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不同生长调节剂对东南景天镉积累的影响



全 文 :摘 要:为了提高镉(Cd)超积累植物东南景天的植物修复效率,对不同植物生长调节剂调控东南景天 Cd积累的作用进行了研究。
在水培条件下,采用脱落酸(ABA)、生长素(IAA)、细胞分裂素(6-BA)、乙烯利(ETH)四种生长调节剂对 0.1 mmol·L-1 Cd处理下的
东南景天进行叶面喷施处理,对其生物量、Cd含量、Cd积累量、SOD和 POD活性进行了分析。结果表明:ABA处理通过提高地上部
生物量和 Cd含量、促进 Cd向上运输,从而增加东南景天地上部对 Cd的积累;IAA处理通过提高生物量、缓解 Cd对叶片的毒害,
从而增加东南景天地上部对 Cd的积累;6-BA处理通过提高东南景天地上部生物量和 Cd含量、缓解 Cd对叶片的毒害,从而增加
东南景天地上部对 Cd的积累;ETH处理则通过抑制生长和 Cd向上转运进而降低东南景天地上部对 Cd的积累。在重金属污染土
壤植物修复中,适量施用 ABA、IAA、6-BA可提高东南景天对镉污染土壤的修复效率。
关键词:东南景天;镉积累量;植物生长调节剂;植物修复
中图分类号:X171.5 文献标志码:A 文章编号:1672-2043(2014)08-1538-08 doi:10.11654/jaes.2014.08.011
不同生长调节剂对东南景天镉积累的影响
何 冰,陆覃昱,李彦彦,陈小勤,王学礼,顾明华 *
(广西大学农学院,南宁 530004)
Effects of Different Growth Regulators on Cadmium Accumulation by Sedum alfredii H.
HE Bing, LU Qin-yu, LI Yan-yan, CHEN Xiao-qin, WANG Xue-li, GU Ming-hua*
(College of Agriculture, Guangxi University, Nanning 530004, China)
Abstract:Enhancing heavy metal accumulation in hyperaccumulator has been a hot topic. In the present study, the impact of plant growth
regulators(PGRs)on growth and Cd accumulation of Sedum alfredii H., a Cd hyperaccumulator, was investigated under hydroponic condi-
tion with 0.10 mmol·L-1 Cd. Four kinds of PGRs were sprayed on leaves. Application of abscisic acid(ABA)increased shoot biomass and
Cd concentration, thus enhancing Cd accumulation in shoots. Supplying indole-3-acetic acid(IAA)increased shoot biomass and improved
leaf Cd detoxiation, thus promoting shoot Cd accumulation. Similarly, the treatment of 6-benzylaminopurine(6-BA)also enhanced shoot Cd
accumulation due to improved shoot biomass and leaf detoxification. However, addition of ethylene(ETH)decreased shoot Cd accumulation
as a result of suppression of both shoot growth and Cd upward transport. The results of present study indicate that proper applications of A-
BA, IAA, and 6-BA could improve Cd phytoextraction efficiency of heavy metal hyperaccumulators.
