X, Weston L A. The role of root exudates and allelochemicals in the rhizosphere［J］. Plant & Soil, 2003, 256（1）：67-83.

［2］呂劍,喻景權(quán).植物激素的作用機制［J］.植物生理學通訊, 2004, 40 （5）：624-628. Lü Jian, YU Jing-quan. Mechanism of auxin action［J］. Plant Physiology Communications, 2004, 40（5）：624-628.

［3］Han M M, Hu F, Wang K, et al. Effects of different kinds of exogenous auxin on the growth of rice roots under cadmium stress［J］. Agricultural Science & Technology-Hunan, 2010, 11（7）：45- 48.

［4］周建民,黨志,陳能場,等. 3-吲哚乙酸協(xié)同螯合劑強化植物提取重金屬的研究［J］.環(huán)境科學, 2007, 28（9）：2085-2088. ZHOU Jian-min, DANG Zhi, CHEN Neng-chang, et al. Ehanced phytoextraction of heavy metal contaminated soil by chelating agents and auxin indole-3-acetic acid［J］. Environmental Science, 2007, 28（9）：2085-2088.

［5］Altabella T, Chrispeels M J. Tobacco plants transformed with the bean alphaai gene express an inhibitor of insect alpha-amylase in their seeds ［J］. Plant Physiology, 1990, 93（2）：805-810.

［6］Hu Y F, Zhou G, Na X F, et al. Cadmium interferes with maintenance of auxin homeostasis in Arabidopsis seedlings［J］. Journal of Plant Physiology, 2013, 170（11）：965-975.

［7］Kanwar M K, Bhardwaj R, Arora P, et al. Plant steroid hormones produced under Ni stress are involved in the regulation of metal uptake and oxidative stress in Brassica juncea L.［J］. Chemosphere, 2012, 86（1）：41-49.

［8］Ranieri A, Castagna A, Scebba F, et al. Oxidative stress and phytochelatin characterisation in bread wheat exposed to cadmium excess ［J］. Plant Physiology and Biochemistry, 2005, 43（1）：45-54.

［9］胡擁軍,王海娟,王宏鑌,等.砷脅迫下不同砷富集能力植物內(nèi)源生長素與抗氧化酶的關系［J］.生態(tài)學報, 2015, 35（10）：3214-3224. HU Yong-jun, WANG Hai-juan, WANG Hong-bin, et al. The relationship between endogenous auxin and antioxidative enzymes in two plants with different arsenic-accumulative ability under arsenic stress［J］. ActaEcologica Sinica, 2015, 35（10）：3214-3224.

［10］向言詞,官春云,黃璜,等. 3-吲哚乙酸和水楊酸對芥菜型油菜耐受/積累鉛的影響［J］.湖南科技大學學報：自然科學版, 2008, 23 （4）：103-106. XIANG Yan-ci, GUAN Chun-yun, HUANG Huang, et al. The effect of indole-3-acetic acid and salicylic acid on tolerance and accumulation for lead in seedlings of Brassica juncea［J］. Journal of Hunan University of Science and Technology（Natural Science Edition）, 2008, 23（4）：103-106.

［11］Beffa R, Martin H V, Pilet P E. In vitro oxidation of indoleacetic acid by soluble auxin-oxidases and peroxidases from maize roots［J］. Plant Physiology, 1990, 94（2）：485-491.

［12］Srivastava M, Ma L Q, Singh N, et al. Antioxidant responses of hyperaccumulator and sensitive fern species to arsenic［J］. Journal of Experimental Botany, 2005, 56（415）：1335-1342.

［13］Forino L M C, Castiglione M R, Bartoli G, et al. Arsenic-induced morphogenic response in roots of arsenic hyperaccumulator fern Pteris vittata［J］. Journal of Hazardous Materials, 2012, 235/236（20）：271-278.

［14］韋朝陽,陳同斌,黃澤春,等.大葉井口邊草：一種新發(fā)現(xiàn)的富集砷的植物［J］.生態(tài)學報, 2002, 22（5）：777-778. WEI Chao-yang, CHEN Tong-bin, HUANG Ze-chun, et al. Cretan brake（Pteris cretica L.）：An arsenic-accumulating plant［J］. Acta Ecologica Sinica, 2002, 22（5）：777-778.

