铅（Pb）、镉（Cd）等重金属元素是危害性极大的环境污染物，目前尚未有证据证明它们对植物的生长发育起着必需的作用。许多研究表明，Pb、Cd等对植物的生长发育具有毒害作用。Pb、Cd均能抑制种子萌发和幼苗的生长^[1-2]。Pb能阻止植物根和茎的伸长以及叶片的扩展^[3-4]，引起豌豆根、内皮层细胞壁以及皮层薄壁组织木质化的径向增厚而导致畸形^[5]。Cd能阻止植株对营养元素（如Ca、Mg、P、K等）的吸收和运输^[6-7]。高浓度的Cd胁迫使植物表现出明显的黄化现象，根尖变成棕褐色，严重抑制植物的生长，甚至引起死亡^[8-9]。Pb、Cd等重金属通过改变细胞膜的渗透性、流动性、蛋白和脂质等的成分^[10]以及膜相关酶活性^[11]来破坏细胞膜的功能，导致一系列的生理生化过程紊乱，严重时导致植株死亡。

芋（Colocasia esculenta L.Schott）是一种具备水生植物特性的蔬菜作物，具有发达的维管束组织，可以大量累积重金属元素，进而影响芋的食用安全^[12]。目前，很少有关于重金属对芋生长发育影响的研究。在本试验中，分别设置了0（对照）、500、1 000、1 500、2 000 mg·kg^-1和2 500 mg·kg^-1 6个不同浓度梯度的Pb和0（对照）、0.5、1.0、1.5、2.0 mg·kg^-1和2.5 mg·kg^-1 6个不同浓度梯度的Cd处理土壤，研究了Pb或Cd胁迫对芋株高、叶长和叶宽以及光合作用的影响，并测定了MDA、可溶性糖、可溶性蛋白、SOD、POD和CAT等生理指标以及产量，试图了解Pb或Cd在芋累积可能产生的危害，为芋的安全生产实践提供一定的理论参考。

试验材料为武芋2号，由武汉蔬菜科学研究所提供。

在武汉市武昌区华中农业大学国家蔬菜改良中心华中分中心（北纬30°28′44.69″，东经114°21′46.48″）进行盆栽试验，在相同大小的水缸（直径×高=70 cm×50 cm）中装入风干菜园土（pH＜6.5，土壤背景值Pb为27.75 mg·kg^-1，Cd为0.28 mg·kg^-1）60 kg、复合肥150 g，并施入少许多菌灵，暴晒若干日杀菌。根据国标《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）对蔬菜产地土壤环境质量要求，以Pb（NO₃）₂和CdCl₂·2.5H₂O为配体，配额土壤中Pb²⁺和Cd²⁺的胁迫浓度分别为0（对照）、500、1 000、1 500、2 000 mg·kg^-1和2 500 mg·kg^-1和0（对照）、0.5、1.0、1.5、2.0 mg·kg^-1和2.5 mg·kg^-1，并作3次重复，土壤中各浓度梯度相应检测的Pb浓度分别为27.75（对照）、365.28、661.23、826.06、1 378.85、1 858.80 mg·kg^-1（国家标准是250 mg·kg^-1）Cd浓度分别为0.28（对照）、0.82、1.40、1.88、2.49、3.47 mg·kg^-1（国家标准是0.3 mg·kg^-1）。

于2012年5月10日把经过温室催芽育苗（苗高25 cm左右）的芋苗栽于水缸中，每缸种植2株，浇水至土壤湿透，并施入少许多菌灵对土壤进行消毒灭菌，进行常规管理。于2012年6月中旬（发棵期）测定每个芋缸中母芋株高和每个芋缸中10片叶片的叶长和叶宽，并取叶片用液氮保存后供各生理指标的测定；10月底（采收期）计算总产量。

采用国际标准米尺进行测量，其中株高为芋主茎最大值，叶长和叶宽为多个叶位的平均值。

参照王学奎^[13]的报道，叶绿素以95%酒精提取，MDA以硫代巴比妥酸提取，可溶性糖以蒽酮比色法提取，可溶性蛋白以G-250考马斯亮蓝提取，SOD以氮蓝四唑还原法测定，POD以愈创木酚法测定，CAT以紫外吸收法测定。

