黃丹娟，毛迎新，陳勛，譚榮榮，王紅娟，王友平，龔自明

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茶樹(shù)富集鋁的特點(diǎn)及耐鋁機(jī)制研究進(jìn)展

黃丹娟1，毛迎新1，陳勛1，譚榮榮1，王紅娟1，王友平2，龔自明1*

1. 湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹(shù)茶葉研究所，湖北 武漢 430064； 2. 湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所，湖北 武漢 430064

茶樹(shù)是一種富集鋁的植物，體內(nèi)的鋁含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他植物，卻不表現(xiàn)出受害癥狀。本文對(duì)鋁在茶樹(shù)中的吸收、運(yùn)輸形式，鋁在茶樹(shù)中的含量和分布特點(diǎn)，鋁對(duì)茶樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育的影響以及茶樹(shù)耐鋁機(jī)制4個(gè)方面的研究進(jìn)展作了綜述，同時(shí)對(duì)今后的研究方向作了簡(jiǎn)要討論。

茶樹(shù)；鋁；富集特點(diǎn)；耐鋁機(jī)制

在地殼中，Al的含量?jī)H次于氧和硅，占所有元素總質(zhì)量的7%左右。通常情況下，Al在土壤中的存在形式為硅酸鹽或氧化態(tài)，對(duì)植物沒(méi)有毒害作用。但是，在酸性土壤中，大量Al被溶解，生成有毒性的離子形態(tài)，限制植物的正常生長(zhǎng)[1]。茶樹(shù)適宜生長(zhǎng)在pH為4.5~5.5的酸性土壤上，并且具有聚Al耐Al的特性，能忍受比其他植物高出幾十到幾百倍的Al含量[2]。

一方面，葉片中Al含量過(guò)高時(shí)會(huì)影響茶葉的品質(zhì)成分，特別是以成熟葉作為原料的黑茶和烏龍茶。了解茶樹(shù)耐Al機(jī)制，對(duì)于通過(guò)品種改良或土壤改良，降低茶樹(shù)對(duì)Al的吸附和依賴，減少茶葉中Al含量，提高茶葉品質(zhì)具有重要意義[3]。另一方面，大氣污染和田間酸性肥料的過(guò)度施用，加重了土壤的酸化程度，從而加劇了Al對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的毒害，限制了酸性土壤的有效利用。茶樹(shù)聚鋁、富鋁和高度耐鋁的特性使其成為植物耐鋁機(jī)制研究的重要材料。揭示茶樹(shù)富集Al的特點(diǎn)和耐Al機(jī)制，對(duì)于利用分子生物學(xué)手段改良植物遺傳性狀，指導(dǎo)培育出適宜種植在酸性及高Al3+濃度土壤上的植物新品種具有重要意義[4]。

