植物激素協(xié)同螯合劑對蓖麻修復Cd污染土壤的影響

王沛琦,胡學禮,趙明輝,胡尊紅,楊 謹,劉旭云,李文昌

(1.云南省農業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所,昆明 650205;2.衡水京華化工有限公司,河北 衡水 053000)

【研究意義】鎘(Cd)具有極高的生物毒性以及植物可利用性,可對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生極大的破壞作用[1-2]。隨著工業(yè)、農業(yè)的迅猛發(fā)展,尤其是污水灌溉、農藥化肥的大量施用和采礦及冶煉產(chǎn)生的尾礦堆經(jīng)風化、雨淋流出的廢液、廢渣等使得中國土壤中Cd的點位超標率已達7.0%,成為了目前最突出的土壤重金屬污染物,嚴重威脅糧食生產(chǎn)安全,直接危害人類健康[3-4]。因此,如何對Cd污染土壤進行治理具有重要的研究價值?！厩叭搜芯窟M展】植物修復礦區(qū)污染農田是一個漫長的過程,如何提高植物修復效率是目前研究的熱點。目前提高植物修復效率的措施主要有添加改良劑、施肥、改善栽培措施以及基因改良等[5]。通過添加螯合劑(EDTA)可以提高植物對重金屬Cd的耐性,促進植物對Cd的吸收,但螯合劑存在潛在環(huán)境風險,同時對植物的脅迫作用會抑制植物的生長發(fā)育[6]。研究發(fā)現(xiàn)進行螯合誘導植物提取重金屬的同時,施加外源激素可以有效緩解重金屬及螯合劑對植物的脅迫作用,促進植物生長發(fā)育,提高植物提取效率。Tammam等[7]研究發(fā)現(xiàn),赤霉素(GA3)、吲哚乙酸(IAA)與EDTA聯(lián)合,緩解了EDTA對植物生長的負面影響,并顯著增加了根對鉛的吸收量。Jan等[8]研究發(fā)現(xiàn),GA3、IAA與EDTA聯(lián)合施用,顯著促進了豚草的生長和Cd的提取,與對照相比每株豚草Cd含量提高了6.72 mg。陳明威等[9]研究表明低濃度ABA可以促進茴香植株生長,促進其對Cd的吸收。李波[10]研究了EDTA與IAA、萘乙酸(NAA)對龍葵等植物鎘富集能力的影響,發(fā)現(xiàn)二者聯(lián)合施用能減緩螯合劑對植物的毒害,同時對植物的鎘富集能力有較大的促進作用?！颈狙芯壳腥朦c】近些年來,研究者們發(fā)現(xiàn)了大批高效吸收、轉移和清除Cd的超富集植物,如天藍遏藍菜[11]、寶山堇菜[12]、龍葵[13]等,但這些超積累植物往往存在個體矮小、生長緩慢、生物量低、修復周期長等問題,導致修復效果不夠明顯。蓖麻(RicinuscommunisL.)是一種富集及耐Cd能力強、經(jīng)濟價值高的能源作物,同時具有根系廣、生物量大、可宿生的特點及很強的耐旱、耐貧瘠能力,在土壤Cd污染修復及礦區(qū)生態(tài)恢復中具有很高的應用價值和開發(fā)潛力[14-15]。目前有關螯合劑聯(lián)合植物激素,緩解螯合劑及重金屬對植物損傷和強化蓖麻萃取土壤中重金屬Cd的研究還未見報道。【擬解決的關鍵問題】本研究通過盆栽試驗,研究螯合劑(EDTA)協(xié)同外源激素(IAA、ABA)對蓖麻富集Cd的強化效果,以期為中國Cd污染農田修復提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

用于試驗的土壤取自云南省農業(yè)科學院富民基地耕地表層(0～20 cm)的紅壤土,風干后測定其基本理化性質:pH 5.48,有機質36.50 g/kg,全氮0.165%,全磷0.108%,全鉀0.329%,水解性氮162.80 mg/kg,有效磷38.06 mg/kg,速效鉀371.00 mg/kg,總Cd0.31 mg/kg。

