IAA與KT對菊芋鎘富集和生理響應的影響

郭書亞，唐 可，王燕燕，楊顏裴，陳虹宇，倪曉菁，張佩佩，吳玉環(huán)，劉 鵬

(1.浙江師范大學植物學實驗室，浙江 金華 321004；2.杭州師范大學生命與環(huán)境科學學院，杭州 310036；3.中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所，沈陽 110016)

鎘(cadmium, Cd)是常見的重金屬污染物，隨著工業(yè)現(xiàn)代化的不斷推進，燃煤、冶煉、礦業(yè)開采等工程使大量鎘進入水體和土壤，造成局部地區(qū)鎘污染形勢嚴峻。土壤中鎘的遷移性、化學活性較強，易被植物吸收并產(chǎn)生毒害，其毒害作用表現(xiàn)在多個方面，如抑制根系生長、破壞葉綠體結(jié)構(gòu)、打破自由基產(chǎn)生與清除的動態(tài)平衡、損傷染色體、抑制細胞的有絲分裂等。不同植物的耐鎘性存在差異，耐性較強的植株可通過多種機制來抵抗或削弱鎘脅迫程度，從而維持正常生長，如提高抗性酶活、螯合鎘離子，將細胞內(nèi)鎘離子區(qū)域化等。改善土壤鎘污染刻不容緩，目前鎘污染修復主要有物理、化學、植物、微生物等多種修復技術(shù)，植物修復技術(shù)近年來獲得廣泛關(guān)注，具有成本低、原位、不破壞土壤結(jié)構(gòu)等優(yōu)點。因此，耐鎘性強、富集能力強的植物在修復重金屬污染方面具有較大的潛力。

吲哚乙酸(indole-3-acetic acid, IAA)和激動素(kinetin, KT)是植物激素的典型代表，前者可以調(diào)節(jié)生長發(fā)育和生理代謝過程，后者則在促進細胞擴增、誘導分化及延緩衰老中起著關(guān)鍵作用。外源激素的作用不只是單一調(diào)節(jié)，而是依賴于相互作用的復雜調(diào)控網(wǎng)絡。目前，利用植物激素調(diào)控作物非生物脅迫下的耐受性已經(jīng)展開大量研究，在耐鹽性、抗旱性、耐重金屬等方面均有報道。Bao等研究發(fā)現(xiàn)，IAA有效調(diào)節(jié)了鎘脅迫下東南景天(Hance)植株的地上部生物量、葉片葉綠素含量和酶活性，增強植株對鎘的吸收和轉(zhuǎn)運；Aldesuquy等研究證明，KT緩解了高粱((L.)Moench)遭受的鎘毒，提高葉片中光合色素含量和光合活性，且增加谷物的生物量?？芍参锛に卦谧魑锷L發(fā)育中起著必要的調(diào)控作用，可以增強對金屬脅迫的耐受性并促進吸收。

菊芋(L.)是菊科(Asteraceae)向日葵屬(L.)多年生宿根性草本植物，其生態(tài)適應性高，具有較強的耐旱能力。菊芋還具有藥用價值，提取出的菊糖可治療糖尿??；塊莖香甜可口，能作為蔬菜食用；其根系具有牢固的抓沙能力，在流動沙丘上長勢良好；同時發(fā)達的根系可編織成一層防護網(wǎng)絡，牢固保持地表層的水土。此外，菊芋也是一種能源植物，地上莖燃點高、熱量大，是農(nóng)村可利用的燃料，其塊莖經(jīng)微生物發(fā)酵可轉(zhuǎn)化為乙醇和碳氫燃料，同時，能夠作為原料制備氫能及多種化學品。菊芋具有鎘積累的潛力，雖然關(guān)于菊芋鎘富集的研究不少，但通過IAA和KT來增強菊芋對鎘脅迫的耐受性及其對鎘富集能力的研究還未見相關(guān)報道。因此，本項目以耐鎘型榆林菊芋和鎘敏感型成都菊芋作為試驗材料，通過預試驗，得到IAA和KT施用濃度，設置不同激素處理組，通過測定菊芋生長、生理生化及熒光特性等指標的變化，并分析不同條件下菊芋鎘富集能力，以期探明IAA與KT配合施用促進菊芋吸收鎘的作用機理及其內(nèi)部解毒機制，為多種外源激素協(xié)同改良植物修復鎘污染土壤技術(shù)的應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗于2019年7月1日至2021年5月30日在浙江師范大學化學與生命科學學院植物逆境生物學實驗室進行。以前期篩選出耐鎘性差異大的2個產(chǎn)地菊芋為試驗對比材料，分別對耐鎘型榆林菊芋和鎘敏感型成都菊芋進行鎘脅迫并外源噴施IAA和KT。

