植物生长调节剂促进小麦幼苗生长及降低镉吸收转运的研究

冯文静，高巍，刘红恩，聂兆君，秦世玉，李畅，睢福庆，赵鹏

(河南农业大学资源与环境学院/河南省土壤污染防控与修复重点实验室，河南 郑州 450002)

随着工农业的发展，土壤重金属污染已成为全球性问题。重金属镉(Cd)在农业环境中污染较为严重，主要来源于工业污水排放、污水灌溉、矿产冶炼等。Cd在土壤中积累，被植物吸收，通过生物链进入人体危害人体健康。Cd是植物生长发育中的非必需元素，Cd污染严重的土壤影响植物生长和发育，种群结构和分布特征以及生物多样性也会发生改变[1-2]。研究表明，Cd对植物生长的影响，主要表现为“低促高抑”[3]。高浓度Cd会破坏植物生理、生化反应[4-5]，抑制种子萌发[6]、抑制光合作用[7]、降低产量[8]。小麦是河南省主要粮食作物，种植面积和总产量位居中国第一，寻找缓解、降低小麦Cd毒害的方法刻不容缓。

据报道，中国每年仅因重金属污染而减产的粮食达1 000多万t，被重金属污染的粮食也多达1 200万t，合计损失至少200亿元人民币[9]。粮食安全越来越受到人们重视，通过不同氮肥形态[10]、生物质炭[11]、各种改良剂[12]的施用等方法降低粮食中Cd含量。植物生长调节剂是一类对植物生长、发育有显著作用的微量有机物质，可以影响和有效调控植物的生长、发育和衰老，使作物达到稳产增产、改善品质、增强作物抗逆性等目的。并且植物生长调节剂应用范围广，作用多、用量小、速度快、效益高、残毒少，符合农业现代化的需要。研究表明，植物生长调节剂通过促进植物生长达到修复重金属污染土壤的目的，如24-表油菜素内酯(24-EBL)增加菊芋生物量促进其对Cd的摄取[13]。对于其他植物，植物生长调节剂还可减少植物对重金属的吸收、积累和转移，如茉莉酸(JA)可减少Cd从根向地上部的转移，从而阻止重金属在拟南芥中的积累[14]、油菜素类固醇(BRs)提高了芥菜型油菜的地上部和根系生物量，也减少了植物对锌的积累和吸收[15]。基于植物生长调节剂对缓解重金属机制的影响，可能与生长剂种类、作物品种等因素有关。本试验选用6种典型植物生长调节剂，研究其对Cd胁迫下小麦生长发育及Cd吸收转运的影响，确定6种植物生长调节剂是否可以降低植株中Cd含量，为进一步研究植物生长调节剂缓解Cd毒害的生理机制提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

供试材料选用百农207小麦种子，在蒸馏水中浸泡10 h，记为第0天，在培养皿中培养7 d至两叶一心期，第8天移入Hoagland营养液中，第10天喷施含有0.05%吐温的植物生长调节剂，第12天进行Cd胁迫，隔2 d换1次营养液，共换7次营养液，隔4 d喷1次生长剂，第28天采样。试验选用6种植物生长调节剂：生长素(1 μmol·L-1、100 μmol·L-1，记作IAA-1和IAA-100)、脱落酸(1 μmol·L-1、100 μmol·L-1，记作ABA-1和ABA-100)、乙烯利(1 μmol·L-1、1 000 μmol·L-1，记作ETH-1和ETH-1000)、褪黑素(1 μmol·L-1、1 000 μmol·L-1，记作MLT-1和MLT-1000)、2,4-表油菜素内酯(0.01 μmol·L-1、0.1 μmol·L-1、1 μmol·L-1，记作24-EBL-0.01和24-EBL-0.1、24-EBL-1)、茉莉酸甲酯(0.1 μmol·L-1、1 μmol·L-1、100 μmol·L-1，记作MeJA-0.1和MeJA-1、MeJA-100)，喷施处理设置有清水对照(CK)，共15个处理。所有处理均加入5 μmol·L-1的Cd胁迫，每个处理重复3次。

1.2 测定指标

1.2.1 地上部及根系生物量 用称取质量法测定植物的干物质质量。小麦根系在MES中浸泡30 min，根系与地上部用蒸馏水冲洗、擦干后，一起放至烘箱110 ℃杀青15 min，然后烘至恒定称质量。

