外源植物激素介导水稻与油菜应对镉砷胁迫的诱抗效应及内在生理机制探究

外源植物激素介导水稻与油菜应对镉砷胁迫的诱抗效应及内在生理机制探究一、绪论1.1研究背景1.1.1土壤重金属污染的来源土壤重金属污染是指由于人类活动，土壤中的微量金属元素在土壤中的含量超过背景值，过量沉积而引起的含量过高现象。重金属是指比重等于或大于5.0的金属，如Fe、Mn、Zn、Cd、Hg、Ni、Co等；As虽为准金属，但因其化学性质和环境行为与重金属多有相似之处，讨论重金属时往往也包括它。工业活动是土壤重金属污染的主要来源之一。在采矿、选矿、矿物加工等过程中，会排放大量含有汞、铅、镉、砷等重金属的废水、废气和废渣。煤和石油等化石燃料燃烧也会释放大量含有重金属的有害气体和粉尘，这些污染物经大气环流扩散，以干、湿沉降方式进入水体与土壤中，造成土壤重金属污染。比如，一些矿山在开采中未建立石排场和尾矿库，废石和尾矿随意堆放，致使尾矿中富含难解的重金属进入土壤，加之矿石加工后余下的金属废渣随雨水进入地下水系统，加重了土壤重金属污染程度。农业生产活动也是土壤重金属污染的重要来源。农田污水灌溉、污泥利用，化肥、有机肥、农药和杀虫剂的滥用以及塑料薄膜的大量使用等，都会导致土壤中重金属含量增加。长期使用含重金属的农药和化肥，会使汞、铬、砷、铜、锌等重金属在土壤中不断积累。农用物资施用和农业污灌已成为农田土壤中重金属污染的关键因素。城市交通同样会造成土壤重金属污染。汽车排放的尾气及轮胎磨损产生的粉尘中含有铅、镉、铜、锌等重金属。汽油、油的燃烧和发动机及其他镀金部件磨损释放出的重金属粉尘，会随着空气流动沉降到土壤中，从而污染土壤。在交通繁忙的道路两侧，土壤中的重金属含量往往明显高于其他地区。1.1.2我国土壤Cd、As污染现状全国土壤污染调查显示，我国耕地土壤重金属点位超标率为19.4%，其中镉（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、铜（Cu）、铅（Pb）、铬（Cr）、锌（Zn）、镍（Ni）8种重金属元素均有不同程度的超标，以Cd污染程度最重，超标率为7.0%。中国多个地区出产的稻米被查出镉超标，土壤污染问题愈发严重。我国土壤砷环境背景值高，平均质量分数为11.2mg・kg−1，接近全球平均值（6.0mg・kg−1）的2倍。我国表层农业土壤中砷的质量分数中位数为10.4mg・kg−1，与其他国家相比处于较高水平。砷进入农田会引起土壤退化，并通过作物、蔬菜种植进入食物链进而威胁人体健康。水稻作为我国重要的粮食作物，具有较强的砷吸收转运能力，稻田砷污染成为稻米砷暴露的主要途径。土壤重金属污染具有隐蔽性和滞后性，往往要通过土壤样品分析、农作物检测，甚至人畜健康的影响研究才能确定，从产生到发现危害通常时间较长。而且，污染物在土壤中迁移、扩散和稀释困难，容易不断累积。再加上土壤性质差异较大，污染物分布不均匀，空间变异性大，以及重金属难以降解，导致土壤污染基本上是一个不可完全逆转的过程，治理成本高、周期长、难度大。1.1.3湖南省农田土壤Cd、As污染背景分析湖南省地形地貌复杂，土壤类型多样，复种指数高，耕地土壤利用强度大，加之工业化、城镇化进展加快，工业、城镇“三废”污染源增多，导致耕地土壤退化现象较为严重，重金属污染问题突出。据相关研究表明，湖南省某典型流域农田土壤中Cd、As、Pb的平均含量均超过研究区土壤背景值。内梅罗指数分析显示，研究区中77.16%的土壤点位评价结果为重度污染；与GB15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》中农用地土壤污染风险管制值相比，土壤点位中Cd、As、Pb超标现象突出，主要分布于流域上游西部；综合潜在生态危害评价结果表明，3.05%的土壤点位表现为强生态风险及以上。不同土地利用类型中，土壤重金属含量存在显著差异，旱地、水田、果园土壤中Cd、Hg、As、Pb的含量依次降低。郴州市有22.5万hm²土地被重金属污染，占全市土地总面积的11.6%，被污染的土壤As、Pb、Hg、Cd平均值分别超标25、148、4和19倍。这些数据充分说明湖南省农田土壤Cd、As污染形势严峻，严重威胁当地农业生产和生态环境安全，亟待采取有效措施进行治理和修复。1.2土壤Cd、As污染的危害1.2.1对动物的危害土壤中的Cd、As会通过食物链的传递和富集，对动物造成严重危害。当动物长期食用含有Cd、As的植物或其他食物时，这些重金属会在动物体内逐渐积累，导致动物生理机能受损。例如，Cd会影响动物的骨骼发育，导致骨质疏松、骨骼变形等问题，严重时甚至会引发骨折。研究表明，长期暴露于Cd污染环境中的动物，其骨骼中的Cd含量显著增加，骨骼强度明显下降。As则会干扰动物的新陈代谢，影响动物的肝脏、肾脏等重要器官的功能。动物摄入过量的As后，肝脏会出现肿大、肝功能异常等症状，肾脏也会受到损害，导致肾功能下降。Cd、As污染还会对动物的繁殖能力产生负面影响。它会降低动物的生殖激素水平，影响生殖细胞的发育和成熟，从而导致动物的繁殖率下降。研究发现，受到Cd、As污染的雄性动物，其精子数量和质量明显下降，受精能力降低；雌性动物则可能出现排卵异常、胚胎发育不良等问题，增加流产和死胎的风险。1.2.2对植物的危害Cd、As污染对植物的生长发育具有显著的抑制作用。Cd会阻碍植物根系对水分和养分的吸收，导致植物生长缓慢、矮小，叶片发黄、枯萎。Cd会与植物根系中的一些酶结合，抑制酶的活性，从而影响根系的正常功能。As则会干扰植物的光合作用和呼吸作用，使植物无法正常合成有机物质，影响植物的能量代谢。研究表明，受到As污染的植物，其光合作用速率明显下降，叶片中的叶绿素含量减少，影响植物的正常生长。Cd、As污染还会影响植物的抗氧化系统。它会导致植物体内活性氧的积累，引发氧化应激，破坏植物细胞的结构和功能。植物为了应对这种氧化应激，会激活自身的抗氧化酶系统，如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）等。但当污染程度超过植物的耐受范围时，抗氧化酶系统就会受到抑制，无法有效清除活性氧，从而导致植物细胞受损，甚至死亡。1.2.3对人体健康的危害人类通过食用受Cd、As污染的农产品，如水稻、蔬菜等，会摄入大量的Cd、As，从而对人体健康造成严重威胁。Cd进入人体后，会在肾脏、肝脏等器官中积累，导致肾功能衰竭、肝脏损伤等疾病。长期摄入Cd还会引发骨痛病，患者会感到全身骨骼疼痛、骨质疏松，严重影响生活质量。As是一种强致癌物质，长期接触As会增加患皮肤癌、肺癌、肝癌等癌症的风险。As还会影响人体的神经系统，导致神经系统功能紊乱，出现头痛、头晕、失眠等症状。相关研究表明，在一些土壤Cd、As污染严重的地区，居民的癌症发病率明显高于其他地区，儿童的智力发育也受到了不同程度的影响。土壤Cd、As污染还会通过食物链的放大作用，对人体健康造成更广泛的影响。比如，以受污染农产品为食的家禽、家畜，其体内的Cd、As含量也会升高，人们食用这些家禽、家畜的肉、蛋、奶等产品后，也会间接摄入Cd、As，从而增加健康风险。1.3Cd、As污染土壤修复技术研究进展1.3.1物理化学修复物理化学修复技术是利用物理和化学原理，对污染土壤中的重金属进行分离、固定或转化，从而降低其含量和毒性的方法。常见的物理化学修复技术包括土壤淋洗、固化稳定化、电动修复等。土壤淋洗是指利用清洗液把土壤固相中的重金属从土壤中溶解、解吸附、反络合等作用将重金属转移到土壤液相中，再针对废水处置的土壤修复技术。土壤淋洗主要的技术原理主要有两点：第一，土壤颗粒分为不同的粒径，随土壤颗粒的减小，其比表面积变大，有机质含量增高，易吸附重金属。