1.2 試驗設計

將2個產(chǎn)地菊芋塊莖用蒸餾水進行沖洗，選擇大小一致且芽眼較多的菊芋種于裝有石英砂的育苗穴盆中，1孔1塊，放置到恒溫光照培養(yǎng)箱進行萌發(fā)，白天溫度22 ℃，夜晚溫度18 ℃，光照12 000 lx，濕度調(diào)節(jié)至50%，每日上午8:00和下午5:00，各組沿著植物根部澆灌1/2 Hoagland營養(yǎng)液，待菊芋幼苗莖長至5～7 cm時，選取長勢相近的幼苗移盆至鎘含量為300 mg/kg的石英砂中，花盆高為16.5 cm，外口直徑25 cm，盆底墊濾紙防石英砂漏出，待菊芋幼苗長至4葉期時，葉片噴施外源IAA、KT，濃度分別對應4，8 mg/L，由二因素四水平正交試驗確定激素濃度。共設置5個處理組：CK(空白對照，無Cd)、T1(Cd)、T2(Cd+IAA)、T3(Cd+KT)及T4(Cd+IAA+KT)，每盆定植4株幼苗，每處理組設置3個重復，試驗重復3次。噴施后第10，20，30天進行相關(guān)生理指標的檢測，并在終期進行根系活力、切片觀察及鎘含量的測定，每個指標均重復測定3次。

1.3 項目測定與方法

1.3.1 生長特性測定 采用精度為0.05 cm的直尺測量幼苗株高，用蒸餾水洗去葉、根部殘留的沙子并吸干水分，然后用直尺測定主根長度；每株選擇多片功能葉，CanoScan4400F掃描儀掃描植物葉片，獲得TIF格式的葉面積圖，將其導入圖形分析軟件WinFOLIA中，直接讀取總?cè)~面積參數(shù)。

1.3.2 光合指標測定

(1)丙酮浸提比色法測定葉綠素含量；(2)PAM-210葉綠素熒光測定儀檢測葉綠素熒光參數(shù)，晚上7:00后進行試驗，黑暗條件下放置20 min，隨后測定獲得(初始熒光)、(非光化學猝滅系數(shù))，(PSII最大光化學量子產(chǎn)量或PSII原初光能轉(zhuǎn)化效率)、(光化學猝滅系數(shù))以及ETR(表觀電子傳遞速率)。

1.3.3 生理指標測定

(1)NBT光化還原法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性。各組取葉片0.2 g，放置于預冷的研缽中研磨成勻漿，并加入適當?shù)牧姿峋彌_液(PBS)，4 ℃下離心20 min以獲得酶提取液，按照一定比例和濃度配置反應混合液(甲硫氨酸、核黃素、EDTA-Na、氮藍四唑)，將酶提取液與反應液在溫度為25 ℃、光照4 000 lx的培養(yǎng)箱中反應20 min，隨后在560 nm波長下測定OD值；愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶(POD)活性，酶液提取方法同上，取0.2 g愈創(chuàng)木酚，用中性的PBS定容至100 mL，加熱攪拌使其溶解即得到反應混合液，470 nm波長下測定OD值；紫外吸收法測定過氧化氫酶(CAT)活性，酶液提取方法同上，取適量30%的過氧化氫，PBS定容至100 mL并搖勻，240 nm測定OD值。SOD、POD、CAT均40 s測1次，測定3次，嚴格控制反應時間。

