植物激素与螯合剂复合处理对镉胁迫下马齿苋发育和修复效果的影响

郭梦露，李建奇，鲁 豫

（菏泽学院 农业与生物工程学院/植物生物学重点实验室，山东 菏泽 274015）

重金属排放到环境中，严重污染了环境水体和土壤，其中，有高毒性和潜在致癌性的镉（Cd）是污染超标率最高的重金属，可通过植物吸收、积累、富集后经过食物链进入人体，从而对人体健康造成威胁[1-2]。Cd 胁迫对植物生长发育有明显的抑制和毒害作用，可通过抑制种子中的淀粉酶、蛋白酶活性影响淀粉和蛋白质的分解，从而对种子萌发产生影响[3]。因此，有必要采取不同技术措施对Cd 污染进行有效修复。植物修复技术以成本低、不引入二次污染等优势而前景广阔，其修复效率主要取决于植物生物量和累积重金属的能力，选择生物量大、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复效率[4-10]。因此，寻找既能提高超富集植物对Cd 的吸收，又能缓解Cd 对植物本身毒害的适宜方法显得尤为重要。

众多研究结果表明，植物激素能增大重金属的植物提取率，提高种子的发芽势、发芽率，增强幼苗的抗逆性，促进其生长发育[11-13]。赵书晗等[14]用20 mg/L的生长素（IAA）处理2种不同砷（As）富集能力的植物后发现，IAA 可使植物既保持正常生长又能超量富集As，植物生物量和叶片As 含量均显著增加。FASSLER[15]研究发现，低浓度IAA 处理可有效促进向日葵生长，同时叶片中铅（Pb）和锌（Zn）含量显著提高。MARCHA 等[16]研究发现，喷施细胞分裂素（6-BA）能显著提高三叶鬼针草根部和叶片的生物量，提高重金属提取效率。HADI等[17]用IAA 喷施玉米叶片后发现，玉米生长受到促进，生物量显著增加，其对Pb的吸收和转运能力也显著增强。这可能是由于IAA 能够促进植物细胞分裂和分化，增强植物根系生长，促进植物对土壤营养物质和污染物质的吸收[18]。HADI 等[19]研究受Pb 污染的土壤时发现，叶面喷施10-6mol/L 赤霉素（GA）可增加玉米株高、根长以及地上部和地下部干质量，促进玉米单株对Pb 的吸收。GANGWAR 等[20]研究豌豆受铬（Cr）污染的情况时发现，施用浓度为0.01 mmol/L 的GA 可增加豌豆种子的萌发率，增大生物量。ZHENG 等[21]研究水杨酸（SA）对水田芥的生长和Cd修复能力的影响时发现，添加100、150、200 mg/L 的SA 可增加水田芥根部、茎部生物量，提高根系Cd含量、地上部Cd含量。

EDTA 是一种常见的螯合剂，其对重金属离子具有较强的螯合力，在土壤中施用EDTA 可促进土壤重金属成为可溶态，从而有效增加重金属的生物利用度，强化植物修复效率[22-24]。刘亮等[25]的研究表明，EDTA 促进了栾树对锰（Mn）、Pb 的吸收。吴秋玲等[26]的研究表明，添加EDTA 有利于提高Pb 胁迫下黑麦草的修复效果。武慧斌等[27]的研究表明，添加EDTA 有利于铜（Cu）胁迫下向日葵对Cu 的吸收累积。覃勇荣等[28]指出，EDTA 具有促进桑树和任豆幼苗吸收重金属Pb 的作用。李凤玉等[29]也指出，EDTA 具有增加商陆和胭脂草地上部Mn 含量、提高Mn从土壤中向植物地上部转移的能力。

利用植物进行重金属污染修复方面，同时关注植物修复效果及自身生长发育的研究较少[21]，关于植物激素和螯合剂共同添加后其复合处理效果的研究也未见报道。超富集草本植物马齿苋（Portulaca oleraceaL.）为石竹目、马齿苋科的大花马齿苋，为1年生草本植物，其生命力强，生物量大，对环境适应力强[30-31]。鉴于此，以马齿苋为材料，研究其在Cd 胁迫条件下，被植物激素（IAA、GA、SA）和螯合剂EDTA 复合处理后种子的萌发情况和幼苗的生长状况，以及植株各部分对Cd 的吸收富集情况，旨在为强化Cd 污染植物修复效果并缓解Cd 对植株的毒害作用提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验用马齿苋种子购于山东种子有限公司。

Cd 来源于硝酸镉[Cd（NO3）2·4H2O]，其与EDTA以及植物激素IAA、GA、SA，均为化学分析纯试剂，均购于山东国化化学有限公司。

1.2 试验设计与方法

共设5 个处理，CK：蒸馏水（空白对照）；Cd：20 mg/L Cd（Cd 胁 迫 对 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。上述处理中，不同Cd 质量浓度均指Cd2+的质量浓度。分别对马齿苋种子进行浸种，每个处理重复3次。

