3-吲哚乙酸對(duì)花卉植物生長(zhǎng)和修復(fù)重金屬效果的影響

高園園，孔露露，溫志良

（1.東莞市生態(tài)環(huán)境技術(shù)中心，廣東 東莞 523009；2.河北地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，河北 石家莊 050024）

【研究意義】植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑通過調(diào)節(jié)植物的生理代謝、生長(zhǎng)，提高重金屬吸修復(fù)效果。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上已有廣泛的應(yīng)用，具有成本低、操作簡(jiǎn)便、無污染等優(yōu)勢(shì)，對(duì)增加作物產(chǎn)量起重要作用。本研究把植物激素用于植物修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域，通過施加3-吲哚乙酸（IAA）以緩解重金屬的毒害作用，從而達(dá)到促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育和提高植物提取效率的目的，探討植物激素作用下植物修復(fù)土壤重金屬污染的可行性，為植物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用和推廣提供理論依據(jù)和參考。【前人研究進(jìn)展】近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)如何提高植物修復(fù)效果做了大量研究。有研究表明，苗期噴灑低濃度2,4-表油菜素內(nèi)酯可提高菜薹葉綠素、可溶性糖和蛋白質(zhì)的含量［1］；Pang 等［2］認(rèn)為植物調(diào)控體內(nèi)激素水平是其適應(yīng)重金屬脅迫的重要方式。Liphadz 等［3］外施IAA 促進(jìn)了重金屬處理下向日葵的根系生長(zhǎng)，而且同時(shí)檢測(cè)到了葉片中Cd 和Pb 含量增加。IAA 是植物體內(nèi)合成的調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育的微量有機(jī)物質(zhì)，能促進(jìn)細(xì)胞分裂和伸長(zhǎng)以及新器官的分化和形成，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和生理生化有重要影響［4］。李萍［5］和曾小英等［6］認(rèn)為植物調(diào)控體內(nèi)激素水平是其適應(yīng)重金屬脅迫的重要方式。IAA 和赤霉素(GA3)促進(jìn)Cd 脅迫下油菜的生長(zhǎng)發(fā)育，Cd 濃度為15 mg/kg 時(shí)油菜根系Cd 比對(duì)照增加98.17%，55 mg/kg 時(shí)油菜地上部Cd 含量最大增加159.43%［7］。梁亮［8］研究表明，IAA 與乙二胺四乙酸(EDTA)同時(shí)施用時(shí)，不僅可以提高李氏禾根、莖的生物量，同時(shí)也能增加該植物地上部的Cu 濃度，比對(duì)照平均增加29.47%，顯著提高了植物修復(fù)效率。戚琳等［9］研究表明，IAA可促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提高植物對(duì)重金屬的富集效率。和淑娟等［10］的室內(nèi)水培實(shí)驗(yàn)顯示，IAA 的添加提高了大葉井口邊草根系活力，進(jìn)而有助于超量富集As。【本研究切入點(diǎn)】合理地使用生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑可以減弱重金屬對(duì)植物生的不利影響，在緩和重金屬脅迫的同時(shí)維持植物正常的生長(zhǎng)發(fā)育，有利于植物對(duì)重金屬的吸收積累。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究通過施加IAA，探討植物激素作用下植物修復(fù)土壤重金屬污染的可行性及其修復(fù)效果，為植物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用和推廣提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于廣東省東莞市東城區(qū)溫塘社區(qū)，轄區(qū)內(nèi)有磚窯工業(yè)區(qū)和溫塘工業(yè)區(qū)等生產(chǎn)企業(yè)，可能會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)田土壤產(chǎn)生一定影響。該地屬亞熱帶季風(fēng)氣候，長(zhǎng)夏無冬，日照充足，雨量充沛，溫差振幅小，季風(fēng)明顯。實(shí)驗(yàn)田面積約300 m2，前期為菜地，土壤pH7.0，有機(jī)質(zhì)含量16.1 g/kg，總N、總P、總K 含量依次為1.01、1.11、23.30 g/kg，Cd、Pb、Hg、Cu、Zn、As、Ni、Cr 總量分別為0.38、86.11、0.52、46.33、118.67、15.87、23.00、43.67 mg/kg，其中Cd 和Hg 超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618-2018）。

1.2 試驗(yàn)材料

供試花卉鳳仙花（Impatiens balsamina）、波斯菊（Cosmos bipinnata Cav.）和萬壽菊（Tagetes erectaL.）種子均購買于北京花仙子種子公司；IAA 為廣州市林國(guó)化肥有限公司生產(chǎn)。

