植物激素、螯合劑復(fù)合處理對(duì)鎘脅迫下籽粒莧生長和富集鎘的影響

郭夢露 沈國明 王宜磊

關(guān)鍵詞：鎘脅迫；籽粒莧；植物修復(fù)；植物激素；螯合劑

隨著工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，土壤重金屬污染問題日益嚴(yán)重，我國受Cd、As、Pb、Hg、Zn等重金屬污染的耕地面積約占總耕地面積的五分之一。重金屬排放到環(huán)境中，嚴(yán)重污染水體和土壤，其中有高毒性和潛在致癌性的Cd是污染超標(biāo)率最高的重金屬：土壤Cd點(diǎn)位超標(biāo)率最高達(dá)7%，其通過植物吸收、積累、富集后經(jīng)食物鏈進(jìn)人人體，從而對(duì)人類健康造成威脅。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。因而，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)因具有成本低、不引入二次污染等優(yōu)勢而前景廣闊，其修復(fù)效率主要取決于植物生物量和其累積重金屬的能力。選擇生物量大、富集量大的植物以及添加外源激素可以大大提高植物的修復(fù)效率。眾多研究結(jié)果表明，植物激素能緩解重金屬的植物毒性，提高植株的抗逆性，促進(jìn)其生長發(fā)育；螯合劑對(duì)重金屬離子具有較強(qiáng)的螯合力，施加螯合劑能提高重金屬的遷移能力和生物有效性。如Wang等研究EDTA（乙二胺四乙酸）強(qiáng)化鹽生植物景天三七對(duì)土壤中Pb、Cd的去除效果發(fā)現(xiàn)，EDTA可以強(qiáng)化景天三七修復(fù)土壤的能力，使Pb、Cd的去除率分別達(dá)到37.87%和41.61%。

綜上，很多研究表明植物激素和螯合劑的添加可提高植物修復(fù)效率，但關(guān)于植物激素和螯合劑復(fù)合處理的研究較少，兩種添加劑復(fù)合處理是否會(huì)大大增加植物修復(fù)效率仍未可知：外源激素的添加方式有多種，具體何種添加方式能最大程度增加修復(fù)效率也鮮有研究。龍玉梅等通過溫室盆栽試驗(yàn)比較籽粒莧、龍葵、商陸、青葙4種植物對(duì)鎘污染土壤的修復(fù)效果，結(jié)果表明，4種植物可收集的鎘總量排序?yàn)樽蚜Ｇ{>青葙>商陸>龍葵。籽粒莧對(duì)鎘脅迫的耐受性及鎘富集能力均較強(qiáng)，是一種良好的Cd污染土壤修復(fù)材料。本試驗(yàn)以一年生籽粒莧（Amaranthus hybridus L．）為材料，選取葉面噴施和根部澆灌兩種添加方式，研究植物激素和螯合劑復(fù)合處理對(duì)鎘脅迫條件下籽粒莧的植株生長狀況和富集鎘情況的影響，旨在尋求提高污染土壤植物修復(fù)效率的方法，為研究植物激素與螯合劑效應(yīng)提供一定的理論與實(shí)踐依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

籽粒莧是莧科莧屬一年生草本C4植物，葉寬大、柔軟、直立，主莖粗壯，適應(yīng)性強(qiáng)，具有耐旱、耐鹽堿、耐貧瘠土壤的特點(diǎn)。籽粒莧在國內(nèi)北方地區(qū)種植較多，生育期內(nèi)可進(jìn)行多次收割，鮮草產(chǎn)量可達(dá)130t/hm2。本試驗(yàn)選用美國籽粒莧K472，種子購于山東省種子有限公司。

1.2試驗(yàn)試劑

Hoagland全培養(yǎng)液配方為：①微量元素：每升水中加H3803 2.86g、MriCl2. 4H20

1.81g、ZnS04. 7H200.22g、CuS04. 5H20 0.08g、H2M004. H20 0.02g;②大量元素：每升培養(yǎng)液中加1 mol/L KH2P041 mL，1mol/L KN035 mL、1mol/L Ca（N03）2 5mL、1mol/LMgS04 2 mL;③Fe -EDTA溶液：每升水中加入Na，一EDTA 7.45g、FeS04.7H20 5.57g。

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

試驗(yàn)于2022年3月20日開始。對(duì)籽粒莧種子進(jìn)行表面消毒后浸種12h．暗中催芽24h后于溫室中培養(yǎng)幼苗，每天定時(shí)更換Hoagland培養(yǎng)液，培養(yǎng)22d，于4月12日將幼苗移至鎘溶液和Hoagland培養(yǎng)液的復(fù)合處理液中讓植株適應(yīng)穩(wěn)定。5月29日進(jìn)行植物激素與螯合劑的復(fù)合添加處理，施用方式分為葉面噴施（P）和根部澆灌（J）兩種，每一種添加方式分別對(duì)應(yīng)三種植物激素（IAA、GA、SA）與螯合劑EDTA的復(fù)合處理。以澆施蒸餾水為空白對(duì)照，共設(shè)7個(gè)處理，每處理重復(fù)3次，共21組。不同復(fù)合處理設(shè)計(jì)見表1。