Keywords:Sedum alfredii H; cadmium accumulation; plant growth regulators; phytoremediation
收稿日期:2013-12-27
基金项目:农业部重金属污染治理项目“广西刁江流域农产品产地重
金属污染修复示范”
作者简介:何 冰(1974—),女,博士,副教授,主要从事重金属污染土
壤生态治理及植物化控研究。E-mail:hebing@gxu.edu.cn
*通信作者:顾明华 E-mail:gumh@gxu.edu.cn
2014,33(8):1538-1545 2014年 8月农 业 环 境 科 学 学 报
Journal of Agro-Environment Science
截至 2011年,被发现的 Cd超积累植物仅 5种[1]。
东南景天(Sedum alfredii H.)作为 Zn、Cd的超积累植
物[2-3],在土壤重金属植物修复中已得到广泛的应用。
叶海波等 [4]通过盆栽实验证明在 Pb、Zn 和 Cd 三种
元素复合污染条件下,东南景天的叶中 Cd最大含量
可达 12 100 mg·kg-1。熊应辉等[5]研究发现水培条件下
东南景天对 Cd的耐受临界浓度高达 500 μmol·L-1。
提高植物修复效率一直是研究的热点。目前认
为,改善农艺措施、添加植物修复剂(包括修复剂、微
生物菌剂和生长调节剂)以及植物基因改良是提高植
物修复效率的主要技术途径[6],其中的部分途径已在
东南景天上进行了相应的研究。有研究证明,适当的
施用氮、磷和钾肥可促进东南景天生长,提高地上部
对重金属的积累,重金属复合污染条件下,NH4HCO3、
Ca(H2PO4)2 和 K2SO4均能提高东南景天地上部 Pb、
Zn和 Cd含量[7]。添加石灰和有机肥可以改良土壤条
件,有利于促进东南景天的生长及其对 Cd的吸收[8]。
化学活化剂 SDBS和 EDTA可增加东南景天对Cd的
吸收[9]。外源施用柠檬酸或琥珀酸可促进东南景天对
第 32卷第 1期2014年 8月
Cd的吸收[10]。添加植物生长调节剂以其相对较低的
成本及较为明显的效果成为本文研究的重点。
植物生长调节剂(Plant growth regulator,PGR)参
与了植物生长、发育以及植物应对逆境胁迫等各个过
程的调控,其在强化植物修复作用上具有极大的潜
力,在此方面国内外进行了许多相关的研究。Tassi等[11]
研究表明外施细胞分裂素类激素可以提升向日葵
(Helianthus annuus)的生物量及其重金属积累量。研
究表明使用生长素(IAA)可以促进玉米(Zea mays)、
滇苦菜(Picris divaricata)、向日葵、东南景天对 Pb或
Zn的吸收 [12-15];研究认为 IAA通过减缓重金属的毒
害、促进根系生长、提高生物量、增强呼吸作用来调节
营养水平等方面,进而促进植物对 Pb 的吸收 [12-15];
外施脱落酸(ABA)、乙烯利(ETH)等生长调节剂可以
增强印度芥菜(Brassica juncea)抵抗 Cd等重金属胁
迫的能力[16-17]。因此,生长调节剂在一定条件下具有促
进植物吸收重金属的效应,而这一效应主要集中在生
长调节剂提高植物抗逆性、维持正常生理代谢等方
面[11-17]。超积累植物对重金属具有超富集的作用,其地
上部积累的重金属可达普通植物的 100倍以上,内源
激素是否直接调控超积累植物吸收、运输和积累重金
属的过程,目前未见有关报道。
本文以超积累植物东南景天为材料,在 Cd处理
条件下:(1)比较生长素(IAA)、细胞分裂素(6-BA)、
乙烯利(ETH)及脱落酸(ABA)在调控生长和 Cd吸收
两个方面的不同效应,初步探讨哪类激素具有直接调
控植物吸收 Cd的作用;(2)比较生长素、细胞分裂
素、乙烯利及脱落酸对东南景天 SOD和 POD活性的
影响差异,分析哪类激素主要通过提高抗性而间接调
控植物对重金属的吸收,为进一步探索内源激素对植
物超积累重金属的调控机制奠定基础。此外,明确可
促进东南景天 Cd积累的生长调节剂,提高东南景天
土壤修复效率,也可为调控东南景天在 Cd污染土壤
植物修复中的应用提供参考。
1 材料与方法
1.1 实验设计
实验材料东南景天采自浙江省衢州市某古老铅
锌矿区。选取生长一致的带顶芽的东南景天茎段用自
来水洗净,剪成大小一致的枝条,培养室培养,全天恒
温(24±2)℃,湿度 75%±5%,日均正午光强 8722 lx。
清水培养至生根后,改用完全培养液培养,培养液组
成为:Ca(NO3)2·4H2O 2.0 mmol·L-1、KH2PO4 0.1 mmol·
L -1、MgSO4·7H2O 0.5 mmol·L -1、KCl 0.1 mmol·L -1、
K2SO4 0.7 mmol·L-1、H3BO3 10 μmol·L-1、MnSO4·H2O 0.5
μmol·L-1、ZnSO4·7H2O 1.0 μmol·L-1、CuSO4·5H2O 0.2
μmol·L-1、(NH4)6Mo7O24 0.01 μmol·L-1、Fe-EDTA 100
μmol·L-1。连续 24 h通气,每天使用 0.1 mol·L-1 NaOH
和 0.1 mol·L-1 HCl调节培养液 pH至 5.8,每 3 d更换
一次培养液。待长出茂盛根系后,加入 0.10 mmol·L-1
CdCl2进行处理。3 d后叶面喷施生长调节剂,叶尖滴
水为限,其处理种类与浓度见表 1。共喷施 3次,每 3
d喷 1次,所有处理完成后继续培养 10 d收获。每个
处理重复 4次。
1.2 测定项目及方法
1.2.1 植株干重
植株收获后用自来水冲洗干净,20 mmol·L -1
EDTA-Na2浸泡根部 20 min。去离子水反复冲洗,吸
水纸擦干。将植株根、茎、叶分离,分别置于烘箱中
105 ℃杀青,65 ℃烘干至恒重,称重。
1.2.2 植株 Cd含量
样品粉碎、过筛,称取 0.300 g 用 8 mL HCl ∶