1.2.2 地上部及根系Cd含量 参照ZHAO等[16]的方法。称取烘干样品0.25 g于三角瓶中，加HNO3-HClO4混合酸(体积比为4∶1)10 mL，静置过夜之后置于电热板上至完全消化，用蒸馏水定容到25 mL容量瓶中，过滤后用火焰原子吸收分光光度计(ZEEnit 700，Analytik Jena AG，德国)测定Cd浓度。

1.2.3 光合指标 第26天上午9:00—11:00之间测定小麦顶端向下第二片完全展开叶的净光合速率(Pn)，气孔导度(Gs)，蒸腾速率(Tr)和胞间CO2浓度(Ci)的含量，使用光合作用-荧光测定系统(LI-6400XT,LI-COR,U.S.A.)测定。光合测定仪光源为红蓝光源，有效辐射强度设置为500 mol·m-2·s-1。

1.2.4 根系扫描 28 d后收获植株，将根系和地上部分开，根系用EPSON全自动扫描仪扫描记录小麦的根系形态并获取根系图像，然后采用WinRHIZO 2009根系扫描分析系统分析得出小麦幼苗的总根长、根总表面积、根体积、平均直径和根尖数等。

1.3 数据处理与统计分析

采用Excel进行整理分析试验数据并绘制雷达图，采用DPS软件进行处理间差异显著分析，采用Origin8.0软件作图。

灰色关联分析法参考邓聚龙方法[17]进行计算：

(1)将原始数据转换为无量纲数据：

X′i(k)=Xi(k)/Xi(0),

式中：Xi(0)为各指标下的最优值所组成的序列,k=0,1,2,…n;i=0,1,2,…m;n是生长调节剂处理的数量，m是所测指标的数量；

(2)计算绝对值：计算参考序列Xi(0)和比较序列X′i(k)之间的差的绝对值，最大绝对值记为Δ(max)，最小绝对值记为Δ(min)；

ΔX′i(k)=|Xi(0)-X′i(k)|

(3)计算关联度：根据灰色系统理论和方法，由下列公式求出品种与各个指标之间的关联系数及关联度

ξi(k)=(Δ(min)+ρΔ(max))/(ΔX′i(k)+ρΔ(max))

式中：分辨系数ρ=0.5，ξi(k)为关联系数，

(4)计算关联度r：

2 结果与分析

2.1 植物生长调节剂对Cd胁迫条件下小麦幼苗生长的影响

小麦生物量可以反映其生长发育情况。如图1所示，Cd胁迫下，生长剂处理后小麦地上部和根系生长状况均优于清水对照，说明外源喷施生长调节剂对小麦生长均有促进作用；但是促进作用存在剂量效应，且效应趋势在根系和地上部表现相同。其中100 μmol·L-1ABA、1 μmol·L-1MLT、0.1 μmol·L-124-EBL地上部生物量较清水对照增加1.2～1.3倍；100 μmol·L-1ABA、0.1 μmol·L-124-EBL、1 μmol·L-124-EBL处理下的根系生物量较对照增加1.7～2.0倍。

注：柱状图上不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。Note: Different letters in the graph indicate the significant differences among treatments (P<0.05).The same as below.图1 生长调节剂对Cd胁迫下小麦生长及生物量的影响Fig.1 Effects of plant growth regulators on wheat growth and biomass under Cd stress

2.2 生长调节剂对Cd胁迫下小麦幼苗Cd吸收及转运的影响

由图2可知，除0.1 μmol·L-1MeJA和1 000 μmol·L-1ETH处理地上部，其余处理均能使小麦地上部和根系Cd含量显著下降；各生长调节剂处理间存在剂量效应，在根系和地上部表现相同。其中100 μmol·L-1IAA、1 μmol·L-1ABA、1 μmol·L-1MLT、0.1/1 μmol·L-124-EBL、100 μmol·L-1MeJA处理下地上部Cd含量较空白对照降低37%～48%，100 μmol·L-1IAA、0.1 μmol·L-124-EBL、1 μmol·L-1MeJA处理下根系Cd含量较空白对照降低45%～55%。综合地上部和根系Cd含量的降低状况，得出0.1 μmol·L-124-EBL处理降低小麦Cd含量的效果最好。