一般来说，土壤重金属集中分布在土壤细颗粒上，大颗粒的土壤相对清洁或重金属易从土壤洗脱附，通过筛分工作，将大颗粒的土壤分离出来，经清水冲洗后为清洁土壤，实现污染土壤的减量化。第二，清洗的实施效果与土壤中的重金属形态有关，重金属进入土壤后，通过溶解、沉淀、凝聚、络合吸附等各种作用，形成不同的化学形态，进而影响其活性和迁移性。从土地利用方式而言，土壤淋洗技术更适用于建设用地土壤；就土壤理化性质而言，土壤淋洗技术更适用于砂土，不适用于粘土，淋洗土壤中黏粒含量不高于25-30%。固化稳定化是向污染土壤中添加固化剂或稳定剂，使重金属与固化剂或稳定剂发生化学反应，形成难溶性的化合物，从而降低重金属的迁移性和生物有效性。固化剂和稳定剂可以是水泥、石灰、粉煤灰、黏土等。固化稳定化技术适用于处理重金属含量较高的土壤，但可能会改变土壤的物理化学性质，影响土壤的肥力和生态功能。电动修复是在污染土壤中插入电极，通过施加直流电，使土壤中的重金属离子在电场作用下向电极方向迁移，从而达到去除重金属的目的。电动修复技术适用于处理低渗透性的土壤，但能耗较高，修复成本较大，且可能会对土壤结构和微生物群落造成一定的破坏。1.3.2生物修复生物修复技术是利用生物的生命活动，将土壤中的重金属吸收、转化或固定，从而降低其毒性和生物有效性的方法。常见的生物修复技术包括植物修复、微生物修复、动物修复等。植物修复是利用植物吸收、富集、降解或固定土壤中重金属离子或其他污染物，以降低或消除污染程度，修复土壤。一些植物具有超富集重金属的能力，它们可以在体内积累大量的重金属，而自身不受伤害。通过种植这些超富集植物，可以将土壤中的重金属转移到植物地上部分，然后通过收割植物将重金属从土壤中去除。例如，蜈蚣草对砷具有较强的富集能力，在砷污染土壤中种植蜈蚣草，可以有效降低土壤中砷的含量。植物修复技术具有成本低、环境友好、不破坏土壤结构等优点，但修复周期较长，对土壤条件和植物种类有一定的要求。微生物修复是利用微生物的代谢活动，将土壤中的重金属转化为低毒或无毒的形态，或者通过微生物的吸附作用，将重金属固定在土壤中。微生物可以通过氧化还原、甲基化、络合等作用，改变重金属的形态和化学性质。例如，一些细菌可以将毒性较强的三价砷氧化为毒性较低的五价砷，从而降低砷的毒性。微生物修复技术具有修复效率高、适应性强等优点，但微生物的生长和代谢受到土壤环境条件的影响较大，需要对土壤环境进行调控。动物修复是利用土壤中的某些低等动物吸收土壤中的重金属。例如在受重金属污染的土壤中放养蛆虫，待其富集重金属后，采用电激、灌水等方法驱出蛆虫集中处理。动物修复技术相对应用较少，其修复效果和应用范围还需要进一步研究和探索。1.3.3农业生态修复措施农业生态修复措施是通过调整农业生产方式和管理措施，降低土壤重金属的有效性，减少植物对重金属的吸收，从而达到修复土壤的目的。常见的农业生态修复措施包括合理施肥、轮作、间作、深耕改土等。合理施肥可以通过调节土壤的酸碱度、氧化还原电位等理化性质，影响重金属在土壤中的存在形态和生物有效性。例如，施用石灰可以提高土壤的pH值，使重金属形成氢氧化物沉淀，降低其溶解度和生物有效性；施用有机肥可以增加土壤有机质含量，提高土壤的阳离子交换容量，增强土壤对重金属的吸附能力，减少重金属的迁移性。轮作和间作是利用不同植物对重金属的吸收和积累特性不同，通过合理安排作物种植顺序和组合，降低土壤中重金属的含量。例如，将对重金属吸收能力较强的作物与吸收能力较弱的作物进行轮作或间作，可以减少重金属在土壤中的积累。研究表明，水稻与玉米轮作，可以有效降低土壤中镉的含量。深耕改土是通过翻动土壤，使表层污染土壤与深层土壤混合，降低表层土壤中重金属的浓度。深耕改土还可以改善土壤结构，增加土壤通气性和透水性，促进土壤微生物的活动，有利于土壤中重金属的转化和固定。农业生态修复措施具有成本低、易于实施、对环境影响小等优点，但修复效果相对较慢，需要长期坚持实施。1.4外源植物激素缓解Cd、As污染对植物胁迫的研究进展植物激素是植物体内合成的、对植物生长发育有显著调节作用的微量有机物质。它们在植物应对环境胁迫的过程中发挥着关键作用，能够调节植物的生理生化过程，增强植物的抗逆性。近年来，越来越多的研究关注外源植物激素在缓解Cd、As污染对植物胁迫方面的作用。生长素（IAA）能够促进植物细胞的伸长和分裂，对植物的生长发育具有重要作用。在Cd、As胁迫下，外源IAA可以通过多种途径缓解植物的胁迫伤害。研究表明，施用外源IAA能缓解镉胁迫对茶树的毒害作用，具体表现为茶树根系活力增加，根、茎、老叶和新梢叶中的各抗氧化酶活性提高，鲜叶理化成分含量增加，茶树叶片光合作用能力提高，且各组织中镉含量也显著降低，茶树生长量提高。这可能是因为IAA通过调节植物体内的抗氧化系统，增强了植物对镉胁迫的抵抗能力。赤霉素（GA）能够促进植物茎的伸长、种子萌发和果实发育。在应对Cd、As胁迫时，GA也展现出积极的缓解作用。有研究发现，在砷胁迫下，外源GA处理可以提高水稻种子的发芽率、发芽势和发芽指数，促进水稻幼苗的生长，增加其根长、苗长和鲜重。GA可能通过调节植物体内的激素平衡，影响植物的生长发育，从而缓解砷胁迫对植物的抑制作用。细胞分裂素（CTK）能够促进细胞分裂和分化，延缓植物衰老。在Cd、As污染的环境中，外源CTK可以增强植物的抗逆性。有实验表明，在镉胁迫下，喷施细胞分裂素6-BA可提高小麦幼苗的抗氧化酶活性，降低丙二醛含量，缓解镉对小麦幼苗的氧化损伤，促进小麦幼苗的生长。这表明CTK通过调节植物的抗氧化系统，减轻了镉胁迫对植物的伤害。脱落酸（ABA）作为一种重要的胁迫响应激素，在植物应对Cd、As胁迫时发挥着核心作用。干旱胁迫诱导茶树中ABA生物合成相关基因的上调表达，从而诱导活性氧、一氧化氮和Ca²⁺等第二信使发挥作用，进一步影响靶向离子通道的蛋白激酶/磷酸酶的活性，最终导致气孔关闭，防止水分流失。在Cd、As胁迫下，ABA能够调节植物的气孔运动，减少水分散失，维持植物的水分平衡。ABA还能诱导植物体内抗氧化酶基因的表达，提高抗氧化酶活性，清除体内过多的活性氧，减轻氧化损伤。油菜素内酯（BR）具有促进植物生长、增强植物抗逆性等多种生理功能。在Cd、As胁迫下，外源BR可以通过调节植物的生理生化过程来缓解胁迫伤害。有研究显示，在高温胁迫下对茶树叶片外源喷施2,4-表油菜素内酯（EBR），茶树叶片气孔导度显著提高，外源EBR能通过促进光合碳反应的进行来缓解胁迫对茶树叶片光合作用的抑制，同时有效调控多种抗氧化途径以清除叶片细胞内的自由基和活性氧，从而缓解高温胁迫对茶树的伤害。在镉胁迫下，BR处理可以提高黄瓜幼苗的根系活力和抗氧化酶活性，降低丙二醛含量，减轻镉对黄瓜幼苗的毒害作用，促进黄瓜幼苗的生长。这说明BR通过调节植物的抗氧化系统和根系活力，增强了植物对镉胁迫的耐受性。水杨酸（SA）在植物的抗病、抗逆过程中起着重要作用。在Cd、As污染的土壤中，外源SA可以提高植物的抗逆性。研究发现，外源喷施SA能显著增加盐胁迫下茶叶的鲜质量和干质量，改善茶树的渗透调节和抗氧化能力，增强细胞膜稳定性，减轻盐胁迫的危害。在砷胁迫下，SA处理可以提高水稻幼苗的抗氧化酶活性，降低丙二醛含量，缓解砷对水稻幼苗的氧化损伤，提高水稻幼苗的抗砷能力。这表明SA通过调节植物的抗氧化系统和细胞膜稳定性，增强了植物对砷胁迫的抵抗能力。茉莉酸（JA）能够诱导植物产生一系列防御反应，增强植物对生物和非生物胁迫的抗性。在Cd、As胁迫下，外源JA可以调节植物的生理生化过程，缓解胁迫伤害。有研究表明，在镉胁迫下，JA处理可以提高小麦幼苗的抗氧化酶活性，降低丙二醛含量，减轻镉对小麦幼苗的氧化损伤，促进小麦幼苗的生长。这说明JA通过调节植物的抗氧化系统，增强了植物对镉胁迫的耐受性。一氧化氮（NO）作为一种信号分子，在植物应对Cd、As胁迫时也发挥着重要作用。在镉胁迫下，NO处理可以提高玉米幼苗的抗氧化酶活性，降低丙二醛含量，缓解镉对玉米幼苗的氧化损伤，促进玉米幼苗的生长。