1.2 供試材料

供試的改良劑為植物激素IAA及ABA,螯合劑為EDTA,均購買于賽捷生物科技有限公司。供試植物為宿生蓖麻品種滇蓖2號,來自云南省農業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所。

1.3 試驗設計

2020年在云南省農業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所溫室進行盆栽試驗。選用直徑80 cm、高60 cm的塑料花盆,每盆裝過篩、風干土20 kg,以分析純CdCl2·2.5 H2O為處理劑,試驗土壤重金屬Cd含量為 100 mg/kg。CdCl2·2.5 H2O與風干土充分混勻裝盆后,靜置絡合20 d。選取成熟飽滿的蓖麻種子經(jīng)次氯酸鈉消毒后用溫水浸泡24 h,將其播種于不添加Cd的育苗基質中,待蓖麻出苗生長15 d后移入絡合好的、Cd含量為100 mg/kg的盆中,30 d后進行不同外源激素協(xié)同螯合劑處理,IAA及ABA采用葉面噴施方式,EDTA采用根部施加方式。外源激素IAA、ABA的濃度各采用5、10、20 mg/kg 3個濃度梯度。研究表明高濃度EDTA會嚴重抑制蓖麻地上部生長甚至導致其死亡,5 mmol/kg EDTA能夠提高蓖麻重金屬吸收率,達到較好的修復效果[16],故本研究螯合劑EDTA濃度設為5 mmol/kg;以不添加外源激素、EDTA及噴施清水為對照(CK),具體試驗設置見表1。共設置10個處理,每個處理重復3次,每個重復1盆,每盆3株植株。處理30 d后收獲。

表1 試驗處理方案Table 1 Test treatment

1.4 測定方法

1.4.1 生物量測定 對蓖麻株高進行測量,分根、莖、葉采收,先用自來水沖洗,然后用去離子水沖洗干凈,濾紙吸干水分,烘箱105 ℃殺青1 h后,75 ℃烘干至恒重并進行蓖麻樣品干重稱量。

1.4.2 樣品Cd含量測定 每個重復取根際土樣2 kg,土樣自然風干后過篩,待測;植物樣品研磨粉碎后過篩,待測。植物樣品及土樣加入濃硝酸-高氯酸(v∶v=4∶1),采用混合酸濕法消化,消化液中Cd含量采用原子分光光度計火焰吸收法進行測定[17],測定儀器型號為AA240Z(美國安捷倫)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)以下公式計算植株Cd積累量及轉運系數(shù)。

地上部分Cd積累量(mg/株)=地上部分生物量×地上部分Cd含量

根部Cd積累量(mg/株)=根部生物量×根部Cd含量

轉運系數(shù)=地上部分Cd含量/根部Cd含量

土壤Cd提取率(%)=整株Cd積累量/(污染土壤Cd含量×污染土壤質量)x100

采用Excel 2007進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計及作圖,SPSS 20.0對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對蓖麻生長的影響

本研究對不同處理下蓖麻株高和生物量等進行測量,結果如表2所示,與處理1(CK)相比,在單純植物激素處理下,蓖麻株高及干重增加;與單純添加EDTA相比,EDTA與植物激素配合施用處理下的蓖麻株高及干重也增加。每個處理對蓖麻株高和生物量的影響不一致,各處理間差異顯著,在所有處理中,處理4(IAA 10 mg/kg)的蓖麻株高最高、地下部分及地上部分干重最重,分別較處理1(CK)增加17.88%、16.18%及18.79%;其次是處理3(ABA 10 mg/kg),分別較處理1(CK)增加7.88%、7.99%及5.28%;處理2(EDTA 5 mmol/kg)的株高及生物量最低,分別較處理1(CK)降低14.89%、18.84%及23.11%。

表2 不同處理對蓖麻株高和生物量的影響Table 2 Effects of different treatments on plant height and biomass of R.communis