1.4測定指標(biāo)及方法

收獲的籽粒莧植株用去離子水洗凈后瀝干水分，將根、莖、葉分開，105℃殺青30min，70℃下烘至恒重，分別稱其干重。采用火焰原子吸收光譜法測定植物樣品Cd含量。

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=地上部Cd含量／根系Cd含量：

富集系數(shù)=莖、葉、根中Cd含量／培養(yǎng)液中Cd含量。

1.5數(shù)據(jù)處理與分析

所有數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)平均值。利用Mi-crosoft Excel 2010和DPS 7.5統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及差異顯著性檢驗(yàn)，采用OriginPr09.1制圖。

2結(jié)果與分析

2.1不同植物激素、螯合劑復(fù)合處理對(duì)籽粒莧生長的影響

不同植物激素與螯合劑復(fù)合處理下，籽粒莧各器官生物量的方差分析和多重比較見表2。與對(duì)照相比，復(fù)合處理顯著增加籽粒莧根、莖、葉的生物量（P<0.05），且澆灌較噴施處理的效果更明顯。葉部的生物量明顯高于莖部、根部。JSA復(fù)合處理籽粒莧根部生物量最大，為對(duì)照的3.28倍；JGA復(fù)合處理下，莖、葉部的生物量最大，較對(duì)照分別高110.21%、42.59%。三種激素與螯合劑復(fù)合處理對(duì)籽粒莧根部生物量的影響表現(xiàn)為（SA+EDTA）>（GA+EDTA）>（IAA+EDTA），對(duì)莖、葉部生物量的影響表現(xiàn)為（GA+EDTA）>（SA+EDTA）>（IAA+EDTA）。

2.2不同植物激素、螯合劑復(fù)合處理對(duì)籽粒莧吸收Cd的影響

不同復(fù)合處理下籽粒莧根、莖、葉中的Cd含量見圖1。與對(duì)照相比，復(fù)合處理顯著增加籽粒莧根．莖、葉對(duì)Cd的吸收（P<0.05）。三種激素與螯合劑復(fù)合處理對(duì)根、莖、葉中Cd含量影響的整體表現(xiàn)為（GA+EDTA）>（SA+EDTA）>（IAA+ED-TA），且根部澆灌的影響顯著高于葉面噴施。葉部的Cd含量顯著高于莖部、根部。不同復(fù)合處理中，PIAA處理下根、莖、葉部的Cd含量最小，分別為對(duì)照的1.28、1.54、1.18倍；JGA復(fù)合處理下，根、莖、葉部的Cd含量最大，分別為對(duì)照的1.60、2.73、1.23倍。表明澆灌GA和螯合劑使超富集植物籽粒莧幼苗各部對(duì)Cd的吸收進(jìn)一步加強(qiáng)，修復(fù)效率進(jìn)一步提高。

2.3不同植物激素、螯合劑復(fù)合處理對(duì)籽粒莧轉(zhuǎn)運(yùn)Cd的影響

不同植物激素與螯合劑復(fù)合處理下籽粒莧地上部對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)見圖2。各復(fù)合處理下籽粒莧地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均大于20，顯著高于對(duì)照，且澆灌方式較噴施效果更佳。不同復(fù)合處理對(duì)籽粒莧地上部轉(zhuǎn)運(yùn)Cd能力的影響表現(xiàn)為（GA+ED-TA）>（SA+EDTA）>（IAA+EDTA）。不同復(fù)合處理中，PIAA處理下籽粒莧地上部對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最低，為對(duì)照的1.31倍：JGA處理下籽粒莧地上部對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最高，為對(duì)照的1.68倍。說明澆灌GA和鰲合劑顯著提高了Cd從根部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，進(jìn)而提高籽粒莧對(duì)Cd污染的修復(fù)效率。

2.4不同植物激素、螯合劑復(fù)合處理對(duì)籽粒莧富集Cd的影響

不同復(fù)合處理下籽粒莧根部和地上部對(duì)Cd的富集系數(shù)如圖3所示。各復(fù)合處理下籽粒莧地上部的富集系數(shù)均大于1，顯著高于對(duì)照。不同復(fù)合處理均增大了籽粒莧根部和地上部對(duì)Cd的富集系數(shù)，且澆灌處理相比于噴施效果更明顯。不同復(fù)合處理對(duì)籽粒莧Cd富集系數(shù)的影響總體趨勢表現(xiàn)為（GA+EDTA）>（SA+EDTA）>（IAA+EDTA）。籽粒莧地上部對(duì)Cd的富集系數(shù)顯著高于根部。不同復(fù)合處理中，PIAA處理的根部和地上部的Cd富集系數(shù)最小，分別為對(duì)照的1.42、1.57倍：JGA處理下根部和地上部的Cd富集系數(shù)均最大，分別為對(duì)照的1.89、2.02倍。表明澆灌GA和螯合劑顯著增強(qiáng)籽粒莧對(duì)Cd的富集能力，提高Cd從培養(yǎng)液向根及根向地上部的遷移，進(jìn)而強(qiáng)化籽粒莧對(duì)Cd污染的修復(fù)效率。