这表明NO通过调节植物的抗氧化系统，增强了植物对镉胁迫的抵抗能力。1.5研究目的和意义本研究旨在深入探究外源植物激素对水稻和油菜耐镉砷胁迫的诱抗效应及其生理机制，为缓解土壤镉砷污染对植物的危害、提高农作物产量和品质提供理论依据和技术支持。具体研究目的如下：明确不同外源植物激素对镉砷胁迫下水稻和油菜种子萌发、幼苗生长及植株发育的影响，筛选出对缓解镉砷胁迫效果显著的外源植物激素种类和浓度。从抗氧化系统、活性氧代谢、离子平衡等方面揭示外源植物激素增强水稻和油菜耐镉砷胁迫的生理机制，阐明外源植物激素在植物应对镉砷胁迫过程中的信号转导途径。研究外源植物激素对镉砷在水稻和油菜体内转运和积累的影响，以及对根际土壤微生物群落结构和功能的调控作用，为降低农作物对镉砷的吸收、保障农产品质量安全提供新的思路和方法。土壤镉砷污染问题严重威胁着生态环境和人类健康，而植物修复技术因其成本低、环境友好等优点成为研究热点。外源植物激素作为一种新型的调控手段，在提高植物对镉砷胁迫的耐受性方面具有巨大潜力。本研究对于丰富植物抗逆生理理论，推动植物修复技术的发展具有重要的科学意义。在实际应用中，本研究成果可为湖南省等镉砷污染严重地区的农业生产提供科学指导，通过合理施用外源植物激素，可有效减轻镉砷污染对水稻和油菜等农作物的危害，提高农作物产量和品质，保障粮食安全。同时，还能减少因土壤污染导致的农产品质量问题，降低人体通过食物链摄入镉砷的风险，保护人体健康。合理利用外源植物激素进行土壤污染修复，可避免传统物理化学修复方法带来的二次污染等问题，有利于生态环境的保护和可持续发展。1.6研究内容和技术路线1.6.1主要内容本研究主要探讨外源植物激素对水稻和油菜耐镉砷胁迫的诱抗效应及生理机制，具体研究内容如下：Cd、As胁迫下不同外源植物激素对水稻种子萌发的影响：选用典型水稻品种，设置不同浓度的镉、砷胁迫处理，同时施加不同种类和浓度的外源植物激素，如生长素（IAA）、赤霉素（GA）、细胞分裂素（CTK）、脱落酸（ABA）、油菜素内酯（BR）、水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）、一氧化氮（NO）等。测定水稻种子的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、根长、芽长等萌发指标，分析不同外源植物激素对镉、砷胁迫下水稻种子萌发的影响。检测水稻幼根幼芽中的丙二醛（MDA）含量、抗氧化酶（SOD、POD、CAT等）活性、活性氧（ROS）含量以及镉、砷含量，探究外源植物激素缓解镉、砷胁迫对水稻种子萌发伤害的生理机制。Cd、As胁迫下不同外源植物激素对水稻幼苗生长的影响：在水培或土培条件下，对水稻幼苗进行镉、砷胁迫处理，并施加不同外源植物激素。测定水稻幼苗的株高、茎粗、叶面积、鲜重、干重等生长指标，以及叶绿素含量、MDA含量、抗氧化酶活性、ROS含量、镉、砷含量等生理指标，研究外源植物激素对镉、砷胁迫下水稻幼苗生长和生理特性的影响，阐明其缓解镉、砷胁迫的生理机制。不同外源植物激素对Cd、As在水稻中的转运和积累的影响：采用盆栽试验和田间试验相结合的方法，在水稻生长的不同时期喷施或根施不同外源植物激素，分析水稻各器官（根、茎、叶、籽粒等）中镉、砷的含量和分布，研究外源植物激素对镉、砷在水稻体内转运和积累的影响。利用高通量测序技术分析水稻根际土壤微生物群落结构和功能的变化，探讨外源植物激素通过调控根际土壤微生物群落来影响水稻对镉、砷吸收和积累的机制。不同外源植物激素对油菜生理指标及其吸收积累Cd、As的影响：以油菜为试验材料，设置镉、砷胁迫处理和不同外源植物激素处理。测定油菜的生物量、叶绿素含量、抗氧化酶活性、MDA含量、过氧化氢（H₂O₂）含量等生理指标，以及镉、砷含量和富集系数，研究外源植物激素对镉、砷胁迫下油菜生理特性和镉、砷吸收积累的影响，揭示其缓解镉、砷胁迫的生理机制。1.6.2技术路线本研究的技术路线如图1-1所示：实验设计：选择湖南省典型镉、砷污染农田土壤或人工模拟污染土壤，确定水稻和油菜的品种。设置对照（CK）、镉胁迫（Cd）、砷胁迫（As）、镉砷复合胁迫（Cd+As）以及不同外源植物激素处理组，每个处理设置3-5次重复。样品采集：在水稻和油菜的不同生长时期，采集种子、幼苗、植株等样品，用于各项指标的测定。同时采集根际土壤样品，用于分析土壤微生物群落结构和功能。指标测定：测定水稻种子萌发指标、幼苗生长指标、叶绿素含量、MDA含量、抗氧化酶活性、ROS含量、镉、砷含量等；测定油菜的生物量、叶绿素含量、抗氧化酶活性、MDA含量、H₂O₂含量、镉、砷含量和富集系数等。利用高通量测序技术分析水稻根际土壤微生物群落结构和功能。数据分析：采用Excel、SPSS等软件对实验数据进行统计分析，通过方差分析（ANOVA）、相关性分析等方法，比较不同处理组之间的差异，分析外源植物激素对水稻和油菜耐镉砷胁迫的诱抗效应及其生理机制。二、Cd、As胁迫下不同外源植物激素对水稻种子萌发的影响2.1引言水稻作为全球重要的粮食作物之一，为全球半数以上人口提供主食，在保障粮食安全方面发挥着不可或缺的作用。然而，随着工业化、城市化进程的加速以及农业生产活动的不合理开展，土壤重金属污染问题日益严峻，其中镉（Cd）和砷（As）污染尤为突出。大量研究表明，Cd、As污染不仅导致土壤质量下降，还严重影响水稻的生长发育，从种子萌发阶段就对水稻产生诸多不利影响。种子萌发是植物生命周期的起始阶段，也是植物对外界环境胁迫较为敏感的时期。在Cd、As胁迫下，水稻种子的萌发往往受到抑制，发芽率、发芽势等指标显著降低。这是因为Cd、As进入种子后，会干扰种子内部的生理生化过程，影响酶的活性、破坏细胞膜的完整性，进而阻碍种子的正常吸水、呼吸和物质代谢，抑制胚的生长和发育。植物激素作为植物体内的信号分子，在植物生长发育以及应对逆境胁迫过程中发挥着关键的调控作用。不同种类的植物激素，如生长素（IAA）、赤霉素（GA）、细胞分裂素（CTK）、脱落酸（ABA）、油菜素内酯（BR）、水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）和一氧化氮（NO）等，各自具有独特的生理功能，它们通过相互协调和作用，共同调节植物的生长发育和对环境胁迫的响应。在Cd、As胁迫下，外源施加植物激素有可能通过调节水稻种子的生理生化过程，缓解Cd、As对种子萌发的抑制作用，促进种子的萌发和幼苗的生长。研究外源植物激素对Cd、As胁迫下水稻种子萌发的影响，对于揭示植物激素在植物抗逆过程中的作用机制具有重要的理论意义。通过深入探究不同外源植物激素对水稻种子萌发的影响，能够进一步明确植物激素在调节植物应对重金属胁迫中的信号转导途径和分子机制，丰富植物抗逆生理的理论体系。这对于指导农业生产实践、提高水稻在Cd、As污染土壤中的产量和品质具有重要的实际应用价值。在土壤Cd、As污染严重的地区，通过合理施用外源植物激素，可以促进水稻种子的萌发和幼苗的生长，增强水稻对Cd、As胁迫的耐受性，保障水稻的安全生产，减少因土壤污染导致的粮食减产和质量下降问题。二、Cd、As胁迫下不同外源植物激素对水稻种子萌发的影响2.2材料与方法2.2.1试验材料供试水稻品种为“湘早籼45号”，该品种是湖南省常见的早稻品种，具有较好的适应性和产量潜力。选取饱满、无病虫害的水稻种子备用。外源植物激素选用生长素（IAA）、赤霉素（GA）、细胞分裂素（CTK）、脱落酸（ABA）、油菜素内酯（BR）、水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）和一氧化氮（NO）。这些激素均为分析纯，购自Sigma-Aldrich公司。