数据由SPSS13.0和DPS进行统计分析，数据处理和作图采用Microsoft Office Excel 2003和Sigmaplot 12.0。

随着土壤中外施Pb浓度的升高，芋的株高呈波动下降的趋势（图 1），其中在500、1 500 mg·kg^-1和2 500 mg·kg^-1 Pb时差异显著，芋的株高分别低于对照25.5%、20.6%和18.9%，而其他两个浓度处理间差异不显著；随着土壤中外施Cd浓度的升高，芋植株呈现上升的趋势，与对照差异性显著，在2.0 mg·kg^-1时最大，高于对照56.3%，总体表现为：Pb胁迫抑制芋植株生长，而Cd则表现了促进作用。

图中的小写字母表示0.05水平上差异显著，下同 图 1 土壤中Pb、Cd胁迫对芋发棵期株高的影响 Figure 1 Effects of Pb or Cd stress on the plant height in the seeding stage of taro

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从图 2、图 3中可知，随着土壤中外施Pb浓度的升高，芋的叶片比对照有明显减小，除1 000 mg·kg^-1 Pb时叶长、1 000 mg·kg^-1 Pb和1 500mg·kg^-1Pb时叶宽与对照差异不明显外，其他浓度Pb处理都有显著差异，在500 mg·kg^-1 Pb胁迫下叶长、叶宽降至最低水平，分别比对照低出31.5%和34.7%；随着土壤中外施Cd浓度的升高，芋叶长和叶宽呈上升趋势，除在0.5 mg·kg^-1Cd胁迫时差异不明显外，其他浓度Cd处理与对照差异性显著，最大叶长和叶宽分别高于对照64.5%（在1.0 mg·kg^-1 Cd胁迫时）和60.9%（在1.5 mg·kg^-1 Cd胁迫时）。总体表现为：Pb呈现出抑制作用，而Cd则为促进作用。

图 2 土壤中Pb、Cd胁迫对芋发棵期叶长的影响 Figure 2 Effects of Pb or Cd stress on the length of leaf in the seeding stage of taro

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图 3 土壤中Pb、Cd胁迫对芋发棵期叶宽的影响 Figure 3 Effects of Pb or Cd stress on the width of leaf in the seeding stage of taro

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随着土壤中Pb含量的升高，叶绿素含量呈倒U字型变化（图 4）。在1 000 mg·kg^-1 Pb和1 500 mg·kg^-1 Pb时都显著高于对照，其中在1 000 mg·kg^-1 Pb时，叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量分别比对照高出33.6%、32.3%和33.2%；在1 500 mg·kg^-1 Pb时分别高出对照35.0%、38.1%和35.7%，但随着Pb浓度的升高又趋于平缓，各处理间差异并不明显。当外施Cd≥1.0 mg·kg^-1时，叶绿素含量同比对照显著增加，其中在2.5 mg·kg^-1 Cd胁迫时最大，最大叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量分别高出对照38.6%、91.4%和52.3%。

图 4 土壤中Pb、Cd胁迫对芋发棵期叶绿素含量的影响 Figure 4 Effects of Pb or Cd stress on the contents of chlorophyll in taro seeding

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随着土壤中Pb浓度的上升，芋中MDA含量呈上升趋势（图 5），除2 500 mg·kg^-1 Pb外，其他处理都显著高于对照，在2 000 mg·kg^-1 Pb胁迫时，MDA含量最大，高出对照60.8%。随着土壤中Cd浓度的提高，芋中MDA含量也呈上升的趋势，仅当浓度达到1.0 mg·kg^-1时，MDA含量比对照高出45.4%，其他处理差异不显著。

图 5 土壤中Pb、Cd胁迫对发棵期叶片MDA含量的影响 Figure 5 Effects of Pb or Cd stress on the MDA contents in leaves in the seeding stage of taro