于2022 年4 月10 日对马齿苋种子表面进行消毒，用5%的次氯酸钠浸泡10 min，再用蒸馏水冲洗，然后按上述试验设计分别对马齿苋种子浸种12 h。浸种结束后，蒸馏水冲洗种子，再将种子均匀摆放于铺有2 层浸有上述5 个处理溶液滤纸的培养皿中。为保持Cd质量浓度的稳定，每天更换一次滤纸。将种子置于光/暗周期为14 h/10 h、温度为25 ℃/22 ℃的人工智能气候箱中培养，每天记录种子的发芽数，第3 天统计发芽势，第7 天统计发芽率，第10天测量幼苗的苗长、主根长及鲜质量。

1.3 指标测定

1.3.1 种子萌发指标测定 发芽势=3 d 内供试种子的发芽数/供试种子总数×100%；发芽率=7 d 内供试种子的发芽数/供试种子总数×100%。

1.3.2 生长指标测定 幼苗苗高：从根茎相接处到叶片尖部的长度；幼苗主根长：最长根的长度；幼苗鲜质量：幼苗用去离子水洗净，用纸吸干表面水分，用电子天平称幼苗质量即为鲜质量。

1.3.3 Cd 含量测定 将沥干水分的马齿苋幼苗的根、地上部分开，在105 ℃杀青30 min，70 ℃下烘至恒质量（烘约48 h），采用火焰原子吸收光谱法对植物样品进行Cd含量测定。

积累量（Accumulation）=地上部Cd 含量（根部Cd含量）×地上部质量（根部质量）×1 000；

转运系数（Translocation factor，TF）=地上部Cd含量/根部Cd含量。

1.4 数据分析

所有数据均为3 次重复的平均值，利用Microsoft Excel 2016 软件和DPS 8.5 软件进行数据分析及差异显著性检验（P＜0.05），采用Origin 9.1进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 植物激素与EDTA复合处理对马齿苋种子萌发的影响

各处理马齿苋种子发芽势和发芽率见图1。由图1A 可以看出，在无Cd 胁迫（空白对照，CK）下，马齿苋种子的发芽势最高，达86.52%。与CK相比，Cd胁迫对照种子发芽势显著降低，比CK 低26.13%，说明Cd胁迫对种子萌发有显著抑制作用。与Cd胁迫对照相比，添加植物激素和EDTA 后，显著提高了种子的发芽势，FI、FG、FS 处理增幅分别为10.43%、19.24%、7.73%，增加趋势表现为FG＞FI＞FS，说明植物激素和EDTA 复合处理可以缓解Cd 对种子萌发的抑制作用，提高其发芽势，其中，FG处理种子的发芽势增幅最大。

图1 植物激素与EDTA复合处理对Cd胁迫下马齿苋种子发芽势（A）和发芽率（B）的影响Fig.1 Effect of phytohormones and EDTA on germination potential and germination rate of Portulaca oleracea L.seeds under Cd stress

由图1B可以看出，在无Cd胁迫下，马齿苋种子发芽率最高，达93.81%。与CK 相比，Cd 胁迫对照种子的发芽率显著降低，降幅达22.22%，说明Cd 胁迫对种子萌发有显著抑制作用。与Cd 胁迫对照相比，添加植物激素和EDTA 后，显著增加了种子的发芽率，FI、FG、FS 处理增幅分别为15.42%、25.31%、11.23%，增加趋势表现为FG＞FI＞FS，说明GA 和EDTA 复合处理可显著缓解Cd 对种子萌发的抑制作用，提高发芽率。

2.2 植物激素与EDTA复合处理对马齿苋生长的影响

各处理马齿苋幼苗苗高、主根长和鲜质量见表1。从表1 可以得出，Cd 胁迫对照幼苗苗高、主根长、鲜质量与CK相比具有显著性差异，Cd胁迫显著降低了马齿苋幼苗的苗高、主根长和鲜质量，降幅分别为38.05%、36.24%、32.64%。与Cd胁迫对照相比，植物激素与EDTA 复合处理显著增加了幼苗的苗高，增加趋势表现为FG＞FI＞FS，其中，FG 处理苗高增幅最大，为47.95%。植物激素与EDTA 复合处理幼苗主根长与Cd 胁迫对照相比差异显著，其中，FI 处理主根长增幅最大，为38.97%，增加趋势表现为FI＞FG＞FS。与Cd 胁迫对照相比，植物激素与EDTA 复合处理显著增加了幼苗的鲜质量，FI、FG、FS 处理增幅分别为22.20%、35.91%、29.73%，增加趋势表现为FG＞FS＞FI。说明施加植物激素和EDTA会促进Cd胁迫下幼苗的生长。

表1 植物激素与EDTA复合处理对马齿苋幼苗生长的影响Tab.1 Effect of phytohormones and EDTA on seedling growth of Portulaca oleracea L.

