植物激素與螯合劑復(fù)合處理對(duì)鎘脅迫下馬齒莧發(fā)育和修復(fù)效果的影響

郭夢(mèng)露，李建奇，魯 豫

（菏澤學(xué)院 農(nóng)業(yè)與生物工程學(xué)院/植物生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 菏澤 274015）

重金屬排放到環(huán)境中，嚴(yán)重污染了環(huán)境水體和土壤，其中，有高毒性和潛在致癌性的鎘（Cd）是污染超標(biāo)率最高的重金屬，可通過植物吸收、積累、富集后經(jīng)過食物鏈進(jìn)入人體，從而對(duì)人體健康造成威脅[1-2]。Cd 脅迫對(duì)植物生長發(fā)育有明顯的抑制和毒害作用，可通過抑制種子中的淀粉酶、蛋白酶活性影響淀粉和蛋白質(zhì)的分解，從而對(duì)種子萌發(fā)產(chǎn)生影響[3]。因此，有必要采取不同技術(shù)措施對(duì)Cd 污染進(jìn)行有效修復(fù)。植物修復(fù)技術(shù)以成本低、不引入二次污染等優(yōu)勢(shì)而前景廣闊，其修復(fù)效率主要取決于植物生物量和累積重金屬的能力，選擇生物量大、富集量大的植物即超富集植物以及添加外源激素可以大幅提高植物修復(fù)效率[4-10]。因此，尋找既能提高超富集植物對(duì)Cd 的吸收，又能緩解Cd 對(duì)植物本身毒害的適宜方法顯得尤為重要。

眾多研究結(jié)果表明，植物激素能增大重金屬的植物提取率，提高種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率，增強(qiáng)幼苗的抗逆性，促進(jìn)其生長發(fā)育[11-13]。趙書晗等[14]用20 mg/L的生長素（IAA）處理2種不同砷（As）富集能力的植物后發(fā)現(xiàn)，IAA 可使植物既保持正常生長又能超量富集As，植物生物量和葉片As 含量均顯著增加。FASSLER[15]研究發(fā)現(xiàn)，低濃度IAA 處理可有效促進(jìn)向日葵生長，同時(shí)葉片中鉛（Pb）和鋅（Zn）含量顯著提高。MARCHA 等[16]研究發(fā)現(xiàn)，噴施細(xì)胞分裂素（6-BA）能顯著提高三葉鬼針草根部和葉片的生物量，提高重金屬提取效率。HADI等[17]用IAA 噴施玉米葉片后發(fā)現(xiàn)，玉米生長受到促進(jìn)，生物量顯著增加，其對(duì)Pb的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)能力也顯著增強(qiáng)。這可能是由于IAA 能夠促進(jìn)植物細(xì)胞分裂和分化，增強(qiáng)植物根系生長，促進(jìn)植物對(duì)土壤營養(yǎng)物質(zhì)和污染物質(zhì)的吸收[18]。HADI 等[19]研究受Pb 污染的土壤時(shí)發(fā)現(xiàn)，葉面噴施10-6mol/L 赤霉素（GA）可增加玉米株高、根長以及地上部和地下部干質(zhì)量，促進(jìn)玉米單株對(duì)Pb 的吸收。GANGWAR 等[20]研究豌豆受鉻（Cr）污染的情況時(shí)發(fā)現(xiàn)，施用濃度為0.01 mmol/L 的GA 可增加豌豆種子的萌發(fā)率，增大生物量。ZHENG 等[21]研究水楊酸（SA）對(duì)水田芥的生長和Cd修復(fù)能力的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，添加100、150、200 mg/L 的SA 可增加水田芥根部、莖部生物量，提高根系Cd含量、地上部Cd含量。