［15］Robinson B H, Lombi E, Zhao F J, et al. Uptake and distribution of nickel and other metals in the hyperaccumulator Berkheya coddii［J］. New Phytologist, 2003, 158（2）：279-285.

［16］Tu C, Ma L Q, Zhang W, et al. Arsenic species and leachability in the fronds of the hyperaccumulator Chinese brake（Pteris vittata L.）［J］. Environmental Pollution, 2003, 124（2）：223-230.

［17］張中峰,張金池,黃玉清,等.水分脅迫和接種菌根真菌對青岡櫟根系形態(tài)的影響［J］.生態(tài)學雜志, 2015, 5（5）：1198-1204. ZHANG Zhong-feng, ZHANG Jin-chi, HUANG Yu-qing, et al. Effects of water stress and mycorrhizal fungi on root morphology of Cyclobalanopsis glauca seedlings［J］. Chinese Journal of Ecology, 2015, 5（5）：1198-1204.

［18］張志良.植物生理學實驗指導［M］.三版.北京：高等教育出版社, 1990：34, 123. ZHANG Zhi-liang. Plant physiology experiment guidance［M］. Third edition. Beijing：Higher Education Press, 1990：34, 123.

［19］高俊鳳.植物生理學實驗指導［M］.北京：高等教育出版社, 2006：66-68. GAO Jun-feng. Plant physiology experiment guidance［M］. Beijing：Higher Education Press, 2006：66-68.

［20］Aebi H. Catalase in vitro［J］. Methods in Enzymology, 1984, 105：121-126.

［21］Durak I, Yurtarslanl Z, Canbolat O, et al. A methodological approach to superoxide dismutase（SOD）activity assay based on inhibition of nitroblue tetrazolium（NBT）reduction［J］. Clinica Chimica Acta, 1993, 214（1）：103-104.

［22］Liao J H, Li J M, Li Y F, et al. Analysis for measuring peroxidase activity in wheat seeds［J］. Research on Crops, 2014, 15（2）：352-357.

［23］Salisbury F B, Ross C W. Plant physiology［M］. Belmont, California：Wadsworth Publishing Company, 1992.

［24］Magidin M, Pittman J K, Hirschi K D, et al. ILR2, a novel gene regulating IAA conjugate sensitivity and metal transport in Arabidopsis thaliana［J］. Plant Journal, 2003, 35（4）：523-534.

［25］Xiang D F, Harberd N P. Auxin promotes Arabidopsis root growth by modulating gibberellin response［J］. Nature, 2003, 421（6924）：740-743.

［26］F?ssler E, Evangelou M W, Robinson B H, et al. Effects of indole-3-acetic acid（IAA）on sunflower growth and heavy metal uptake in combination with ethylene diamine disuccinic acid（EDDS）［J］. Chemosphere, 2010, 80（8）：901-907.

［27］Ouzounidou G, Ilias I. Hormone-induced protection of sunflower photosynthetic apparatus against copper toxicity［J］. Biologia Plantarum, 2005, 49（2）：223-228.

［28］Liu D, Li T, Yang X, et al. Enhancement of lead uptake by hyper-accumulator plant species Sedum alfredii Hance using EDTA and IAA［J］. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 2007, 78（3）：280-283.

［29］王學奎,黃見良.植物生理生化實驗原理與技術［M］.三版.北京：高等教育出版社, 2015：123-124. WANG Xue-kui, HUANG Jian-liang. Plant physiological and biochemical experiment principle and technology［M］. Third edition. Beijing：Higher Education Press, 2015：123-124.

［30］田俊霞,陳小玲,王威,等.不同濃度IAA和水楊酸對月季水生根系誘導的影響［J］.現(xiàn)代園藝, 2015, 9：16-19. TIAN Jun-xia, CHEN Xiao-ling, WANG wei, et al. The influence of different concentrations of IAA and salicylic acid on Rosa chinensis Jacq root induction［J］. Modern Gardening, 2015, 9：16-19.