图2 生长调节剂对小麦地上部和根系Cd含量、根系吸Cd能力和Cd分配比例的影响Fig.2 Effects of plant growth regulators on Cd content in shoot and root,Cd uptake capacity in root and Cd distribution ratio of wheat

植物Cd积累主要受到根系Cd吸收和根系-地上部Cd转移分配能力的影响(图2)。与对照相比，喷施生长调节剂处理均显著降低小麦根系吸Cd能力；1 μmol·L-1IAA、1/100 μmol·L-1ABA、1 μmol·L-1MLT、0.01/1 μmol·L-124-EBL处理显著降低Cd在地上部的分配比例。相关性分析表明，植株Cd含量与根系吸Cd能力存在普遍的显著正相关(r=0.66**)，仅在MLT处理下，植株Cd含量与Cd在根系-地上部的分配存在相关性。综上，各生长调节剂对小麦体内Cd含量的影响主要是在于根系吸Cd能力的降低，而非抑制了Cd的向地上分配。

2.3 生长调节剂对Cd胁迫条件下小麦幼苗根系形态的影响

由表1可以看出，除了1 μmol·L-1ABA和0.1 μmol·L-1MeJA，其余生长调节剂处理均显著促进了Cd胁迫下的幼苗根长(28%～89%)、根表面积(38%～93%)、根体积(46%～142%)和分叉数(49%～137%)。100 μmol·L-1IAA、1 000 μmol·L-1ETH、1 μmol·L-1MLT、0.1/1 μmol·L-124-EBL、1/100 μmol·L-1MeJA处理下，根系直径显著增加了9%～21%；100 μmol·L-1IAA、100 μmol·L-1ABA、1 μmol·L-1ETH、1 μmol·L-1MLT、0.01/0.1 μmol·L-124-EBL，根尖数显著增加；所有处理均降低了根尖/分叉比。

表1 生长调节剂对Cd胁迫下小麦根系形态的影响Table 1 Effects of plant growth regulators on root morphology under Cd stress

相关性分析表明，小麦整株生物量与根长(r=0.59*)、根表面积(r=0.69**)、根体积(r=0.62*)及根分叉数(r=0.66**)普遍呈显著正相关，与根尖/分叉比呈负相关(r=-0.51*)；根系吸Cd能力与根长(r=-0.62*)、根表面积(r=-0.67**)、根体积(r=-0.65**)、根直径(r=-0.51*)和分叉数(r=-0.53*)达到显著负相关，对于IAA、ABA和MLT处理，吸Cd能力与根尖/分叉比呈显著正相关(r=0.97*～1.00**)；根系Cd分配比例与根长、表面积呈现正相关(ABA)，与根尖/分叉比呈负相关(ABA、MLT、24-EBL)。

喷施生长调节剂处理均可以通过促进根长、根表面积、根体积和分叉数，缓解Cd胁迫引起的生物量减少及降低根系Cd吸收能力；部分生长调节剂处理，可通过降低根尖/分叉比降低吸Cd能力。

2.4 生长调节剂对Cd胁迫下小麦光合特性的影响

净光合速率直接反应植物生长发育情况，气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率是影响植物光合作用的重要因素[18]。蒸腾作用是重金属等矿质元素通过质外体途径由木质部向上运输的驱动力[19]。

与对照相比，所有生长调节剂处理均能提高小麦净光合速率，其中1 μmol·L-1MLT与0.01 μmol·L-124-EBL处理效果最好；除100 μmol·L-1ABA，其余生长调节剂处理对胞间CO2浓度没有显著影响；且除了IAA、1 μmol·L-1ETH和1 μmol·L-1MLT，其余处理均降低了气孔导度和蒸腾速率。

相关性分析显示，MeJA和MLT处理各部位生物量与净光合速率达到极显著正相关；各处理根系吸Cd能力与蒸腾速率均未呈现显著性相关；ABA和IAA处理，地上部Cd积累量占比与气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率呈现正相关。

所有生长调节剂处理均能提高Cd胁迫条件下小麦的净光合速率，且主要是通过非气孔因素改善；ABA、1 000 μmol·L-1ETH、1 000 μmol·L-1MLT、24-EBL和MEJA处理均显著降低了蒸腾速率但并没有影响幼苗吸Cd能力；ABA和IAA处理可能通过影响气孔导度和蒸腾速率，影响了地上部Cd的比例。