1 茶樹(shù)對(duì)Al的吸收和運(yùn)輸

目前，關(guān)于Al3+如何被茶樹(shù)根系吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)主要有兩種觀點(diǎn)。第一種觀點(diǎn)認(rèn)為，由于茶樹(shù)體內(nèi)Al、F的分布和含量存在明顯相關(guān)性，茶樹(shù)主要以A1-F絡(luò)合物形式吸收土壤中的Al3+。但目前有關(guān)A1-F絡(luò)合物如何在茶樹(shù)木質(zhì)部運(yùn)輸，仍然存在較大的爭(zhēng)議。Nagata等[5]認(rèn)為茶樹(shù)根系吸收土壤中的Al3+并與F結(jié)合后，直接以A1-F絡(luò)合物的形態(tài)經(jīng)木質(zhì)部運(yùn)輸?shù)饺~片并儲(chǔ)存下來(lái)。但Morita等[6]研究表明，茶樹(shù)根、莖的木質(zhì)部汁液中主要是Al-檸檬酸絡(luò)合物，F(xiàn)則主要以F-形態(tài)存在，A1-F絡(luò)合物極少，推測(cè)從根部向葉片運(yùn)輸時(shí)A1-F絡(luò)合物提前發(fā)生了解離作用。因此，有研究者認(rèn)為A1-F絡(luò)合物從根轉(zhuǎn)運(yùn)到葉時(shí)可能存在兩種形式：一種是全程以Al-F絡(luò)合物的形式遷移；另一種是Al、F解離后分別遷移，到達(dá)葉片后再結(jié)合并積累[7-8]。第二種觀點(diǎn)認(rèn)為茶樹(shù)是以摩爾比為1︰1的A1-P絡(luò)合物形式吸收土壤中的Al3+，進(jìn)入根系后，A1-P絡(luò)合物解體成Al3+和磷酸。磷酸直接參與體內(nèi)的代謝活動(dòng)，Al3+則在根中與茶樹(shù)體內(nèi)的檸檬酸、草酸和蘋果酸等結(jié)合，然后在莖中轉(zhuǎn)化為A1-檸檬酸復(fù)合物，經(jīng)木質(zhì)部運(yùn)輸?shù)饺~，最后以A1-兒茶素等形式儲(chǔ)存于葉中[6,9-10]。這些結(jié)果表明，Al-復(fù)合物是Al在茶樹(shù)體內(nèi)的吸收和運(yùn)輸?shù)闹饕问?，但在不同部位以哪種Al-復(fù)合物為主還存在爭(zhēng)議，且轉(zhuǎn)換機(jī)制和過(guò)程也有待進(jìn)一步深入研究和確認(rèn)。

2Al在茶樹(shù)中的含量和分布

大多數(shù)植物體內(nèi)Al含量都很低，小于100?mg·kg-1，Githua等[11]比較了同一生境下茶樹(shù)、葉類蔬菜和谷類植物體內(nèi)Al含量，結(jié)果表明茶樹(shù)Al含量顯著高于其他植物。茶樹(shù)不同品種、不同部位、不同器官對(duì)Al的富集程度存在顯著差異。于翠平[12]對(duì)同一環(huán)境、同一時(shí)期種植的51個(gè)茶樹(shù)品種葉片Al含量進(jìn)行了測(cè)定，Al含量最高的為政和大白茶，高達(dá)2?493?mg·kg-1，最低的品種為浙農(nóng)25，含量?jī)H為587?mg·kg-1，兩者之間的差異達(dá)4倍以上。吳志丹等[13]分析了13個(gè)同一樹(shù)齡的福建省主要適制烏龍茶茶樹(shù)品種（系）葉片Al含量，結(jié)果表明梅占的Al含量最低，為445?mg·kg-1；肉桂Al含量最高，達(dá)到814?mg·kg-1。這些研究充分表明了茶樹(shù)對(duì)鋁的吸收積累存在顯著的遺傳差異性。不同部位Al含量為葉>根>莖[14]，符合Al從根系吸收、莖部轉(zhuǎn)運(yùn)到葉片富集的規(guī)律。同一部位A1含量則隨成熟度的提高而增加。通過(guò)亞細(xì)胞定位研究發(fā)現(xiàn)，根、葉富集的鋁70%以上聚集在細(xì)胞壁中，進(jìn)入到細(xì)胞質(zhì)中的Al只占30%左右，且80%儲(chǔ)存在液泡中[15-16]。

地理位置、土壤肥力、季節(jié)變化、種植年限和栽培措施等眾多因素都會(huì)影響茶樹(shù)中Al的含量。王瓊瓊等[17]分析了武夷山和安溪兩個(gè)地區(qū)茶樹(shù)種質(zhì)資源的Al含量，發(fā)現(xiàn)安溪茶樹(shù)資源Al含量顯著低于武夷山茶樹(shù)資源。一般情況下，不同季節(jié)茶葉中Al含量依次是秋茶>夏茶>春茶。隨著種植年限的延長(zhǎng)，茶樹(shù)枝條和葉片中的Al含量也不斷增加，并且在茶齡40~50年時(shí)含量最高[18]。適當(dāng)?shù)脑耘啻胧┤绻腆w堆肥的施用則可增加茶葉中Al的含量[19]。

