李勇，唐澈，趙華*，倪德江

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茶樹耐鋁聚鋁特性及其機理研究進展

李勇1，唐澈2，趙華1*，倪德江1

1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院 園藝植物生物學(xué)教育部重點實驗室，湖北 武漢 430070； 2. 湖北省農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測中心，湖北 武漢 430070

酸性土壤占世界可耕作土壤的30%~40%，且呈逐年上升趨勢，鋁毒是酸性土壤中作物生產(chǎn)的主要限制因素。作為鋁富集植物，茶樹體內(nèi)鋁含量是其他植物的幾十倍，且不表現(xiàn)出根尖生長受抑制及根冠表皮脫落等典型鋁毒癥狀，適宜濃度的鋁還能促進茶樹的生長。本文主要對茶樹鋁富集特性、鋁在茶樹細胞內(nèi)存在形態(tài)及亞細胞分布、茶樹對鋁的生理響應(yīng)、茶樹耐鋁聚鋁的可能機理等研究進展進行了綜述，并對后續(xù)研究思路作了展望。

茶樹；鋁；有機酸；轉(zhuǎn)運蛋白；轉(zhuǎn)錄因子

鋁（Al）占地殼總質(zhì)量的7%，是第三豐富的元素[1]。酸性土壤（pH<5）中活性鋁產(chǎn)生的鋁毒害會顯著抑制植物的根系生長，根尖壞死阻礙對水分和養(yǎng)分的吸收，進而抑制地上部分的生長，是限制作物生長和產(chǎn)量的主要因素之一[2]。酸性土壤占地球耕地面積的30%~40%，因生理酸性肥料的大量施用及不合理的施肥習(xí)慣，耕地土壤酸化進一步加劇[3]。茶樹起源于我國西南地區(qū)，在亞熱帶溫帶濕潤的氣候條件下，形成了茶樹“喜酸喜鋁怕堿”的特性，土壤pH 4.5~5.5為茶樹生長最適宜酸度范圍。因茶樹喜鋁，其成熟葉中鋁含量可高達30?000?mg·kg-1，且沒有鋁毒害的癥狀，表現(xiàn)出鋁富集的特性[4]，該濃度水平為較耐鋁禾谷類水稻植株體內(nèi)鋁含量的百倍多。研究發(fā)現(xiàn)適宜濃度的鋁對茶樹生長有明顯的促進作用[5-8]。因此，明確茶樹的喜鋁耐鋁機制，對于培育具有耐酸鋁性的農(nóng)作物新品種、提高農(nóng)作物產(chǎn)量及促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。

1 茶樹聚鋁特性

茶樹具有富集鋁的生物學(xué)特性，體內(nèi)的鋁含量較高且沒有鋁毒癥狀，因此被認為是鋁富集植物。研究發(fā)現(xiàn)，茶樹各器官的鋁含量由高到低依次為葉>根>莖[9]。茶樹老葉中的鋁濃度是幼嫩葉中的18倍[10-11]。Fung等[12]發(fā)現(xiàn)茶樹葉片中的鋁濃度在不同茶樹品種中具有廣泛的遺傳變異，茶樹葉片鋁含量隨著發(fā)育成熟度的提高而增加，不同部位茶樹葉片鋁濃度依次為：落葉＞成熟葉（老葉）＞根系＞樹枝＞嫩葉，表明鋁在茶樹體內(nèi)難以移動。于翠平[13]隨機檢測了51個茶樹品種葉片中的鋁濃度，發(fā)現(xiàn)不同茶樹基因型對鋁的富集存在顯著差異，其中葉片鋁含量最高品種和含量最低品種間相差4倍。王瓊瓊等[14]研究發(fā)現(xiàn)，不同季節(jié)的茶樹鋁富集能力具有差異，茶樹葉片鋁濃度呈現(xiàn)出季節(jié)性變化規(guī)律，秋季茶樹葉片鋁濃度最高，春季鋁濃度最低，同一部位的葉片鋁濃度隨著樹齡的增長而增加。因此，茶樹不同器官、不同部位、不同季節(jié)對鋁的富集存在顯著差異，且存在廣泛的基因型差異。因此，以茶樹種質(zhì)資源為研究材料，克隆茶樹耐鋁或富集鋁基因及其等位變異，對于揭示茶樹耐鋁聚鋁的遺傳調(diào)控機理，對培育耐鋁農(nóng)作物新品種具有重要的理論和實踐意義。

1.1 茶樹體內(nèi)鋁形態(tài)

在茶樹葉片細胞內(nèi)，鋁主要以配體結(jié)合的方式存在。早期Nagata等[15]用27Al核磁共振（NMR，Nuclear magnetic resonance spectroscopy）技術(shù)檢測茶樹不同部位葉片中鋁的核磁共振譜線，發(fā)現(xiàn)嫩葉中鋁主要與兒茶素結(jié)合，較老葉片中除了兒茶素鋁復(fù)合物外，少部分以酚酸鋁和有機鋁形式存在。Morita等[16]用27Al-NMR法檢測茶樹木質(zhì)部汁液時發(fā)現(xiàn)鋁主要以鋁-檸檬酸絡(luò)合物形式存在，雖然木質(zhì)部傷流液中蘋果酸含量高于檸檬酸，但蘋果酸鋁絡(luò)合物以及草酸鋁絡(luò)合物很少。Morita等[17]研究表明，茶樹根部鋁主要與草酸結(jié)合。孫婷等[18]的研究結(jié)果表明，茶樹體內(nèi)的鋁大多以有機態(tài)或螯合態(tài)形式存在，包括鋁-草酸鹽（1:1）、鋁-草酸鹽（1:2）和鋁-磷酸鹽復(fù)合物，此外在葉片中還檢測到鋁與兒茶素、有機酸（琥珀酸、五倍子酸）、酚酸等的絡(luò)合物。Gao等[11]研究表明，茶樹葉片和根系中鋁與細胞壁中的果膠和半纖維素結(jié)合而被富集。因此，這些研究表明茶樹通過有機酸、兒茶素或磷酸螯合離子態(tài)的鋁，從而降低或解除細胞質(zhì)鋁的毒性，且細胞中大部分鋁與細胞壁中多糖結(jié)合成為鋁富集的重要組成部分。