表2 生长调节剂对Cd胁迫下小麦光合特性的影响Table 2 Effects of plant growth regulators on photosynthetic characteristics of wheat under Cd stress

2.5 生长调节剂对小麦Cd吸收转运及生物稀释效应的影响及其灰色关联度分析

为探究不同种类不同浓度生长调节剂对重金属胁迫下小麦生长发育及其质量的影响，采用灰色关联模型，根据参考序列和比较序列计算灰色关联系数，对各处理综合特性进行评价。本研究将生物量、根系吸Cd能力及地上部Cd分配系数作为质量指标，将其灰关联系数均值作为灰色关联度，反映各处理的综合特征。

从图3可以看出，100 μmol·L-1ABA的缓解机制是通过调控小麦体内Cd分布以减少Cd毒害，该处理下Cd在根系的分配比例是清水对照的2.5倍；0.1 μmol·L-124-EBL与1 μmol·L-124-EBL主要的缓解机制是降低小麦Cd吸收能力，同时增加生物量积累通过生物稀释效应缓解Cd毒害，其根系Cd吸收能力是对照的0.43、0.46倍，生物稀释效应则是对照的1.9、1.5倍；1 μmol·L-1MLT与1 μmol·L-1IAA 的3个缓解机制均不能达到最优效果，但3个机制相互配合达到的效果与其他处理相比较好。

注：(A,B)A代表关联度排列顺序，B代表关联度。Note: (A,B)A represents the order of relevance,B represents relevance.图3 生长调节剂对小麦Cd吸收转运及生物稀释的综合评价Fig.3 Comprehensive effect evaluation of Cd uptake and transport and biological dilution induced by plant growth regulators in wheat

同时根据灰色关联度值结果，Cd胁迫条件下幼苗综合特征表现为100 μmol·L-1ABA>1 μmol·L-124-EBL>0.1 μmol·L-124-EBL>1 μmol·L-1MLT>1 μmol·L-1IAA，高于其他处理的灰色关联度，综合灰色关联度及雷达图分析可以得出，在缓解小麦Cd毒害的综合影响下这5个处理效果最好。

3 讨论

3.1 生长调节剂介导的根系形态改善及其对小麦Cd吸收分配的影响

重金属Cd胁迫对作物生长发育造成严重危害，降低生物量[20]，干物质积累是表征植物耐性的重要评价指标[21]，通过促进干物质积累的生物稀释效应也是植物响应胁迫的重要机制之一。本试验表明，生长调节剂喷施均能缓解Cd胁迫对小麦生物量的抑制作用，降低幼苗各部位Cd含量，与目前多数研究结果一致[22-25]，本试验表明：100 μmol·L-1ABA、1 μmol·L-1MLT、0.1 μmol·L-124-EBL对整株生物量的增加效果最好。众所周知，ABA是一种可以维持种子休眠、促进主根伸长抑制侧根发育、促进气孔关闭以及促进乙烯合成和器官脱落的植物激素。大量研究表明，逆境条件下外施ABA，可以促进植物生长，缓解逆境胁迫带来的损伤。如外施脱落酸通过调控光合作用能够显著提高盐胁迫下玉米的株高、叶长、根冠比、地上生物量和总生物量[26]、Cd胁迫下外施5.0 μmol L-1ABA，通过提高小麦叶片抗氧化酶活性、脯氨酸含量以及根系活力，可以缓解Cd胁迫带来的氧化损伤、提高了吸水速率，从而使小麦生物量增加[27]；在Cd胁迫下喷施10 μmol L-1和20 μmol L-1的脱落酸可能通过调控树番茄幼苗的光合作用显著提高树番茄幼苗的生物量[28]。逆境条件下外施ABA可以提高植物生物量的结果与李汝佳等[29]、田礼欣等[30]研究结果一致。

根系可塑性是植物响应环境变化的重要方面[31-32]。Cd胁迫可能会改变薄壁细胞的透性导致细胞增大，表现为直径增加、根长减小；Cd也可能会因为抑制根的后期发育，导致根系直径下降[33]，促进侧根的产生。根尖是根系生长和吸收营养的区域，高浓度的重金属会强烈抑制根系的横向发展，表现为根尖数和分叉数的减少[31]，拟南芥通过改变根毛数量抵抗重金属伤害[34]。