3 Al3+對(duì)茶樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育的影響

與無(wú)Al3+條件相比，在茶園土壤或水培營(yíng)養(yǎng)液中加入適量的Al3+，茶樹(shù)生長(zhǎng)得更好，但Al3+濃度過(guò)高時(shí)也會(huì)造成毒害。在這一過(guò)程中，茶樹(shù)根系和葉片發(fā)生一系列形態(tài)變化和生理響應(yīng)。

3.1 形態(tài)變化

作為最先接觸Al3+的部位，根系最先表現(xiàn)出明顯的形態(tài)變化。缺Al3+和高Al3+濃度時(shí)茶樹(shù)根色發(fā)黑，須根很少或脫落；低Al3+濃度時(shí)根呈正常的黃褐色，須根顏色嫩白且大量生長(zhǎng)。王敏等[20]以0、0.2、0.4、0.6、1、2、4、10?mmol·L-18個(gè)不同的鋁濃度具體分析了茶樹(shù)對(duì)鋁的生理響應(yīng)閾值，培養(yǎng)6周后觀察，無(wú)Al3+存在下茶樹(shù)側(cè)根長(zhǎng)度較短，發(fā)生量少；0.4~2.0?mmol·L-1Al3+處理下茶樹(shù)根系伸長(zhǎng)量明顯高于無(wú)Al3+處理，大量新根發(fā)生，根系鮮重、側(cè)根數(shù)和側(cè)根總長(zhǎng)均增加；但是當(dāng)Al3+濃度增加到10?mmol·L-1時(shí)，側(cè)根上著生的根毛長(zhǎng)度與數(shù)量明顯低于其他所有處理。說(shuō)明無(wú)Al3+或高Al3+處理都會(huì)不同程度地抑制茶樹(shù)根系生長(zhǎng)，且鋁毒害的抑制作用更為明顯。

3.2 生理響應(yīng)

3.2.1 化學(xué)品質(zhì)

茶多酚、氨基酸、咖啡堿和可溶性糖等物質(zhì)的含量是影響茶葉品質(zhì)的主要成分。10?mg·L-1Al3+濃度顯著提高茶葉茶多酚、咖啡堿、氨基酸和兒茶素含量，當(dāng)Al3+增加到30?mg·L-1這些化學(xué)品質(zhì)成分顯著下降，且兒茶素的下降幅度最大[21-22]。Napaporn等[23]采用沙壤土盆栽試驗(yàn)以50?mg·L-1和500?mg·L-1Al3+處理阿薩姆茶樹(shù)，發(fā)現(xiàn)第30天時(shí)50?mg·L-1Al3+濃度處理的葉片中EGC、EC、EGCG等含量顯著高于500?mg·L-1Al3+處理，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，各兒茶素組分含量差距逐漸縮小。推測(cè)短時(shí)間內(nèi)高濃度Al會(huì)一定程度上抑制兒茶素的合成，但通過(guò)Al解毒機(jī)制的作用逐步得到緩解，從而使茶樹(shù)恢復(fù)正常生理代謝。