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随着土壤中Pb浓度的上升，芋中可溶性糖含量先上升后下降（图 6），当浓度为1 000 mg·kg^-1Pb时达到最大，比对照高出40.6%；随着土壤中Cd浓度上升，芋可溶性糖含量整体呈上升趋势，在1.0、1.5 mg·kg^-1和2.5 mg·kg^-1Cd胁迫时分别显著高出对照25.0%、16.4%和33.5%，其他差异不显著时达到最大，比对照高出33.5%。

图 6 土壤中Pb、Cd胁迫对芋发棵期叶片可溶性糖含量的影响 Figure 6 Effects of Pb or Cd stress on the content of soluble sugar in leaves in the seeding stage of taro

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随着土壤中Pb浓度的上升，芋中可溶性蛋白的含量呈上升趋势（图 7），不同浓度Pb处理显著提高可溶性蛋白的含量，在2 000 mg·kg^-1Pb胁迫时达到最大，比对照高出144.0%；随着土壤中Cd浓度的上升，芋中可溶性蛋白含量呈先上升后下降趋势，当浓度为1.5 mg·kg^-1时达到最大，比对照高出37.0%。

图 7 土壤中Pb、Cd胁迫对芋发棵期叶片可溶性蛋白含量的影响 Figure 7 Effects of Pb or Cd stress on the contents of soluble protein in leaves in the seeding stage of taro

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随着土壤中Pb或Cd浓度的升高，芋SOD活性整体呈下降趋势（图 8），当Pb浓度为1 000、1 500 mg·kg^-1和2 500 mg·kg^-1时分别比对照低37.8%、35.0%和19.6%，而Cd除在0.5 mg·kg^-1时没有明显差异，在1.0、1.5、2.0 mg·kg^-1和2.5 mg·kg^-1Cd胁迫时分别显著低于对照33.0%、58.0%、60.0%和18.0%。

图 8 土壤中Pb、Cd胁迫对发棵期芋叶片SOD活性的影响 Figure 8 Effects of Pb or Cd stress on the activity of SOD in leaves in the seeding stage of taro

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与SOD不同的是，随着土壤中Pb或Cd浓度的升高，POD和CAT的活性则呈上升趋势，在低浓度Pb或Cd胁迫下，POD和CAT活性变化与对照没有显著差异（图 9~图 10）。当浓度大于等于1 500 mg·kg^-1 Pb或1.0 mg·kg^-1 Cd时，POD活性显著高于对照，最大分别高出对照119.0%（2 500 mg·kg^-1Pb胁迫时）和78.7%（2.5 mg·kg^-1Cd胁迫时）；当大于等于2 000 mg·kg^-1Pb或1.5 mg·kg^-1Cd时，CAT活性显著高于对照，最大分别高出299.4%（2 500 mg·kg^-1Pb胁迫时）和64.1%（2.5 mg·kg^-1Cd胁迫时）。

图 9 土壤中Pb、Cd胁迫对发棵期芋叶片POD活性的影响 Figure 9 Effects of Pb or Cd stress on the activity of POD in the seeding stage of taro

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图 10 土壤中Pb、Cd胁迫对发棵期芋叶片CAT活性的影响 Figure 10 Effects of Pb or Cd stress on the activity of CAT in leaves in the seeding stage of taro

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随着土壤Pb浓度的升高，芋产量比对照有明显下降（图 11），各外施Pb胁迫下显著低于对照，降幅范围在34.2%~53.5%。随着土壤Cd浓度的升高，芋产量呈下降趋势，除1.5 mg·kg^-1 Cd胁迫时与对照无明显差异外，其他都差异性显著，各外施Cd胁迫下显著低于对照21.9%~56.5%。

“**”表示与对照在1%水平具有显著性差异 图 11 土壤中Pb、Cd胁迫对芋产量的影响 Figure 11 Effects of Pb or Cd stress on the yields of taro