本试验中各生长调节剂处理对Cd胁迫下的小麦幼苗根长、根表面积、根体积和分叉数均有促进作用，却降低了根尖/分叉比。相关性分析表明，不考虑处理差异，小麦根系Cd占比与根系生物量呈显著正相关(r=0.62**)，根系生物量又与根长、根表面积、根体积和分叉数均达到显著正相关。促进根系生长效果较好的有：1 μmol L-1IAA、100 μmol L-1IAA、1 μmol L-1MLT、0.1/1 μmol L-124-EBL、1 μmol L-1MeJA。植株地上部和根系Cd含量均与Cd吸收能力呈现显著正相关(r=1.00**和r=0.98**)，IAA、ABA和MLT处理，根系Cd吸收能力与根尖/分叉比呈现负相关，相关系数分别为0.99*、0.97*和1.00**。IAA改善植物根系形态的原因可能是通过促进细胞分裂、分化[35]。有研究证明24-EBL可以促进小麦侧根发育[35]，与本试验24-EBL处理下的根长、根表面积及根体积与分叉数达到0.95～0.99的显著正相关，可能促进侧根发育的结果一致。

Cd胁迫条件下，生长调节剂处理可显著改善根系形态，促进干物质累积，有助于Cd在根系中的分配；且生长调节剂处理均会降低幼苗根尖/分叉比，降低根系Cd吸收。增加根尖数和根系分叉数。

3.2 生长调节剂介导的光合作用改善及其对小麦Cd分配的影响

光合作用是植物制造并积累有机物质的重要过程，是植物重要的基础生理活动。重金属Cd胁迫抑制光合作用，降低作物生物量，进一步降低植物对逆境环境的忍耐性。光合作用降低的限制因素可分为气孔限制和非气孔限制[36]。胞间CO2浓度的大小是用于判断引起光合作用变化的主要的原因是否为气孔限制的基础[37]。当净光合速率、气孔导度和胞间CO2的浓度的数值同时降低时，造成光合作用降低的因素就为气孔限制；如果净光合速率降低，但胞间CO2浓度升高，则认为非气孔限制是引起光合作用变化的因素。本试验结果表明，6种植物生长调节剂均能促进植物的净光合速率，1 μmol L-1MLT、0.01 μmol L-124-EBL效果最好，且非气孔因素的改善是净光合速率提高的重要原因。相似研究结果表明，适宜浓度的油菜素内酯、褪黑素[35]可以显著促进Cd胁迫条件下的光合作用，其机制涉及叶绿素含量的提高、RuBP羧化酶活性的提高、光能捕获与转换能力的提高[25,38-43]。

重金属Cd是通过共质体和质外体穿过根部皮层细胞，进入中柱后转运至地上部，蒸腾拉力是其重要的驱动力之一。生长调节剂喷施可以影响植物叶片的气孔导度，进而影响到蒸腾速率以及Cd从根系向地上部的迁移[44-45]。外源ABA处理抑制两种生态型东南景天的气孔相关参数和蒸腾速率，进而影响质外体途径对Cd的吸收与运输，降低地上部Cd含量[44,46-47]。本试验中1 μmol L-1IAA和100 μmol L-1ABA显著降低了地上部Cd的比例是由于气孔导度和蒸腾速率降低造成的。净光合作用与根系的生长发育呈显著正相关，可能生长调节剂通过促进小麦幼苗的净光合速率积累干物质并向根系运输，进而促进了根系生长，导致其生物量增加。

4 结论

相较于对照，所有生长调节剂处理下均可以显著促进小麦生长，降低小麦各部位Cd含量，改善根系形态，通过非气孔因素促进净光合速率；ABA处理可以通过影响气孔导度和蒸腾速率，显著影响地上部Cd的分配比例。

相较于对照，所有生长调节剂处理下均可以显著促进根尖数和分叉数的增加，并抑制根尖/分叉比；IAA、ABA、MLT处理根系Cd吸收能力与根尖/分叉比相关系数达到0.97*～1.00**，表明抑制根尖/分叉比可以减少小麦对Cd的吸收。

喷施100 μmol L-1ABA和0.1/1 μmol L-124-EBL在缓解小麦Cd毒害，降低Cd吸收、向地上转运方面表现最优。除了普遍存在的生物稀释效应，ABA还可以通过调节气孔关闭、降低蒸腾速率、降低根尖/分叉比，抑制Cd的吸收以及Cd从根系向地上部的分配。