1.2 鋁在茶樹細胞中的分布

Matsumoto等[4]采用光學(xué)顯微鏡及電子探針X射線技術(shù)發(fā)現(xiàn)鋁在茶樹葉片的表皮細胞中存在，尤其是老葉組織的表皮細胞中鋁濃度較高且表皮細胞顯著增厚。在茶樹根尖細胞中各細胞器的鋁含量為：細胞壁＞細胞質(zhì)＞細胞核＞線粒體，并且細胞核中鋁的含量最為穩(wěn)定，細胞壁中鋁的含量變化較大[19]?；诘湍芰康腦射線熒光顯微技術(shù)（LEXRF）對茶樹葉片中鋁的分布的研究表明，鋁優(yōu)先儲存在上表皮細胞壁，其次是液泡[20]。Carr等[10]在葉片外表皮細胞壁發(fā)現(xiàn)高濃度鋁支持了這一觀點。茶樹新梢及成熟葉細胞壁中的鋁分別占64.40%和83.24%，葉片細胞壁中鋁的比例隨著成熟度而增加[21]。Gao等[11]利用離子色譜和原子吸收光譜對茶樹中鋁的亞細胞分布進行分析，發(fā)現(xiàn)茶樹根、葉中分別有69.8%和75.2%的鋁儲存于細胞壁，并且根部細胞壁中73.2%的鋁與果膠和半纖維素結(jié)合，葉片原生質(zhì)體中88.3%的鋁被隔離在液泡中，進一步證實了在細胞水平上鋁主要貯存在細胞壁和被區(qū)隔化在液泡中，減少了鋁對茶樹生理代謝的破壞，這也是茶樹耐鋁或富集鋁的重要機制，細胞壁作為第一道屏障抵御重金屬毒害脅迫逐漸被證實而被重視，液泡膜將液泡區(qū)隔成相對獨立的細胞器，參與細胞滲透調(diào)節(jié)、細胞內(nèi)物質(zhì)的積累與移動及物質(zhì)的代謝活動等生理功能，是許多超積累植物耐受重金屬和鹽分的一種重要機制。

2 鋁對茶樹生長的影響

Chenery[22]首次發(fā)現(xiàn)鋁對茶樹生長發(fā)育具有促進作用，隨后大量的研究也證實了一定濃度范圍的鋁能夠促進茶樹的生長。方興漢等[23]研究表明，適宜的鋁濃度可增加茶苗的生物量，8~32?mg·L-1為最適宜鋁濃度范圍。潘根生等[24]研究發(fā)現(xiàn)，適宜濃度的鋁可促進茶樹新根發(fā)育，并且茶樹新稍長度、萌展值，以及生物重均顯著增加。Ghanati等[5]研究發(fā)現(xiàn)，加鋁處理的茶樹根系10?d伸長量為8.3?mm，顯著高于不加鋁處理的伸長量（3.1?mm）。孫婷等[18]發(fā)現(xiàn)，茶樹僅在高鋁濃度條件下表現(xiàn)出鋁毒害癥狀。Xu等[25]的研究結(jié)果也與此一致，即添加適量的鋁可以促進茶樹根系生長，包括根長增長、根系干物質(zhì)增加、根系活力增強。Li等[7]發(fā)現(xiàn)0.2?mmol·L-1鋁濃度最適宜茶樹幼苗生長，當(dāng)茶樹被1.0?mmol·L-1Al（pH必需調(diào)整為3.2才能沒有渾濁沉淀）處理1?h，就表現(xiàn)出脫水萎蔫等鋁毒或質(zhì)子毒害癥狀。Ruan等[26]研究發(fā)現(xiàn)，茶樹根際pH低于非根際土壤中的pH，而根際鋁活性顯著高于非根際土壤中的鋁活性，推測茶樹根系分泌物活化了根際土壤中的鋁，從而促進茶樹對鋁的吸收。研究表明鋁影響茶樹對不同礦質(zhì)元素的吸收與利用，Chen等[27]研究發(fā)現(xiàn)，鋁促進茶樹對Ca、Mg、K、Mn等養(yǎng)分的吸收，抑制Fe、Cu、Zn等養(yǎng)分的吸收，在適宜的鋁濃度范圍內(nèi)，茶樹體內(nèi)的多酚及表兒茶素沒食子酸酯等組分含量隨著鋁濃度增加而增加。在添加鋁的處理條件下，茶樹對鐵的吸收和運輸明顯減少，可能是通過減輕潛在的鐵離子毒害促進茶樹生長[6]。鋁通過與氟離子形成無毒的Al-F絡(luò)合物，緩解高濃度氟離子對茶樹的毒害，進而促進茶樹生長[28]。鋁影響茶樹的生理代謝過程，隨著鋁濃度的遞增，茶樹葉片中葉綠素含量、凈光合速率均遵循先升后降的變化規(guī)律，這也驗證了適宜濃度的鋁有益茶樹生長，但濃度過高則對茶樹造成傷害，適宜濃度的鋁誘導(dǎo)茶樹的光合速率和抗氧化能力增強，并且擴大根表面積，從而改善其對水分和養(yǎng)分的吸收[29]。