2.2 不同處理下蓖麻對Cd吸收的影響

由圖1可以看出,與處理1(CK)相比,單獨添加螯合劑以及螯合劑與植物激素配合施用均能夠提高蓖麻植株體內的Cd含量;根、莖、葉中鎘積累量的變化范圍分別為33.59～69.45、18.99～35.00、5.96～48.23 mg/kg。單獨施用EDTA(處理2)時,蓖麻根中Cd含量與處理1(CK)差異不顯著,而莖、葉中Cd含量均高于處理1(CK),提高幅度分別為16.01%、279.53%,且莖、葉含量與處理1(CK)相比差異顯著(P<0.05);單獨施用ABA(處理3)時,蓖麻根、莖、葉中Cd含量與處理1(CK)相比差異不大;單獨施用IAA(處理4)時,蓖麻根、莖、葉中Cd含量均高于處理1(CK),提高幅度分別為12.99%、6.84%和26.81%,且根、葉中Cd含量與處理1(CK)差異顯著(P<0.05);同時施加螯合劑和植物激素處理時,蓖麻根、莖、葉中Cd含量均高于處理1(CK),與處理1(CK)比較差異顯著(P<0.05);其中表現(xiàn)最好的為處理6(EDTA 5 mmol/kg + IAA 10mg/kg),根、莖、葉Cd含量分別為69.45、35.53、48.23 mg/kg,較處理1(CK)分別提高105.90%、76.15%和524.74%。另外,蓖麻各器官對Cd吸收量在處理2、處理5、處理6及處理8下均呈現(xiàn)出根>葉>莖,其余處理均呈現(xiàn)出根>莖>葉。

不同小寫字母表示同一指標在不同處理下差異顯著(P<0.05)。下同。Different lowercase letters indicate the significant difference in the same index under different treatments (P<0.05).The same as below．圖1 不同處理下蓖麻的Cd含量Fig.1 Cd content in R.communisunder different treatments

2.3 不同處理對蓖麻Cd富集能力的影響

從表3可以看出,不同處理下地上部的Cd積累量遠遠高于根部的Cd積累量。與處理1(CK)相比,處理2(EDTA 5 mmol/kg)的蓖麻地上部分及整株的Cd積累量均顯著增加,分別為0.95、1.05 mg/株,而根部Cd積累量顯著減少。蓖麻根部、地上部及整株的Cd積累量,處理3與處理1(CK)差異不顯著;處理4與處理1(CK)相比顯著增加。EDTA與IAA配施、EDTA與ABA配施與處理1(CK)及單一施加EDTA處理相比,Cd積累量總體呈增加趨勢,其中處理6(EDTA 5 mmol/kg+IAA 10 mg/kg)的根部、地上部及整株Cd積累量在所有處理中最大,分別為0.26、2.06及2.32 mg/株,較處理1(CK)分別提高116.67%、390.48%和329.63%;其次是處理8(EDTA 5 mmol/kg+ABA 5 mg/kg),分別為0.24、1.85及2.10 mg/株,較處理1(CK)分別提高100%、340.48%和288.89%。綜上所述,單施EDTA及EDTA與一定濃度植物激素配施均能增加蓖麻的Cd積累量,且EDTA與一定濃度植物激素配施效果更好。

轉運系數(shù)可以很好地反映不同處理組合對蓖麻轉運Cd能力的影響,轉運系數(shù)即植物地上部分重金屬含量與地下部分重金屬含量之間的比值。從表3可以看出,EDTA處理、EDTA協(xié)同植物激素處理均顯著提高了蓖麻對Cd的轉運系數(shù)。除處理1(CK)、處理3(ABA 10 mg/kg)、處理4(IAA 10 mg/kg)外,其余處理對鎘的轉移系數(shù)均大于1,其中處理7(EDTA 5 mmol/kg + IAA 20 mg/kg)的轉移系數(shù)最大,為2.68;處理3(ABA 10 mg/kg)的轉移系數(shù)最小,為0.74。