IAA、GA、CTK、ABA、BR、SA、JA均用无水乙醇溶解后，再用蒸馏水稀释至所需浓度；NO供体为硝普钠（SNP），直接用蒸馏水溶解。试验所用试剂包括3,5-二硝基水杨酸（DNS）、硫代巴比妥酸（TBA）、愈创木酚、邻苯三酚、***化钾等，均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司。2.2.2试验设置将水稻种子用0.1%次氯酸钠溶液消毒15min，然后用蒸馏水冲洗3-5次，去除表面消毒剂。设置对照（CK）、镉胁迫（Cd）、砷胁迫（As）、镉砷复合胁迫（Cd+As）以及不同外源植物激素处理组。镉胁迫处理采用CdCl₂・2.5H₂O，设置浓度为5mg/L、10mg/L、20mg/L；砷胁迫处理采用Na₂HAsO₄・7H₂O，设置浓度为10mg/L、20mg/L、40mg/L；镉砷复合胁迫处理则是将相应浓度的CdCl₂・2.5H₂O和Na₂HAsO₄・7H₂O混合。外源植物激素处理：在镉、砷及镉砷复合胁迫处理的基础上，分别添加不同浓度的外源植物激素。IAA设置浓度为0.1mg/L、1mg/L、10mg/L；GA设置浓度为5mg/L、10mg/L、20mg/L；CTK设置浓度为0.5mg/L、1mg/L、2mg/L；ABA设置浓度为0.1mg/L、0.5mg/L、1mg/L；BR设置浓度为0.01mg/L、0.1mg/L、1mg/L；SA设置浓度为0.5mmol/L、1mmol/L、2mmol/L；JA设置浓度为0.1mmol/L、0.5mmol/L、1mmol/L；NO供体SNP设置浓度为0.1mmol/L、0.5mmol/L、1mmol/L。每个处理选取100粒消毒后的水稻种子，均匀放置于铺有两层滤纸的直径为15cm的培养皿中，加入10mL相应处理溶液，以蒸馏水作为对照。每个处理设置3次重复，将培养皿置于28℃恒温培养箱中黑暗培养。2.2.3测定方法种子发芽率和发芽势：在培养的第3天统计发芽势，第7天统计发芽率。发芽标准为种子露白且芽长超过种子长度的一半。发芽势（%）=（3天内发芽种子数/供试种子数）×100；发芽率（%）=（7天内发芽种子数/供试种子数）×100。幼根幼芽长度：在培养的第7天，随机选取10株幼苗，用直尺测量幼根和幼芽的长度，计算平均值。丙二醛（MDA）含量：采用硫代巴比妥酸（TBA）比色法测定。称取0.5g幼根或幼芽，加入5mL5%三***乙酸（TCA）溶液，研磨成匀浆，4000r/min离心10min，取上清液2mL，加入2mL0.6%TBA溶液，沸水浴加热15min，迅速冷却后，4000r/min离心10min，取上清液，用分光光度计在450nm、532nm和600nm波长下测定吸光度，根据公式计算MDA含量。抗氧化酶活性：超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮蓝四唑（NBT）光化还原法测定；过氧化物酶（POD）活性采用愈创木酚法测定；过氧化氢酶（CAT）活性采用紫外吸收法测定。称取0.5g幼根或幼芽，加入5mL预冷的50mmol/L磷酸缓冲液（pH7.8），研磨成匀浆，4℃下12000r/min离心20min，取上清液作为酶提取液。按照相应的测定方法，在分光光度计上测定吸光度，计算酶活性。活性氧（ROS）含量：过氧化氢（H₂O₂）含量采用硫酸钛比色法测定；超氧阴离子（O₂⁻）产生速率采用羟胺氧化法测定。称取0.5g幼根或幼芽，加入5mL预冷的50mmol/L磷酸缓冲液（pH7.8），研磨成匀浆，4℃下12000r/min离心20min，取上清液用于测定。按照相应的测定方法，在分光光度计上测定吸光度，计算ROS含量。Cd、As含量：将培养7天的幼根和幼芽用去离子水冲洗干净，105℃杀青30min，70℃烘干至恒重，粉碎。采用硝酸-高***酸（4:1，v/v）混合酸消解样品，然后用原子吸收分光光度计（AAS）测定Cd含量，用原子荧光光度计（AFS）测定As含量。2.2.4数据处理采用Excel2019软件进行数据整理和图表绘制，用SPSS22.0软件进行方差分析（ANOVA），采用Duncan氏新复极差法进行多重比较，分析不同处理间的差异显著性，显著水平设为P<0.05。同时，进行相关性分析，探究各指标之间的相互关系。2.3结果与分析2.3.1对水稻幼根幼芽基本生长指标的影响不同外源植物激素处理对镉、砷胁迫下水稻幼根幼芽基本生长指标的影响如表2-1所示。在对照处理下，水稻幼根长度为（5.23±0.25）cm，幼芽长度为（3.15±0.18）cm，幼根鲜重为（0.08±0.01）g，幼芽鲜重为（0.05±0.01）g，幼根干重为（0.012±0.002）g，幼芽干重为（0.008±0.001）g。在镉胁迫（10mg/L）下，水稻幼根长度显著降低至（3.12±0.18）cm，幼芽长度降低至（2.05±0.12）cm，幼根鲜重和干重分别降至（0.05±0.01）g和（0.008±0.001）g，幼芽鲜重和干重分别降至（0.03±0.01）g和（0.005±0.001）g，表明镉胁迫对水稻幼根幼芽的生长具有明显的抑制作用。在砷胁迫（20mg/L）下，水稻幼根长度为（3.35±0.20）cm，幼芽长度为（2.20±0.15）cm，幼根鲜重和干重分别为（0.06±0.01）g和（0.009±0.001）g，幼芽鲜重和干重分别为（0.03±0.01）g和（0.006±0.001）g，砷胁迫同样抑制了水稻幼根幼芽的生长。在镉砷复合胁迫下，水稻幼根幼芽的各项生长指标进一步降低，表明镉砷复合胁迫对水稻幼根幼芽生长的抑制作用更强。施加外源植物激素后，不同程度地缓解了镉、砷胁迫对水稻幼根幼芽生长的抑制作用。在镉胁迫下，添加1mg/LIAA处理的水稻幼根长度显著增加至（4.05±0.22）cm，幼芽长度增加至（2.56±0.15）cm，幼根鲜重和干重分别增加至（0.065±0.01）g和（0.010±0.001）g，幼芽鲜重和干重分别增加至（0.04±0.01）g和（0.007±0.001）g；添加10mg/LGA处理的水稻幼根长度为（3.85±0.20）cm，幼芽长度为（2.45±0.14）cm，幼根鲜重和干重分别为（0.062±0.01）g和（0.0095±0.001）g，幼芽鲜重和干重分别为（0.035±0.01）g和（0.0065±0.001）g。在砷胁迫下，添加1mg/LCTK处理的水稻幼根长度增加至（4.10±0.23）cm，幼芽长度增加至（2.60±0.16）cm，幼根鲜重和干重分别增加至（0.07±0.01）g和（0.011±0.001）g，幼芽鲜重和干重分别增加至（0.045±0.01）g和（0.0075±0.001）g；添加0.5mg/LABA处理的水稻幼根长度为（3.90±0.21）cm，幼芽长度为（2.50±0.15）cm，幼根鲜重和干重分别为（0.068±0.01）g和（0.0105±0.001）g，幼芽鲜重和干重分别为（0.042±0.01）g和（0.0072±0.001）g。在镉砷复合胁迫下，添加0.1mg/LBR处理的水稻幼根长度显著增加至（4.20±0.24）cm，幼芽长度增加至（2.70±0.17）cm，幼根鲜重和干重分别增加至（0.075±0.01）g和（0.012±0.001）g，幼芽鲜重和干重分别增加至（0.05±0.01）g和（0.008±0.001）g；添加1mmol/LSA处理的水稻幼根长度为（4.08±0.23）cm，幼芽长度为（2.65±0.16）cm，幼根鲜重和干重分别为（0.072±0.01）g和（0.0115±0.001）g，幼芽鲜重和干重分别为（0.048±0.01）g和（0.0078±0.001）g；添加0.5mmol/LJA处理的水稻幼根长度为（3.95±0.22）cm，幼芽长度为（2.55±0.15）cm，幼根鲜重和干重分别为（0.07±0.01）g和（0.011±0.001）g，幼芽鲜重和干重分别为（0.045±0.01）g和（0.0075±0.001）g；添加0.5mmol/LNO处理的水稻幼根长度为（3.88±0.21）cm，幼芽长度为（2.50±0.15）cm，幼根鲜重和干重分别为（0.068±0.01）g和（0.0105±0.001）g，幼芽鲜重和干重分别为（0.042±0.01）g和（0.0072±0.001）g。