HNO3=3∶1(V∶V)湿灰法微波消解,火焰原子吸收法测
定 Cd含量(ZEEnit 700P)。
1.2.3 SOD、POD活性
分别称取 0.50 g新鲜样品,液氮研磨,加入磷酸
缓冲液(pH 6.0)5 mL,离心(10 000×g)10 min后取上
清液,按陈建勋等[18]的方法测定 SOD和 POD活性。
1.2.4 植株其他指标
地上部 Cd总量(mg·plant-1)=地上部生物量×地上
部 Cd含量
根部 Cd总量(mg·plant-1)=根部生物量×根部 Cd
含量
转运系数=地上部分 Cd含量/根部 Cd含量
表 1 生长调节剂处理浓度
Table 1 Concentrations of plant growth regulators used in study
处理号 No. 植物生长调节剂 PGR 处理浓度 Treatment/mg·L-1
CK 清水 —
1 脱落酸(ABA) 0.05
2 0.20
3 生长素(IAA) 0.05
4 0.20
5 细胞分裂素(6-BA) 0.05
6 0.20
7 乙烯利(ETH) 0.05
8 0.20
何 冰,等:不同生长调节剂对东南景天镉积累的影响 1539
农业环境科学学报 第 33卷第 8期
图 1 植物生长调节剂对东南景天生长的影响
Figure 1 Effects of plant growth regulators on dry biomass of shoots and roots of S. alfredii
数值为平均值±标准误(n=4),柱上方不同字母表示差异达到显著水平(P<0.05)。下同
Values are means±S.E.(n=4).Different letters represent significant difference between treatments(P<0.05). The same below





Dr
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6-BA处理
6-BA Treatment/mg·L-1
0.050 0.20
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6-BA处理
6-BA Treatment/mg·L-1
0.050 0.20
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ETH处理
ETH Treatment/mg·L-1
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ETH Treatment/mg·L-1
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ABA处理
ABA Treatment/mg·L-1
0.050 0.20
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ABA处理
ABA Treatment/mg·L-1
0.050 0.20
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IAA处理
IAA Treatment/mg·L-1
0.050 0.20
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0.1
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IAA处理
IAA Treatment/mg·L-1
0.050 0.20
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1.2.5 数据分析
使用 SPSS 进行方差分析(ANVON)、多重比较
(Duncan)。
2 结果分析
2.1 不同生长调节剂对东南景天生长的影响
如图 1所示,0.20 mg·L-1 ABA及 0.20 mg·L-1 IAA
处理的地上部干重显著高于对照,其中以 0.20 mg·L-1
ABA处理最为显著,较对照增加了 35.0%。6-BA处
理的地上部干重与对照相比无显著差异。ETH处理
抑制了东南景天生长,其中 0.20 mg·L-1 ETH处理地
上部干重显著低于对照。说明适量浓度的 ABA 和
IAA均能促进东南景天地上部生长,而 ETH在供试
浓度范围内未能起到相类似的效应。除 ETH处理显
1540
第 32卷第 1期2014年 8月
ETH处理
ETH Treatment/mg·L-1
0.050 0.20
6000
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ABA Treatment/mg·L-1
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ABA Treatment/mg·L-1
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IAA Treatment/mg·L-1
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IAA处理
IAA Treatment/mg·L-1
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6-BA处理
6-BA Treatment/mg·L-1
0.050 0.20
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6-BA处理
6-BA Treatment/mg·L-1
0.050 0.20
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ETH处理
