茶樹磷生理與代謝效應及其獲取途徑研究進展

李安生，邱子豪，李蘇童，巫澤慧，劉少群，孫彬妹，鐘詩凌，鄭鵬*

1.華南農業大學園藝學院，廣東 廣州 510642；2.廣東鵝城巖茶業有限公司，廣東 惠東 516300

茶樹[Camelliasinensis(L.)O.Kuntze]原產于中國，是以幼嫩芽葉為采摘對象的多年生植物，作為一種常綠灌木，在世界熱帶、亞熱帶和溫帶的濕潤和半濕潤地區種植。茶樹生長發育及對茶樹幼嫩新梢的采收都要消耗大量養料，因此，必須適時地給予合理的補充，以滿足茶樹健壯生長的需求，使之優質、穩產、高產[1-2]。自20 世紀40年代以來，化肥廣泛地應用于茶園生產管理，施肥對茶葉的增產作用率高達41%。氮磷鉀養分在茶樹的生長發育中消耗最多，稱為肥料三要素，與茶葉產量和品質密切相關[3]。

磷是植物生長發育所必需的重要元素，充足的磷素供給是植物保持高產和品種優良性狀的關鍵。磷涉及茶樹許多生理生化過程，以多種形式參與茶樹樹體物質能量代謝，如細胞分裂、光合作用、糖酵解、能量轉移、營養物質轉運、遺傳物質表達和代謝途徑的調控。雖然許多土壤中全磷含量很高，但由于磷的有效性低，磷已成為陸地生態系統中最具限制性的營養物質之一[4]。研究表明，中國30%的茶園施肥過量，80%的茶園施肥不合理，土壤磷營養不足和過量在茶園管理中都是普遍存在的[5]。近年來，鑒于土壤中磷的不均勻分布以及部分地區因長期不合理施用化肥而導致的土壤中總磷含量失衡日益加劇，嚴重影響農作物的生長發育及其對生物和非生物逆境的響應。因此探討植物的磷吸收轉運、生理代謝等機制一直都是相關研究領域的熱點[6-10]，然而茶樹磷轉運利用相關的分子生物學調控機理領域還需進一步開拓。通過揭示磷對茶樹機體生理生化效應影響與參與茶氨酸、茶多酚、咖啡堿和花青素等茶葉重要風味物質的合成機制，以及研究茶樹根系和葉片對磷的吸收和內部響應磷吸收轉運的蛋白、基因和轉錄因子等生物分子轉運途徑，剖析磷在茶樹體內生理代謝與獲取等路徑，可為提高茶樹的磷利用效率、促進茶樹體內的磷循環、茶園科學施肥等研究提供參考價值。

1 茶樹磷含量與分布

磷素作為植物生長發育所需的三大元素之一，不同作物對磷營養需求具有差異性，因此不同作物體內磷的分布具有其獨特性。磷元素是茶樹生長發育過程中所必需的大量營養元素之一，在茶樹體內以有機化合物和無機磷酸鹽等形式存在，是腺苷三磷酸（ATP）、磷脂和核酸等許多大分子物質的重要組成成分[11-12]。

磷元素主要分布在茶樹的主根、側根、骨干枝、生產枝、成熟葉、新梢等器官，但在各器官中分布不均勻，由于一般根、葉旺盛的生長點較多，磷元素向其運輸趨勢較大。因此茶樹各器官磷含量由高到低依次為根＞新梢＞成葉＞枝干，新梢磷的含量為1.1%～1.7%，根系中磷的含量為1.8%～2.0%[13]，全株磷含量為0.3%～0.5%。茶樹新梢的磷含量還是影響茶葉產量、品質及其他生理功能的重要因素和衡量茶樹磷的重要指標。研究表明，當測定夏、秋茶的第三葉磷含量低于0.5%時或者春茶新梢第三葉磷含量低于0.9%時，則茶樹有可能處于缺磷狀態，需及時施磷肥[8]。茶樹各器官磷營養含量與分布受生長發育階段、季節變換、品種和生長環境等影響。從茶樹生長發育進程來看，幼齡期茶樹含磷量隨樹齡增大而增加，成齡期茶樹體內含磷量趨于穩定，老齡期茶樹隨組織老化而含磷量下降。從季節來看，春季茶樹新梢生長旺盛，新梢含磷量高于秋季新梢；秋季根部生長旺盛，含磷量顯著高于春季根部。不同品種茶樹含磷量差異主要是由品種對磷素養分吸收、同化速度，以及轉運、利用能力差異導致，一般不顯著[14-15]。