表3 不同處理對Cd積累量的影響Table 3 Effects of different treatments on Cd accumulation

2.4 不同處理對Cd污染土壤的凈化作用

從圖2可以看出,EDTA、IAA單施及EDTA與植物激素配施都不同程度提高了蓖麻對土壤中Cd的提取效率,單施ABA效果不明顯。單施IAA(處理4)時,提取率由0.27%增加到0.36%。單施EDTA(處理2)時,提取率由0.27%增加到0.53%。EDTA與IAA配施(處理5、6、7)時,隨著IAA濃度的增加,土壤Cd提取率先增加后降低,當IAA濃度為10 mg/kg時提取效率最高,為1.16%;當IAA濃度為5 mg/kg時提取效率最低,為0.65%,3個處理均顯著高于處理1(CK)(P<0.05)。EDTA與ABA配施(處理8、9、10)時,隨著ABA濃度的增加,土壤Cd提取率逐漸降低,當ABA濃度為5 mg/kg時提取效率最高,為1.05%;當ABA濃度為20 mg/kg時提取效率最低,為0.56%,3個處理均顯著高于處理1(CK)(P<0.05)。

圖2 不同處理對污染土壤Cd提取率的影響Fig.2 Effect of different treatments on soil Cd phytoextraction rate

3 討 論

3.1 IAA、ABA和EDTA對蓖麻生長的影響

生物量是評價植物修復重金屬污染能力大小的一個關鍵因素,主要是株高、干重等指標。本研究對不同處理下蓖麻長勢、株高、地下部分及地上部分干重進行觀察測量,發(fā)現(xiàn)蓖麻在本試驗條件下可以正常生長,不同處理間有一定差異,但沒有明顯的重金屬中毒現(xiàn)象;在單純植物激素IAA或ABA處理下,蓖麻株高及干重均有所增加,尤以IAA處理下的增加最多,這與其施用在東南景天、玉米等作物上的研究結果相一致[18-19],其原因可能是IAA不僅能緩解重金屬及螯合劑對植物的毒害,還能促進細胞分化和伸長,而ABA雖然可以增強植物抗逆性、緩解逆境脅迫帶來的損傷,但是可能會引起植物氣孔關閉及抑制植物生長,從而導致ABA在促進蓖麻生長方面效果沒有IAA顯著;陳晶[20]研究表明,高濃度植物激素會抑制蓖麻生長,可能是由于過高濃度植物激素會干擾正常的蛋白質和核酸代謝過程,從而使植物生長減緩。在單純添加EDTA的處理下,較處理1(CK)、單施植物激素及其與植物激素配施,蓖麻生物量有所降低,說明植物激素配施螯合劑可以緩解螯合劑及重金屬對植物的損傷,提高植株生物量,這與劉金等[21]對苧麻的研究結果相一致,但與張雅睿等[22]對蒼耳的研究結果不一致,這可能與不同物種對螯合劑處理的反應程度不同有關。在所有處理中,處理4(IAA 10 mg/kg)的蓖麻株高最高、地下部及地上部干重最重,分別為處理1(CK)的1.18、1.16和1.19倍。

3.2 IAA、ABA和EDTA對蓖麻Cd吸收的影響

施加適量植物激素及螯合劑,可以提高土壤重金屬有效性,增加植物各部位的Cd含量,這已經(jīng)在許多研究中得到證實[23-24],本研究也得到了相似的結論。單獨添加EDTA時蓖麻根部重金屬含量稍低于處理1(CK),但地上部含量顯著高于處理1(CK),約為處理1(CK)的3倍,這是因為EDTA作為最常用的螯合劑,與金屬離子螯合使重金屬的溶解度增加,從而增加重金屬在根系的擴散范圍,提高生物有效性,有利于蓖麻吸收富集重金屬,導致地上部分重金屬含量增加[25-27]。IAA單獨施用或EDTA與IAA聯(lián)合施用,蓖麻根部及地上部的Cd含量相較于處理1(CK)總體呈現(xiàn)不同程度的提高,這可能是IAA促進了蓖麻組織生長,調節(jié)了根形態(tài)及根際生態(tài)環(huán)境,從而影響了土壤中有效態(tài)Cd的吸收[28]。