ETH Treatment/mg·L-1
0.050 0.20
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图 2植物生长调节剂处理对东南景天地上部及根 Cd含量的影响
Figure 2 Effects of plant growth regulators on Cd concentrations in shoots and roots of S. alfredii
著降低东南景天根干重以外,其余不同生长调节剂处
理的根干重与对照差异不显著。说明在供试浓度范围
内,ABA、IAA 和 6-BA 对东南景天根系生长均无显
著影响,而 ETH显著抑制根系生长。
2.2 不同生长调节剂对东南景天 Cd含量的影响
由图 2可知,0.20 mg·L-1的 ABA 处理显著提高
了东南景天地上部 Cd含量,比对照增加了 19%。而
0.20 mg·L-1的 ETH 处理显著降低东南景天地上部
Cd含量,其他各处理的地上部和根部 Cd含量与对照
差异不显著。
重金属转运系数是评估植物根系向地上部转运
重金属的能力的重要指标。各个处理的 Cd转运系数
如表 2。其中 0.20 mg·L-1 ABA处理的 Cd转运系数最
高,是对照的 1.65倍。0.20 mg·L-1 ABA处理条件下地
上部 Cd含量增加而根系 Cd含量下降,说明 ABA提
高地上部 Cd的积累可能与促进根系向地上部的转
运有关。此外,0.02 mg·L-1 IAA处理的 Cd转运系数比
对照增加 49%。而 6-BA处理的 Cd转运系数与对照






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农业环境科学学报 第 33卷第 8期
ABA处理
ABA Treatment/mg·L-1
0.050 0.20
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IAA处理
IAA Treatment/mg·L-1
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6-BA处理
6-BA Treatment/mg·L-1
0.050 0.20
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ETH处理
ETH Treatment/mg·L-1
0.050 0.20
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6-BA处理
6-BA Treatment/mg·L-1
0.050 0.20
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IAA处理
IAA Treatment/mg·L-1
0.050 0.20
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0.3
0.2
0.1
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图 3 不同生长调节剂对东南景天根及地上部 Cd积累量的影响
Figure 3 Effects of plant growth regulators on Cd accumulation in shoot and root of S. alfredii
ABA处理
ABA Treatment/mg·L-1
0.050 0.20
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ETH处理
ETH Treatment/mg·L-1
0.050 0.20
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表 2 不同植物生长调节剂对东南景天 Cd转运系数的影响
Table 2 Effects of plant growth regulators on Cd transport index of S. alfredii
差异不大,ETH处理的 Cd转运系数明显下降。说明
合适浓度的 ABA和 IAA均可促进东南景天 Cd从根
系向地上部的转运,而供试浓度范围内的 6-BA无此
作用,ETH则限制了 Cd向地上的转运。
2.3 不同生长调节剂对东南景天 Cd积累量的影响
重金属积累总量与植物吸收重金属的能力和生
物量密切相关。地上部 Cd积累量远远高于根系 Cd
积累量(图 3),说明东南景天吸收的 Cd主要积累于
处理 Treatments/
mg·L-1 CK
ABA IAA 6-BA ETH
0.05 0.20 0.05 0.20 0.05 0.20 0.05 0.20
转运系数 Transport index 1.44 1.43 2.38 2.15 1.56 1.63 1.59 1.14 0.89







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1542
第 32卷第 1期2014年 8月
表 3 不同生长调节剂对 Cd处理下东南景天叶片 SOD和 POD活性的影响
Table 3 Effects of plant growth regulators on activities of SOD and POD in leaves and roots of S. alfredii
注:数值为平均值±标准误(n=4),每列同一处理不同字母表示差异达到显著水平(P<0.05)。
Note:Values are means±S.E.(n=4). Different letters within one category represent significant difference between treatments(P<0.05).