3.2.2 礦質(zhì)元素吸收

Al3+能夠促進(jìn)茶樹(shù)根系對(duì)部分礦質(zhì)元素的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和積累。Al3+促進(jìn)茶樹(shù)對(duì)P和K的吸收，并可減輕過(guò)量Mg2+的毒害[24-25]。在缺B3+的營(yíng)養(yǎng)液中添加Al3+能顯著促進(jìn)茶樹(shù)C、N代謝，激活抗氧化防御系統(tǒng)，增加B3+的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，減輕茶樹(shù)因缺B導(dǎo)致的生長(zhǎng)損害[26]；B是細(xì)胞壁果膠網(wǎng)的重要組分之一。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，缺B3+時(shí)供Al3+能促進(jìn)B在細(xì)胞壁的積累，這可能是Al3+緩解B缺素癥的一個(gè)重要原因[27]。以0~300?μmol·L-1Al3+處理茶樹(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，無(wú)Al3+條件下茶樹(shù)嫩葉中Fe含量高達(dá)1?000?mg·kg-1，超過(guò)大部分植物Fe毒害的閾值；而供Al3+后減少了Fe的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，推測(cè)Al之所以能促進(jìn)茶樹(shù)生長(zhǎng)，原因之一是供Al3+緩解了無(wú)Al3+時(shí)潛在的Fe毒性[28]。Al還能緩解高F-濃度對(duì)茶樹(shù)的毒害作用，促進(jìn)根系對(duì)F的吸收和葉片F(xiàn)的積累，當(dāng)c(Al3+)與c(F－)的比值為1︰3和1︰5時(shí)，F(xiàn)從茶樹(shù)根部向地上部分轉(zhuǎn)移能力較強(qiáng)[29-30]。研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)源Ca2+和CaM參與了Al3+促進(jìn)F在茶根中積累的過(guò)程，添加Ca2+螯合劑EGTA（Ethylene glycol tetraacetic acid，乙二醇二乙醚二胺四乙酸）、CaM拮抗劑CPZ（Chlorpromazine，氯丙嗪）和TFP（Trifluoperazine，三氟拉嗪）均顯著抑制了茶根中Ca2+熒光強(qiáng)度和CaM含量的增加，從而降低F在茶樹(shù)根系的積累[31]。此外，陰離子通道抑制劑DIDS（Disulfonic acid，二磺酸）也能通過(guò)調(diào)控膜電位去極化，使Ca2+外流和CaM含量減少，從而抑制Al3+對(duì)根系F富集的促進(jìn)作用[32]。

3.2.3 光合特性

光合作用是植物賴以生存的能量來(lái)源，葉綠素在光合作用過(guò)程中起著接受和轉(zhuǎn)換光能的作用，其含量高低直接影響光合作用的速率。Xu等[33]研究發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照（無(wú)Al3+）相比，0.8?mmol·L-1和1.6?mmol·L-1Al3+處理后茶樹(shù)總?cè)~綠素含量明顯增加，且品種迎霜增長(zhǎng)幅度大于菊花春。但Al3+超過(guò)4?mmol·L-1時(shí)對(duì)茶樹(shù)產(chǎn)生毒害，成熟葉片中葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量均顯著降低，引起光合電子傳遞效率、PSII最大光化學(xué)量子產(chǎn)量急劇下降，葉片中淀粉、糖含量也顯著降低[20, 34]。利用透射電鏡對(duì)Al3+處理30?d后福鼎大白茶葉片細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，在2?mg·L-1和4?mg·L-1Al3+濃度處理下對(duì)葉片幾乎沒(méi)有影響，細(xì)胞內(nèi)葉綠體只是略微變形，結(jié)構(gòu)仍完整；但12?mg·L-1Al3+濃度使細(xì)胞葉綠體膜溶解、類囊體片層膨脹扭曲，基粒膜和基質(zhì)膜溶解，基粒減少，這必將減少茶樹(shù)對(duì)光的吸收，影響茶樹(shù)的光合作用[35]。

3.2.4 抗氧化系統(tǒng)