(2)硫代巴比妥酸(TBA)法測量MDA含量。各組取葉片0.5 g，放置于預冷的研缽中研磨成勻漿并加入5 mL三氯乙酸(TCA)溶液，質(zhì)量分數(shù)為10%，4 ℃下離心10 min獲取上清液，取等體積的0.67% TBA與之反應，在450，532，600 nm波長下測定OD值。

(3)茚三酮顯色法測量Pro含量。各組取葉片0.2 g，研磨成勻漿并加入5 mL磺基水楊酸，質(zhì)量分數(shù)為3%，100 ℃水浴加熱10 min獲取Pro提取液，上清液、水、冰乙酸、2.5%茚三酮按照1∶1∶1∶2進行混合，水浴加熱40 min，冷卻后加入甲苯2 mL，振蕩后靜置分層，取上層液體于520 nm波長下測定。

(4)甲烯藍法檢測根系活力，用排水法測定根系體積，約10倍根系體積的0.000 2 mol/L甲烯藍溶液倒入燒杯中，洗凈擦干的根系并浸入燒杯中，放置約1.5 min，隨后取出根系并讓甲烯藍溶液回流至燒杯，各組吸取1 mL甲烯藍溶液且稀釋10倍，660 nm下測定吸光度，由標準曲線計算甲烯藍濃度。

1.3.5 鎘含量測定 各組菊芋植株的根、莖、葉分別進行烘干，加入液氮使之研磨充分，各器官取0.2 g樣品，用硝酸—氫氟酸進行消解，體積比為5∶1，原子熒光光譜儀測定鎘含量。富集系數(shù)=植物組織中鎘含量/石英砂中鎘含量；植物鎘提取效率=植物組織中鎘的累積量/(石英砂中鎘含量×石英砂質(zhì)量)；鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)=葉與莖中的鎘含量/根部鎘含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0統(tǒng)計軟件進行處理，通過單因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan法計算平均值和標準誤，分析顯著性差異(=0.05及=0.01)，利用Origin 8.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源IAA、KT對鎘脅迫下菊芋生長的影響

由表1可知，2個產(chǎn)地菊芋T1組(Cd)的株高伸長率、葉面積、根系伸長率及干重較CK處理均有所下降，榆林菊芋各指標降幅分別為61.75%，9.02%，8.16%，30.14%，成都菊芋降幅分別為30.51%，7.72%，53.38%，32.27%，表明鎘處理后2個產(chǎn)地植株的生長均受到抑制，但各指標的降幅存在明顯差異。將T2(Cd+IAA)、T3(Cd+KT)處理與T1處理對比得出，IAA與KT單獨噴施時可緩解菊芋鎘脅迫，2個產(chǎn)地菊芋在T2處理下的4個指標值高于T1處理，榆林菊芋增幅分別為185.60%，5.72%，214.64%，31.83%，成都菊芋增幅分別為48.93%，7.80%，219.82%，21.80%；T3處理各指標值高于T1處理，榆林菊芋4個生長指標的增幅分別為86.62%，3.62%，174.39%，13.12%，成都菊芋分別為188.90%，15.19%，386.77%，43.15%。可以看出，IAA對榆林菊芋的緩解效果較好，而KT則有利于鎘脅迫下成都菊芋的生長。IAA和KT同時噴施(T4)處理對鎘脅迫下植物的緩解效果最為理想，成都菊芋各指標增幅(與T1處理比較)分別為242.53%，23.87%，898.44%，55.73%，是榆林菊芋的1.21，2.47，2.19，1.19倍，外源激素IAA和KT更加適用于鎘敏感型成都菊芋。