不同茶園，因環境條件差異，茶樹生長發育性能不同，對磷養分的吸收、同化及轉運能力也有一定差異。

2 磷對茶樹的生理生化效應

磷以無機磷酸鹽（鈣、鎂等離子的磷酸鹽）和有機磷化合物（含磷大分子）兩種形態、多種形式存在于茶樹各器官、組織和細胞之內，參與著茶樹機體的新陳代謝、細胞間的物質與能量交換、光合電子傳遞、酶活性、葉片碳水化合物形成與運輸、蛋白質代謝及脂肪代謝等生命活動，對茶樹的生理生化效應有著重要作用[15-16]。

2.1 生理作用

磷是茶樹體內核酸、核蛋白、磷脂、植素、高能磷酸化合物ATP、二磷酸腺苷（ADP）和遺傳物質（DNA）及各種酶的重要組分，因此磷充足與否，直接影響茶樹組織分裂速度。磷是脂肪合成與分解所必需的，如合成脂肪的原料磷酸甘油；細胞膜系統中的磷脂、糖磷脂對細胞透性及物質交換等起調控作用[6-7]。磷酸化是各種生物化學代謝過程的中間步驟，磷對磷酸化起決定性作用，如在糖酵解過程中就涉及到磷酸化反應，葡萄糖被磷酸化成葡萄糖-6-磷，消耗ATP，為機體提供能量。磷是作物體內各種磷酸腺苷的重要成分，其中ATP 在作物體內起著能量的“中轉站”作用。如光合作用中吸收的能量、呼吸作用釋放的能量、碳水化合物發酵過程產生的能量被貯存于ATP的高能鍵中；當它水解時，末端的磷酸根便很快脫出釋放能量[17]。茶樹吸收累積磷、同化利用磷，直接影響其碳代謝、氮代謝及糖代謝過程，隨供磷濃度增高，茶樹葉片的碳氮比加大，施磷濃度增加會促進茶樹體內糖類的轉化和運輸，缺磷會降低蔗糖、淀粉、葡萄糖等糖類的含量[18]。

2.2 光合效應

磷是植物所必需的第二大礦質營養元素，參與植物光合作用的各個環節[18]。磷參與構成細胞的核酸、磷脂高能分子及輔酶等，光合作用中的許多酶促反應和能量傳遞都與磷有關，有研究表明，磷為光系統II （PSII） 供體側和光系統I（PSI）末端受體的整個電子傳遞鏈提供光合電子傳遞能力，參與ATP的合成[19]，從而影響供給光合作用能量。磷作為植物光合作用的底物或調解物直接參與光合磷酸化和碳同化，在光合磷酸化作用中，磷參與將光能轉變為化學能的過程，磷把光能貯存在ATP 中，同時形成還原型輔酶II（NADPH）[13]；在碳同化中，磷參與CO2的固定和還原，葉片CO2的胞間濃度因此變化，從而影響植物光合作用的總碳固定量[20]。磷還是植物中構成葉綠體被膜和類囊體膜的基本成分，葉片中卡爾文循環限速酶（Rubisco）總活性和初始活性、葉綠素含量、總可溶蛋白質含量都受此調節，影響光合產物淀粉形成[21]。

2.3 酶學生理效應

磷是植物體內一些輔酶的組成元素或各種酶的活化劑，如脂肪轉化所必需的輔酶A，以及在呼吸氧化還原中起電子傳遞的重要作用的輔酶I、輔酶Ⅱ等參與許多酶促反應。磷是茶樹體內硝酸還原酶（黃素蛋白）和氨基轉移酶（磷酸吡哆醛）的組成成分，能促進茶樹機體中氨基化作用、脫氨基作用、氨基轉移作用和硝酸鹽的還原等氮代謝[22-24]，故而磷能促進茶樹體內銨態氮和硝態氮的同化，有利于氮的吸收和利用。