遭遇逆境脅迫時(shí)，植物體內(nèi)會(huì)釋放出活性氧，引起細(xì)胞膜氧化損傷，而抗氧化酶能夠清除活性氧，減輕不良環(huán)境對(duì)膜系統(tǒng)造成的損害。在0~0.4?mmol·L-1Al3+范圍內(nèi)，隨Al3+濃度的升高，茶樹(shù)品種T-78的根系SOD（Superoxide dismutase, 超氧化物歧化酶）、CAT（Catalase，過(guò)氧化氫酶）、POD（Peroxidase，過(guò)氧化物酶）、APX（Ascorbic acid peroxidase，抗壞血酸過(guò)氧化物酶）活性均顯著提高[34]；當(dāng)Al3+濃度為4?mmol·L-1時(shí)，這些酶活性迅速降低，表明此時(shí)Al3+已超過(guò)脅迫點(diǎn)，減弱了抗氧化防御系統(tǒng)的抵抗作用。值得一提的是，GR（Glutathione reductase, 谷胱甘肽還原酶）在4?mmol·L-1Al3+濃度下仍保持較高活性，表明GR對(duì)Al3+的耐受閾值較高。Li等[36]研究了不同Al3+濃度對(duì)福鼎大白茶的葉片抗氧化酶活性的影響，發(fā)現(xiàn)Al3+濃度在0~0.32?mmol·L-1時(shí)，SOD活性并無(wú)明顯變化，但0.53?mmol·L-1Al3+濃度下則極顯著提高。與其他抗氧化酶類相比，SOD對(duì)不同茶樹(shù)品種耐鋁特性表現(xiàn)出更明顯的遺傳差異性。

此外，Xu等[37]采用蛋白組學(xué)方法分析了無(wú)Al3+和Al3+處理下茶樹(shù)根系與葉片蛋白表達(dá)情況，分別在茶樹(shù)根系和葉片中鑒定得到755和1059種差異表達(dá)蛋白，其中Al3+誘導(dǎo)糖酵解代謝、抗氧化酶、檸檬酸合成等相關(guān)蛋白在根系差異表達(dá)，葉片中與光合作用有關(guān)的蛋白質(zhì)上調(diào)表達(dá)。表明糖酵解途徑、光合作用和抗氧化酶活性的提高協(xié)同調(diào)控Al對(duì)茶樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育的積極作用。

綜上所述，Al3+促進(jìn)茶樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育的機(jī)制可以歸納為：Al3+促進(jìn)根系須根的發(fā)生和伸長(zhǎng)，增加茶樹(shù)對(duì)礦質(zhì)元素等養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，促進(jìn)葉片葉綠素等光合色素合成，提升光合作用效率，以及通過(guò)提高保護(hù)酶活性以清除代謝過(guò)程中產(chǎn)生的活性氧自由基等毒害物質(zhì)，使茶樹(shù)機(jī)體新陳代謝處于比較旺盛的階段，為體內(nèi)有機(jī)物合成提供充足的碳源和氮源，從而促進(jìn)茶樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育。

4 茶樹(shù)耐Al機(jī)制

茶樹(shù)在長(zhǎng)期適應(yīng)酸Al環(huán)境中已進(jìn)化出多種機(jī)制來(lái)對(duì)抗土壤中高濃度的Al3+，主要有遺傳作用、內(nèi)含物的螯合作用、細(xì)胞壁的固定、根系分泌有機(jī)酸等。

4.1 遺傳作用

作為一種異花授粉的植物，茶樹(shù)的遺傳特性高度異質(zhì)雜合，因而不同品種耐Al性也存在一定差異。于翠平[12]根據(jù)對(duì)51個(gè)茶樹(shù)品種葉片Al含量的測(cè)定結(jié)果，以1?000、1?500?mg·kg-1為劃分依據(jù)，將大于1?500?mg·kg-1的品種劃分為高Al組，1?000~1?500?mg·kg-1為中間組，小于1?000?mg·kg-1的為低Al組，以此區(qū)分不同品種響應(yīng)Al遺傳特性的差異。Xu等[33]比較發(fā)現(xiàn)，1.6?mmol·L-1Al3+處理兩個(gè)茶樹(shù)品種，45?d后品種菊花春的根伸長(zhǎng)量顯著高于迎霜，表明品種菊花春更加耐Al脅迫。