2.3 植物激素与EDTA复合处理对马齿苋修复效果的影响

2.3.1 植物激素与EDTA 复合处理对马齿苋各部分Cd 积累量的影响 各处理马齿苋地上部和根部的Cd 积累量见图2。由图2 可知，地上部Cd 积累量明显高于根部，各处理Cd积累量与CK 差异显著。CK处理根部和地上部Cd 积累量达到最低值，分别为35.94、61.72 μg。与Cd 胁迫对照相比，植物激素与EDTA 复合处理幼苗根部Cd 积累量显著增加，FI、FG、FS 处理分别为Cd 胁迫对照的1.69、2.31、1.33倍，增加趋势表现为FG＞FI＞FS。植物激素与EDTA复合处理幼苗地上部Cd积累量与Cd胁迫对照相比差异显著，FI、FG、FS 处理分别为Cd 胁迫对照的2.03、2.94、2.27 倍，增加趋势表现为FG＞FS＞FI。综上，FG 处理根部和地上部Cd 积累量均最大，表明GA 与EDTA 复合处理使超富集植物马齿苋根部和地上部对Cd污染的修复效果进一步提高。

图2 植物激素与EDTA复合处理马齿苋各部分Cd积累量Fig.2 Cd accumulation of Portulaca oleracea L.under phytohormones and EDTA treatment

2.3.2 植物激素与EDTA 复合处理对马齿苋转运系数的影响 各处理马齿苋的转运系数见图3。由图3 可以看出，Cd 胁迫对照马齿苋的转运系数达到最低值，为0.53；植物激素与EDTA 复合处理转运系数均大于1，且与CK 差异显著。与Cd 胁迫对照相比，添加植物激素和EDTA 显著增加了马齿苋的转运系数，FI、FG、FS处理分别为Cd胁迫对照的2.11、2.33、1.92 倍，增加趋势表现为FG＞FI＞FS。FG 处理转运系数最大，为1.23。说明GA 与EDTA 复合处理显著提高了Cd从根部向地上部的转运能力，进而提升了马齿苋对Cd污染的修复效果。

图3 植物激素与EDTA复合处理马齿苋对Cd的转运系数Fig.3 Cd translocation factor of Portulaca oleracea L.under phytohormones and EDTA treatment

3 结论与讨论

种子萌发是植物生长的起点，幼苗生长期是植物成长至关重要的时期，此阶段幼苗自身的防御机制不够健全，对重金属胁迫较敏感，会影响后期生长发育及产量[32-38]。有研究表明，IAA、GA 等植物激素能促进植物细胞分裂伸长，促进种子萌发，增加生物量，促进植物对重金属的吸收[39]。本研究结果表明，植物激素和EDTA 复合处理，马齿苋种子的发芽势和发芽率与Cd胁迫对照相比增加显著，增加趋势表现为FG＞FI＞FS。前人研究表明，施加IAA可使Pb 胁迫下滇苦菜根部和地上部生物量增加[40]。本研究结果表明，Cd 胁迫下植物激素与EDTA 复合处理促进了马齿苋幼苗的生长，使其苗高、主根长和鲜质量均显著增加。其中，FI 处理，幼苗的主根长达到最大值；FG 处理，幼苗的苗高和鲜质量达到最大值。研究表明，施加EDTA 对重金属离子具有较强的螯合力，能提高重金属的迁移能力和生物有效性[41-42]。关于EDTA 强化盐生植物对土壤Pb、Cd 去除效果的研究结果表明，EDTA 可强化景天三七修复土壤的能力，使Pb、Cd 去除率分别达到37.87%、41.61%[41]；马齿苋生物量大，对环境适应能力强，且对Cd有较强的富集能力，但修复效果有待进一步提高[42]。选择适宜方式强化超富集植物的修复效果有极为重要的研究意义。本研究中，植物激素与EDTA 复合处理马齿苋幼苗根部和地上部Cd 积累量和转运系数显著增加，其中，FG处理根部和地，上部Cd 积累量达到最大值。说明植物激素与EDTA复合处理显著提升了马齿苋的Cd修复效果。

本研究结果表明，FG 处理马齿苋种子发芽势、发芽率，以及幼苗苗高、鲜质量以及各部分Cd 的积累量和转运系数均达到最大值。原因可能是GA 可以诱导激活质膜ATP 酶，引起细胞膜超极化，参与调节介导Cd 转运的膜蛋白，促进Cd 通过细胞膜进入植物体，增加植物细胞对Cd 的积累[43]，但相关机制有待进一步研究。

同时关注重金属胁迫下植物修复效率及其生长发育的研究较少。袁江等[44]在2016 年研究了螯合剂GLDA 和植物激素IAA 单独处理和复合处理对龙葵修复重金属污染土壤的影响，结果表明，单独施加GLDA 能够提高龙葵对重金属Cu、Cd、Zn 的提取，其提取量分别为空白组的1.80、1.82、1.79 倍；混合施加GLDA 与IAA 时，其对重金属Cu、Cd、Zn的提取量分别为空白组的2.70、2.67、2.50 倍，表明植物激素与EDTA 复合处理可使重金属提取率显著增加。上述研究结果与本研究结果一致。综上，植物激素与EDTA 复合处理既能促进种子萌发和幼苗的生长，又能提高马齿苋对Cd 污染的修复效果，但相关机制有待进一步研究。