茶樹機體磷的含量變化還會影響葉片蘋果酸酶（NADP-ME）、籽粒莧蘋果酸酶（NAD-ME）和丙酮酸激酶（PK）活性，調節茶樹葉片蘋果酸和檸檬酸等有機酸分泌[25]。

3 磷對茶樹次生代謝的影響

磷酸化合物通過二級代謝參與多酚類、茶氨酸及香氣物質等的形成[17]。茶葉的品質主要取決于溶于茶湯中并且對人的感官產生刺激的眾多品質代謝物。磷作為茶樹生長不可或缺的營養元素，對茶樹生長發育和重要風味物質形成起著積極作用。磷營養與茶葉品質也息息相關，磷在進入茶樹體內后可以促進吸收養分和能量轉化等，由此影響茶葉中兒茶素、茶氨酸、咖啡堿、脂肪族、萜烯類及芳香族類等多種滋味和香氣物質的形成，改善茶葉內含物質的含量，特別是對紅茶和綠茶的香氣和滋味影響顯著[26-27]。不合理（過量或不足）施磷會降低茶葉的感官品質。

3.1 氨基酸

在茶樹氮代謝過程中，磷營養水平能加速植物體內硝態氮的轉化與利用，促進茶樹有氧呼吸作用中糖類的轉化，有利參與氮轉化的重要底物有機酸和能源ATP 的形成；同時磷作為參與碳氮代謝過程許多相關酶類的結構或功能因子成分，提高樹體磷累積量可以促進氨基化、脫氨基和氨基轉移作用進程，進而影響茶樹體內游離氨基酸的合成和代謝。茶樹體內氨基酸類物質的合成需要磷酸化合物的參與，如茶葉中特有的茶氨酸的形成就是L-谷氨酸、乙胺在由ATP 供能和Mg2+存在下，經茶氨酸合成酶催化而合成，該反應能互相轉化[27]。因此，茶樹磷營養可調節茶樹碳代謝強度與平衡。

3.2 茶多酚

茶葉多酚類物質包括黃烷醇類（兒茶素類）、黃酮醇類、花青素類和酚酸類等化合物，多呈苦澀味，是茶湯濃烈鮮爽滋味特點形成的主要因素。茶多酚由糖轉化而來，屬于茶樹碳代謝的次生產物，而磷能促進光合作用，提高糖的含量，故而磷有利于茶葉多酚類的形成。研究認為，茶樹體內多酚類合成主要為磷酸戊糖途徑、莽草酸途徑和類黃酮途徑等，這些途徑有赤蘚糖-4磷酸與磷酸烯醇式丙酮酸等含磷物質參加，需要氧化型輔酶II（NADP）、NADPH 等磷酸化合物提供能量；苯丙氨酸解氨酶（PAL）是多酚類物質合成的關鍵酶，磷營養可增加茶樹體內PAL 的活性[26-28]，與茶多酚類物質的形成密切相關。

3.3 其他品質成分

茶葉中咖啡堿合成需要輔酶I （NAD）、NADP、ATP等多種酶的作用。磷營養還可在氮營養的協同作用下增強核蛋白的代謝，促進嘌呤物質積累，為形成咖啡堿提供碳環構架、核糖-5-磷酸等前導物質，故而磷營養與茶葉咖啡堿含量之間關系密切。茶樹磷營養對茶葉可溶性糖的累積有消減作用，特別是茶樹以生殖生長或莖桿生長為主的秋季，磷能促進碳水化合物、蛋白質與核酸的合成與轉運，促進可溶性糖類向纖維素、果膠等物質轉化，以滿足秋季茶樹生長發育需求，故而阻滯了秋季茶樹可溶性糖類的累積。花青素作為類黃酮生物合成途徑的延伸，具有抗氧化、免疫刺激和抗癌特性，對茶湯滋味和色澤有重要影響[29]，最新研究表明，不合理的磷肥處理（過量或不足）會誘導某些花青素的積累[30]，從而降低茶葉產品的感官品質。