因此，茶樹能吸收儲存高濃度的鋁而被認為是鋁積累植物，而且適宜濃度的鋁對茶樹生長具有促進作用，鋁被認為是對茶樹生長的有益元素。

3 茶樹對鋁的響應(yīng)

3.1 茶樹分泌有機酸螯合鋁

植物可以通過分泌有機酸（蘋果酸、草酸、檸檬酸等）與Al3+螯合而減輕鋁毒[2,30]。Nagata等[15]采用27Al NMR光譜在茶樹葉片中發(fā)現(xiàn)大量鋁-兒茶素、鋁-氟、鋁-酚酸和鋁-有機酸等復(fù)合物。Morita等[16]研究表明，在茶樹木質(zhì)部汁液中檢測到蘋果酸與檸檬酸，而草酸含量微乎其微，采用27Al NMR技術(shù)在茶樹木質(zhì)部汁液中檢測到Al-檸檬酸復(fù)合物，表明Al3+可能通過與檸檬酸形成復(fù)合物在茶樹根部裝載至木質(zhì)部，再向地上部運輸，而鋁-蘋果酸與鋁-氟復(fù)合物并不是茶樹木質(zhì)部汁液的主要組成成分。通過對茶樹根尖分析發(fā)現(xiàn)鋁-草酸絡(luò)合物的特征峰，該絡(luò)合物濃度隨著鋁濃度的增加而增加，表明鋁與草酸絡(luò)合物是茶樹根尖解鋁毒的重要機制[17]。Morita等[31]推測茶樹可能通過根系分泌草酸以及咖啡堿等物質(zhì)提高其耐鋁性。茶樹體內(nèi)可檢測到草酸、丙酮酸、蘋果酸、α-酮戊二酸和琥珀酸等有機酸，而茶樹根系分泌物中主要為草酸和蘋果酸[21]。Xu等[25]發(fā)現(xiàn)鋁可以促進茶樹莽草酸代謝途徑相關(guān)酶類的生物合成，在茶樹根部發(fā)現(xiàn)蘋果酸、奎寧酸和莽草酸。Li等[7]利用RNA-Seq技術(shù)確定了3個涉及有機酸生物合成途徑基因，包括2個蘋果酸脫氫酶基因和1個草酸輔酶A連接酶基因。以上研究結(jié)果表明，茶樹合成有機酸與鋁離子螯合以無毒或毒性較小的鋁形態(tài)存在，減輕鋁對細胞的毒害，該機制與茶樹鋁的富集密切相關(guān)，而根系有機酸分泌物以螯合根際鋁而降低鋁毒或增強茶樹的耐鋁性。

3.2 茶樹氨基酸和糖代謝對鋁的響應(yīng)

Xu等[25]利用GC-MS在鋁處理后的茶樹葉片中檢測發(fā)現(xiàn)氨基酸含量升高。糖類物質(zhì)作為植物生長過程中非常重要的代謝產(chǎn)物，可以維持細胞滲透壓以及直接給機體提供能源[32]，糖酵解代謝在緩解植物鋁毒害過程中起著重要作用，有研究發(fā)現(xiàn)，鋁毒害條件下抗鋁小麥品種[33]和水稻品種[34]，體內(nèi)大量與糖酵解相關(guān)的基因的表達量出現(xiàn)上調(diào)。在加鋁條件下，茶樹根和葉片中許多與糖酵解代謝有關(guān)的蛋白也被檢測發(fā)現(xiàn)，Xu等[25]利用GC-MS技術(shù)在茶樹根和葉片中檢測到較高濃度的糖醇、FBA（果糖-1，6-二磷酸醛縮酶）、GAPDH（甘油醛-3-磷酸脫氫酶）和PDH（丙酮酸脫氫酶）等物質(zhì)。Xu等[8]發(fā)現(xiàn)鋁脅迫條件下F5H（阿魏酸5-羥化酶）含量在茶樹根部和葉片中下降，Morita等[31]還發(fā)現(xiàn)鋁誘導(dǎo)條件下，茶樹根部可以分泌咖啡堿物質(zhì)抑制胼胝質(zhì)沉積，從而增強根系生長。因此，表明茶樹響應(yīng)鋁的體內(nèi)糖類物質(zhì)的代謝可能和耐鋁聚鋁性緊密相關(guān)。