EDTA 是一種常見的螯合劑，其對(duì)重金屬離子具有較強(qiáng)的螯合力，在土壤中施用EDTA 可促進(jìn)土壤重金屬成為可溶態(tài)，從而有效增加重金屬的生物利用度，強(qiáng)化植物修復(fù)效率[22-24]。劉亮等[25]的研究表明，EDTA 促進(jìn)了欒樹對(duì)錳（Mn）、Pb 的吸收。吳秋玲等[26]的研究表明，添加EDTA 有利于提高Pb 脅迫下黑麥草的修復(fù)效果。武慧斌等[27]的研究表明，添加EDTA 有利于銅（Cu）脅迫下向日葵對(duì)Cu 的吸收累積。覃勇榮等[28]指出，EDTA 具有促進(jìn)桑樹和任豆幼苗吸收重金屬Pb 的作用。李鳳玉等[29]也指出，EDTA 具有增加商陸和胭脂草地上部Mn 含量、提高M(jìn)n從土壤中向植物地上部轉(zhuǎn)移的能力。

利用植物進(jìn)行重金屬污染修復(fù)方面，同時(shí)關(guān)注植物修復(fù)效果及自身生長發(fā)育的研究較少[21]，關(guān)于植物激素和螯合劑共同添加后其復(fù)合處理效果的研究也未見報(bào)道。超富集草本植物馬齒莧（Portulaca oleraceaL.）為石竹目、馬齒莧科的大花馬齒莧，為1年生草本植物，其生命力強(qiáng)，生物量大，對(duì)環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)[30-31]。鑒于此，以馬齒莧為材料，研究其在Cd 脅迫條件下，被植物激素（IAA、GA、SA）和螯合劑EDTA 復(fù)合處理后種子的萌發(fā)情況和幼苗的生長狀況，以及植株各部分對(duì)Cd 的吸收富集情況，旨在為強(qiáng)化Cd 污染植物修復(fù)效果并緩解Cd 對(duì)植株的毒害作用提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用馬齒莧種子購于山東種子有限公司。

Cd 來源于硝酸鎘[Cd（NO3）2·4H2O]，其與EDTA以及植物激素IAA、GA、SA，均為化學(xué)分析純?cè)噭徲谏綎|國化化學(xué)有限公司。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

共設(shè)5 個(gè)處理，CK：蒸餾水（空白對(duì)照）；Cd：20 mg/L Cd（Cd 脅 迫 對(duì) 照）；FI：20 mg/L Cd+1.5 mg/L EDTA+100 mg/L IAA；FG：20 mg/L Cd+1.5 mg/L EDTA+500 mg/L GA；FS：20 mg/L Cd+1.5 mg/L EDTA+100 mg/L SA。上述處理中，不同Cd 質(zhì)量濃度均指Cd2+的質(zhì)量濃度。分別對(duì)馬齒莧種子進(jìn)行浸種，每個(gè)處理重復(fù)3次。

于2022 年4 月10 日對(duì)馬齒莧種子表面進(jìn)行消毒，用5%的次氯酸鈉浸泡10 min，再用蒸餾水沖洗，然后按上述試驗(yàn)設(shè)計(jì)分別對(duì)馬齒莧種子浸種12 h。浸種結(jié)束后，蒸餾水沖洗種子，再將種子均勻擺放于鋪有2 層浸有上述5 個(gè)處理溶液濾紙的培養(yǎng)皿中。為保持Cd質(zhì)量濃度的穩(wěn)定，每天更換一次濾紙。將種子置于光/暗周期為14 h/10 h、溫度為25 ℃/22 ℃的人工智能氣候箱中培養(yǎng)，每天記錄種子的發(fā)芽數(shù)，第3 天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽勢(shì)，第7 天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率，第10天測(cè)量幼苗的苗長、主根長及鮮質(zhì)量。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

1.3.1 種子萌發(fā)指標(biāo)測(cè)定 發(fā)芽勢(shì)=3 d 內(nèi)供試種子的發(fā)芽數(shù)/供試種子總數(shù)×100%；發(fā)芽率=7 d 內(nèi)供試種子的發(fā)芽數(shù)/供試種子總數(shù)×100%。