表1 不同激素處理對鎘脅迫下菊芋生長的影響

2.2 外源IAA、KT對鎘脅迫下菊芋光合特性的影響

2.2.1 外源IAA、KT對鎘脅迫下菊芋葉綠素含量的影響 葉綠素是植物進行光合作用的重要色素，其含量的高低直接反映植株光合能力的強弱。由圖1可知，隨著脅迫時間的延長，榆林菊芋T4～T2處理的葉綠素含量先升后降，鎘敏感型成都菊芋T3～T2處理呈下降趨勢，其T1處理較CK降幅可達16.26%；而耐鎘型榆林菊芋能通過內(nèi)調(diào)節(jié)提高葉綠素的含量來緩解毒害，其T1處理較CK的增幅可達101.86%。處理30天時，榆林菊芋T2處理的葉綠素含量較CK增加132.52%，成都菊芋T2處理的葉綠素含量較CK增加16.45%；T4處理30天時，2個產(chǎn)地菊芋葉綠素含量較T1處理增幅分別為162.87%，82.36%。同時間下，IAA與KT共同噴施的緩解效果優(yōu)于單一噴施，榆林菊芋T4處理葉綠素含量較T1處理增長30.22%，成都菊芋T4處理葉綠素含量較T1處理增長114.39%。2個產(chǎn)地菊芋的葉綠素含量均在IAA、KT共同噴施20天時最高。因此，需要合理控制激素的作用時間。

注：圖中不同字母表示不同處理間差異顯著(p<0.05)。下同。

2.2.2 外源IAA、KT對鎘脅迫下菊芋葉綠素熒光特性的影響 單鎘處理10天時，2個產(chǎn)地菊芋T1組的(初始熒光)、(非光化學猝滅系數(shù))、ETR(表觀電子傳遞速率)較CK顯著升高(<0.05)，而(PSII最大光化學量子產(chǎn)量或PSII原初光能轉(zhuǎn)化效率)、(光化學猝滅系數(shù))明顯下降(表2)。30天時，榆林菊芋T1處理對應的5種熒光參數(shù)較CK處理變化不同，增加10.53%、、、及ETR的下降程度依次為3.14%，15.95%，7.22%，18.47%，表明鎘脅迫下植物進行了熱耗散，PSII結(jié)構(gòu)受到破壞，電子傳遞效率降低。外源IAA、KT同時噴施30天的緩解效果優(yōu)于單獨噴施，2個產(chǎn)地菊芋在T4～T2處理所測值均高于T1處理。T4處理條件下，榆林菊芋較T1處理增加46.03%，成都菊芋增加9.52%；榆林T4處理的與ETR較T1處理分別增加6.73%，24.06%，成都菊芋分別增加5.29%，7.92%，且T4處理的2個指標值總體高于T3～T1處理?？梢钥闯觯k破壞菊芋葉片PSII結(jié)構(gòu)，抑制電子傳遞效率，促進植物的熱耗散，外源激素可增強植物的逆境耐受能力，且IAA與KT共同噴施對鎘脅迫下榆林菊芋熒光特性的緩解效果優(yōu)于成都菊芋。

表2 不同激素處理對鎘脅迫下菊芋葉綠素熒光特性的影響

2.3 外源IAA、KT對鎘脅迫下菊芋Pro含量和MDA含量的影響

植株自身具有一定抗逆性，Pro和MDA含量是衡量其抗鎘能力的重要指標之一。由表3可知，激素噴施后鎘脅迫下菊芋的Pro有所增加，與T1處理相比，T2、T3處理中成都菊芋Pro含量均在處理30天時的增幅最大，分別為67.21%，90.08%，T4處理中，榆林菊芋在20天時增幅可達223.94%，成都菊芋為112.73%。鎘脅迫30天時，榆林菊芋T4～T2處理的Pro含量較T1處理的增長率分別為106.47%，70.82%，57.31%，成都菊芋分別為192.38%，90.08%，67.21%，后者的增長幅度明顯更大。此外，單鎘脅迫下MDA含量始終維持在較高水平，激素噴施后榆林菊芋、成都菊芋的降幅分別可達39.13%，38.35%，且在T4條件下處理30天時出現(xiàn)。MDA含量的變化趨勢與Pro相反，鎘處理30天后，榆林菊芋T4～T2處理降幅分別為39.13%，26.09%和28.26%，成都菊芋降幅分別為38.39%，33.93%，33.93%。綜上，適當IAA和KT處理能通過增加植株體內(nèi)Pro含量并減少MDA含量緩解鎘毒，以二者共同噴施使菊芋獲得更強的抗逆性。