3.3 鋁促進茶樹光合作用

Xu等[25]發(fā)現(xiàn)鋁可以促進茶樹光合作用，在加鋁條件下茶樹葉片SPAD值增加，并進一步利用iTRAQ蛋白組學(xué)方法分析發(fā)現(xiàn)，鋁誘導(dǎo)條件下茶樹葉片中細胞色素b6f、PetB、PetD等復(fù)合物大量合成[8]，這些復(fù)合物在電子從光系統(tǒng)II（PSII）到光系統(tǒng)I（PSI）的傳遞上起重要作用[35]，可以加速電子從PSII到PSI的轉(zhuǎn)移[36]，從而影響ATP和NADPH的產(chǎn)生。在茶樹葉片中PSI蛋白（PsaG、PsaL、PsaO）、PSII蛋白（PsbA、PsbD、PsbE、PsbH、PsP、PsbQ、PsbR）和捕光色素復(fù)合物L(fēng)HC蛋白（Lhcb1，Lhcb2，Lhcb4，Lhcb6）以及葉綠體ATP合成酶也被檢測到[8]，有研究表明大麥應(yīng)對鋁脅迫時ATP合成酶也會大量合成[37]。Li等[7]發(fā)現(xiàn)，茶樹在鋁誘導(dǎo)條件下4個葉綠素a/b結(jié)合蛋白基因出現(xiàn)大量表達，可能與茶樹響應(yīng)鋁有關(guān)。以上結(jié)果表明，與對鋁敏感植物不同，茶樹響應(yīng)鋁處理能夠保持較高的光合作用效率，茶樹葉片維持這些蛋白質(zhì)的高表達量可能是茶樹喜鋁或鋁富集的機制之一。

3.4 鋁促進茶樹抗氧化系統(tǒng)相關(guān)酶的合成

植物能夠利用抗氧化酶系統(tǒng)，提高其抗氧化能力進而增強耐鋁性能，已有研究報道超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）、抗壞血酸酶（APX）和谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶（GST）等抗氧化酶在植物應(yīng)對環(huán)境鹽堿脅迫、重金屬毒害、干旱與高溫等非生物脅迫時具有重要調(diào)節(jié)作用[38]。羅亮等[39]在茶樹中研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的鋁（10?mg·L-1）處理可以降低茶樹的丙二醛（MDA）含量，并增強茶樹POD、CAT活性；高濃度的鋁處理（100?mg·L-1）降低POD的活性，提高CAT活性和丙二醛含量。于翠平等[40]研究也得到了一致的結(jié)果，即鋁處理明顯促進茶樹生長發(fā)育，增加茶樹葉片葉綠素的含量，并提高SOD、CAT、POD活性，使MDA含量降低。Ghanati等[5]研究表明，鋁可顯著提高茶樹根尖和茶樹懸浮培養(yǎng)細胞的保護酶活性，降低脂質(zhì)過氧化作用，減少與細胞壁結(jié)合的木質(zhì)素和多酚含量，延緩木質(zhì)化并提高細胞壁的韌性，從而間接提高抵御外界脅迫的能力。Xu等[8]研究發(fā)現(xiàn)，茶樹在鋁誘導(dǎo)條件下，CAT、APX及GST在其根部大量合成。GST有助于保護細胞免受氧化損傷，通過谷胱甘肽與過量的毒素形成連體S-谷胱甘肽產(chǎn)物，并進一步將產(chǎn)物運輸?shù)揭号葸M行隔離[41]。Li等[7]利用RNA-Seq對不同鋁濃度處理的茶樹幼苗根系進行轉(zhuǎn)錄組測序分析，發(fā)現(xiàn)在高鋁濃度誘導(dǎo)條件下基因在茶樹中大量表達。因此，茶樹在鋁處理條件下抗氧化酶活性增加，且相關(guān)基因表達被誘導(dǎo)，推測該抗氧化酶保護系統(tǒng)可以消除因鋁處理而產(chǎn)生的活性氧自由基等毒害物質(zhì)，酶類和非酶類抗氧化系統(tǒng)可能參與茶樹耐鋁及富集鋁的生物學(xué)過程。

3.5 茶樹跨膜轉(zhuǎn)運蛋白對鋁的響應(yīng)

Li等[7]通過轉(zhuǎn)錄組測序分析發(fā)現(xiàn)2個鋁誘導(dǎo)的蘋果酸轉(zhuǎn)運蛋白基因與1個鋁敏感轉(zhuǎn)運蛋白基因在茶樹根系中被鋁誘導(dǎo)表達。是鋁誘導(dǎo)的蘋果酸轉(zhuǎn)運蛋白基因與耐鋁相關(guān)[42]，在擬南芥中編碼一個跨膜蛋白和耐鋁緊密關(guān)聯(lián)[43]，它和水稻中的是同源基因，在水稻中通過和形成一個復(fù)合物共同調(diào)節(jié)修飾細胞壁組分從而達到耐鋁作用[43]，根細胞壁的組成成分可間接反映植物抵御外界環(huán)境脅迫的能力。這些轉(zhuǎn)運蛋白的同源基因在高耐鋁植物蕎麥中也被鑒定受鋁誘導(dǎo)[44]，以上研究表明，這些轉(zhuǎn)運蛋白基因介導(dǎo)的鋁耐受機制在植物界普遍存在，雖然在不同植物物種中表達模式不完全一致。

Li等[7]在茶樹中發(fā)現(xiàn)了15個轉(zhuǎn)運蛋白家族基因（ATP-Binding cassette）被鋁誘導(dǎo)表達，ABC轉(zhuǎn)運蛋白是一大類跨膜轉(zhuǎn)運蛋白，參與生物體多種物質(zhì)的跨膜運輸，其轉(zhuǎn)運底物包括多糖、重金屬螯合物、生物堿等[45]，推測ABC轉(zhuǎn)運蛋白可能與茶樹根部鋁的吸收跨膜轉(zhuǎn)運及鋁在茶樹葉片亞細胞水平的分布相關(guān)。