1.3.2 生長指標(biāo)測(cè)定 幼苗苗高：從根莖相接處到葉片尖部的長度；幼苗主根長：最長根的長度；幼苗鮮質(zhì)量：幼苗用去離子水洗凈，用紙吸干表面水分，用電子天平稱幼苗質(zhì)量即為鮮質(zhì)量。

1.3.3 Cd 含量測(cè)定 將瀝干水分的馬齒莧幼苗的根、地上部分開，在105 ℃殺青30 min，70 ℃下烘至恒質(zhì)量（烘約48 h），采用火焰原子吸收光譜法對(duì)植物樣品進(jìn)行Cd含量測(cè)定。

積累量（Accumulation）=地上部Cd 含量（根部Cd含量）×地上部質(zhì)量（根部質(zhì)量）×1 000；

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（Translocation factor，TF）=地上部Cd含量/根部Cd含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均為3 次重復(fù)的平均值，利用Microsoft Excel 2016 軟件和DPS 8.5 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及差異顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05），采用Origin 9.1進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物激素與EDTA復(fù)合處理對(duì)馬齒莧種子萌發(fā)的影響

各處理馬齒莧種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率見圖1。由圖1A 可以看出，在無Cd 脅迫（空白對(duì)照，CK）下，馬齒莧種子的發(fā)芽勢(shì)最高，達(dá)86.52%。與CK相比，Cd脅迫對(duì)照種子發(fā)芽勢(shì)顯著降低，比CK 低26.13%，說明Cd脅迫對(duì)種子萌發(fā)有顯著抑制作用。與Cd脅迫對(duì)照相比，添加植物激素和EDTA 后，顯著提高了種子的發(fā)芽勢(shì)，F(xiàn)I、FG、FS 處理增幅分別為10.43%、19.24%、7.73%，增加趨勢(shì)表現(xiàn)為FG＞FI＞FS，說明植物激素和EDTA 復(fù)合處理可以緩解Cd 對(duì)種子萌發(fā)的抑制作用，提高其發(fā)芽勢(shì)，其中，F(xiàn)G處理種子的發(fā)芽勢(shì)增幅最大。

圖1 植物激素與EDTA復(fù)合處理對(duì)Cd脅迫下馬齒莧種子發(fā)芽勢(shì)（A）和發(fā)芽率（B）的影響Fig.1 Effect of phytohormones and EDTA on germination potential and germination rate of Portulaca oleracea L.seeds under Cd stress

由圖1B可以看出，在無Cd脅迫下，馬齒莧種子發(fā)芽率最高，達(dá)93.81%。與CK 相比，Cd 脅迫對(duì)照種子的發(fā)芽率顯著降低，降幅達(dá)22.22%，說明Cd 脅迫對(duì)種子萌發(fā)有顯著抑制作用。與Cd 脅迫對(duì)照相比，添加植物激素和EDTA 后，顯著增加了種子的發(fā)芽率，F(xiàn)I、FG、FS 處理增幅分別為15.42%、25.31%、11.23%，增加趨勢(shì)表現(xiàn)為FG＞FI＞FS，說明GA 和EDTA 復(fù)合處理可顯著緩解Cd 對(duì)種子萌發(fā)的抑制作用，提高發(fā)芽率。