1.3 試驗(yàn)方法

將土地平整后劃分為18 等份，小區(qū)面積約17 m3，中間起畦、開溝。2021 年6 月3 日，鳳仙花、萬壽菊和波斯菊采用直播的方式入田，每種植物種植6 個(gè)小區(qū)。待植株長(zhǎng)至2～3 片真葉時(shí)進(jìn)行間苗，鳳仙花、萬壽菊、波斯菊種植密度分別為：25、100、150 棵/m2。田間管理根據(jù)大田土壤水分情況，不定期澆河水（水中未檢測(cè)出Cu、Zn、Pb、Cd 等重金屬），使土壤含水量保持在田間持水量的75%～85%；如有植株死亡及時(shí)補(bǔ)苗。植物生長(zhǎng)2 個(gè)月開始，分別選取每種植物的3 個(gè)小區(qū)每隔7 d 噴灑100 μmol/L IAA，剩余小區(qū)噴灑等量清水作對(duì)照。12 月10 日收獲植物，每組處理平行采集3 棵，同時(shí)采集相應(yīng)點(diǎn)位的土壤樣品，分析植物各組織器官和對(duì)應(yīng)土壤的重金屬含量。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

植物樣品采集后分為根、莖、葉（鳳仙花包括種子），用自來水清洗表面附著物，再用去離子水淋洗3 次，用濾紙吸干表面水分，稱量各部分鮮重，105 ℃殺青30 min，然后烘干至恒重，稱干重，而后粉碎，測(cè)定各組織器官重金屬含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 IAA 處理3 種花卉的生長(zhǎng)響應(yīng)

測(cè)定鳳仙花、萬壽菊和波斯菊的株高和各部分的生物量（鮮重和干重），數(shù)據(jù)經(jīng)方差分析和多重比較，結(jié)果見表1、圖1、圖2。由圖1 和圖2 可知，經(jīng)100 μmol/L IAA 處理的3 種花卉，根部鮮重增加均不顯著；鳳仙花、萬壽菊葉部鮮重與對(duì)照相比均無顯著差異，波斯菊與對(duì)照差異顯著；3 種花卉莖部鮮重、干重與對(duì)照均有顯著差異。從表1 可以看出，100 μmol/L IAA 處理的鳳仙花、萬壽菊、波斯菊，其根部、地上部鮮重和干重都有所提高，株高分別為86.33、68.67、91.33 cm，比對(duì)照高5.79%、6.31%和1.09%，差異均不顯著；莖部增重最明顯，鳳仙花莖部鮮重270.04 g、比對(duì)照（162.06 g）高66.6%，萬壽菊莖部鮮重63.73 g、比對(duì)照（37.46 g）高70.1%，波斯菊莖部鮮重20.05 g、比對(duì)照（10.07 g）高99.1%，差異均達(dá)顯著水平；鳳仙花莖部干重14.99 g、比對(duì)照（11.83 g）高26.7%，萬壽菊莖部干重11.96 g、比對(duì)照（7.04 g）高69.9%，波斯菊莖部干重3.20 g、比對(duì)照（2.47 g）高29.6%，差異亦均達(dá)顯著水平。表明100 μmol/L IAA 對(duì)鳳仙花、萬壽菊和波斯菊的生長(zhǎng)起促進(jìn)作用，顯著增加3 種花卉的生物量。

表1 IAA 處理3 種花卉的生長(zhǎng)響應(yīng)Table 1 Growth responses of three ornamental plants under IAA treatment

圖1 IAA 對(duì)鳳仙花、萬壽菊和波斯菊各組織器官鮮重的影響Fig.1 Effects of IAA on fresh weight of different tissues of Impatiens balsamina, Marigold and Coreopsis

圖2 IAA 對(duì)鳳仙花、萬壽菊和波斯菊各組織器官干重的影響Fig.2 Effects of IAA on dry weights of different tissues of Impatiens balsamina, Marigold and Coreopsis

2.2 IAA 對(duì)3 種花卉各部位Cd 積累的影響

由圖3 可知，100 μmol/L IAA 對(duì)3 種花卉吸收Cd 起促進(jìn)作用，且對(duì)植物各部位的Cd 積累量有較大影響。其中，鳳仙花根、莖、葉和種子的Cd 含量分別為2.49、1.12、0.84、0.09 mg/kg，與對(duì)照相比，根和葉分別提高1365.93%和38.05%，莖減少29.26%；萬壽菊根、莖和葉的Cd 含量分別為0.36、1.31 和4.29 mg/kg，與對(duì)照相比，莖、葉分別增加116.61%和11.6%，根減少61.75%，說明100 μmol/L IAA 促進(jìn)Cd 從根部向地上部位的遷移，從而增加萬壽菊地上部位的Cd 積累量；波斯菊根、莖和葉的Cd 含量分別為1.01、0.84 和0.57 mg/kg，根、莖分別比對(duì)照提高92.32%、26.34%，葉比對(duì)照降低23.87%。表明100 μmol/L IAA 促進(jìn)3 種花卉植物對(duì)Cd 的吸收，尤其是顯著促進(jìn)鳳仙花和波斯菊根部對(duì)Cd的吸收，降低鳳仙花與波斯菊對(duì)Cd 的轉(zhuǎn)移系數(shù)。

