植物激素、螯合劑復合處理對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

關鍵詞：鎘脅迫；籽粒莧；植物修復；植物激素；螯合劑

隨著工業和經濟的快速發展，土壤重金屬污染問題日益嚴重，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。重金屬排放到環境中，嚴重污染水體和土壤，其中有高毒性和潛在致癌性的Cd是污染超標率最高的重金屬：土壤Cd點位超標率最高達7%，其通過植物吸收、積累、富集后經食物鏈進人人體，從而對人類健康造成威脅。Cd脅迫對植物生長發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的分解，從而對種子萌發產生影響。因而，有必要采取不同技術措施對Cd污染進行有效修復。植物修復技術因具有成本低、不引入二次污染等優勢而前景廣闊，其修復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效率。眾多研究結果表明，植物激素能緩解重金屬的植物毒性，提高植株的抗逆性，促進其生長發育；螯合劑對重金屬離子具有較強的螯合力，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）強化鹽生植物景天三七對土壤中Pb、Cd的去除效果發現，EDTA可以強化景天三七修復土壤的能力，使Pb、Cd的去除率分別達到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效率，但關于植物激素和螯合劑復合處理的研究較少，兩種添加劑復合處理是否會大大增加植物修復效率仍未可知：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效率也鮮有研究。龍玉梅等通過溫室盆栽試驗比較籽粒莧、龍葵、商陸、青葙4種植物對鎘污染土壤的修復效果，結果表明，4種植物可收集的鎘總量排序為籽粒莧>青葙>商陸>龍葵。籽粒莧對鎘脅迫的耐受性及鎘富集能力均較強，是一種良好的Cd污染土壤修復材料。本試驗以一年生籽粒莧（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合處理對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效率的方法，為研究植物激素與螯合劑效應提供一定的理論與實踐依據。

1材料與方法

1.1試驗材料

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，適應性強，具有耐旱、耐鹽堿、耐貧瘠土壤的特點。籽粒莧在國內北方地區種植較多，生育期內可進行多次收割，鮮草產量可達130t/hm2。本試驗選用美國籽粒莧K472，種子購于山東省種子有限公司。

1.2試驗試劑

Hoagland全培養液配方為：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試驗設計及方法

試驗于2022年3月20日開始。對籽粒莧種子進行表面消毒后浸種12h．暗中催芽24h后于溫室中培養幼苗，每天定時更換Hoagland培養液，培養22d，于4月12日將幼苗移至鎘溶液和Hoagland培養液的復合處理液中讓植株適應穩定。5月29日進行植物激素與螯合劑的復合添加處理，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應三種植物激素（IAA、GA、SA）與螯合劑EDTA的復合處理。以澆施蒸餾水為空白對照，共設7個處理，每處理重復3次，共21組。不同復合處理設計見表1。

1.4測定指標及方法

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。

轉運系數=地上部Cd含量／根系Cd含量：

富集系數=莖、葉、根中Cd含量／培養液中Cd含量。

1.5數據處理與分析

所有數據均為3次重復平均值。利用Mi-crosoft Excel 2010和DPS 7.5統計軟件進行數據分析及差異顯著性檢驗，采用OriginPr09.1制圖。

2結果與分析

2.1不同植物激素、螯合劑復合處理對籽粒莧生長的影響

不同植物激素與螯合劑復合處理下，籽粒莧各器官生物量的方差分析和多重比較見表2。與對照相比，復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復合處理籽粒莧根部生物量最大，為對照的3.28倍；JGA復合處理下，莖、葉部的生物量最大，較對照分別高110.21%、42.59%。三種激素與螯合劑復合處理對籽粒莧根部生物量的影響表現為（SA+EDTA）>（GA+EDTA）>（IAA+EDTA），對莖、葉部生物量的影響表現為（GA+EDTA）>（SA+EDTA）>（IAA+EDTA）。