通常情況下，植物原初SOD活力高，更能耐受高Al3+濃度。陸建良等[38]研究了Al3+對(duì)不同植物SOD活性的影響，發(fā)現(xiàn)與大麥、小麥等植物相比，茶樹(shù)根系SOD活力確實(shí)更高。此外，茶樹(shù)具有喜酸偏銨的特性，而Al3+對(duì)茶樹(shù)吸收利用NH4+的抑制作用明顯小于NO3-，說(shuō)明大量的Al3+不會(huì)影響其氮素同化過(guò)程的正常進(jìn)行。深入研究茶樹(shù)耐鋁與喜銨的協(xié)同作用機(jī)制，對(duì)提高酸性土壤植物耐鋁能力和氮效率具有科學(xué)理論和實(shí)踐應(yīng)用的雙重意義。

4.2 內(nèi)含物的作用

茶樹(shù)可以通過(guò)多種方式使體內(nèi)的活性Al 的含量降低，從而達(dá)到解毒的作用。茶樹(shù)體內(nèi)的有機(jī)酸、茶多酚等都是良好的螯合劑，可以與Al3+結(jié)合形成無(wú)毒的復(fù)合物。同時(shí)，Al3+還可與P、F等結(jié)合，降低茶樹(shù)體內(nèi)Al的活性。通過(guò)27A1-NMR和19F-NMR技術(shù)發(fā)現(xiàn)，茶樹(shù)木質(zhì)部汁液中的Al以Al-P絡(luò)合物、AI-F 絡(luò)合物、Al-檸檬酸絡(luò)合物等形式存在，轉(zhuǎn)移到葉后以Al-兒茶素、AI-F、Al-草酸、Al-磷酸鹽等穩(wěn)定絡(luò)合物貯存在葉片中，從而緩解了Al的毒害[39-40]。利用GC-MS方法檢測(cè)茶樹(shù)根系和葉片代謝物變化，結(jié)果表明Al3+處理后兩個(gè)品種中磷酸和檸檬酸等Al3+配體均增加，其中品種迎霜的根系莽草酸代謝途徑增強(qiáng)，體內(nèi)兒茶素、奎寧酸和莽草酸的含量提高，而耐鋁性相對(duì)更強(qiáng)的品種菊花春的根系和葉片氨基酸、糖醇類化合物積累。表明茶樹(shù)對(duì)Al3+的適應(yīng)性也可能與氨基酸、糖類和莽草酸等內(nèi)含物質(zhì)差異代謝有關(guān)[33]。