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近年来，国内外就重金属元素对作物生长发育及品质的影响进行了大量的研究，结果表明：不同作物种类及品种间对不同重金属污染的响应不一。付庆灵等^[14]研究表明，土壤Pb浓度在500 mg·kg^-1时莴苣地上部鲜重下降，根系生长受到抑制，也有研究发现重金属胁迫对植物生长表现出了一定的促进作用^[15-16]。在本试验中，芋对Pb、Cd胁迫表现出了一定的耐受性，在整个生长期，基本保留4~6片的功能叶进行光合作用，植株并无明显的重金属毒害症状（如黄化、坏死等）。不同重金属元素胁迫也存在差异，即Pb整体上抑制植株的生长，而Cd则表现出促进作用，这可能是来自于植物机体对重金属毒性响应的结果。在试验中，Pb和Cd胁迫均明显降低了芋的产量。这暗示，虽然Pb、Cd胁迫对芋植株营养生长的毒害性存在差异，最终对球茎形成均有一定的负效应。在农业生产上，重金属污染对作物生长本身带来损伤，进而影响作物的产量和品质。有研究表明，低浓度重金属污染可能带来增产效应，而高浓度污染则带来减产效应，甚至绝收^[17]。

在重金属胁迫下，植物通过一定的生理机制会产生一系列的生理生化反应。Pb、Cd等重金属通过对植物光合作用破坏、呼吸代谢失调、膜脂过氧化、渗透调节失衡等产生毒害作用^[18]。MDA是膜脂过氧化的产物，用来表征重金属胁迫下细胞膜受伤害的程度。有研究表明，不同重金属耐性植物间MDA的敏感性不同，耐性弱的植物根系中MDA含量有一个明显的增加^[19]。在本试验中，芋发棵期和膨大期MDA含量均有不同程度的增加，且Pb更加明显，这表明Pb和Cd胁迫对芋叶片的细胞膜产生了伤害。研究表明，重金属能够诱导大量活性氧的产生，包括过氧化氢、超氧阴离子自由基、羟基自由基等^[20-21]，它们使植物细胞膜膜脂过氧化从而产生破坏作用^[22]。SOD、POD和CAT等是植物抗逆境反应中的重要抗氧化酶类^[23]，它们在清除活性氧维持植物机体氧化平衡中发挥了重要作用。本研究结果表明，低浓度Pb或Cd胁迫芋抗氧化酶活性变化并不明显，但在高浓度Pb或Cd水平，芋叶片中SOD活性与对照相比明显降低了，而POD和CAT活性显著升高了，这说明在抵御活性氧伤害的抗氧化过程中发挥主要作用的可能是POD和CAT，也解释了在芋生长过程中表现出了一定的对Pb、Cd胁迫的耐性，但POD和CAT可能在其中发挥了主要的作用。另外，产生的活性氧破坏核苷酸结构，抑制转录和翻译^[24-25]，阻止了蛋白的合成，加速了降解^[26-27]。但在我们的研究中，Pb、Cd胁迫导致了芋叶片中可溶蛋白的大量增加。Singh等^[28]报道了低浓度Cr（1 mmol·L^-1和2 mmol·L^-1）能增加水稻中可溶性蛋白的含量的原因可能是由于Cr胁迫破坏了功能性蛋白的平衡。Pb、Cd胁迫导致可溶性蛋白含量的增加也可能是芋植株适应胁迫逆境的一种结果，通过增加渗透调节物质来维持机体的渗透平衡。

（1）Pb、Cd胁迫对芋的生长发育会产生一定的影响，Pb表现出了毒害效应，如抑制植株的株高，而Cd则表现出了促进作用，株高、叶长、叶宽同比对照呈现上升趋势。

（2）Pb、Cd胁迫对芋植株的生理特性会产生一定的影响，如MDA、可溶性蛋白含量的显著增加，SOD活性明显降低，POD和CAT活性显著增强，这表明，POD和CAT两种酶活性可能对芋的Pb、Cd胁迫逆性响应中发挥作用。

（3）在盆栽试验下，Pb或Cd胁迫均导致芋产量明显下降，最大下降幅度分别为53.6%和56.5%。