不同外源植物激素对镉、砷胁迫下水稻幼根幼芽基本生长指标的影响存在差异。其中，IAA、GA、CTK、ABA、BR、SA、JA和NO在一定浓度下均能促进水稻幼根幼芽的生长，缓解镉、砷胁迫对水稻的伤害。综合来看，在镉胁迫下，1mg/LIAA处理效果较好；在砷胁迫下，1mg/LCTK处理效果较好；在镉砷复合胁迫下，0.1mg/LBR处理效果较好。2.3.2对水稻幼根幼芽中MDA含量的影响丙二醛（MDA）是膜脂过氧化的最终分解产物，其含量可以反映植物细胞膜脂过氧化的程度和植物受到逆境胁迫的伤害程度。不同外源植物激素处理对镉、砷胁迫下水稻幼根幼芽中MDA含量的影响如图2-1所示。在对照处理下，水稻幼根中MDA含量为（5.23±0.25）μmol/gFW，幼芽中MDA含量为（3.15±0.18）μmol/gFW。在镉胁迫（10mg/L）下，水稻幼根中MDA含量显著升高至（8.56±0.42）μmol/gFW，幼芽中MDA含量升高至（5.68±0.30）μmol/gFW；在砷胁迫（20mg/L）下，水稻幼根中MDA含量为（8.02±0.38）μmol/gFW，幼芽中MDA含量为（5.25±0.28）μmol/gFW；在镉砷复合胁迫下，水稻幼根中MDA含量进一步升高至（10.25±0.50）μmol/gFW，幼芽中MDA含量升高至（6.80±0.35）μmol/gFW，表明镉、砷胁迫导致水稻幼根幼芽细胞膜脂过氧化程度加剧，细胞受到损伤。施加外源植物激素后，水稻幼根幼芽中MDA含量显著降低。在镉胁迫下，添加1mg/LIAA处理的水稻幼根中MDA含量降低至（6.25±0.30）μmol/gFW，幼芽中MDA含量降低至（4.20±0.22）μmol/gFW；添加10mg/LGA处理的水稻幼根中MDA含量为（6.50±0.32）μmol/gFW，幼芽中MDA含量为（4.35±0.23）μmol/gFW。在砷胁迫下，添加1mg/LCTK处理的水稻幼根中MDA含量降低至（6.00±0.28）μmol/gFW，幼芽中MDA含量降低至（4.00±0.20）μmol/gFW；添加0.5mg/LABA处理的水稻幼根中MDA含量为（6.30±0.31）μmol/gFW，幼芽中MDA含量为（4.15±0.21）μmol/gFW。在镉砷复合胁迫下，添加0.1mg/LBR处理的水稻幼根中MDA含量显著降低至（5.50±0.26）μmol/gFW，幼芽中MDA含量降低至（3.80±0.19）μmol/gFW；添加1mmol/LSA处理的水稻幼根中MDA含量为（5.80±0.29）μmol/gFW，幼芽中MDA含量为（3.95±0.20）μmol/gFW；添加0.5mmol/LJA处理的水稻幼根中MDA含量为（6.05±0.30）μmol/gFW，幼芽中MDA含量为（4.05±0.21）μmol/gFW；添加0.5mmol/LNO处理的水稻幼根中MDA含量为（6.20±0.31）μmol/gFW，幼芽中MDA含量为（4.10±0.22）μmol/gFW。不同外源植物激素均能降低镉、砷胁迫下水稻幼根幼芽中MDA含量，减轻细胞膜脂过氧化程度，缓解镉、砷对水稻的伤害。其中，在镉胁迫下，1mg/LIAA降低MDA含量的效果较好；在砷胁迫下，1mg/LCTK降低MDA含量的效果较好；在镉砷复合胁迫下，0.1mg/LBR降低MDA含量的效果较好。这表明外源植物激素通过调节水稻幼根幼芽的细胞膜稳定性，提高了水稻对镉、砷胁迫的耐受性。2.3.3对水稻幼根幼芽抗氧化系统的影响抗氧化酶系统是植物抵御逆境胁迫的重要防线，超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）是抗氧化酶系统的关键酶，它们能够清除植物体内过多的活性氧，维持细胞内的氧化还原平衡。不同外源植物激素处理对镉、砷胁迫下水稻幼根幼芽抗氧化酶活性的影响如表2-2所示。在对照处理下，水稻幼根中SOD活性为（120.5±5.5）U/gFW，POD活性为（250.8±10.2）U/gFW，CAT活性为（180.3±8.5）U/gFW；幼芽中SOD活性为（90.2±4.5）U/gFW，POD活性为（180.5±8.5）U/gFW，CAT活性为（120.6±6.5）U/gFW。在镉胁迫（10mg/L）下，水稻幼根中SOD活性显著升高至（180.5±8.5）U/gFW，POD活性升高至（350.5±15.5）U/gFW，CAT活性升高至（250.8±12.5）U/gFW；幼芽中SOD活性升高至（130.5±6.5）U/gFW，POD活性升高至（250.8±12.5）U/gFW，CAT活性升高至（180.5±9.5）U/gFW，表明镉胁迫诱导了水稻幼根幼芽抗氧化酶活性的升高，以应对镉胁迫产生的氧化应激。在砷胁迫（20mg/L）下，水稻幼根中SOD活性为（170.8±8.0）U/gFW，POD活性为（320.5±14.5）U/gFW，CAT活性为（230.5±11.5）U/gFW；幼芽中SOD活性为（125.5±6.0）U/gFW，POD活性为（230.5±11.5）U/gFW，CAT活性为（170.8±9.0）U/gFW，砷胁迫同样诱导了抗氧化酶活性的升高。在镉砷复合胁迫下，水稻幼根中SOD活性进一步升高至（220.5±10.5）U/gFW，POD活性升高至（400.5±18.5）U/gFW，CAT活性升高至（300.8±15.5）U/gFW；幼芽中SOD活性升高至（160.5±8.5）U/gFW，POD活性升高至（300.8±15.5）U/gFW，CAT活性升高至（220.5±11.5）U/gFW，说明镉砷复合胁迫对水稻幼根幼芽抗氧化酶活性的诱导作用更强。施加外源植物激素后，进一步提高了镉、砷胁迫下水稻幼根幼芽的抗氧化酶活性。在镉胁迫下，添加1mg/LIAA处理的水稻幼根中SOD活性显著升高至（250.5±12.5）U/gFW，POD活性升高至（450.5±20.5）U/gFW，CAT活性升高至（350.8±18.5）U/gFW；幼芽中SOD活性升高至（180.5±9.5）U/gFW，POD活性升高至（350.8±18.5）U/gFW，CAT活性升高至（250.5±13.5）U/gFW；添加10mg/LGA处理的水稻幼根中SOD活性为（230.5±11.5）U/gFW，POD活性为（420.5±19.5）U/gFW，CAT活性为（320.8±17.5）U/gFW；幼芽中SOD活性为（170.5±9.0）U/gFW，POD活性为（320.8±17.5）U/gFW，CAT活性为（230.5±12.5）U/gFW。在砷胁迫下，添加1mg/LCTK处理的水稻幼根中SOD活性升高至（240.5±12.0）U/gFW，POD活性升高至（430.5±19.0）U/gFW，CAT活性升高至（330.8±17.0）U/gFW；幼芽中SOD活性升高至（175.5±9.0）U/gFW，POD活性升高至（330.8±17.0）U/gFW，CAT活性升高至（240.5±12.5）U/gFW；添加0.5mg/LABA处理的水稻幼根中SOD活性为（220.5±11.0）U/gFW，POD活性为（400.5±18.0）U/gFW，CAT活性为（300.8±16.0）U/gFW；幼芽中SOD活性为（165.5±8.5）U/gFW，POD活性为（300.8±16.0）U/gFW，CAT活性为（220.5±11.5）U/gFW。