4.3 細(xì)胞壁的固定

大量的研究結(jié)果表明，進(jìn)入茶樹(shù)體內(nèi)的Al主要結(jié)合在根系和葉片的細(xì)胞壁上。Gao等[15]采用離子色譜和原子吸收光譜對(duì)茶樹(shù)中Al的亞細(xì)胞分布進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，約70%和75%的根、葉富集的Al儲(chǔ)存在細(xì)胞壁，共焦激光掃描顯微鏡也表明細(xì)胞壁比其他細(xì)胞分部顯示更高的熒光信號(hào)[40]。這種分布特點(diǎn)使Al3+遠(yuǎn)離茶樹(shù)代謝中心，有效地阻擋了大量Al3+進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，減少了Al3+的直接毒害。那么，細(xì)胞壁中的Al又是與哪一類細(xì)胞壁組分結(jié)合的呢？細(xì)胞壁由纖維素、半纖維素和果膠等組成。于翠平[12]的研究表明，茶樹(shù)葉片中Al含量與果膠和纖維素含量并沒(méi)有相關(guān)性。然而，添加果膠酶和纖維素酶后能顯著增加Al的浸出量，說(shuō)明茶樹(shù)中有很大一部分Al與這兩種成分結(jié)合在一起，推測(cè)果膠的結(jié)構(gòu)也可能影響細(xì)胞壁對(duì)Al的吸持作用。通常，去甲酯化的果膠分子中富含羧基，是細(xì)胞壁中負(fù)電荷的主要來(lái)源，而果膠甲酯酶（Pectinmethylesterase，PME）可以促進(jìn)果膠分子的去甲酯化，通過(guò)增加負(fù)電荷提高果膠結(jié)合Al的能力[41]。Li等[42]以0、0.1、0.4、2、4?mmol·L-15個(gè)Al3+濃度處理龍井長(zhǎng)葉品種，采用免疫熒光法以特定單克隆抗體LM19和LM20檢測(cè)了根尖中果膠的甲酯化程度。隨著Al3+濃度的升高，根尖中低度甲酯化果膠含量升高，高度甲酯化的果膠含量降低，果膠去甲酯化程度提高，同時(shí)伴隨著基因家族成員等表達(dá)量的上升，充分證明了果膠的甲酯化修飾在細(xì)胞壁結(jié)合Al機(jī)制中的作用。而細(xì)胞壁的另兩種主要成分纖維素和半纖維素在茶樹(shù)耐Al機(jī)制中的作用尚不清楚。Zhu等[43]在含Al的培養(yǎng)液中添加木葡聚糖（半纖維素的主要組分）后，擬南芥根系A(chǔ)l的累積明顯降低，Al3+的毒害作用大大減輕。表明在細(xì)胞壁對(duì)Al吸附作用中，半纖維素的貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)大于果膠，為進(jìn)一步探究茶樹(shù)細(xì)胞壁耐Al機(jī)制提供了新的方向。

4.4 根系分泌有機(jī)酸

有機(jī)酸分泌與耐Al之間的響應(yīng)關(guān)系已經(jīng)在多種植物中有報(bào)道[44]。植物根系分泌的有機(jī)酸陰離子可以螯合有毒的Al3+，進(jìn)而減少Al3+和根表皮細(xì)胞壁和質(zhì)膜上的負(fù)電位結(jié)合的機(jī)會(huì)，保護(hù)其結(jié)構(gòu)完整性和正常功能[45-46]。在高Al3+溶液中直接加入有機(jī)酸可以顯著降低Al3+對(duì)植株的毒害反應(yīng)，減輕對(duì)根系的損傷。Morita等[47]發(fā)現(xiàn)Al3+處理30?min內(nèi)茶樹(shù)根系即向介質(zhì)分泌草酸，且此后24?h內(nèi)分泌量呈線性增加。劉騰騰等[48]研究表明，與適宜Al3+（20?mg·L-1）濃度相比，高Al3+（100?mg·L-1）濃度處理下茶樹(shù)根系草酸的分泌量升高，而蘋果酸的量顯著降低。Li等[42]研究發(fā)現(xiàn)，0~2?mmol·L-1Al3+濃度下，茶樹(shù)根系分泌的草酸、蘋果酸、檸檬酸和乙酸均隨Al3+濃度的升高而增加，但在4?mmol·L-1Al3+濃度下，蘋果酸、檸檬酸和乙酸分泌量急劇降低，草酸分泌量也有所減少，但仍保持較高水平。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，根尖內(nèi)蘋果酸、檸檬酸和乙酸含量，檸檬酸合酶、蘋果酸脫氫酶、乙酸氧化酶等酶活性以及基因表達(dá)量也表現(xiàn)出了相同的變化趨勢(shì)。這些研究結(jié)果表明，Al可能通過(guò)刺激有機(jī)酸代謝相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控有機(jī)酸分泌和內(nèi)源有機(jī)酸含量來(lái)參與茶樹(shù)耐鋁機(jī)制，并且作為強(qiáng)解毒型和強(qiáng)酸型有機(jī)酸，草酸在緩解茶樹(shù)根際細(xì)胞鋁毒害方面發(fā)揮著重要作用。

