3-吲哚乙酸对花卉植物生长和修复重金属效果的影响

高园园，孔露露，温志良

（1.东莞市生态环境技术中心，广东 东莞 523009；2.河北地质大学地球科学学院，河北 石家庄 050024）

【研究意义】植物生长调节剂通过调节植物的生理代谢、生长，提高重金属吸修复效果。在农业生产上已有广泛的应用，具有成本低、操作简便、无污染等优势，对增加作物产量起重要作用。本研究把植物激素用于植物修复技术领域，通过施加3-吲哚乙酸（IAA）以缓解重金属的毒害作用，从而达到促进植物生长发育和提高植物提取效率的目的，探讨植物激素作用下植物修复土壤重金属污染的可行性，为植物修复技术的应用和推广提供理论依据和参考。【前人研究进展】近年来，国内外对如何提高植物修复效果做了大量研究。有研究表明，苗期喷洒低浓度2,4-表油菜素内酯可提高菜薹叶绿素、可溶性糖和蛋白质的含量［1］；Pang 等［2］认为植物调控体内激素水平是其适应重金属胁迫的重要方式。Liphadz 等［3］外施IAA 促进了重金属处理下向日葵的根系生长，而且同时检测到了叶片中Cd 和Pb 含量增加。IAA 是植物体内合成的调控植物生长发育的微量有机物质，能促进细胞分裂和伸长以及新器官的分化和形成，对植物的生长发育和生理生化有重要影响［4］。李萍［5］和曾小英等［6］认为植物调控体内激素水平是其适应重金属胁迫的重要方式。IAA 和赤霉素(GA3)促进Cd 胁迫下油菜的生长发育，Cd 浓度为15 mg/kg 时油菜根系Cd 比对照增加98.17%，55 mg/kg 时油菜地上部Cd 含量最大增加159.43%［7］。梁亮［8］研究表明，IAA 与乙二胺四乙酸(EDTA)同时施用时，不仅可以提高李氏禾根、茎的生物量，同时也能增加该植物地上部的Cu 浓度，比对照平均增加29.47%，显著提高了植物修复效率。戚琳等［9］研究表明，IAA可促进植物生长，提高植物对重金属的富集效率。和淑娟等［10］的室内水培实验显示，IAA 的添加提高了大叶井口边草根系活力，进而有助于超量富集As。【本研究切入点】合理地使用生长调节剂可以减弱重金属对植物生的不利影响，在缓和重金属胁迫的同时维持植物正常的生长发育，有利于植物对重金属的吸收积累。【拟解决的关键问题】本研究通过施加IAA，探讨植物激素作用下植物修复土壤重金属污染的可行性及其修复效果，为植物修复技术的应用和推广提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于广东省东莞市东城区温塘社区，辖区内有砖窑工业区和温塘工业区等生产企业，可能会对当地农田土壤产生一定影响。该地属亚热带季风气候，长夏无冬，日照充足，雨量充沛，温差振幅小，季风明显。实验田面积约300 m2，前期为菜地，土壤pH7.0，有机质含量16.1 g/kg，总N、总P、总K 含量依次为1.01、1.11、23.30 g/kg，Cd、Pb、Hg、Cu、Zn、As、Ni、Cr 总量分别为0.38、86.11、0.52、46.33、118.67、15.87、23.00、43.67 mg/kg，其中Cd 和Hg 超出国家标准土壤环境质量二级标准（GB 15618-2018）。

1.2 试验材料

供试花卉凤仙花（Impatiens balsamina）、波斯菊（Cosmos bipinnata Cav.）和万寿菊（Tagetes erectaL.）种子均购买于北京花仙子种子公司；IAA 为广州市林国化肥有限公司生产。

1.3 试验方法

将土地平整后划分为18 等份，小区面积约17 m3，中间起畦、开沟。2021 年6 月3 日，凤仙花、万寿菊和波斯菊采用直播的方式入田，每种植物种植6 个小区。待植株长至2～3 片真叶时进行间苗，凤仙花、万寿菊、波斯菊种植密度分别为：25、100、150 棵/m2。田间管理根据大田土壤水分情况，不定期浇河水（水中未检测出Cu、Zn、Pb、Cd 等重金属），使土壤含水量保持在田间持水量的75%～85%；如有植株死亡及时补苗。植物生长2 个月开始，分别选取每种植物的3 个小区每隔7 d 喷洒100 μmol/L IAA，剩余小区喷洒等量清水作对照。12 月10 日收获植物，每组处理平行采集3 棵，同时采集相应点位的土壤样品，分析植物各组织器官和对应土壤的重金属含量。

1.4 测定项目及方法

植物样品采集后分为根、茎、叶（凤仙花包括种子），用自来水清洗表面附着物，再用去离子水淋洗3 次，用滤纸吸干表面水分，称量各部分鲜重，105 ℃杀青30 min，然后烘干至恒重，称干重，而后粉碎，测定各组织器官重金属含量。