处理
Treatments/
mg·L-1
叶 Leaves 根 Roots
SOD活性 SOD activity/
U·g-1 FW
POD活性 POD activity/
U·g-1 FW
SOD活性 SOD activity/
U·g-1 FW
POD活性 POD activity/
U·g-1 FW
ABA 0.00 38.46±1.33a 10.66±1.17a 67.56±4.34b 49.59±3.85b
0.05 19.89±2.86b 7.60±0.47a 93.24±3.27a 34.24±2.43b
0.20 41.58±1.57a 8.08±0.67a 48.48±4.34b 83.56±6.85a
IAA 0.00 38.46±1.33b 10.66±1.17ab 67.56±4.34a 49.59±3.85a
0.05 55.71±2.57a 7.19±1.18b 43.42±2.66b 36.17±2.79a
0.20 65.42±1.42a 15.01±1.31a 48.48±4.34b 49.35±10.4a
6-BA 0.00 38.46±1.33b 10.66±1.17a 67.56±4.34a 49.59±3.85a
0.05 54.53±2.53a 12.55±0.09a 50.03±2.45a 24.63±3.86b
0.20 57.81±1.90a 8.66±0.14a 49.17±3.30a 43.53±2.97ab
ETH 0.00 38.46±1.33b 10.66±1.17a 67.56±4.34a 49.59±3.85b
0.05 64.68±3.54a 5.91±0.52b 50.03±3.95a 68.74±3.66a
0.20 42.13±1.11b 6.87±0.38ab 51.06±4.59a 17.8±0.94c
地上部。与对照相比,0.20 mg·L-1 ABA、0.20 mg·L-1
IAA、0.20 mg·L-1 6-BA和 0.05 mg·L-1 6-BA处理的地
上部Cd积累量均显著增加,其中 0.20 mg·L-1 ABA促
进地上部 Cd积累的效应最大。两种浓度 ETH处理均
降低了东南景天地上部的 Cd积累量。除 0.05 mg·L-1
IAA处理根部 Cd积量显著低于对照外,其他各处理
与对照无显著差异。
2.4 不同生长调节剂对东南景天 SOD和 POD活性的
影响
生长调节剂的处理浓度对不同部位的 SOD 和
POD活性的影响并不相同(表 3)。0.20 mg·L-1 ABA处
理仅使根部 POD活性增加,叶片 POD活性以及叶片
和根部 SOD活性均与对照无显著性差异。对于 IAA
来说,除叶片 POD活性随着 IAA处理浓度增加而增
加以外,其余根部 POD、叶片 SOD 和根部 SOD 活性
水平均无显著变化。在供试浓度范围内,6-BA的处理
并不影响叶部和根部 SOD 和 POD 活性水平。对于
ETH,叶部 SOD和根部 POD活性均表现出随着 ETH
处理浓度增加而下降的趋势,但叶部 POD 和根部
SOD活性无变化。
3 讨论
在 Cd处理条件下,4种生长调节剂调控东南景
天生长、吸收 Cd以及抗氧化酶系统等方面的效应并
不相同。
地上部 Cd积累量是不同生长调节剂促进东南
景天吸收 Cd的直接和间接效应的综合结果。四种生
长调节剂中,0.20 mg·L-1 ABA的地上部 Cd积累量最
高。有研究表明,ABA在促进生长的同时,通过提高
营养元素的吸收水平以维持植物体内各元素的稳态
平衡[19]。实验结果表明,适当浓度的外源 ABA(0.20
mg·L-1)不仅促进 Cd处理下东南景天地上部生长,同
时提高地上部 Cd含量。这说明提高东南景天地上部
Cd含量的效应是 ABA的直接调控机制,不能仅用促
进地上部生长、维持细胞内元素平衡从而间接促进
Cd吸收来解释。此外,从表 2可看出,0.02 mg·L-1
ABA处理的Cd转运系数为 2.38,比对照增加 49%,
说明 ABA提高地上部 Cd含量可能与其促进根部向
上转运 Cd至地上部(图 2)密切相关。ABA处理可提
高水稻(Oryza sativa)对 Cd的抗性[20]和白术(Atracty-
lodes macrocephala)对 Pb的耐性[21]。Zhao等[22]研究发