3.3 IAA、ABA和EDTA對蓖麻Cd積累的影響

重金屬積累總量與植物對重金屬的吸收能力、植物的生物量緊密相關。在本研究中,單施IAA使蓖麻地上部分及地下部分Cd積累量較處理1(CK)提高,但轉移系數(shù)較處理1(CK)下降,進一步驗證IAA促進蓖麻地上部分Cd積累主要是因為IAA促進蓖麻組織生長,而不是提高蓖麻根系向上轉運Cd的效率。單施ABA,蓖麻根部Cd積累量較處理1(CK)有所增加,地上部及轉移系數(shù)較處理1(CK)均有所下降,這表明ABA處理能降低植物地上部Cd的積累,并在一定程度上緩解Cd對蓖麻植株的毒害作用[29-30]。單施EDTA及EDTA與植物激素配施處理均能增加蓖麻地上部分及整株的Cd積累量,但EDTA與植物激素配施效果更好,這與周建明等[31]對玉米的研究結果相似,EDTA協(xié)同IAA處理玉米地上部分對重金屬Cd的積累效果優(yōu)于單獨施用EDTA。其原因可能是配施的植物激素有利于細胞分裂,可以更好地促進金屬螯合物向植物細胞中的液泡和細胞壁移動,在螯合劑促進植物吸收更多重金屬時緩解了重金屬或螯合劑對植物的毒性,使植物的生長發(fā)育不受到明顯傷害[32]。同時EDTA處理及EDTA協(xié)同植物激素處理也顯著提高了蓖麻對Cd的轉運系數(shù),這與張玉芬等[33]的研究結果一致。

3.4 IAA、ABA和EDTA對Cd污染土壤的凈化

植物對土壤中Cd的提取效率大小可以反映植物對Cd污染土壤的修復效果[34-35]。本研究中EDTA與植物激素配施比單施EDTA或植物激素對蓖麻提取土壤中Cd的強化作用更強,與上述蓖麻對Cd的富集能力研究結果相一致。

綜上所述,單獨施用螯合劑強化植物修復,雖能顯著提高修復效率,但其具有毒性較高、不易降解、價格較貴等缺點;單獨施用植物激素強化植物修復,修復效率提高不顯著;本研究采用植物激素協(xié)同螯合劑強化植物修復的方法,可以將其優(yōu)缺點互補,在提高植物富集重金屬能力的同時緩解螯合劑及重金屬對植物的傷害,保證生物量不降低或降低最少,以達到提高重金屬總富集量及兼顧環(huán)境保護的目的。但本研究還處在實驗室模擬階段,未對機理方面進行深入研究,下一步應加強對土壤田間植物修復及修復機理方面的研究,為植物修復重金屬污染土壤技術應用于大規(guī)模重金屬污染土壤治理提供理論依據(jù)。

4 結 論

(1)單獨施用植物激素可以促進蓖麻生長,單獨施用EDTA對蓖麻生長有一定的抑制作用。

(2)單獨施用EDTA、IAA及EDTA與IAA、ABA聯(lián)合施用可增加蓖麻對土壤中Cd的吸收,其中IAA和EDTA聯(lián)用的效果比ABA和EDTA聯(lián)用更好。EDTA與IAA聯(lián)用處理蓖麻整株Cd積累量較處理1(CK)增加329.63%,EDTA與ABA聯(lián)用處理蓖麻整株Cd積累量較處理1(CK)增加288.89%。

(3)EDTA單施及EDTA與植物激素配施都不同程度提高了蓖麻對土壤中Cd的提取效率。單施EDTA時,提取率為0.53%。EDTA與10 mg/kg IAA配施時提取效率為1.16%;EDTA與5 mg/kg ABA配施時提取效率為1.05%。植物激素協(xié)同螯合劑能有效地提升Cd污染土壤植物修復效率。