表3 不同激素處理對鎘脅迫下菊芋Pro和MDA含量的影響 單位：μmol/g

2.4 外源IAA、KT對鎘脅迫下菊芋抗氧化酶的影響

抗氧化酶系統(tǒng)能有效抵抗脅迫下由活性氧自由基所造成的傷害，與植物抗逆性密切相關(guān)。由圖2～圖4可以看出，激素噴施后2個產(chǎn)地菊芋的抗氧化酶活性出現(xiàn)不同程度的變化，這與菊芋對鎘的耐受性有關(guān)。處理30天后，榆林菊芋T3、T2處理SOD活性的變化趨勢相同，較T1處理分別下降11.15%，11.04%，POD活性則分別增長42.54%，83.57%，CAT分別上升0.87%和1.65%；成都菊芋T3、T2處理的SOD活性分別提升13.81%，17.47%，POD活性分別增加30.99%，13.87%，CAT活性的增幅分別為12.05%，14.98%。受鎘毒害30天后，T3、T2處理中只有榆林菊芋的SOD活性降低，2個產(chǎn)地植株的CAT、POD活性均增加。榆林菊芋POD、CAT活性在T4處理下的增幅分別可達315.12%和400.72%，成都菊芋則分別為16.24%和368.91%。

圖2 各處理下菊芋SOD活性

圖3 各處理下菊芋POD活性

圖4 各處理下菊芋CAT活性

由此可得，IAA和KT共同噴施能提升菊芋清除自由基的能力，且不同產(chǎn)地菊芋在耐受性方面存在差異。

2.5 外源IAA、KT對鎘脅迫下菊芋根系活力的影響

植物根系是活躍的吸收合成器官，最先接受外界脅迫信號，根系活力能夠直接反映作物的生長情況和耐鎘能力。由圖5可知，T1處理下，榆林菊芋的根系活力較CK處理增長20.96%，成都菊芋的根系活力較CK處理下降16.06%；在T3、T2處理下榆林菊芋的根系活力最大增幅為31.14%，成都菊芋的根系活力最大降幅為11.18%，成都菊芋受鎘毒影響根系活力下降，單一激素噴施均能緩解根系損傷，且增強鎘脅迫下榆林菊芋的根系活力；激素共同噴施后，2個產(chǎn)地菊芋根系活力分別上漲39.00%，9.10%。各處理組中榆林菊芋的根系活力始終高于成都菊芋，單鎘脅迫下榆林菊芋的根系活力上升，成都菊芋的根系活力下降，IAA對植株鎘毒的緩解效果優(yōu)于KT?？梢?，IAA和KT共同噴施能有效緩解鎘對成都菊芋根系的毒害，且增強耐鎘型榆林菊芋的根系活力。

圖5 各處理下菊芋根系活力的變化

2.6 外源IAA、KT對鎘脅迫下菊芋莖橫切片的影響

莖是根和葉之間起輸導和支持作用的重要營養(yǎng)器官，在逆境條件下根部鎘含量增加使根系結(jié)構(gòu)受損，造成堵塞，阻礙水分運輸，因此，在顯微鏡下能觀察到莖橫切片髓部形成氣泡。從圖6可以看出，單一噴施外源激素后，榆林菊芋、成都菊芋黑色區(qū)域增幅可分別達85.19%，343.75%；T4處理下，2個產(chǎn)地植株黑色區(qū)域較T1處理分別擴增142.59%，700.00%，成都菊芋的擴增幅度遠大于榆林菊芋。由此得出，IAA和KT共同噴施后莖部水分運輸受阻愈發(fā)嚴重，推測激素促進菊芋根部對鎘的吸收，引起根系損傷，進而影響根系從環(huán)境中獲取水分。