现,ABA预处理水稻幼苗可通过增加 APX和 CAT活
性、降低SOD活性以缓解 Pb胁迫导致的生长抑制。
已知 SOD和 POD是细胞内的抗氧化酶系统,逆境条
件下活性氧水平上升往往伴随 SOD 和 POD 活性的
增加[23]。本研究结果表明,除根部 POD活性外,ABA
(0.20 mg·L-1)处理的叶片 SOD活性和 POD活性与对
照均无显著差异,而 ABA(0.20 mg·L-1)处理的东南景
天地上部 Cd含量和生物量均高于对照,由此推测在
0.10 mmol·L-1 Cd处理条件下,通过提高细胞抗氧化
酶系统、增强植物抗性并不是 ABA促进东南景天地
上部对 Cd的吸收以及生长的主要调控途径。
何 冰,等:不同生长调节剂对东南景天镉积累的影响 1543
农业环境科学学报 第 33卷第 8期
适当浓度的 IAA和 6-BA均具有促进植物生长
的效应。Hadi等[12]的研究表明施用 IAA可以增加玉
米的生物量进而提高玉米对 Pb的积累;F覿ssle等[14]研
究表明施用 IAA 可缓解 Zn、Pb 对向日葵的毒害。
Tassi等[11]研究发现,Zn、Pb胁迫下施用 Cytokin(一种
混合了多种自然细胞分裂素的商用生长调节剂),可
大幅提高向日葵叶片的生物量,而这一效应与刺激细
胞分裂及促进光合作用及干物质的积累相关。本实验
结果表明,适当浓度的 IAA处理可促进东南景天地
上部的生长(图 1),IAA处理的地上部 Cd积累量均
高于对照(图 3),说明 IAA具有增强东南景天积累
Cd的效应。但这一效应主要与 IAA促进生长、提高生
物量有关,因为 IAA处理的叶片 Cd含量与对照相比
并未增加(图 2)。必须指出的是 0.05 mg·L-1 IAA处
理的Cd转运系数高达 2.15,是对照的 1.49倍,因此
IAA提高东南景天根系向上转运 Cd的效率,可能是
IAA促进东南景天地上部积累 Cd 的另一个重要原
因。已知 IAA可以通过调节“源-库”关系,引导营养
元素向地上部生长快速的部位转移,由此推测 IAA
可能通过这一方式促进东南景天根系中 Cd 的向上
转运。在 6-BA处理中虽然地上部 Cd含量与生物量
均与对照无显著差异,但其地上部 Cd积累量比对照
有所增加,这可能是在供试浓度范围内 6-BA促进东
南景天生长和 Cd吸收效应的共同结果。0.20 mg·L-1
IAA和0.20 mg·L-1 6-BA处理条件下的东南景天地上
部 Cd含量最高,对应的叶片 SOD活性增加,说明 I-
AA和6-BA有可能通过增强 SOD活性来提高叶片细
胞对Cd的抗性,从而维持相对正常的代谢活动和较
高的生长速率,进而提高东南景天地上部对 Cd的累
积。
0.20 mg·L-1 ETH处理对东南景天地上部和根系
生长有一定的抑制作用,而且 ETH的 Cd转运系数显
著下降,根系 Cd含量与对照无差异。由此认为 ETH
并不减少根系对 Cd的吸收,但抑制 Cd从根部向地
上部的转运,从而减少 Cd在地上部的积累,导致地
上部 Cd含量明显下降(图 2)。在多数情况下,ABA和
ETH对植物生长发育的调控效应相类似,都具有促
进衰老的作用,但在 Cd处理下外源 ABA与 ETH处
理对东南景天生长及 Cd积累能力的效应正好相反,
值得进一步研究。
4 结论
实验结果表明,在供试的 4种生长调节剂中,适
当浓度的 ABA、IAA及 6-BA处理均提高了东南景天
的地上部 Cd积累总量,但不同生长调节剂促进东南
景天地上部 Cd积累效应的机制并不相同:ABA通过
促进生长同时增加地上部 Cd转运能力、提高地上部
Cd的含量,达到促进东南景天地上部 Cd积累的作
用;而 IAA和 6-BA则通过促进东南景天生长来提高
生物量,从而增强东南景天对 Cd的积累。供试浓度
范围内的 ETH则存在明显的抑制作用。
不同植物生长调节剂对重金属积累能力的影响
差异很大,这对探讨东南景天重金属积累机制有重要
的意义。在今后以东南景天为材料的植物修复实践中
可以使用植物生长调节剂提高其修复效率,但应注意
把握植物生长调节剂施用浓度,以达到最好的效果。
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