植物激素、螯合剂复合处理对镉胁迫下籽粒苋生长和富集镉的影响

郭梦露 沈国明 王宜磊

关键词：镉胁迫；籽粒苋；植物修复；植物激素；螯合剂

随着工业和经济的快速发展，土壤重金属污染问题日益严重，我国受Cd、As、Pb、Hg、Zn等重金属污染的耕地面积约占总耕地面积的五分之一。重金属排放到环境中，严重污染水体和土壤，其中有高毒性和潜在致癌性的Cd是污染超标率最高的重金属：土壤Cd点位超标率最高达7%，其通过植物吸收、积累、富集后经食物链进人人体，从而对人类健康造成威胁。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。因而，有必要采取不同技术措施对Cd污染进行有效修复。植物修复技术因具有成本低、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其累积重金属的能力。选择生物量大、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复效率。众多研究结果表明，植物激素能缓解重金属的植物毒性，提高植株的抗逆性，促进其生长发育；螯合剂对重金属离子具有较强的螯合力，施加螯合剂能提高重金属的迁移能力和生物有效性。如Wang等研究EDTA（乙二胺四乙酸）强化盐生植物景天三七对土壤中Pb、Cd的去除效果发现，EDTA可以强化景天三七修复土壤的能力，使Pb、Cd的去除率分别达到37.87%和41.61%。

综上，很多研究表明植物激素和螯合剂的添加可提高植物修复效率，但关于植物激素和螯合剂复合处理的研究较少，两种添加剂复合处理是否会大大增加植物修复效率仍未可知：外源激素的添加方式有多种，具体何种添加方式能最大程度增加修复效率也鲜有研究。龙玉梅等通过温室盆栽试验比较籽粒苋、龙葵、商陆、青葙4种植物对镉污染土壤的修复效果，结果表明，4种植物可收集的镉总量排序为籽粒苋>青葙>商陆>龙葵。籽粒苋对镉胁迫的耐受性及镉富集能力均较强，是一种良好的Cd污染土壤修复材料。本试验以一年生籽粒苋（Amaranthus hybridus L．）为材料，选取叶面喷施和根部浇灌两种添加方式，研究植物激素和螯合剂复合处理对镉胁迫条件下籽粒苋的植株生长状况和富集镉情况的影响，旨在寻求提高污染土壤植物修复效率的方法，为研究植物激素与螯合剂效应提供一定的理论与实践依据。

1材料与方法

1.1试验材料

籽粒苋是苋科苋属一年生草本C4植物，叶宽大、柔软、直立，主茎粗壮，适应性强，具有耐旱、耐盐碱、耐贫瘠土壤的特点。籽粒苋在国内北方地区种植较多，生育期内可进行多次收割，鲜草产量可达130t/hm2。本试验选用美国籽粒苋K472，种子购于山东省种子有限公司。

1.2试验试剂

Hoagland全培养液配方为：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：每升培养液中加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试验设计及方法

试验于2022年3月20日开始。对籽粒苋种子进行表面消毒后浸种12h．暗中催芽24h后于温室中培养幼苗，每天定时更换Hoagland培养液，培养22d，于4月12日将幼苗移至镉溶液和Hoagland培养液的复合处理液中让植株适应稳定。5月29日进行植物激素与螯合剂的复合添加处理，施用方式分为叶面喷施（P）和根部浇灌（J）两种，每一种添加方式分别对应三种植物激素（IAA、GA、SA）与螯合剂EDTA的复合处理。以浇施蒸馏水为空白对照，共设7个处理，每处理重复3次，共21组。不同复合处理设计见表1。

1.4测定指标及方法

收获的籽粒苋植株用去离子水洗净后沥干水分，将根、茎、叶分开，105℃杀青30min，70℃下烘至恒重，分别称其干重。采用火焰原子吸收光譜法测定植物样品Cd含量。

转运系数=地上部Cd含量／根系Cd含量：

富集系数=茎、叶、根中Cd含量／培养液中Cd含量。

1.5数据处理与分析

所有数据均为3次重复平均值。利用Mi-crosoft Excel 2010和DPS 7.5统计软件进行数据分析及差异显著性检验，采用OriginPr09.1制图。

2结果与分析

2.1不同植物激素、螯合剂复合处理对籽粒苋生长的影响

不同植物激素与螯合剂复合处理下，籽粒苋各器官生物量的方差分析和多重比较见表2。与对照相比，复合处理显著增加籽粒苋根、茎、叶的生物量（P<0.05），且浇灌较喷施处理的效果更明显。叶部的生物量明显高于茎部、根部。JSA复合处理籽粒苋根部生物量最大，为对照的3.28倍；JGA复合处理下，茎、叶部的生物量最大，较对照分别高110.21%、42.59%。三种激素与螯合剂复合处理对籽粒苋根部生物量的影响表现为（SA+EDTA）>（GA+EDTA）>（IAA+EDTA），对茎、叶部生物量的影响表现为（GA+EDTA）>（SA+EDTA）>（IAA+EDTA）。

2.2不同植物激素、螯合剂复合处理对籽粒苋吸收Cd的影响

不同复合处理下籽粒苋根、茎、叶中的Cd含量见图1。与对照相比，复合处理显著增加籽粒苋根．茎、叶对Cd的吸收（P<0.05）。三种激素与螯合剂复合处理对根、茎、叶中Cd含量影响的整体表现为（GA+EDTA）>（SA+EDTA）>（IAA+ED-TA），且根部浇灌的影响显著高于叶面喷施。叶部的Cd含量显著高于茎部、根部。不同复合处理中，PIAA处理下根、茎、叶部的Cd含量最小，分别为对照的1.28、1.54、1.18倍；JGA复合处理下，根、茎、叶部的Cd含量最大，分别为对照的1.60、2.73、1.23倍。表明浇灌GA和螯合剂使超富集植物籽粒苋幼苗各部对Cd的吸收进一步加强，修复效率进一步提高。