2 结果与分析

2.1 IAA 处理3 种花卉的生长响应

测定凤仙花、万寿菊和波斯菊的株高和各部分的生物量（鲜重和干重），数据经方差分析和多重比较，结果见表1、图1、图2。由图1 和图2 可知，经100 μmol/L IAA 处理的3 种花卉，根部鲜重增加均不显著；凤仙花、万寿菊叶部鲜重与对照相比均无显著差异，波斯菊与对照差异显著；3 种花卉茎部鲜重、干重与对照均有显著差异。从表1 可以看出，100 μmol/L IAA 处理的凤仙花、万寿菊、波斯菊，其根部、地上部鲜重和干重都有所提高，株高分别为86.33、68.67、91.33 cm，比对照高5.79%、6.31%和1.09%，差异均不显著；茎部增重最明显，凤仙花茎部鲜重270.04 g、比对照（162.06 g）高66.6%，万寿菊茎部鲜重63.73 g、比对照（37.46 g）高70.1%，波斯菊茎部鲜重20.05 g、比对照（10.07 g）高99.1%，差异均达显著水平；凤仙花茎部干重14.99 g、比对照（11.83 g）高26.7%，万寿菊茎部干重11.96 g、比对照（7.04 g）高69.9%，波斯菊茎部干重3.20 g、比对照（2.47 g）高29.6%，差异亦均达显著水平。表明100 μmol/L IAA 对凤仙花、万寿菊和波斯菊的生长起促进作用，显著增加3 种花卉的生物量。

表1 IAA 处理3 种花卉的生长响应Table 1 Growth responses of three ornamental plants under IAA treatment

图1 IAA 对凤仙花、万寿菊和波斯菊各组织器官鲜重的影响Fig.1 Effects of IAA on fresh weight of different tissues of Impatiens balsamina, Marigold and Coreopsis

图2 IAA 对凤仙花、万寿菊和波斯菊各组织器官干重的影响Fig.2 Effects of IAA on dry weights of different tissues of Impatiens balsamina, Marigold and Coreopsis

2.2 IAA 对3 种花卉各部位Cd 积累的影响

由图3 可知，100 μmol/L IAA 对3 种花卉吸收Cd 起促进作用，且对植物各部位的Cd 积累量有较大影响。其中，凤仙花根、茎、叶和种子的Cd 含量分别为2.49、1.12、0.84、0.09 mg/kg，与对照相比，根和叶分别提高1365.93%和38.05%，茎减少29.26%；万寿菊根、茎和叶的Cd 含量分别为0.36、1.31 和4.29 mg/kg，与对照相比，茎、叶分别增加116.61%和11.6%，根减少61.75%，说明100 μmol/L IAA 促进Cd 从根部向地上部位的迁移，从而增加万寿菊地上部位的Cd 积累量；波斯菊根、茎和叶的Cd 含量分别为1.01、0.84 和0.57 mg/kg，根、茎分别比对照提高92.32%、26.34%，叶比对照降低23.87%。表明100 μmol/L IAA 促进3 种花卉植物对Cd 的吸收，尤其是显著促进凤仙花和波斯菊根部对Cd的吸收，降低凤仙花与波斯菊对Cd 的转移系数。

图3 IAA 对凤仙花、万寿菊和波斯菊各组织器官Cd积累的影响Fig.3 Effects of IAA on Cd accumulation in different tissues of Impatiens balsamina,Marigold and Coreopsis

2.3 IAA 对3 种花卉植物各部位Pb 积累的影响

由图4 可知，100 μmol/L IAA 对3 种花卉各部位Pb 积累的影响不一，促进凤仙花对Pb 的吸收，而对万寿菊和波斯菊吸收Pb 起抑制作用，对根部的抑制作用更明显。其中，凤仙花根、茎、叶的Pb 含量分别为3.93、1.09、1.53 mg/kg，与对照相比，分别提高46.74%、302.31%和4.18%；万寿菊根、茎的Pb 含量分别比对照减少23.28%、44.09%，叶增加4.73%；波斯菊根、茎的Pb 含量分别比对照减少17.06%、16.32%，叶增加4.12%。

图4 IAA 对凤仙花、万寿菊和波斯菊各组织器官Pb 积累的影响Fig.4 Effects of IAA on Pb accumulation in different tissues of Impatiens balsamina,Marigold and Coreopsis

2.4 IAA 对3 种花卉各部位Hg 积累的影响

由图5 可知，100 μmol/L IAA 对3 种花卉植物各部位Hg 积累的影响与对照相比均无显著差异，3 种花卉植物对Hg 的吸收和转运均无显著变化。结合生物量可以发现，3 种花卉植物对Hg 的提取量较清水对照有很大提高。这与植物激素主要通过增大生物量来提高植物对重金属的富集效果的研究结果相一致［11］。

图5 IAA 对凤仙花、万寿菊和波斯菊各组织器官Hg 积累的影响Fig.5 Effects of IAA on Hg accumulation in different tissues of Impatiens balsamina,Marigold and Coreopsis