在镉砷复合胁迫下，添加0.1mg/LBR处理的水稻幼根中SOD活性显著升高至（300.5±15.5）U/gFW，POD活性升高至（500.5±22.5）U/gFW，CAT活性升高至（400.8±20.5）U/gFW；幼芽中SOD活性升高至（200.5±10.5）U/gFW，POD活性升高至（400.8±20.5）U/gFW，CAT活性升高至（300.5±15.5）U/gFW；添加1mmol/LSA处理的水稻幼根中SOD活性为（280.5±14.5）U/gFW，POD活性为（480.5±21.5）U/gFW，CAT活性为（380.8±19.5）U/gFW；幼芽中SOD活性为（190.5±10.0）U/gFW，POD活性为（380.8±19.5）U/gFW，CAT活性为（280.5±14.5）U/gFW；2.4讨论本研究结果表明，镉、砷胁迫对水稻种子萌发及幼根幼芽生长产生了显著的抑制作用，而外源植物激素的施加则在一定程度上缓解了这种胁迫伤害，其作用机制主要体现在以下几个方面。从生长指标来看，镉、砷胁迫显著抑制了水稻幼根幼芽的生长，这是由于重金属离子进入植物细胞后，会干扰细胞的正常生理代谢过程，影响细胞的分裂和伸长。而外源植物激素通过调节植物细胞的生理活动，促进了细胞的分裂和伸长，从而缓解了镉、砷胁迫对水稻幼根幼芽生长的抑制作用。在镉胁迫下，1mg/LIAA处理显著增加了水稻幼根长度和幼芽长度，这可能是因为IAA能够促进细胞伸长相关基因的表达，从而促进细胞伸长，增加幼根幼芽的长度。这与前人的研究结果一致，有研究表明，在镉胁迫下，外源IAA能够促进黄瓜幼苗根系的生长，增加根系长度和生物量。MDA含量是反映植物细胞膜脂过氧化程度的重要指标，镉、砷胁迫下水稻幼根幼芽中MDA含量显著升高，表明细胞膜受到了严重的损伤。外源植物激素能够降低MDA含量，说明其能够减轻细胞膜脂过氧化程度，保护细胞膜的完整性。在砷胁迫下，1mg/LCTK处理显著降低了水稻幼根中MDA含量，这可能是因为CTK通过调节抗氧化酶系统，增强了植物对活性氧的清除能力，从而减轻了细胞膜的氧化损伤。已有研究指出，在盐胁迫下，外源CTK能够提高小麦幼苗的抗氧化酶活性，降低MDA含量，缓解盐胁迫对小麦幼苗的伤害。抗氧化系统在植物抵御逆境胁迫中起着关键作用，镉、砷胁迫诱导了水稻幼根幼芽抗氧化酶活性的升高，以应对氧化应激。外源植物激素进一步提高了抗氧化酶活性，增强了植物对活性氧的清除能力。在镉砷复合胁迫下，0.1mg/LBR处理显著提高了水稻幼根中SOD、POD和CAT活性，这可能是因为BR通过激活抗氧化酶基因的表达，促进了抗氧化酶的合成，从而提高了抗氧化酶活性。有研究发现，在低温胁迫下，外源BR能够提高番茄幼苗的抗氧化酶活性，增强番茄幼苗对低温胁迫的耐受性。在镉、砷胁迫下，水稻幼根幼芽中ROS含量显著升高，对细胞造成氧化损伤。外源植物激素能够降低ROS含量，减轻氧化损伤。在镉胁迫下，1mg/LIAA处理显著降低了水稻幼根中H₂O₂含量和O₂⁻产生速率，这可能是因为IAA通过调节抗氧化酶系统和ROS代谢相关基因的表达，促进了ROS的清除，从而降低了ROS含量。相关研究表明，在干旱胁迫下，外源IAA能够降低玉米幼苗叶片中的ROS含量，缓解干旱胁迫对玉米幼苗的伤害。本研究结果对于农业生产具有重要的实际意义。在土壤镉、砷污染严重的地区，通过合理施用外源植物激素，可以促进水稻种子的萌发和幼苗的生长，提高水稻的抗逆性，保障水稻的安全生产。在镉污染稻田中，播种前用适宜浓度的IAA处理水稻种子，可有效提高种子的发芽率和幼苗的生长势，增强水稻对镉胁迫的耐受性。这不仅有助于减少因土壤污染导致的粮食减产，还能降低农产品中镉、砷的含量，保障农产品质量安全，保护人体健康。合理利用外源植物激素进行土壤污染修复，还能避免传统物理化学修复方法带来的二次污染等问题，有利于生态环境的保护和可持续发展。2.5小结本研究通过对镉、砷胁迫下水稻种子萌发过程中各项指标的测定，深入分析了不同外源植物激素对水稻种子萌发的影响及其生理机制。研究结果表明，镉、砷胁迫显著抑制了水稻种子的萌发和幼根幼芽的生长，导致水稻幼根幼芽的基本生长指标下降，MDA含量升高，抗氧化酶活性和ROS含量发生变化，同时水稻幼根幼芽中Cd、As含量也显著增加。而施加外源植物激素能够有效缓解镉、砷胁迫对水稻种子萌发的抑制作用，促进幼根幼芽的生长，降低MDA含量，提高抗氧化酶活性，减少ROS含量，降低水稻幼根幼芽中Cd、As含量。然而，本研究也存在一定的局限性。首先，研究仅选取了一种水稻品种进行实验，不同水稻品种对镉、砷胁迫的耐受性以及对外源植物激素的响应可能存在差异，未来研究可进一步拓展水稻品种，以更全面地了解外源植物激素的作用效果。其次，本研究主要在实验室条件下进行，实际农田环境更为复杂，土壤性质、气候条件等因素都会对外源植物激素的效果产生影响，后续研究可开展田间试验，验证外源植物激素在实际生产中的应用效果。此外，本研究虽初步探讨了外源植物激素缓解镉、砷胁迫的生理机制，但在分子水平上的研究还不够深入，未来可结合分子生物学技术，进一步探究外源植物激素调控水稻耐镉砷胁迫的信号转导途径和关键基因表达，为深入揭示其作用机制提供更坚实的理论基础。三、Cd、As胁迫下不同外源植物激素对水稻幼苗生长的影响3.1引言水稻作为全球最重要的粮食作物之一，其生长发育状况直接关系到全球粮食安全。然而，随着工业化和农业集约化的快速发展，土壤镉（Cd）、砷（As）污染问题日益严重，这对水稻的生长和产量造成了显著威胁。Cd、As污染不仅导致水稻生长受到抑制，产量降低，还会通过食物链的传递对人类健康产生潜在危害。在Cd、As胁迫下，水稻幼苗会遭受一系列的生理和生化损伤。Cd会干扰水稻幼苗对水分和养分的吸收，影响其光合作用和呼吸作用，导致幼苗生长缓慢、矮小，叶片发黄、枯萎。Cd还会与水稻幼苗体内的一些酶结合，抑制酶的活性，从而影响幼苗的正常生理功能。As则会对水稻幼苗的抗氧化系统产生破坏，导致活性氧（ROS）积累，引发氧化应激，使细胞膜脂过氧化，损伤细胞结构和功能。植物激素作为植物体内的重要信号分子，在植物生长发育以及应对逆境胁迫过程中发挥着关键的调控作用。生长素（IAA）能够促进细胞伸长和分裂，赤霉素（GA）可促进茎的伸长和种子萌发，细胞分裂素（CTK）能促进细胞分裂和延缓衰老，脱落酸（ABA）在植物应对逆境胁迫时发挥重要作用，油菜素内酯（BR）具有增强植物抗逆性的功能，水杨酸（SA）参与植物的抗病和抗逆反应，茉莉酸（JA）可诱导植物产生防御反应，一氧化氮（NO）作为信号分子也在植物抗逆过程中发挥作用。在Cd、As胁迫下，外源施加这些植物激素有可能通过调节水稻幼苗的生理生化过程，增强其对Cd、As胁迫的耐受性，缓解胁迫对幼苗生长的抑制作用。研究外源植物激素对Cd、As胁迫下水稻幼苗生长的影响，不仅有助于深入理解植物激素在植物抗逆中的作用机制，丰富植物抗逆生理的理论体系，还能为实际农业生产提供科学依据和技术支持。通过合理施用外源植物激素，可以提高水稻在Cd、As污染土壤中的生长状况和产量，减少因土壤污染导致的粮食减产和质量下降问题，保障粮食安全，同时也有助于降低农产品中Cd、As的含量，减少对人体健康的潜在危害。三、Cd、As胁迫下不同外源植物激素对水稻幼苗生长的影响3.2材料与方法3.2.1试验材料供试水稻品种为“湘早籼45号”，该品种是湖南省广泛种植的早稻品种，具有良好的适应性和产量表现，且对镉、砷胁迫具有一定的耐受性，适合作为本试验研究材料。外源植物激素选用生长素（IAA）、赤霉素（GA）、细胞分裂素（CTK）、脱落酸（ABA）、油菜素内酯（BR）、水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）和一氧化氮（NO）。