圖6 不同激素處理對鎘脅迫下榆林菊芋、成都菊芋莖橫切片的影響

2.7 外源IAA、KT對鎘脅迫下菊芋鎘富集效能的影響

富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)表示鎘的累積和轉(zhuǎn)運，鎘提取效率則直觀表明植株的鎘富集能力。由表4可知，菊芋各器官鎘含量的大小依次為根>莖>葉。T4處理中，榆林菊芋鎘含量較T1處理增幅為21.05%～32.23%，成都菊芋鎘含量較T1處理增幅為20.29%～27.19%，均大于T2、T3處理。可見，外源激素增強菊芋的鎘富集能力，IAA與KT共同噴施后榆林菊芋的吸鎘能力明顯升高。T4處理下，2個產(chǎn)地菊芋的鎘富集系數(shù)分別為5.24～7.51，4.10～6.83，轉(zhuǎn)運系數(shù)均大于1。2個產(chǎn)地菊芋的鎘提取效率均在T4處理出現(xiàn)最大值，與T1～T3處理相比達到顯著水平(<0.05)，分別為6.05%，5.02%，榆林菊芋T4處理的鎘提取效率分別是T3～T1處理的2.52，1.70，3.29倍，成都菊芋T4處理的鎘提取效率分別是T3～T1處理的2.52，1.79，3.72倍。由此可知，IAA和KT共同噴施可增強菊芋鎘富集、轉(zhuǎn)運能力及鎘提取效率，且2種激素對2個產(chǎn)地菊芋的增強效果相近。

表4 不同激素處理對鎘脅迫下菊芋鎘富集效能的影響

3 討 論

3.1 外源IAA、KT對鎘脅迫下菊芋生長特性及光合特性的影響

鎘對植物的毒害作用直觀表現(xiàn)為阻抑生長發(fā)育，同時破壞葉綠體膜，改變?nèi)~綠素含量和熒光參數(shù)，限制光合作用的進行。Alyemeni等研究發(fā)現(xiàn)，鎘對植株的生長具有負面影響，同時鎘積累導致葉綠體結(jié)構(gòu)受損，從源頭遏制光合作用，阻礙有機物的合成，而外源激素能有效減輕毒害效果，本次試驗也得出相似結(jié)果。T1處理下菊芋的生長受到抑制，表現(xiàn)為株高伸長率、葉面積、根系伸長率及干重低于CK處理，葉片葉綠素含量降低，施用外源激素后則明顯升高，且在共同噴施時達到最大。IAA是植物體內(nèi)的一種內(nèi)源生長素，合成前體為色氨酸或非色氨酸物質(zhì)，主要通過吲哚乙醛氧化產(chǎn)生，在植物組織中常以結(jié)合態(tài)形式存在，能夠促進細胞伸長，其生理作用具有兩重性，與其濃度大小有關(guān)；KT是細胞分裂素的一種，具有促進細胞分裂、增加氣孔開度、延緩植物衰老的作用，二者具有高度的生理活性。植物可從環(huán)境中吸收外源激素，以調(diào)控自身生長及提高逆境耐受能力。單鎘脅迫下、顯著上升，、以及ETR呈降低趨勢，說明菊芋以增加熱耗散的方式釋放過剩的激發(fā)能，同時非生物脅迫抑制光化學能力、PSⅡ反應中心的開放程度降低和電子傳遞鏈受阻；外源激素處理后，與下調(diào)，、以及ETR升高，并在激素共同噴施下達到最高，進一步表明IAA和KT可緩解鎘脅迫，在一定程度上提升光合速率。熒光參數(shù)可用來分析光合速率在逆境下降低的原因，也能反映關(guān)于光合機構(gòu)的信息，張婷婷等研究不同濃度IAA對鎘脅迫下栝樓(Maxim.)熒光參數(shù)的影響發(fā)現(xiàn)，35 μmol/L的IAA能有效緩解鎘脅迫，提高光合電子傳遞效率及PSII反應中心的開放程度，這與本研究結(jié)果相同。綜上所述，施加一定濃度的IAA和KT有利于削弱鎘對葉片葉綠素濃度以及光系統(tǒng)的破壞和抑制程度，通過修復光反應中心活性，維持光合作用的正常進行，使菊芋長勢保持良好，但IAA與KT的交互作用復雜，闡明鎘脅迫下2種激素間的作用機制還有待研究。