鎂轉(zhuǎn)運蛋白基因（Magnesium transporter gene）通過調(diào)節(jié)鎂離子的內(nèi)流來介導(dǎo)水稻的其他抗鋁脅迫途徑，鋁脅迫可誘導(dǎo)其在水稻根中的快速表達。與水稻抗鋁性能高度相關(guān)，該基因敲除突變體對鋁毒性的耐受能力減弱。因鎂在植物中作為多種酶的輔基，推測其可能通過提高酸性磷酸酶的活性、穩(wěn)定H+-ATPase的活性、調(diào)節(jié)細胞質(zhì)pH、維持細胞質(zhì)Ca2+穩(wěn)態(tài)、緩解活性氧的產(chǎn)生等提高植株的耐鋁性能[46]。Li等[7]基于茶樹轉(zhuǎn)錄組測序發(fā)現(xiàn)3個鎂離子轉(zhuǎn)運蛋白基因被高濃度鋁誘導(dǎo)表達，推測其在茶樹體內(nèi)可能存在與水稻類似的生物學(xué)功能，從而增強茶樹耐鋁的生物學(xué)特性。

在水稻、擬南芥中研究表明，多藥和有毒化合物轉(zhuǎn)運蛋白基因（Multidrug and toxic compound extrusion，）與檸檬酸的轉(zhuǎn)運相關(guān)，它能促進檸檬酸分泌以螯合機體外的鋁離子，減輕鋁毒[42,47]。高鋁誘導(dǎo)條件下，Li等[7]在茶樹中發(fā)現(xiàn)5個同源基因的表達量受高鋁濃度的誘導(dǎo)，表明基因可能通過調(diào)節(jié)檸檬酸的分泌來提高茶樹耐鋁能力。

Li等[7]還發(fā)現(xiàn)了大量與硫酸鹽外排、鉀轉(zhuǎn)運、硝酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白相關(guān)的轉(zhuǎn)運蛋白基因，這表明鋁離子的轉(zhuǎn)運可能與以上這些化合物一并轉(zhuǎn)運。除此之外，Li等[7]鑒定了，和共3個水通道蛋白的同源基因，其中受高鋁濃度誘導(dǎo)，其他2個被高鋁抑制。在鋁富集植物繡球花（）中也鑒定了兩個水通道蛋白家族成員，分別定位于液泡膜Al3+轉(zhuǎn)運體（）和質(zhì)膜Al3+轉(zhuǎn)運蛋白1（）[48]，可能通過轉(zhuǎn)運非離子底物如NH3、尿素和水調(diào)節(jié)細胞滲透壓來緩解鋁毒脅迫[49-50]，也有可能是鋁以Al(OH)3分子形態(tài)跨越茶樹液泡膜或細胞膜轉(zhuǎn)運，其機制還需進一步研究闡明。

因此，研究表明茶樹耐鋁聚鋁機理復(fù)雜，為多基因共同調(diào)控的結(jié)果：包括內(nèi)部耐受和外部排斥機制。水稻和擬南芥等模式植物抗鋁毒的機理包括鋁的外部排斥、減少對鋁的吸收及體內(nèi)對鋁的區(qū)隔化。茶樹作為鋁的富集植物，鋁在茶樹體內(nèi)的螯合及區(qū)隔無害化可能起著更為關(guān)鍵的作用，前者與有機酸代謝密切相關(guān)，胞質(zhì)內(nèi)維持著較低活性鋁的水平，從而減少鋁對茶樹細胞器的毒害，而后者則是細胞壁修飾相關(guān)基因及跨膜轉(zhuǎn)運蛋白扮演著重要角色。

3.6 鋁脅迫相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的表達

在苔蘚植物和高等植物中被鑒定為響應(yīng)鋁脅迫的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，并且可能在陸生植物體內(nèi)廣泛存在[44, 51-53]。Li等[7]研究結(jié)果表明，茶樹基因也受鋁誘導(dǎo)，調(diào)控的下游基因的部分同源基因在茶樹中也被鑒定，這些基因功能涉及茶樹根部有機酸的分泌（）、鋁離子跨細胞膜吸收（）、離子的液泡區(qū)隔化（）、細胞壁組分修飾（）、鎂轉(zhuǎn)運蛋白（），這些基因都和茶樹耐鋁或富鋁相關(guān)，表明茶樹可能與擬南芥、水稻具有相似的耐鋁機制。蛋白是一類植物特異的轉(zhuǎn)錄因子家族，在植物響應(yīng)病害及非生物脅迫中起重要作用[54]。研究表明，在擬南芥中與啟動子區(qū)域結(jié)合阻止其轉(zhuǎn)錄表達，是的轉(zhuǎn)錄阻遏因子，而在鋁誘導(dǎo)條件下可以調(diào)節(jié)蘋果酸分泌，蘋果酸能和鋁離子螯合從而緩解鋁毒害[55]。Li等[7]發(fā)現(xiàn)6個家族基因響應(yīng)鋁誘導(dǎo)表達，可能通過使表達量下調(diào)減少其對的負向調(diào)控，進而調(diào)節(jié)蘋果酸的分泌。除此之外，Li等[7]還發(fā)現(xiàn)了、等轉(zhuǎn)錄因子，其調(diào)控的下游基因中，許多基因功能和植物響應(yīng)生物和非生物脅迫相關(guān)。推測這些轉(zhuǎn)錄因子在茶樹耐鋁聚鋁生物學(xué)過程中發(fā)揮了非常重要的作用，其調(diào)控機理將是今后研究的重點。