4 茶樹磷獲取路徑

4.1 茶樹根系磷獲取途徑

茶樹主要通過根系主動吸收生長環境的磷，經過莖轉運并累積至茶樹各器官，該過程需要多種代謝活動參與[31]。茶樹獲取磷的效率在很大程度上受根系的大小和分布[32]、根毛的形成[33]、根誘導的根際變化[34]、磷吸收參數動力學[35]、土壤濕度[36]、根部與菌根關聯能力[37]的影響。進一步研究顯示，土壤缺磷條件下，茶樹可能更依賴根毛吸收磷[38]。一定磷濃度范圍內，茶樹根尖表細胞以主動運輸方式最大效率吸收磷元素至體內轉運蛋白和ATP消耗飽和，磷酸氫根離子吸收達到最大值。

4.1.1 茶樹根系磷獲取形態

土壤全磷按化學結構可分為無機磷與有機磷兩大類，按其利用效率可分為活性磷（速效磷）與非活性磷。土壤溶液中的有效磷通常為1～2 μmol/L[24]，這是由于它與土壤礦物表面結合并固定為有機形式[39]，游離的鐵和鋁氧化物將原生磷和化肥磷結合成植物無法獲得的形式。據估計，土壤中20%～80%的磷以有機形式存在[24]。然而，有機磷很難被茶樹根系直接吸收，根吸收的磷主要以氧化狀態磷酸鹽（H2PO4-、HPO42-、PO43-）的形式向上運輸，其中以H2PO4-最容易吸收，少量被吸收的磷會在根部通過磷酸酶轉化為有機磷化物（磷酰膽堿、ATP、ADP、腺嘌呤核糖核苷酸AMP、6-磷酸果糖、6-磷酸葡萄糖）[40-43]。

4.1.2 磷脅迫下茶樹根系形態響應

根系作為茶樹從土壤中吸收磷素營養的關鍵部位，在茶樹受到磷脅迫時，也自然成為茶樹感知這一脅迫發生的關鍵部位，并通過改變自身結構或者調節其體內代謝速度來適應環境。研究表明，在磷脅迫環境下，茶樹體內分泌的植物激素如生長素、乙烯、細胞分裂素、獨腳金內酯、赤霉素和脫落酸等會參與根系形態調控[44]。植物生長素的合成、運輸以及信號傳導，都對其根系形態的改變發揮重要作用[37]。

茶樹在低磷脅迫下為提高磷利用效率，根系形態變化表現為總根表面積和根系的平均直徑等顯著降低，主根長度減小，而側根密度、數量和細根比例增加。在高磷脅迫下，茶樹對磷的吸收較強，初生根生長被抑制，促進側根發育，導致表型變鈍和衰老。在其他植物中一般認為磷可以減少根部對鋁的吸收，從而減輕鋁毒性，但茶樹根系中磷濃度提高會促進鋁的吸收，這與其他植物中的結論相反[45]。

4.2 茶樹葉片磷獲取途徑

茶樹除了可以從根部吸收養分之外，還能通過葉片吸收磷營養，稱為根外營養或葉片營養。茶樹根系吸收磷養分的利用率為葉面吸收的2～4倍。若在葉面噴施含磷肥料，茶樹會采用直接轉化代謝方式吸收，葉片通過氣孔和表皮細胞的滲透作用吸收溶解狀態的磷，主要累積在茶樹葉片、莖部位，極少累積到茶樹根部，利用效率較低。葉面噴施含磷肥料可促進茶樹新梢的生長，提高芽葉質量，還可影響茶樹體內碳水化合物的累積和物質代謝，增強光合作用，增加淀粉和糖類的累積[46]。

磷在植物中是一種相對流動的元素，可以很容易地在器官之間移動。磷經茶樹根系吸收、同化進入茶樹體內后，從地下部由木質部導管向地上部轉運。大部分磷由骨干枝和生產枝轉運至成熟葉暫時儲備，最終累積于生長旺盛的新梢。因此，新梢是茶樹樹體磷素轉運的中心，成熟葉是茶樹樹體磷素的儲備中心[47]。磷運往茶樹葉、根、莖等部位促進其生長，同時也作為高能磷酸化合物參與茶樹生理代謝[48]。這使得磷成為茶葉生產必不可少的限制性養分。