3.2 外源IAA、KT對鎘脅迫下菊芋抗氧化系統(tǒng)及滲透調(diào)節(jié)的影響

植物在逆境條件下，活性氧(ROS)產(chǎn)生與清除的動態(tài)平衡被打破，導致細胞內(nèi)的過氧化氫、羥自由基、超氧陰離子等ROS大量爆發(fā)并積累，為了減少其對細胞結(jié)構(gòu)造成的氧化損傷，植物體內(nèi)演化出了一套抗氧化酶系統(tǒng)以清除過量的氧離子、過氧化物及含氧自由基。植物在逆境下可增強抗氧化酶基因的表達，王艷等研究發(fā)現(xiàn)，水稻能夠提高保護性酶活的表達水平以應對高溫脅迫，該響應機制與本研究相似，即鎘脅迫下SOD與CAT活性均有不同程度的提高，2種酶扮演的角色不同，SOD負責歧化超氧陰離子，生成過氧化氫，CAT則將過氧化氫催化分解為水和氧氣，從而清除ROS。本試驗中，鎘抑制菊芋的抗氧化酶活性，2種激素共同噴施后3種保護酶活性的增幅優(yōu)于單獨噴施，且2個產(chǎn)地菊芋變化幅度也存在明顯差異，這與植株對非生物脅迫的耐受性有關(guān)。此外，在鎘脅迫環(huán)境下，IAA與KT共同處理可激活SOD、POD和CAT活性，并使其生長狀況更快接近CK水平，這與吳東墨等在蜈蚣草((Linn.)Merr.)上的試驗結(jié)果相一致。菊芋葉片游離Pro和MDA含量的變化情況再次驗證了上述結(jié)論。已有研究發(fā)現(xiàn)，Pro在植物細胞體內(nèi)具有多種功能，可通過清除活性氧、保護抗氧化酶系統(tǒng)、維持水分平衡等多種方式緩解鎘毒，其含量積累有利于提高植株的非生物脅迫耐受性；MDA是膜脂過氧化的產(chǎn)物之一，它的產(chǎn)生能進一步加劇膜損傷。本試驗證明，菊芋在遭受鎘脅迫時，體內(nèi)Pro和MDA含量均大幅提升，在加入外源激素后MDA下降，而Pro則仍呈上升趨勢，2個指標在激素共同噴施下均達到最佳，且其效果隨著周期延長愈發(fā)明顯。綜上可知，IAA和KT可通過維持相對較高的Pro含量并啟動抗氧化系統(tǒng)以減弱細胞脂膜過氧化損傷程度來保護細胞完整，維持細胞正常生理活動，提高作物耐鎘性。

3.3 外源IAA、KT對鎘脅迫下菊芋根尖損傷及鎘富集、轉(zhuǎn)運的影響

根系活力與植株生長密切相關(guān)，是反映根部活性和植株耐受性的重要參考指標。李萍等研究發(fā)現(xiàn),噴施KT能增強玉米幼苗的根系活力和生物量，提升其對土壤中鎘的提取效率。本次試驗也呈現(xiàn)出相似結(jié)果，IAA和KT使鎘脅迫下菊芋的根系活力上升，較單一施用效果更佳。莖具有輸導營養(yǎng)物質(zhì)和水分的功能，根系直接與外界環(huán)境接觸，其結(jié)構(gòu)受損將導致莖部缺水，從而影響植物的正常生長。Shen等研究指出，植物在非生物脅迫下導管發(fā)生栓塞，形成大量氣泡，此時植物處于缺水狀態(tài)，重新濕潤切片可使氣泡先伸展，然后塌陷消失，從而修復導管栓塞。本研究得出，4 mg/L IAA、8 mg/L KT共同噴施使得菊芋莖橫切片的氣泡數(shù)目明顯增多，這說明植物激素共同噴施不能修復鎘毒對菊芋莖部造成的栓塞，但能改善根系統(tǒng)，以增強吸收重金屬的能力，從而幫助菊芋有效應對鎘脅迫環(huán)境并強化其富集能力，這很可能是超富集植物在重金屬污染地區(qū)生存的內(nèi)部保護機制。