3.7 茶樹其他耐鋁候選基因

蛋白質(zhì)泛素化已被證明在對外界環(huán)境信號的感知和轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮重要作用，Li等[7]在茶樹根部發(fā)現(xiàn)了13個與泛素化相關(guān)基因，表明蛋白質(zhì)泛素化和茶樹響應(yīng)外界鋁的誘導(dǎo)存在密切關(guān)聯(lián)。研究表明調(diào)控增加甾醇生物合成量，在谷類作物中具有耐鋁作用[56]，是家族成員之一Li等[7]在茶樹中也檢測發(fā)現(xiàn)了多個基因。Oh等[57]通過蛋白組發(fā)現(xiàn)，熱激蛋白在緩解小麥耐鋁毒害方面發(fā)揮了重要作用。Li等[7]檢測發(fā)現(xiàn)了5個熱激蛋白基因，推測其可能在轉(zhuǎn)錄水平上參與了茶樹耐鋁與富鋁調(diào)控。值得關(guān)注的是，還發(fā)現(xiàn)許多未知生物學(xué)功能的基因在茶樹根部大量表達。基于轉(zhuǎn)錄組或蛋白組鑒定的受鋁水平調(diào)控的關(guān)鍵基因，是解析茶樹鋁富集的分子機理的候選基因，為后續(xù)研究提供了重要依據(jù)。

4 展望

茶樹因具有較高的經(jīng)濟與品飲價值，最近幾年有關(guān)茶樹分子生物學(xué)的研究發(fā)展迅速。近期茶樹基因組測序的完成[58]，將會促進對茶葉代謝物質(zhì)生物合成、品質(zhì)形成及養(yǎng)分高效機理等相關(guān)科學(xué)問題的研究。有關(guān)茶樹耐鋁聚鋁的分子機理鮮有報道，耐鋁相關(guān)基因的克隆解析研究更是一片空白，尤其是與抗鋁密切相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子、轉(zhuǎn)運蛋白等基因值得進一步探索。模式植物水稻和擬南芥僅可以作為茶樹耐鋁候選基因功能研究的遺傳轉(zhuǎn)化受體，目前，茶樹遺傳轉(zhuǎn)化體系不成熟將成為茶樹聚鋁基因功能研究的技術(shù)瓶頸。已有的研究表明植物耐鋁是一個復(fù)雜的機制，是多基因共同作用的結(jié)果，借助于當(dāng)前公布的茶樹基因組數(shù)據(jù)，進一步挖掘與耐鋁密切相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子、轉(zhuǎn)運蛋白等基因，不斷明確茶樹耐鋁機制，對于培育具有耐酸耐鋁的農(nóng)作物、提高農(nóng)作物產(chǎn)量及促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有非常重要意義。

[1] Haug A, Foy C E. Molecular aspects of aluminum toxicity [J]. Critical Reviews in Plant Sciences, 1983, 1(4): 345-373.

[2] Ma J F. Syndrome of aluminum toxicity and diversity of aluminum resistance in higher plants [J]. International Review of Cytology-A Survey of Cell Biology, 2007, 264: 225-253.

[3] Ma JF, Shen R, Zhao Z, et al. Response of rice to Al stress and identification of quantitative trait loci for Al tolerance [J]. Plant & Cell Physiology, 2002, 43: 652-659.

[4] Matsumoto H, Hirasawa E, Morimura S, et al. Localization of aluminium in tea leaves [J]. Plant & Cell Physiology, 1976, 17(3): 627-631.

[5] Ghanati F, Morita A, Yokota H. Effects of aluminum on the growth of tea plant and activation of antioxidant system [J]. Plant and Soil, 2005, 276(1): 133-141.

[6] Hajiboland R, Rad S B, Barcelo J, et al. Mechanisms of aluminum-induced growth stimulation in tea () [J]. Journal Plant Nutrition and Soil Science, 2013, 176: 616-625.

[7] Li Y, Huang J, Song X W, et al. An RNA-Seq transcriptome analysis revealing novel insights into aluminum tolerance and accumulation in tea plant [J]. Planta, 2017, 246: 91-103.

[8] Xu Q S, Wang Y, Ding Z T, et al. Aluminum induced physiological and proteomic responses in tea () roots and leaves [J]. Plant Physiology and Biochemistry, 2017, 115: 141-151.

[9] 梁月榮. 茶樹鋁代謝研究及其對作物抗鋁育種的意義[J]. 福建茶葉, 1993(3): 20-24．

[10] Carr H P, Lombi E, Kupper H, et al. Accumulation and distribution of aluminium and other elements in tea () leaves [J]. Agronomie, 2004, 23(8): 705-710.

[11] Gao H J, Zhao Q, Zhang X C. Localization of fluoride and aluminum in subcellular fractions of tea leaves and roots [J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2014, 62: 2313-2319.

[12] Fung K F, Carr H P, Poon B H, et al. A comparison of aluminum levels in tea products from Hong Kong markets and in varieties of tea plants from Hong Kong and India [J]. Chemosphere, 2009, 75(7): 955-962.

