吲哚乙酸和激动素对镉胁迫下菊芋生理响应的影响

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随着我国工业的快速发展,燃煤、冶炼、矿业开采等工程作业使大量镉进入水体和土壤,造成局部地区镉污染严重。植物修复技术通过根系吸收转运土壤中的物质,借助体内降解的机制,对土壤、水体以及大气环境中的污染物进行吸收降解,以达到修复环境的目的,在生态工程中发挥着至关重要的功能。本文选用抗逆性强的菊芋为试验对象,通过分析吲哚乙酸(Indole-3-acetic Acid,IAA)和激动素(Kinetin,KT)对镉胁迫下菊芋DNA损伤、光合特性、抗氧化酶活性、渗透调节能力的影响,探讨IAA和KT对菊芋镉超富集的效果与作用机理,以期为多种外源激素调节协同改良植物,修复镉污染土壤技术的应用提供理论支持。研究结果如下:1.不同浓度激素对镉胁迫下菊芋株高和根系伸长率效果不同,较低浓度IAA和KT有一定促进生长的效果,较高浓度则会对其形成抑制。IAA浓度为4 mg/L时,二产地菊芋株高和根系伸长率达到最高,成都菊芋为39.83%、25.52%,榆林菊芋为34.96%、43.06%。在8 mg/L KT处理下成都菊芋株高伸长率显著提升(P<0.05)了17.44%-37.38%,根系伸长率增加29.93%-40.27%,榆林菊芋各处理组间株高和根系伸长率差异不显著(P>0.05),但在8 mg/L浓度达到最大。综上所述,选取4 mg/L IAA,8 mg/L KT展开下一步对比实验。2.镉胁迫下菊芋叶绿素结构受到破环,叶绿素含量、净光合速率(Net Photosynthetic Rate,Pn)、气孔导度(Stomatal Conductance,Gs)、蒸腾速率(Transpiration Rate,Tr)下降,胞间CO2浓度(Intercellular CO2Concentration,Ci)上升,电子传递速率(Electron Transfer Rate,ETR)、叶片的初始荧光(Initial Fluorescence,Fo)和PSII最大光能转化效率(Maximum Light Energy Conversion Efficiency,Fv/Fm)显著降低(P<0.05),光化学淬灭系数(Photochemical Quenching Coefficient,q P)无明显变化,非光化学淬灭灭系数(Non-Photochemical Quenching Coefficient,q N)显著提高(P<0.05)。IAA和KT能显著提升(P<0.05)叶绿素含量,使F0、Fv/Fm、ETR和q N恢复到CK组水平,Pn、Gs、Tr上升,Ci回落。说明IAA和KT能有效缓解镉胁迫对菊芋光合作用的损伤,保证菊芋对养分的吸收和积累。3.镉胁迫下菊芋超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶活性降低,MDA、脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量先升后降,表明镉诱导菊芋膜脂过氧化并对菊芋抗氧化系统造成损伤,菊芋通过调控自身渗透调节物质含量,维持细胞内外渗透压,减少MDA蓄积。IAA和KT能显著提升三种抗氧化酶活性和渗透调节物质含量,缓解膜脂过氧化损伤,确保细胞膜的完整性。4.镉污染下DNA损伤检测实验结果显示,镉胁迫下菊芋彗星头部出现长而亮的彗尾,彗星尾长(Tail Length,TL)、彗尾DNA含量(Tail DNA,TD)、尾矩(Tail Moment,TM)和Olive尾矩(Olive Tail Moment,OTM)均呈上升趋势,DNA损伤严重,产生大量DNA断链和片段。IAA和KT处理后,菊芋DNA损伤状况得到缓解,比较IAA组、KT组、IAA+KT组发现,施加KT两组的OTM显著低于IAA组,指示KT对镉胁迫造成的DNA损伤缓解效果优异。IAA和KT联合使用时,彗星图与CK组差别不大,DNA损伤得到修复。5.测定菊芋各器官和土壤中重金属含量,Cd在菊芋各组织中的含量为根>茎>叶,二产地菊芋Cd富集系数均大于1,可知菊芋是镉超富集植物。菊芋根茎叶中Fe含量为叶>茎>根,与Cd含量相反,提示Cd离子主要通过Fe转运蛋白进入细胞。IAA显著提升菊芋转运系数,KT明显增加了菊芋富集系数,两者联合施加可提高菊芋修复镉污染土地效率。
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