2.5 IAA 处理3 种花卉根部与地上部对Pb 和Cd的富集特征

由上述分析可知，IAA 对3 种花卉富集Cd和Pb 影响显著，因此本部分只讨论Cd 和Pb。如图6、图7 所示，100 μmol/L IAA 对凤仙花富集Pb 起促进作用，但对波斯菊、万寿菊吸收和转运Pb 的能力起抑制作用。IAA 处理凤仙花根部和地上部Pb 富集浓度分别为3.93、2.63 mg/kg，为空白对照的1.47、1.50 倍；凤仙花根部和地上部Cd富集浓度分别为2.49、2.17 mg/kg，为空白对照的14.66、0.84 倍；万寿菊根部和地上部Cd 富集浓度分别为0.36、5.60 mg/kg，为空白对照的0.38、1.26 倍；波斯菊根部和地上部Cd 富集浓度分别为1.01、1.41 mg/kg，为空白对照的1.92、0.99 倍。由此可见，100 μmol/L IAA 对凤仙花和波斯菊富集Cd 起促进作用，但降低了Cd 的迁移系数，提高了万寿菊体内Cd 的迁移系数。

图6 IAA 对凤仙花、万寿菊和波斯菊根部和地上部富集Pb 的影响Fig.6 Effects of IAA on Pb enrichment in root and shoot of Impatiens balsamina,Marigold and Coreopsis

图7 IAA 对凤仙花、万寿菊和波斯菊根部和地上部富集Cd 的影响Fig.7 Effects of IAA on Cd enrichment in root and shoot of Impatiens balsamina,Marigold and Coreopsis

3 讨论

从超等［12］研究蜈蚣草和龙葵的田间试验发现，25 mg/L IAA 可以促进植物生长，显著提高株高和鲜重；罗洋等［13］对龙葵的盆栽试验结果表明，IAA 处理龙葵地上部鲜重比对照增加12.87%；Baliyan 等［14］通过温室试验证实，IAA 对鹰嘴豆根长、茎长、鲜重和干重都有促进作用；IAA 促进植物生长的原因可能在于缓解重金属对植物的毒害作用［15-17］。本试验结果与上述研究结果一致。本试验中，低浓度（100 μmol/L）IAA 对凤仙花、万寿菊和波斯菊的生长起促进作用，株高、鲜重和干重都有所提高，根、茎、叶3 种组织器官中，茎部增重最明显，其中波斯菊茎部鲜重、万寿菊茎部干重增加最为显著，波斯菊茎部鲜重20.05 g、比对照（10.07 g）高99.1%，万寿菊茎部干重11.96 g、比对照（7.04 g）高69.9%，差异均达显著水平。

Israr 等［18］对田青属(Sesbania drummondii)植物进行外加IAA 和EDTA 处理，发现植物叶中Cd含量显著增加。IAA 对不同植物不同金属作用效果存在差异在其他试验中也得到印证。戚琳等［9］盆栽试验表明，IAA 可提高紫花苜蓿和黑麦草对Cu、Zn、Cd 和Pb 等4 种重金属的生物富集系数(BCF)，但降低了紫花苜蓿中Pb 和Zn 的转运系数；向言词等[19]研究表明，IAA 可显著提高油菜中Cd 含量和植物Cd 积累量；L′pez 等［20］研究表明，IAA 不仅能提高紫花苜蓿根和茎的生物量，同时也能增加叶片中的Pb 含量；Kocot 等［21］则认为IAA 能直接或间接调控运输金属功能的相关膜蛋白的基因，从而影响植物对重金属的吸收。本试验结果显示，IAA 促进了3 种花卉植物对Cd的吸收，其中，IAA 极大地促进了凤仙花和波斯菊根部对Cd 的吸收，抑制了茎和叶的吸收，从而降低了Cd 的转移系数；对万寿菊则提高了茎部和叶对Cd 的吸收，促进了Cd 在万寿菊向地上迁移，提高了万寿菊对Cd 的转移系数；促进凤仙花对Pb 的吸收，抑制了万寿菊和波斯菊对Pb的吸收。其原因主要是由于IAA 能缓解重金属的植物毒性，促进植物生长发育，增加植物生物量，从而提高了植物提取效率。

4 结论

本试验结果表明，喷洒低浓度（100 μmol/L）IAA 对凤仙花、万寿菊和波斯菊的生长起促进作用，其中对茎部生物量影响最为显著，凤仙花茎部鲜重270.04 g、比对照（162.06 g）高66.6%，万寿菊茎部鲜重63.73 g、比对照（37.46 g）高70.1%，波斯菊茎部鲜重20.05 g、比对照（10.07 g）高99.1%，差异均达显著水平；凤仙花茎部干重14.99 g、比对照（11.83 g）高26.7%，万寿菊茎部干重11.96 g、比对照（7.04 g）高69.9%，波斯菊茎部干重3.20 g、比对照（2.47 g）高29.6%，差异均达显著水平；IAA 促进了3 种花卉对Cd 的吸收，提高了万寿菊对Cd 的转移系数，但是降低了凤仙花和波斯菊对Cd 的转移系数；IAA 促进凤仙花对Pb 的吸收，抑制了万寿菊和波斯菊对Pb 的吸收；IAA 对3 种花卉植物富集Hg 的能力无显著影响。后期可考虑优化IAA 的喷洒时间和剂量，从分子水平进一步深入研究有关机理，进一步强化花卉植物修复效率。