[13] 于翠平. 茶樹耐鋁的基因型差異及機理研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2014: 34.

[14] 王瓊瓊, 薛志慧, 陳志丹, 等. 不同茶樹種質(zhì)間氟鋁元素積累特性的研究[J]. 熱帶作物學(xué)報, 2016, 37(5): 862-869.

[15] Nagata T, Hayatsu M, Kosuge N. Identification of aluminium forms in tea leaves by27Al NMR [J]. Phytochemistry, 1992, 31: 1215-1218.

[16] Morita A, Horie H, Fujii Y, et al. Chemical forms of aluminum in xylem sap of tea plants (L.) [J]. Phytochemistry, 2004, 65: 2775-2780.

[17] Morita A, Yanagisawa O, Takatsu S, et al. Mechanism for the detoxification of aluminum in roots of tea plant ((L.) Kuntze) [J]. Phytochemistry2008, 69(1): 147-153.

[18] 孫婷, 劉鵬, 鄭人衛(wèi), 等. 茶樹體內(nèi)鋁形態(tài)及鋁累積特性[J]. 作物學(xué)報, 2009, 35(10): 1909-1915.

[19] 潘根生, Masaki T, 小西茂毅. 茶根尖細胞各胞器分部的分離及其紹的分布[J]. 浙江農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 1991, 17(3): 255-258.

[20] Tolrà R, Vogel-Miku? K, Hajiboland R, et al. Localization of aluminium in tea () leaves using low energy X-ray fluorescence spectro-microscopy [J]. Journal of Plant Research, 2011, 124(1): 165-172.

[21] 馬士成. 鋁對茶樹氟吸收、累積、分布特性的影響及其機理研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2012: 80.

[22] Chenery E M. A preliminary study of aluminium and the tea bush [J]. Plant and Soil, 1955, 6(2): 174-200.

[23] 方興漢, 吳彩. 鋁對茶樹無機營養(yǎng)吸收和分布的影響[J]. 中國茶葉, 1989, 11(4): 34-35.

[24] 潘根生, 小西茂毅. 供鋁條件下氮對茶苗生長發(fā)育的影響[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報（農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版）, 1995(5): 461-464.

[25] Xu Q S, Wang Y, Ding Z T, et al. Aluminum induced metabolic responses in two tea cultivars [J]. Plant Physiology and Biochemistry, 2016, 101: 162-172.

[26] Ruan J, Ma L, Shi Y, et al. Effects of litter incorporation and nitrogen fertilization on the contents of extractable aluminium in the rhizosphere soil of tea plant ((L.) O. Kuntze) [J]. Plant and Soil, 2004, 263(1): 283-296.

[27] Chen Y M, Tsao T M, Liu C C, et al. Aluminium and nutrients induce changes in the profiles of phenolic substances in tea plants (CV TTES, No. 12 (TTE)) [J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2011, 91(6): 1111-1117.

[28] Yang Y, Yu Liu Y, Huang C F, et al. Aluminium alleviates fluoride toxicity in tea () [J]. Plant and Soil, 2016, 402: 179-190.

[29] 李春雷, 倪德江. 鋁對茶樹光合特性和葉片超微結(jié)構(gòu)的影響[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, 53(3): 604-606.

[30] Brunner I, Sperisen C. Aluminium exclusion and aluminium tolerance in woody plants [J]. Frontier of Plant Science, 2013, 4(1): 172. doi:10.3389/pis.2013.0072.

[31] Morita A, Yanagisawa O, Maeda S, et al. Tea plant (L.) roots secrete oxalic acid and caffeine into medium containing aluminum [J]. Soil Science and Plant Nutrition, 2011, 57: 796-802.

[32] Yancey P H. Organic osmolytes as compatible, metabolic and counteracting cytoprotectants in high osmolarity and other stresses [J]. Journal of Experimental and Biology, 2005, 208(15): 2819-2830.

[33] Hamilton C A, Good A G, Taylor G J. Induction of vacuolar ATPase and mitochondrial ATP synthase by aluminum in an aluminum-resistant cultivar of wheat [J]. Plant Physiology, 2001, 125(4): 2068-2077.

[34] Wang ZQ, Xu XY, Gong QQ, et al. Root proteome of rice studied by iTRAQ provides integrated insight into aluminum stress tolerance mechanisms in plants [J]. Journal of Proteomics, 2014, 98: 189-205.

[35] Cramer W A, Zhang H, Yan J, et al. Transmembrane traffic in the cytochrome b6f complex [J]. Annual Review of Biochemistry, 2006, 75(1): 769-790.

[36] Rowland J G, Simon W J, Nishiyama Y, et al. Differential proteomic analysis using iTRAQ reveals changes in thylakoids associated with Photosystem II-acquired thermotolerance in Synechocystis sp. PCC 6803 [J]. Proteomics, 2010, 10(10): 1917-1929.

[37] Dai H, Cao F, Chen X, et al. Comparative proteomic analysis of aluminum tolerance in tibetan wild and cultivated barleys [J]. PLoS One, 2013, 8(5): e63428.

[38] Kumari M, Taylor G J, Deyholos M K. Transcriptomic responses to aluminum stress in roots of[J]. Moleular Genetics and Genomics, 2008, 279: 339-357.

[39] 羅亮, 謝忠雷, 劉鵬, 等. 茶樹對鋁毒生理響應(yīng)的研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2006, 25(2): 305-308.