圖3 IAA 對(duì)鳳仙花、萬壽菊和波斯菊各組織器官Cd積累的影響Fig.3 Effects of IAA on Cd accumulation in different tissues of Impatiens balsamina,Marigold and Coreopsis

2.3 IAA 對(duì)3 種花卉植物各部位Pb 積累的影響

由圖4 可知，100 μmol/L IAA 對(duì)3 種花卉各部位Pb 積累的影響不一，促進(jìn)鳳仙花對(duì)Pb 的吸收，而對(duì)萬壽菊和波斯菊吸收Pb 起抑制作用，對(duì)根部的抑制作用更明顯。其中，鳳仙花根、莖、葉的Pb 含量分別為3.93、1.09、1.53 mg/kg，與對(duì)照相比，分別提高46.74%、302.31%和4.18%；萬壽菊根、莖的Pb 含量分別比對(duì)照減少23.28%、44.09%，葉增加4.73%；波斯菊根、莖的Pb 含量分別比對(duì)照減少17.06%、16.32%，葉增加4.12%。

圖4 IAA 對(duì)鳳仙花、萬壽菊和波斯菊各組織器官Pb 積累的影響Fig.4 Effects of IAA on Pb accumulation in different tissues of Impatiens balsamina,Marigold and Coreopsis

2.4 IAA 對(duì)3 種花卉各部位Hg 積累的影響

由圖5 可知，100 μmol/L IAA 對(duì)3 種花卉植物各部位Hg 積累的影響與對(duì)照相比均無顯著差異，3 種花卉植物對(duì)Hg 的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)均無顯著變化。結(jié)合生物量可以發(fā)現(xiàn)，3 種花卉植物對(duì)Hg 的提取量較清水對(duì)照有很大提高。這與植物激素主要通過增大生物量來提高植物對(duì)重金屬的富集效果的研究結(jié)果相一致［11］。

圖5 IAA 對(duì)鳳仙花、萬壽菊和波斯菊各組織器官Hg 積累的影響Fig.5 Effects of IAA on Hg accumulation in different tissues of Impatiens balsamina,Marigold and Coreopsis

2.5 IAA 處理3 種花卉根部與地上部對(duì)Pb 和Cd的富集特征

由上述分析可知，IAA 對(duì)3 種花卉富集Cd和Pb 影響顯著，因此本部分只討論Cd 和Pb。如圖6、圖7 所示，100 μmol/L IAA 對(duì)鳳仙花富集Pb 起促進(jìn)作用，但對(duì)波斯菊、萬壽菊吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)Pb 的能力起抑制作用。IAA 處理鳳仙花根部和地上部Pb 富集濃度分別為3.93、2.63 mg/kg，為空白對(duì)照的1.47、1.50 倍；鳳仙花根部和地上部Cd富集濃度分別為2.49、2.17 mg/kg，為空白對(duì)照的14.66、0.84 倍；萬壽菊根部和地上部Cd 富集濃度分別為0.36、5.60 mg/kg，為空白對(duì)照的0.38、1.26 倍；波斯菊根部和地上部Cd 富集濃度分別為1.01、1.41 mg/kg，為空白對(duì)照的1.92、0.99 倍。由此可見，100 μmol/L IAA 對(duì)鳳仙花和波斯菊富集Cd 起促進(jìn)作用，但降低了Cd 的遷移系數(shù)，提高了萬壽菊體內(nèi)Cd 的遷移系數(shù)。

圖6 IAA 對(duì)鳳仙花、萬壽菊和波斯菊根部和地上部富集Pb 的影響Fig.6 Effects of IAA on Pb enrichment in root and shoot of Impatiens balsamina,Marigold and Coreopsis

圖7 IAA 對(duì)鳳仙花、萬壽菊和波斯菊根部和地上部富集Cd 的影響Fig.7 Effects of IAA on Cd enrichment in root and shoot of Impatiens balsamina,Marigold and Coreopsis