2.2 植物激素與EDTA復(fù)合處理對(duì)馬齒莧生長的影響

各處理馬齒莧幼苗苗高、主根長和鮮質(zhì)量見表1。從表1 可以得出，Cd 脅迫對(duì)照幼苗苗高、主根長、鮮質(zhì)量與CK相比具有顯著性差異，Cd脅迫顯著降低了馬齒莧幼苗的苗高、主根長和鮮質(zhì)量，降幅分別為38.05%、36.24%、32.64%。與Cd脅迫對(duì)照相比，植物激素與EDTA 復(fù)合處理顯著增加了幼苗的苗高，增加趨勢(shì)表現(xiàn)為FG＞FI＞FS，其中，F(xiàn)G 處理苗高增幅最大，為47.95%。植物激素與EDTA 復(fù)合處理幼苗主根長與Cd 脅迫對(duì)照相比差異顯著，其中，F(xiàn)I 處理主根長增幅最大，為38.97%，增加趨勢(shì)表現(xiàn)為FI＞FG＞FS。與Cd 脅迫對(duì)照相比，植物激素與EDTA 復(fù)合處理顯著增加了幼苗的鮮質(zhì)量，F(xiàn)I、FG、FS 處理增幅分別為22.20%、35.91%、29.73%，增加趨勢(shì)表現(xiàn)為FG＞FS＞FI。說明施加植物激素和EDTA會(huì)促進(jìn)Cd脅迫下幼苗的生長。

表1 植物激素與EDTA復(fù)合處理對(duì)馬齒莧幼苗生長的影響Tab.1 Effect of phytohormones and EDTA on seedling growth of Portulaca oleracea L.

2.3 植物激素與EDTA復(fù)合處理對(duì)馬齒莧修復(fù)效果的影響

2.3.1 植物激素與EDTA 復(fù)合處理對(duì)馬齒莧各部分Cd 積累量的影響 各處理馬齒莧地上部和根部的Cd 積累量見圖2。由圖2 可知，地上部Cd 積累量明顯高于根部，各處理Cd積累量與CK 差異顯著。CK處理根部和地上部Cd 積累量達(dá)到最低值，分別為35.94、61.72 μg。與Cd 脅迫對(duì)照相比，植物激素與EDTA 復(fù)合處理幼苗根部Cd 積累量顯著增加，F(xiàn)I、FG、FS 處理分別為Cd 脅迫對(duì)照的1.69、2.31、1.33倍，增加趨勢(shì)表現(xiàn)為FG＞FI＞FS。植物激素與EDTA復(fù)合處理幼苗地上部Cd積累量與Cd脅迫對(duì)照相比差異顯著，F(xiàn)I、FG、FS 處理分別為Cd 脅迫對(duì)照的2.03、2.94、2.27 倍，增加趨勢(shì)表現(xiàn)為FG＞FS＞FI。綜上，F(xiàn)G 處理根部和地上部Cd 積累量均最大，表明GA 與EDTA 復(fù)合處理使超富集植物馬齒莧根部和地上部對(duì)Cd污染的修復(fù)效果進(jìn)一步提高。

圖2 植物激素與EDTA復(fù)合處理馬齒莧各部分Cd積累量Fig.2 Cd accumulation of Portulaca oleracea L.under phytohormones and EDTA treatment

2.3.2 植物激素與EDTA 復(fù)合處理對(duì)馬齒莧轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響 各處理馬齒莧的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)見圖3。由圖3 可以看出，Cd 脅迫對(duì)照馬齒莧的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)達(dá)到最低值，為0.53；植物激素與EDTA 復(fù)合處理轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均大于1，且與CK 差異顯著。與Cd 脅迫對(duì)照相比，添加植物激素和EDTA 顯著增加了馬齒莧的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，F(xiàn)I、FG、FS處理分別為Cd脅迫對(duì)照的2.11、2.33、1.92 倍，增加趨勢(shì)表現(xiàn)為FG＞FI＞FS。FG 處理轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最大，為1.23。說明GA 與EDTA 復(fù)合處理顯著提高了Cd從根部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，進(jìn)而提升了馬齒莧對(duì)Cd污染的修復(fù)效果。

圖3 植物激素與EDTA復(fù)合處理馬齒莧對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Fig.3 Cd translocation factor of Portulaca oleracea L.under phytohormones and EDTA treatment