3討論與結(jié)論

眾多學(xué)者開展關(guān)于采用綠色環(huán)保植物修復(fù)技術(shù)緩解重金屬鎘等對(duì)土壤和環(huán)境危害的研究時(shí)，多選用高生物量超富集植物及添加外源植物激素等措施增加修復(fù)效率。王凱在研究螯合劑及組合用于強(qiáng)化籽粒莧修復(fù)鎘污染土壤效果中發(fā)現(xiàn)，復(fù)合螯合劑具有最高的鎘移除量，并且對(duì)土壤中的一些酶如過氧化氫酶具有顯著的促進(jìn)作用，強(qiáng)化了籽粒莧的修復(fù)效率。肖艷輝等采用盆栽試驗(yàn)，比較不同濃度胺鮮酯對(duì)籽粒莧生長及富集鎘鋅的影響，發(fā)現(xiàn)10mg/L胺鮮酯處理不僅能顯著提高籽粒莧根際土壤有效態(tài)鎘和鋅含量，還能顯著增加籽粒莧的生物量：施用胺鮮酯處理的籽粒莧葉、莖、根中鎘含量均增加。已有研究表明赤霉素除具有調(diào)控植物生長發(fā)育的功能外，還可增強(qiáng)植物對(duì)重金屬的耐受性并提高其對(duì)重金屬的吸收量，赤霉素介導(dǎo)下植物對(duì)重金屬的耐性機(jī)理主要包括植物生物量維持、抗氧化作用增強(qiáng)、光合系統(tǒng)修復(fù)、重金屬區(qū)隔化和信號(hào)傳遞等。1×10-6mol/L GA使銀膠菊（Parthenium hysteropho-rus）的Cd積累量和生物富集系數(shù)分別提高289%和128%；Pb污染下施加1～10umol/LGA可有效增加黑麥草（Lolium perenne）對(duì)Pb的富集；質(zhì)量濃度為10～1000mg/L GA可提高龍葵（Solanum nzgrum）地上部對(duì)Cd的富集量。

本研究得出，植物激素和螯合劑復(fù)合處理顯著增加籽粒莧的生物量，顯著提高其對(duì)鎘的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和富集水平。這可能是植物激素和螯合劑共同作用的結(jié)果，既能提高植株的抗逆性，促進(jìn)其生長發(fā)育，又能加強(qiáng)其對(duì)重金屬離子的螯合力，提高重金屬生物修復(fù)的有效性。從籽粒莧生物量來看，不同植物激素、螯合劑復(fù)合處理顯著增加籽粒莧根、莖、葉部的生物量，根部澆灌方式效果明顯優(yōu)于葉面噴施。JGA處理的籽粒莧莖、葉部生物量最大；JSA處理的根部生物量最大。從籽粒莧對(duì)Cd的吸收量、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)、富集系數(shù)來看，不同植物激素、螯合劑復(fù)合處理對(duì)3個(gè)指標(biāo)的影響均表現(xiàn)為（GA+EDTA）>（SA+EDTA）>（IAA+ED-TA），顯著高于對(duì)照，且根部澆灌處理效果顯著高于葉面噴施處理，即澆灌GA與EDTA復(fù)合處理（JGA）下籽粒莧地上部對(duì)Cd的吸收量、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)、富集系數(shù)均最大。原因可能是由于EDTA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)土壤中的重金屬成為可溶態(tài)，從而有效增加其生物利用率：GA可以誘導(dǎo)細(xì)胞膜超級(jí)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的富集，但相關(guān)機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

本試驗(yàn)為提高植物對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)效率提供了方法，為研究植物激素與螯合劑效應(yīng)提供了一定的理論和實(shí)踐依據(jù)。但外源施加激素、螯合劑的種類、濃度、持續(xù)時(shí)間、噴施方式等眾多因素對(duì)植物的生理活動(dòng)均會(huì)造成不同影響，這種影響程度仍需進(jìn)一步研究；植物激素、螯合劑提高植物耐受重金屬的相關(guān)機(jī)制需要更深入的研究：重金屬脅迫下多種植物激素、螯合劑的調(diào)控功能和機(jī)制研究需要進(jìn)一步完善。