2.3不同植物激素、螯合剂复合处理对籽粒苋转运Cd的影响

不同植物激素與螯合剂复合处理下籽粒苋地上部对Cd的转运系数见图2。各复合处理下籽粒苋地上部的转运系数均大于20，显著高于对照，且浇灌方式较喷施效果更佳。不同复合处理对籽粒苋地上部转运Cd能力的影响表现为（GA+ED-TA）>（SA+EDTA）>（IAA+EDTA）。不同复合处理中，PIAA处理下籽粒苋地上部对Cd的转运系数最低，为对照的1.31倍：JGA处理下籽粒苋地上部对Cd的转运系数最高，为对照的1.68倍。说明浇灌GA和鳌合剂显著提高了Cd从根部向地上部的转运能力，进而提高籽粒苋对Cd污染的修复效率。

2.4不同植物激素、螯合剂复合处理对籽粒苋富集Cd的影响

不同复合处理下籽粒苋根部和地上部对Cd的富集系数如图3所示。各复合处理下籽粒苋地上部的富集系数均大于1，显著高于对照。不同复合处理均增大了籽粒苋根部和地上部对Cd的富集系数，且浇灌处理相比于喷施效果更明显。不同复合处理对籽粒苋Cd富集系数的影响总体趋势表现为（GA+EDTA）>（SA+EDTA）>（IAA+EDTA）。籽粒苋地上部对Cd的富集系数显著高于根部。不同复合处理中，PIAA处理的根部和地上部的Cd富集系数最小，分别为对照的1.42、1.57倍：JGA处理下根部和地上部的Cd富集系数均最大，分别为对照的1.89、2.02倍。表明浇灌GA和螯合剂显著增强籽粒苋对Cd的富集能力，提高Cd从培养液向根及根向地上部的迁移，进而强化籽粒苋对Cd污染的修复效率。

3讨论与结论

众多学者开展关于采用绿色环保植物修复技术缓解重金属镉等对土壤和环境危害的研究时，多选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复效率。王凯在研究螯合剂及组合用于强化籽粒苋修复镉污染土壤效果中发现，复合螯合剂具有最高的镉移除量，并且对土壤中的一些酶如过氧化氢酶具有显著的促进作用，强化了籽粒苋的修复效率。肖艳辉等采用盆栽试验，比较不同浓度胺鲜酯对籽粒苋生长及富集镉锌的影响，发现10mg/L胺鲜酯处理不仅能显著提高籽粒苋根际土壤有效态镉和锌含量，还能显著增加籽粒苋的生物量：施用胺鲜酯处理的籽粒苋叶、茎、根中镉含量均增加。已有研究表明赤霉素除具有调控植物生长发育的功能外，还可增强植物对重金属的耐受性并提高其对重金属的吸收量，赤霉素介导下植物对重金属的耐性机理主要包括植物生物量维持、抗氧化作用增强、光合系统修复、重金属区隔化和信号传递等。1×10-6mol/L GA使银胶菊（Parthenium hysteropho-rus）的Cd积累量和生物富集系数分别提高289%和128%；Pb污染下施加1～10umol/LGA可有效增加黑麦草（Lolium perenne）对Pb的富集；质量浓度为10～1000mg/L GA可提高龙葵（Solanum nzgrum）地上部对Cd的富集量。

本研究得出，植物激素和螯合剂复合处理显著增加籽粒苋的生物量，显著提高其对镉的吸收、转运和富集水平。这可能是植物激素和螯合剂共同作用的结果，既能提高植株的抗逆性，促进其生长发育，又能加强其对重金属离子的螯合力，提高重金属生物修复的有效性。从籽粒苋生物量来看，不同植物激素、螯合剂复合处理显著增加籽粒苋根、茎、叶部的生物量，根部浇灌方式效果明显优于叶面喷施。JGA处理的籽粒苋茎、叶部生物量最大；JSA处理的根部生物量最大。从籽粒苋对Cd的吸收量、转运系数、富集系数来看，不同植物激素、螯合剂复合处理对3个指标的影响均表现为（GA+EDTA）>（SA+EDTA）>（IAA+ED-TA），显著高于对照，且根部浇灌处理效果显著高于叶面喷施处理，即浇灌GA与EDTA复合处理（JGA）下籽粒苋地上部对Cd的吸收量、转运系数、富集系数均最大。原因可能是由于EDTA对重金属离子具有较强的螯合力，在土壤中施用EDTA可促进土壤中的重金属成为可溶态，从而有效增加其生物利用率：GA可以诱导细胞膜超级化，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的富集，但相关机制有待进一步研究。

本试验为提高植物对重金属污染土壤的修复效率提供了方法，为研究植物激素与螯合剂效应提供了一定的理论和实践依据。但外源施加激素、螯合剂的种类、浓度、持续时间、喷施方式等众多因素对植物的生理活动均会造成不同影响，这种影响程度仍需进一步研究；植物激素、螯合剂提高植物耐受重金属的相关机制需要更深入的研究：重金属胁迫下多种植物激素、螯合剂的调控功能和机制研究需要进一步完善。