4.3 茶樹響應磷吸收、轉運的生物分子

茶樹對磷的利用能力取決于茶樹體內與磷營養吸收、轉運及生理利用等相關的基因和蛋白的協調表達調控，包括磷轉運蛋白、核糖核酸酶基因、磷酸烯醇式丙酮酸羥化酶基因等。

4.3.1 響應磷吸收、轉運的蛋白

茶樹對磷吸收、轉運這一過程主要依靠磷轉運蛋白來實現[49]，這是介導茶樹對磷吸收、轉運過程的主體。其中，植物液泡是細胞內貯存無機磷（Pi）的主要細胞器。在Pi 充足條件下，多余的Pi由位于液泡膜上的轉運蛋白轉運至液泡儲存起來；在低磷情況下，胞質中Pi 濃度下降時，液泡中Pi 被運輸到細胞質中，以維持胞內的磷穩態[50]。植物磷轉運蛋白根據其功能特征分為Pht1、Pht2、Pht3、Pho1 和Pho2 五大家族，其中Pht1 家族主要成員在植物根系細胞膜，主要負責吸收土壤中可溶性磷[51-52]；Pht2 家族位于質體內膜上，負責將細胞質中的Pi 轉入質體；Pht3 位于線粒體膜上，負責線粒體磷的交換；Pho1 負責將磷由根系薄壁細胞載入木質部維管束中運向地上部；Pho2主要負責磷進入韌皮部向根系運輸[53]。

4.3.2 響應磷吸收與轉運的基因、轉錄因子

目前關于茶樹磷吸收、轉運的研究仍處于起步階段，與磷轉運蛋白基因參與茶樹磷利用的分子響應機制有關的報道也較少。有學者首次從茶樹中克隆到磷轉運蛋白基因CsPT4，發現低磷和缺磷處理下，不管是茶樹根部還是葉部CsPT4都上調表達，說明CsPT4是受低磷脅迫響應的正調控誘導型基因，推測CsPT4為茶樹的Pht1 高親和磷轉運蛋白基因[54]。有研究發現，miR399a（基因表達中的一類負調控子）作為一類與植物耐低磷脅迫密切相關的小RNA 家族，在茶樹磷吸收中的功能與擬南芥、水稻等植物相似，在低磷脅迫下，能夠誘導茶樹體內miR399a表達量顯著上升，從而有助于茶樹對磷的吸收利用[55]。在水稻和擬南芥中，miR399 可通過與PHO2（一類非編碼RNA）的mRNA結合來介導其降解。PHO2的突變均會造成磷在體內的過度積累。在高磷情況下，PHO2突變體中多個磷轉運蛋白的表達量相較于野生型顯著上調，因此PHO2很可能參與到高磷情況下植物對磷轉運蛋白的調控[50]。

茶樹體內不同磷轉運蛋白的基因家族間存在功能分化，而同一家族中部分成員之間的生物學功能存在補償效應或疊加效應[56]，且各組磷轉運子基因表達大多受磷調控，協同控制茶樹對磷的吸收、轉運、分配及生理利用等。

5 展望

當前，全球正面臨前所未有的磷挑戰，農業生產中磷的不當使用會導致磷向水體的過量淋溶損失，造成營養污染，并威脅水生生物和人類的健康，同時還存在著不斷增長的食物需求與日漸消耗殆盡磷礦石資源間的矛盾[4]。

茶樹作為中國農業生產中重要的經濟作物之一，探索磷養分在其生長發育過程中的獲取路徑和營養生理方式是茶葉優質高產的核心與關鍵。然而，目前關于茶樹磷吸收利用機制，特別是高磷脅迫下植物維持體內磷穩態的研究相對滯后[57-58]，未來可以進一步探索茶樹磷吸收代謝的分子機制，特別是在響應磷吸收和轉運的關鍵蛋白和基因、轉錄因子方面的調控機制。此外，還可以通過整合不同層次的磷代謝信息，了解茶樹磷代謝調控網絡的整體模式。這將有助于促進茶樹磷營養管理的發展，并為提高茶葉品質和產量提供科學依據，為其他作物的磷營養管理提供借鑒和啟示，以最大限度地提高磷利用效率，減少磷肥投入和田間磷流失。