3 討論

從超等［12］研究蜈蚣草和龍葵的田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，25 mg/L IAA 可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)，顯著提高株高和鮮重；羅洋等［13］對(duì)龍葵的盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明，IAA 處理龍葵地上部鮮重比對(duì)照增加12.87%；Baliyan 等［14］通過溫室試驗(yàn)證實(shí)，IAA 對(duì)鷹嘴豆根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)、鮮重和干重都有促進(jìn)作用；IAA 促進(jìn)植物生長(zhǎng)的原因可能在于緩解重金屬對(duì)植物的毒害作用［15-17］。本試驗(yàn)結(jié)果與上述研究結(jié)果一致。本試驗(yàn)中，低濃度（100 μmol/L）IAA 對(duì)鳳仙花、萬壽菊和波斯菊的生長(zhǎng)起促進(jìn)作用，株高、鮮重和干重都有所提高，根、莖、葉3 種組織器官中，莖部增重最明顯，其中波斯菊莖部鮮重、萬壽菊莖部干重增加最為顯著，波斯菊莖部鮮重20.05 g、比對(duì)照（10.07 g）高99.1%，萬壽菊莖部干重11.96 g、比對(duì)照（7.04 g）高69.9%，差異均達(dá)顯著水平。

Israr 等［18］對(duì)田青屬(Sesbania drummondii)植物進(jìn)行外加IAA 和EDTA 處理，發(fā)現(xiàn)植物葉中Cd含量顯著增加。IAA 對(duì)不同植物不同金屬作用效果存在差異在其他試驗(yàn)中也得到印證。戚琳等［9］盆栽試驗(yàn)表明，IAA 可提高紫花苜蓿和黑麥草對(duì)Cu、Zn、Cd 和Pb 等4 種重金屬的生物富集系數(shù)(BCF)，但降低了紫花苜蓿中Pb 和Zn 的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)；向言詞等[19]研究表明，IAA 可顯著提高油菜中Cd 含量和植物Cd 積累量；L′pez 等［20］研究表明，IAA 不僅能提高紫花苜蓿根和莖的生物量，同時(shí)也能增加葉片中的Pb 含量；Kocot 等［21］則認(rèn)為IAA 能直接或間接調(diào)控運(yùn)輸金屬功能的相關(guān)膜蛋白的基因，從而影響植物對(duì)重金屬的吸收。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，IAA 促進(jìn)了3 種花卉植物對(duì)Cd的吸收，其中，IAA 極大地促進(jìn)了鳳仙花和波斯菊根部對(duì)Cd 的吸收，抑制了莖和葉的吸收，從而降低了Cd 的轉(zhuǎn)移系數(shù)；對(duì)萬壽菊則提高了莖部和葉對(duì)Cd 的吸收，促進(jìn)了Cd 在萬壽菊向地上遷移，提高了萬壽菊對(duì)Cd 的轉(zhuǎn)移系數(shù)；促進(jìn)鳳仙花對(duì)Pb 的吸收，抑制了萬壽菊和波斯菊對(duì)Pb的吸收。其原因主要是由于IAA 能緩解重金屬的植物毒性，促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育，增加植物生物量，從而提高了植物提取效率。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)結(jié)果表明，噴灑低濃度（100 μmol/L）IAA 對(duì)鳳仙花、萬壽菊和波斯菊的生長(zhǎng)起促進(jìn)作用，其中對(duì)莖部生物量影響最為顯著，鳳仙花莖部鮮重270.04 g、比對(duì)照（162.06 g）高66.6%，萬壽菊莖部鮮重63.73 g、比對(duì)照（37.46 g）高70.1%，波斯菊莖部鮮重20.05 g、比對(duì)照（10.07 g）高99.1%，差異均達(dá)顯著水平；鳳仙花莖部干重14.99 g、比對(duì)照（11.83 g）高26.7%，萬壽菊莖部干重11.96 g、比對(duì)照（7.04 g）高69.9%，波斯菊莖部干重3.20 g、比對(duì)照（2.47 g）高29.6%，差異均達(dá)顯著水平；IAA 促進(jìn)了3 種花卉對(duì)Cd 的吸收，提高了萬壽菊對(duì)Cd 的轉(zhuǎn)移系數(shù)，但是降低了鳳仙花和波斯菊對(duì)Cd 的轉(zhuǎn)移系數(shù)；IAA 促進(jìn)鳳仙花對(duì)Pb 的吸收，抑制了萬壽菊和波斯菊對(duì)Pb 的吸收；IAA 對(duì)3 種花卉植物富集Hg 的能力無顯著影響。后期可考慮優(yōu)化IAA 的噴灑時(shí)間和劑量，從分子水平進(jìn)一步深入研究有關(guān)機(jī)理，進(jìn)一步強(qiáng)化花卉植物修復(fù)效率。