5 展望

植物在生長(zhǎng)過(guò)程中不可避免地會(huì)遭遇一系列逆境脅迫，其中有關(guān)營(yíng)養(yǎng)逆境的生理響應(yīng)和分子機(jī)制一直是研究者們關(guān)注的熱點(diǎn)。茶樹(shù)作為高富集Al植物，在酸性土壤條件下仍能生長(zhǎng)良好，說(shuō)明茶樹(shù)本身有良好的解Al毒機(jī)制，對(duì)茶樹(shù)耐鋁的生理機(jī)理研究為基于分子生物學(xué)的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。如前所述，生理學(xué)研究表明有機(jī)酸的分泌和細(xì)胞壁果膠的結(jié)合是茶樹(shù)重要的解鋁毒機(jī)制，對(duì)于這些過(guò)程的了解有利于提高在進(jìn)行比較轉(zhuǎn)錄組或蛋白組學(xué)分析時(shí)的針對(duì)性，篩選出起關(guān)鍵性作用的目的基因或蛋白。Li等[49]基于RNA-Seq技術(shù)分析了0、0.2、1?mmol·L-1Al3+處理下茶樹(shù)根尖3~5?mm的基因表達(dá)模式，鑒定到87個(gè)在0和0.2?mmol·L-1Al3+下顯著差異表達(dá)的基因，其中35個(gè)基因在0.2、1?mmol·L-1Al3+水平下差異表達(dá)，包括（Aluminum-activated malate transporter，鋁誘導(dǎo)蘋果酸分泌的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因，）、（Aluminum resistance transcription factor 1，抗鋁轉(zhuǎn)錄因子1）等。Wang等[50]克隆了18?S rRNA、（Protein phosphatase 2A subunit A3）和（-like family protein）等3個(gè)在Al3+脅迫下穩(wěn)定表達(dá)的基因。對(duì)這些目的基因在茶樹(shù)耐鋁中的作用，最好的證明就是創(chuàng)建轉(zhuǎn)基因植株進(jìn)行耐鋁性試驗(yàn)。因此，茶樹(shù)中耐鋁基因的克隆和功能分析將是以后研究的重點(diǎn)。此外，茶樹(shù)體內(nèi)的有機(jī)酸如何分泌并轉(zhuǎn)運(yùn)到胞外，Al在細(xì)胞壁上的存在形式和各組分分配，茶樹(shù)聚Al與偏喜銨、喜酸等特性的關(guān)聯(lián)分析，以及茶樹(shù)耐Al的基因型差異等問(wèn)題也有待進(jìn)一步深入研究。

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Advances in Aluminum Accumulation and Tolerance Mechanisms in Tea Plant ()

HUANG Danjuan1, MAO Yingxin1, CHEN Xun1, TAN Rongrong1, WANG Hongjuan1, WANG Youping2, GONG Ziming1*

1. Institute of Fruit and Tea, Hubei Academy of Agricultural Sciences, Wuhan 430064, China; 2. Institute of Plant Protection, Soil and Fertilizers, Hubei Academy of Agricultural Sciences, Wuhan 430064, China

Tea plant is an aluminum (Al) hyper-accumulator with higher Al content than other plants, but no obvious damage symptoms. In this paper, aspects including the Al absorption, transportation, content and distribution characteristics in tea plant are reviewed. Furthermore, the influence of Al on the growth and development, the Al tolerance mechanism of tea plant are summarized. Meanwhile, future studies on aluminum tolerance mechanisms of tea plant are also briefly discussed.

tea plant, aluminum, accumulation characteristics, Al tolerance mechanism

S571.1；S157.4+3

A

1000-369X(2018)02-125-08

2017-08-22

2017-10-24

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0200900）、國(guó)家茶葉產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系鄂東南綜合試驗(yàn)站(CARS-19)、湖北省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新中心團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2016-620-000-001-032）、湖北省農(nóng)科院青年科學(xué)基金（2018NKYJJ11）

黃丹娟，女，研究實(shí)習(xí)員，主要從事茶樹(shù)栽培與生理生化研究。

ziminggong@163.com