[40] 于翠平, 潘志強, 陳杰, 等. 鋁對茶樹生長與生理特性影響的研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2012, 18(1): 182-187.

[41] Huang C F, Yamaji N, Chen Z C, et al. A tonoplast-localized half-size ABC transporter is required for internal detoxification of aluminum in rice [J]. Plant Journal, 2012, 69: 857-867.

[42] Liu J, Magalhaes J V, Shaff J, et al. Aluminum-activated citrate and malate transporters from theandfamilies function independently to conferaluminum tolerance [J]. Plant Journal, 2009, 57(3): 389-399.

[43] Larsen P B, Geisler M J, Jones C A, et al.encodes a phloemlocalized ABC transporter-like protein that is required for aluminum tolerance in[J]Plant Journal, 2005, 41: 353-363.

[44] Yokosho K, Yamaji N, Ma J F. Global transcriptome analysis of Al-induced genes in an Alaccumulating species, common buckwheat (Moench) [J]. Plant Cell and Physiology, 2014, 55(12): 2077-2091.

[45] Dean M, Rzhetsky A, Allikmets R. The human ATPbinding cassette (ABC) transporter superfamily [J]. Genome Research, 2001, 11: 1156-1166.

[46] Bose J, Babourina O, Rengel Z. Role of magnesium in alleviation of aluminium toxicity in plants [J]. Journal Experimental and Botany, 2011, 62(7): 2251-2264.

[47] Yokosho K, Yamaji N, Ma J F. An Al-induciblegene is involved in external detoxification of Al in rice [J]. Plant Journal, 2011, 68(6): 1061-1069.

[48] Negishi T, Oshima K, Hattori M, et al. Tonoplast- and plasma membrane-localized aquaporin-family transporters in blue Hydrangea Sepals of aluminum hyperaccumulating plant [J]. PLoS One, 2012, 7: e43189. doi:10.3171/journal.pone.0043189.

[49] Loqué D, Ludewig U, Yuan L, et al. Tonoplast intrinsic proteinsandfacilitate NH3transport into the vacuole [J]. Plant Physiology, 2005, 137: 671-680.

[50] Liu L H, Wirén N V. Urea transport by nitrogen-regulated tonoplast intrinsic proteins in Arabidopsis [J]. Plant Physiology, 2003, 133: 1220-1228.

[51] Sawaki Y, Iuchi S, Kobayashi Y, et al.regulates multiple genes that protect Arabidopsis from proton and aluminum toxicities [J]. Plant Physiology, 2009, 150: 281-294.

[52] Yamaji N, Huang C, Nagao S, et al. A zinc finger transcription factorregulates multiple genes implicated in aluminum tolerance in rice [J]. The Plant Cell, 2009, 21: 3339-3349.

[53] Ohyama Y, Ito H, Kobayashi Y, et al. Characterization oforthologous genes in tobacco and other plant species [J]. Plant Physiology, 2013, 162: 1937-1946.

[54] Rushton P J, Somssich I E, Ringler P, et al. WRKY transcription factors [J]. Trends in Plant Science, 2010, 15(5): 247-258.

[55] Ding Z J, Yan J Y, Xu X Y, et al.functions as a transcriptional repressor of, regulating aluminum-induced malate secretion in Arabidopsis [J]. Plant Journal, 2013, 76: 825-835.

[56] Wagatsuma T, Khan M S H, Watanabe T, et al. Higher sterol content regulated bywith concomitant lower phospholipid content in membranes is a common strategy for aluminium tolerance in several plant species [J].Journal of Experimental Botany, 2015, 66: 907-918.

[57] Oh M W, Roy S K, Kamal A H M, et al. Proteome analysis of roots of wheat seedlings under aluminum stress [J]. Molecular Biology Reports, 2014, 41: 671-681.

[58] Xia E H, Zhang H B, Sheng J，et al. The tea tree genome provides insights into tea flavor and independent evolution of caffeine biosynthesis [J]. Molecular Plant, 2017, 10(6): 866-877.

Advances of Aluminum Tolerance and Accumulation in Tea Plant

LI Yong1, TANG Che2, ZHAO Hua1*, NI Dejiang1

1. Key Laboratory of Horticultural Plant Biology, Ministry of Education; College of Horticulture and Forestry Sciences, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China; 2. Hubei Province Agricultural Products Quality Safety Testing Center, Wuhan 430070, China

Acidification is identified in 30%-40% arable land worldwide. Furthermore, the soil acidity is gradually serious. Aluminum (Al) toxicity is a major limiting factor for plant growth and crop production in acid soils. The tea plant ((L.) O. Kuntze) exhibits good performance when exposed to a proper Al level, and accumulates high Al in the leaves without representative toxicity symptoms, such as growth inhibition of root tip, falling of the epidermis of root cap. Thus, tea plant is considered as an Al hyper accumulator. This review summarized the progress of Al accumulation, forms, subcellular location or distribution and its physiological responses of tea plant to Al. Additionally, the potential mechanisms and future researches related to Al tolerance or accumulation in tea plant were also discussed.

tea plant, aluminum, organic acid, transporter, transcription factor

S571.1

A

1000-369X（2018）01-001-08

2017-06-29

2017-10-24

國家自然科學(xué)基金（31470406）、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目（2662015BQ011）

李勇，男，碩士研究生，主要從事茶樹鋁富集機理的研究。*通訊作者：zhaohua@mail.hzau.edu.cn