［31］Altabella T, Palazon J, Ibarz E, et al. Effect of auxin concentration and growth phase on the plasma membrane H+-ATPase of tobacco calli［J］. Plant Science, 1990, 70（90）：209-214.

［32］張新蕊.生長素和赤霉素參與調(diào)節(jié)低磷脅迫下玉米根系形態(tài)的改變［D］.濟南：山東大學, 2011：15-16. ZHANG Xin-rui. Auxin and gibberellins involved in the changes of maize root morphology during phosphorous starvation［D］. Jinan：Shandong University, 2011：15-16.

［33］Verma S, Dubey R S. Lead toxicity induces lipid peroxidation and alters the activities of antioxidant enzymes in growing rice plants［J］. Plant Science, 2003, 164（4）：645-655.

［34］Gazaryan I, Lagrimini L, Ashby G, et al. Mechanism of indole-3-acetic acid oxidation by plant peroxidases：Anaerobic stopped -flow spec -trophotometric studies on horseradish and tobacco peroxidases［J］. Biochemical Journal, 1996, 313：841-847.

［35］Blaylock M J, Salt D E, Dushenkov S, et al. Enhanced accumulation of Pb in Indian mustard by soil-applied chelating agents［J］. Environmental Science & Technology, 1997, 31（31）：860-865.

中圖分類號：X171.5

文獻標志碼：A

文章編號：1672-2043（2016）05-0878-08

doi:10.11654/jaes.2016.05.009

收稿日期：2015-12-16

基金項目：國家自然科學基金項目（31360132）；云南省中青年學術和技術帶頭人后備人才項目（2012HB007）；昆明理工大學人才培養(yǎng)基金項目（KKZ3201222024）；國家國際科技合作專項（0S2014ZR0062）

作者簡介：和淑娟（1989—），女，云南麗江人，碩士研究生，主要從事污染與恢復生態(tài)學研究。E-mail：229358002@qq.com

*通信作者：王宏鑌E-mail：whb1974@126.com

Effects of indole-3-acetic acid on morphologic and physiological characteristics of root systems of plants with different arsenic-accumulating abilities under As stress

HE Shu-juan, WANG Hong-bin, WANG Hai-juan, ZHAO Bin, LI Qin-chun
（Faculty of Environmental Science and Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China）

Abstract：A hydroponic experiment was conducted to investigate the effects of indole-3-acetic acid（IAA）on growth, root morphology, root activity, root ATPase activity in cytoplasmic membrane, root antioxidative enzymes（superoxide dismutase SOD, catalase CAT and proxidase POD）, malondialdehyde（MDA, a peroxidation product of membrane lipids）content, and As accumulation in plants with different As-accumulating abilities. Arsenic hyperaccumulator（Pteris cretica var. nervosa）and non-hyperaccumulator（Pteris ensiformis）were exposed to 2 mg·L-1As（V）and different concentrations of IAA（0，10，20，40，and 60 mg·L-1）for 14 d. Results showed that biomass of two plants significantly increased in the presence of 20 mg·L-1IAA, compared with the control. At the 20 mg·L-1IAA treatment, As concentrations in fronds and petioles, root activity, and root ATPase activity in cytoplasmic membrane of P. cretica var. nervosa increased significantly, and were significantly higher than those in P. ensiformis. At 20～60 mg·L-1IAA treatments, the activities of three antioxidative enzymes（CAT, SOD and POD）in roots of P. cretica var. nervosa increased significantly, but the CAT activity decreased and SOD activities increased significantly inroots of P. ensiformis, in comparison with no IAA treatment. The POD activity showed no significant changes in the roots of P. ensiformis. The content of MDA in roots of both plants were significantly decreased by 20～40 mg·L-1IAA treatments. However, MDA content in the roots of P. cretica var. nervosa was significantly lower than that of P. ensiformis. Correlation analysis showed that As concentrations in roots of P. cretica var. nervosa were positively related with root activity, whereas no correlation was found between root As concentrations and root parameters in P. ensiformis. Therefore, As hyperaccumulation of P. cretica var. nervosa was attributed to its high root activities.

Keywords：indole-3-acetic acid; hyperaccumulator; arsenic; root system; root activity