3 結(jié)論與討論

種子萌發(fā)是植物生長的起點(diǎn)，幼苗生長期是植物成長至關(guān)重要的時(shí)期，此階段幼苗自身的防御機(jī)制不夠健全，對(duì)重金屬脅迫較敏感，會(huì)影響后期生長發(fā)育及產(chǎn)量[32-38]。有研究表明，IAA、GA 等植物激素能促進(jìn)植物細(xì)胞分裂伸長，促進(jìn)種子萌發(fā)，增加生物量，促進(jìn)植物對(duì)重金屬的吸收[39]。本研究結(jié)果表明，植物激素和EDTA 復(fù)合處理，馬齒莧種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率與Cd脅迫對(duì)照相比增加顯著，增加趨勢(shì)表現(xiàn)為FG＞FI＞FS。前人研究表明，施加IAA可使Pb 脅迫下滇苦菜根部和地上部生物量增加[40]。本研究結(jié)果表明，Cd 脅迫下植物激素與EDTA 復(fù)合處理促進(jìn)了馬齒莧幼苗的生長，使其苗高、主根長和鮮質(zhì)量均顯著增加。其中，F(xiàn)I 處理，幼苗的主根長達(dá)到最大值；FG 處理，幼苗的苗高和鮮質(zhì)量達(dá)到最大值。研究表明，施加EDTA 對(duì)重金屬離子具有較強(qiáng)的螯合力，能提高重金屬的遷移能力和生物有效性[41-42]。關(guān)于EDTA 強(qiáng)化鹽生植物對(duì)土壤Pb、Cd 去除效果的研究結(jié)果表明，EDTA 可強(qiáng)化景天三七修復(fù)土壤的能力，使Pb、Cd 去除率分別達(dá)到37.87%、41.61%[41]；馬齒莧生物量大，對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，且對(duì)Cd有較強(qiáng)的富集能力，但修復(fù)效果有待進(jìn)一步提高[42]。選擇適宜方式強(qiáng)化超富集植物的修復(fù)效果有極為重要的研究意義。本研究中，植物激素與EDTA 復(fù)合處理馬齒莧幼苗根部和地上部Cd 積累量和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著增加，其中，F(xiàn)G處理根部和地，上部Cd 積累量達(dá)到最大值。說明植物激素與EDTA復(fù)合處理顯著提升了馬齒莧的Cd修復(fù)效果。

本研究結(jié)果表明，F(xiàn)G 處理馬齒莧種子發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率，以及幼苗苗高、鮮質(zhì)量以及各部分Cd 的積累量和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均達(dá)到最大值。原因可能是GA 可以誘導(dǎo)激活質(zhì)膜ATP 酶，引起細(xì)胞膜超極化，參與調(diào)節(jié)介導(dǎo)Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)的膜蛋白，促進(jìn)Cd 通過細(xì)胞膜進(jìn)入植物體，增加植物細(xì)胞對(duì)Cd 的積累[43]，但相關(guān)機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

同時(shí)關(guān)注重金屬脅迫下植物修復(fù)效率及其生長發(fā)育的研究較少。袁江等[44]在2016 年研究了螯合劑GLDA 和植物激素IAA 單獨(dú)處理和復(fù)合處理對(duì)龍葵修復(fù)重金屬污染土壤的影響，結(jié)果表明，單獨(dú)施加GLDA 能夠提高龍葵對(duì)重金屬Cu、Cd、Zn 的提取，其提取量分別為空白組的1.80、1.82、1.79 倍；混合施加GLDA 與IAA 時(shí)，其對(duì)重金屬Cu、Cd、Zn的提取量分別為空白組的2.70、2.67、2.50 倍，表明植物激素與EDTA 復(fù)合處理可使重金屬提取率顯著增加。上述研究結(jié)果與本研究結(jié)果一致。綜上，植物激素與EDTA 復(fù)合處理既能促進(jìn)種子萌發(fā)和幼苗的生長，又能提高馬齒莧對(duì)Cd 污染的修復(fù)效果，但相關(guān)機(jī)制有待進(jìn)一步研究。