2.2不同植物激素、螯合劑復合處理對籽粒莧吸收Cd的影響

不同復合處理下籽粒莧根、莖、葉中的Cd含量見圖1。與對照相比，復合處理顯著增加籽粒莧根．莖、葉對Cd的吸收（P<0.05）。三種激素與螯合劑復合處理對根、莖、葉中Cd含量影響的整體表現為（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。不同復合處理中，PIAA處理下根、莖、葉部的Cd含量最小，分別為對照的1.28、1.54、1.18倍；JGA復合處理下，根、莖、葉部的Cd含量最大，分別為對照的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Cd的吸收進一步加強，修復效率進一步提高。

2.3不同植物激素、螯合劑復合處理對籽粒莧轉運Cd的影響

不同植物激素與螯合劑復合處理下籽粒莧地上部對Cd的轉運系數見圖2。各復合處理下籽粒莧地上部的轉運系數均大于20，顯著高于對照，且澆灌方式較噴施效果更佳。不同復合處理對籽粒莧地上部轉運Cd能力的影響表現為（GA+ED-TA）>（SA+EDTA）>（IAA+EDTA）。不同復合處理中，PIAA處理下籽粒莧地上部對Cd的轉運系數最低，為對照的1.31倍：JGA處理下籽粒莧地上部對Cd的轉運系數最高，為對照的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運能力，進而提高籽粒莧對Cd污染的修復效率。

2.4不同植物激素、螯合劑復合處理對籽粒莧富集Cd的影響

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

3討論與結論

眾多學者開展關于采用綠色環保植物修復技術緩解重金屬鎘等對土壤和環境危害的研究時，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效率。王凱在研究螯合劑及組合用于強化籽粒莧修復鎘污染土壤效果中發現，復合螯合劑具有最高的鎘移除量，并且對土壤中的一些酶如過氧化氫酶具有顯著的促進作用，強化了籽粒莧的修復效率。肖艷輝等采用盆栽試驗，比較不同濃度胺鮮酯對籽粒莧生長及富集鎘鋅的影響，發現10mg/L胺鮮酯處理不僅能顯著提高籽粒莧根際土壤有效態鎘和鋅含量，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控植物生長發育的功能外，還可增強植物對重金屬的耐受性并提高其對重金屬的吸收量，赤霉素介導下植物對重金屬的耐性機理主要包括植物生物量維持、抗氧化作用增強、光合系統修復、重金屬區隔化和信號傳遞等。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Pb的富集；質量濃度為10～1000mg/L GA可提高龍葵（Solanum nzgrum）地上部對Cd的富集量。

本研究得出，植物激素和螯合劑復合處理顯著增加籽粒莧的生物量，顯著提高其對鎘的吸收、轉運和富集水平。這可能是植物激素和螯合劑共同作用的結果，既能提高植株的抗逆性，促進其生長發育，又能加強其對重金屬離子的螯合力，提高重金屬生物修復的有效性。從籽粒莧生物量來看，不同植物激素、螯合劑復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Cd的吸收量、轉運系數、富集系數來看，不同植物激素、螯合劑復合處理對3個指標的影響均表現為（GA+EDTA）>（SA+EDTA）>（IAA+ED-TA），顯著高于對照，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復合處理（JGA）下籽粒莧地上部對Cd的吸收量、轉運系數、富集系數均最大。原因可能是由于EDTA對重金屬離子具有較強的螯合力，在土壤中施用EDTA可促進土壤中的重金屬成為可溶態，從而有效增加其生物利用率：GA可以誘導細胞膜超級化，參與調節介導Cd轉運的膜蛋白，促進Cd通過細胞膜進入植物體，增加植物細胞對Cd的富集，但相關機制有待進一步研究。

本試驗為提高植物對重金屬污染土壤的修復效率提供了方法，為研究植物激素與螯合劑效應提供了一定的理論和實踐依據。但外源施加激素、螯合劑的種類、濃度、持續時間、噴施方式等眾多因素對植物的生理活動均會造成不同影響，這種影響程度仍需進一步研究；植物激素、螯合劑提高植物耐受重金屬的相關機制需要更深入的研究：重金屬脅迫下多種植物激素、螯合劑的調控功能和機制研究需要進一步完善。