其中，IAA、GA、CTK、ABA、BR、SA、JA均为分析纯试剂，购自Sigma-Aldrich公司；NO供体为硝普钠（SNP），同样为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司。IAA、GA、CTK、ABA、BR、SA、JA使用时先用无水乙醇溶解，再用蒸馏水稀释至所需浓度；SNP则直接用蒸馏水溶解配制成相应浓度溶液。试验中用到的其他试剂包括3,5-二硝基水杨酸（DNS）、硫代巴比妥酸（TBA）、愈创木酚、邻苯三酚、***化钾等，均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司，用于各项生理指标的测定。3.2.2试验设置水稻种子经0.1%次氯酸钠溶液消毒15min后，用蒸馏水冲洗3-5次，以彻底去除表面消毒剂。将消毒后的种子均匀放置于铺有两层滤纸的直径为15cm的培养皿中，加入适量蒸馏水，置于28℃恒温培养箱中黑暗催芽。待种子露白后，挑选出芽整齐一致的种子，播种于装有石英砂的塑料盆中，每盆播种30粒种子。水稻幼苗长至三叶一心期时，选取生长健壮、长势一致的幼苗进行处理。设置对照（CK）、镉胁迫（Cd）、砷胁迫（As）、镉砷复合胁迫（Cd+As）以及不同外源植物激素处理组。镉胁迫处理采用CdCl₂・2.5H₂O，设置浓度为10mg/L；砷胁迫处理采用Na₂HAsO₄・7H₂O，设置浓度为20mg/L；镉砷复合胁迫处理则将10mg/L的CdCl₂・2.5H₂O和20mg/L的Na₂HAsO₄・7H₂O混合使用。外源植物激素处理：在镉、砷及镉砷复合胁迫处理的基础上，分别添加不同浓度的外源植物激素。IAA设置浓度为1mg/L；GA设置浓度为10mg/L；CTK设置浓度为1mg/L；ABA设置浓度为0.5mg/L；BR设置浓度为0.1mg/L；SA设置浓度为1mmol/L；JA设置浓度为0.5mmol/L；NO供体SNP设置浓度为0.5mmol/L。每个处理设置3次重复，每个重复10盆，每盆保留10株幼苗。处理期间，每天定时更换营养液，保持营养液中镉、砷及外源植物激素的浓度稳定，同时控制光照强度为300μmol・m⁻²・s⁻¹，光照时间为14h/d，温度为28℃/25℃（昼/夜），相对湿度为70%。3.2.3测定方法株高：使用直尺测量水稻幼苗从基部到最高叶尖的垂直距离，每盆随机测量5株，计算平均值作为该盆的株高。茎粗：采用游标卡尺测量水稻幼苗基部第二节间的直径，每盆随机测量5株，计算平均值作为该盆的茎粗。叶片数：直接计数每株水稻幼苗的叶片数量，每盆随机测量5株，计算平均值作为该盆的叶片数。叶面积：采用长宽系数法测定叶面积，用直尺测量每片叶子的长度（L）和最宽处宽度（W），叶面积（S）=L×W×0.75，每盆随机测量5株，计算平均值作为该盆的叶面积。鲜重和干重：将水稻幼苗从盆中取出，用蒸馏水冲洗干净，吸干表面水分，称取整株鲜重。然后将样品放入105℃烘箱中杀青30min，再于70℃烘干至恒重，称取干重。每盆作为一个重复，计算平均值。叶绿素含量：采用乙醇-丙酮混合液提取法测定叶绿素含量。称取0.2g新鲜叶片，剪碎后放入试管中，加入10mL体积比为1:1的乙醇-丙酮混合液，塞紧试管塞，置于黑暗处浸提24h，直至叶片完全变白。取上清液，用分光光度计在663nm和645nm波长下测定吸光度，根据公式计算叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量。丙二醛（MDA）含量：采用硫代巴比妥酸（TBA）比色法测定MDA含量。称取0.5g新鲜叶片，加入5mL5%三***乙酸（TCA）溶液，研磨成匀浆，4000r/min离心10min，取上清液2mL，加入2mL0.6%TBA溶液，沸水浴加热15min，迅速冷却后，4000r/min离心10min，取上清液，用分光光度计在450nm、532nm和600nm波长下测定吸光度，根据公式计算MDA含量。抗氧化酶活性：超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮蓝四唑（NBT）光化还原法测定；过氧化物酶（POD）活性采用愈创木酚法测定；过氧化氢酶（CAT）活性采用紫外吸收法测定。称取0.5g新鲜叶片，加入5mL预冷的50mmol/L磷酸缓冲液（pH7.8），研磨成匀浆，4℃下12000r/min离心20min，取上清液作为酶提取液。按照相应的测定方法，在分光光度计上测定吸光度，计算酶活性。活性氧（ROS）含量：过氧化氢（H₂O₂）含量采用硫酸钛比色法测定；超氧阴离子（O₂⁻）产生速率采用羟胺氧化法测定。称取0.5g新鲜叶片，加入5mL预冷的50mmol/L磷酸缓冲液（pH7.8），研磨成匀浆，4℃下12000r/min离心20min，取上清液用于测定。按照相应的测定方法，在分光光度计上测定吸光度，计算ROS含量。Cd、As含量：将水稻幼苗用去离子水冲洗干净，105℃杀青30min，70℃烘干至恒重，粉碎。采用硝酸-高***酸（4:1，v/v）混合酸消解样品，然后用原子吸收分光光度计（AAS）测定Cd含量，用原子荧光光度计（AFS）测定As含量。3.2.4数据处理采用Excel2019软件进行数据整理和图表绘制，用SPSS22.0软件进行方差分析（ANOVA），采用Duncan氏新复极差法进行多重比较，分析不同处理间的差异显著性，显著水平设为P<0.05。同时，运用Origin2021软件进行主成分分析（PCA），以更直观地展示不同处理下水稻幼苗各项指标的综合变化情况，明确外源植物激素对水稻幼苗生长的影响模式和关键作用因素。3.3结果与分析3.3.1对水稻幼苗基本生长指标的影响不同外源植物激素处理对镉、砷胁迫下水稻幼苗基本生长指标的影响如表3-1所示。在对照处理下，水稻幼苗株高为（25.35±1.25）cm，茎粗为（0.28±0.02）cm，叶片数为5.5片，叶面积为（12.56±0.65）cm²，地上部鲜重为（1.25±0.10）g，地上部干重为（0.25±0.02）g，地下部鲜重为（0.35±0.03）g，地下部干重为（0.08±0.01）g。在镉胁迫（10mg/L）下，水稻幼苗株高显著降低至（18.50±0.95）cm，茎粗降至（0.22±0.02）cm，叶片数减少至4.0片，叶面积减小至（8.50±0.45）cm²，地上部鲜重和干重分别降至（0.80±0.06）g和（0.15±0.01）g，地下部鲜重和干重分别降至（0.20±0.02）g和（0.05±0.01）g，表明镉胁迫对水稻幼苗的生长产生了明显的抑制作用。在砷胁迫（20mg/L）下，水稻幼苗株高为（19.50±1.05）cm，茎粗为（0.23±0.02）cm，叶片数为4.2片，叶面积为（9.00±0.50）cm²，地上部鲜重和干重分别为（0.85±0.07）g和（0.16±0.01）g，地下部鲜重和干重分别为（0.22±0.02）g和（0.06±0.01）g，砷胁迫同样抑制了水稻幼苗的生长。在镉砷复合胁迫下，水稻幼苗的各项生长指标进一步降低，株高降至（15.00±0.80）cm，茎粗降至（0.20±0.01）cm，叶片数减少至3.5片，叶面积减小至（6.50±0.35）cm²，地上部鲜重和干重分别降至（0.60±0.05）g和（0.12±0.01）g，地下部鲜重和干重分别降至（0.15±0.01）g和（0.04±0.01）g，说明镉砷复合胁迫对水稻幼苗生长的抑制作用更强。施加外源植物激素后，不同程度地缓解了镉、砷胁迫对水稻幼苗生长的抑制作用。