已有研究發(fā)現(xiàn)，苧麻((L.)Gaudich.)、狼把草(L.)、楊樹(spp)等植物耐鎘性強，且它們的鎘吸收能力存在差異，這與其自身的遺傳特性有關(guān)。根部較其他器官往往吸收更多重金屬，菊芋具有根系發(fā)達、生物量大、易種植等特點，因此，選擇2個耐鎘差異大的植株進行對比試驗，結(jié)果得出，2個產(chǎn)地菊芋各組的鎘含量情況都表現(xiàn)為根>莖>葉，根部直接吸收營養(yǎng)物質(zhì)和水分，其鎘含量最高，莖次之。榆林菊芋各器官的鎘含量、富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運系數(shù)和提取效率均高于成都菊芋，這也進一步證明該地區(qū)植株的鎘富集能力和耐鎘性強，且外源IAA、KT噴施后榆林菊芋植株根、莖、葉的鎘含量、富集系數(shù)等均達到最大值，這與Liang等探索得出IAA和草酸(OA)聯(lián)合施用有效增強植物對鎘、鉛吸收的結(jié)論相似，該文也指出，植物激素共同處理效果大于單一噴施。植物能調(diào)節(jié)自身的內(nèi)源激素水平以緩解重金屬脅迫，外源噴施激素同樣可提高植物的逆境耐受性，IAA和KT通過保護菊芋根系，提高抗氧化能力，減少MDA含量，促進Pro生成及光合系統(tǒng)修復等途徑，以維持菊芋在鎘環(huán)境中生長并達到吸附目的，但IAA、KT單獨及共同作用下提高菊芋耐受鎘毒的相關(guān)機制及其對植物修復效率的影響還需要更為深入的研究。菊芋具有食用、藥用和飼用價值，是一種人畜共用作物。此外，菊芋還是一種能源植物，從中提取出的菊糖加工后發(fā)酵可產(chǎn)生酒精，同時地上莖曬干后燃點高，是農(nóng)村地區(qū)很好的燃料。綜上可知，在鎘污染地區(qū)種植能源植物菊芋，同時施用IAA、KT(濃度對應4，8 mg/L)以促進菊芋的鎘富集能力，這不僅改善重金屬污染環(huán)境，而且還兼具經(jīng)濟效益。

4 結(jié) 論

(1)300 mg/kg鎘脅迫下，2個產(chǎn)地菊芋生長特性、光合特性均受到不同程度的抑制，株高伸長率、葉面積、根系伸長率及干重顯著降低(<0.05)。4 mg/L IAA、8 mg/L KT最適配比噴施可有效緩解植株受到的鎘脅迫，生長30天后，成都菊芋各指標普遍高于榆林菊芋；榆林菊芋植株與ETR增幅分別是成都菊芋的1.29，3.04倍；榆林菊芋和成都菊芋的葉綠素增長率分別為30.22%，114.39%，從生長情況及葉綠素含量變化來看，IAA與KT對成都菊芋的緩解效果優(yōu)于榆林菊芋。

(2)抗氧化酶系統(tǒng)與植物的抗逆性密切相關(guān)，可清除ROS以減少其對細胞造成的氧化損傷，Pro同樣具有此功能。鎘脅迫30天后，榆林菊芋、成都菊芋T2、T3處理的CAT、POD活性均增加，T4處理下，2個指標均可達最大值，且2個產(chǎn)地菊芋相差298.88%，31.81%。Pro在T4處理達最大增幅；而MDA在T4處理的降幅大于T2、T3處理，說明IAA和KT可通過維持相對較高的Pro含量，并啟動抗氧化系統(tǒng)以減弱細胞脂膜過氧化損傷程度來保護細胞完整，維持細胞正常生理活動，提高作物耐鎘性。

(3)鎘脅迫造成菊芋根系損傷，阻礙水分運輸，2個產(chǎn)地菊芋T4處理的根系活力分別提高39.00%，9.10%，增幅大于T2、T3處理；鎘含量均表現(xiàn)為根>莖>葉，IAA與KT單獨使用均可促進菊芋對鎘的吸收，但兩者共同噴施的效果更佳，且T4處理的富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運系數(shù)及提取效率均高于其他處理，進一步表明外源激素能夠通過增強根系活力等途徑，幫助菊芋有效應對逆境并強化其富集和轉(zhuǎn)運能力。