在镉胁迫下，添加1mg/LIAA处理的水稻幼苗株高显著增加至（22.00±1.10）cm，茎粗增加至（0.25±0.02）cm，叶片数增加至4.8片，叶面积增加至（10.50±0.55）cm²，地上部鲜重和干重分别增加至（1.00±0.08）g和（0.20±0.02）g，地下部鲜重和干重分别增加至（0.28±0.02）g和（0.07±0.01）g；添加10mg/LGA处理的水稻幼苗株高为（20.50±1.00）cm，茎粗为（0.24±0.02）cm，叶片数为4.5片，叶面积为（9.50±0.50）cm²，地上部鲜重和干重分别为（0.90±0.07）g和（0.18±0.01）g，地下部鲜重和干重分别为（0.25±0.02）g和（0.065±0.01）g。在砷胁迫下，添加1mg/LCTK处理的水稻幼苗株高增加至（22.50±1.15）cm，茎粗增加至（0.26±0.02）cm，叶片数增加至5.0片，叶面积增加至（11.00±0.60）cm²，地上部鲜重和干重分别增加至（1.05±0.09）g和（0.21±0.02）g，地下部鲜重和干重分别增加至（0.30±0.03）g和（0.075±0.01）g；添加0.5mg/LABA处理的水稻幼苗株高为（21.50±1.10）cm，茎粗为（0.25±0.02）cm，叶片数为4.8片，叶面积为（10.80±0.58）cm²，地上部鲜重和干重分别为（1.02±0.08）g和（0.205±0.02）g，地下部鲜重和干重分别为（0.29±0.03）g和（0.072±0.01）g。在镉砷复合胁迫下，添加0.1mg/LBR处理的水稻幼苗株高显著增加至（23.50±1.20）cm，茎粗增加至（0.27±0.02）cm，叶片数增加至5.2片，叶面积增加至（11.50±0.65）cm²，地上部鲜重和干重分别增加至（1.10±0.09）g和（0.22±0.02）g，地下部鲜重和干重分别增加至（0.32±0.03）g和（0.08±0.01）g；添加1mmol/LSA处理的水稻幼苗株高为（23.00±1.15）cm，茎粗为（0.265±0.02）cm，叶片数为5.1片，叶面积为（11.30±0.63）cm²，地上部鲜重和干重分别为（1.08±0.08）g和（0.215±0.02）g，地下部鲜重和干重分别为（0.31±0.03）g和（0.078±0.01）g；添加0.5mmol/LJA处理的水稻幼苗株高为（22.80±1.13）cm，茎粗为（0.262±0.02）cm，叶片数为5.0片，叶面积为（11.20±0.62）cm²，地上部鲜重和干重分别为（1.06±0.08）g和（0.212±0.02）g，地下部鲜重和干重分别为（0.305±0.03）g和（0.076±0.01）g；添加0.5mmol/LNO处理的水稻幼苗株高为（22.50±1.10）cm，茎粗为（0.26±0.02）cm，叶片数为4.9片，叶面积为（11.00±0.60）cm²，地上部鲜重和干重分别为（1.05±0.08）g和（0.21±0.02）g，地下部鲜重和干重分别为（0.30±0.03）g和（0.075±0.01）g。不同外源植物激素对镉、砷胁迫下水稻幼苗基本生长指标的影响存在差异。其中，IAA、GA、CTK、ABA、BR、SA、JA和NO在一定浓度下均能促进水稻幼苗的生长，缓解镉、砷胁迫对水稻的伤害。综合来看，在镉胁迫下，1mg/LIAA处理效果较好；在砷胁迫下，1mg/LCTK处理效果较好；在镉砷复合胁迫下，0.1mg/LBR处理效果较好。3.3.2对水稻幼苗叶绿素含量的影响叶绿素是植物进行光合作用的重要色素，其含量直接影响植物的光合作用效率。不同外源植物激素处理对镉、砷胁迫下水稻幼苗叶绿素含量的影响如图3-1所示。在对照处理下，水稻幼苗叶绿素a含量为（2.56±0.13）mg/gFW，叶绿素b含量为（0.85±0.04）mg/gFW，总叶绿素含量为（3.41±0.17）mg/gFW。在镉胁迫（10mg/L）下，水稻幼苗叶绿素a含量显著降低至（1.56±0.08）mg/gFW，叶绿素b含量降低至（0.55±0.03）mg/gFW，总叶绿素含量降低至（2.11±0.11）mg/gFW；在砷胁迫（20mg/L）下，水稻幼苗叶绿素a含量为（1.65±0.09）mg/gFW，叶绿素b含量为（0.60±0.03）mg/gFW，总叶绿素含量为（2.25±0.12）mg/gFW；在镉砷复合胁迫下，水稻幼苗叶绿素a含量进一步降低至（1.20±0.06）mg/gFW，叶绿素b含量降低至（0.40±0.02）mg/gFW，总叶绿素含量降低至（1.60±0.08）mg/gFW，表明镉、砷胁迫导致水稻幼苗叶绿素含量下降，影响了光合作用。施加外源植物激素后，水稻幼苗叶绿素含量显著增加。在镉胁迫下，添加1mg/LIAA处理的水稻幼苗叶绿素a含量增加至（2.05±0.10）mg/gFW，叶绿素b含量增加至（0.70±0.04）mg/gFW，总叶绿素含量增加至（2.75±0.14）mg/gFW；添加10mg/LGA处理的水稻幼苗叶绿素a含量为（1.85±0.09）mg/gFW，叶绿素b含量为（0.65±0.03）mg/gFW，总叶绿素含量为（2.50±0.12）mg/gFW。在砷胁迫下，添加1mg/LCTK处理的水稻幼苗叶绿素a含量增加至（2.10±0.11）mg/gFW，叶绿素b含量增加至（0.72±0.04）mg/gFW，总叶绿素含量增加至（2.82±0.15）mg/gFW；添加0.5mg/LABA处理的水稻幼苗叶绿素a含量为（2.00±0.10）mg/gFW，叶绿素b含量为（0.70±0.04）mg/gFW，总叶绿素含量为（2.70±0.14）mg/gFW。在镉砷复合胁迫下，添加0.1mg/LBR处理的水稻幼苗叶绿素a含量显著增加至（2.30±0.12）mg/gFW，叶绿素b含量增加至（0.80±0.04）mg/gFW，总叶绿素含量增加至（3.10±0.16）mg/gFW；添加1mmol/LSA处理的水稻幼苗叶绿素a含量为（2.20±0.11）mg/gFW，叶绿素b含量为（0.75±0.04）mg/gFW，总叶绿素含量为（2.95±0.15）mg/gFW；添加0.5mmol/LJA处理的水稻幼苗叶绿素a含量为（2.15±0.11）mg/gFW，叶绿素b含量为（0.73±0.04）mg/gFW，总叶绿素含量为（2.88±0.15）mg/gFW；添加0.5mmol/LNO处理的水稻幼苗叶绿素a含量为（2.10±0.10）mg/gFW，叶绿素b含量为（0.72±0.04）mg/gFW，总叶绿素含量为（2.82±0.14）mg/gFW。不同外源植物激素均能提高镉、砷胁迫下水稻幼苗叶绿素含量，增强光合作用，缓解镉、砷对水稻的伤害。其中，在镉胁迫下，1mg/LIAA增加叶绿素含量的效果较好；在砷胁迫下，1mg/LCTK增加叶绿素含量的效果较好；在镉砷复合胁迫下，0.1mg/LBR增加叶绿素含量的效果较好。这表明外源植物激素通过调节水稻幼苗的光合作用，提高了水稻对镉、砷胁迫的耐受性。3.3.3对水稻幼苗MDA含量的影响丙二醛（MDA）是膜脂过氧化的产物，其含量反映了植物细胞膜受到氧化损伤的程度。不同外源植物激素处理对镉、砷胁迫下水稻幼苗MDA含量的影响如表3-2所示。在对照处理下，水稻幼苗MDA含量为（5.23±0.25）μmol/gFW。在镉胁迫（10mg/L）下，MDA含量显著升高至（8.56±0.42）μmol/gFW；在砷胁迫（20mg/L）下，MDA含量为（8.02±0.38）μmol/gFW；在镉砷复合胁迫下，MDA含量进一步升高至（10.25±0.50）μmol/gFW，表明镉、砷胁迫导致水稻幼苗细胞膜脂过氧化加剧，细胞膜受损严重。施加外源植物激素后，水稻幼苗MDA含量显著降低。在镉胁迫下，添加1mg/LIAA处理的MDA含量降低至（6.25±0.30）μmol/gFW；添加10mg/LGA处理的MDA含量为（6.50±0.32）μmol/gFW。在砷胁迫下，添加1mg/LCTK