茶樹幼苗對不同濃度鋁的生理響應差異研究

王敏，寧秋燕，石元值

1. 中國農業科學院茶葉研究所，農業部茶樹生物學與資源利用重點實驗室，浙江 杭州 310008；2. 中國農業科學院研究生院，北京100081

茶樹幼苗對不同濃度鋁的生理響應差異研究

王敏1,2，寧秋燕1,2，石元值1*

1. 中國農業科學院茶葉研究所，農業部茶樹生物學與資源利用重點實驗室，浙江 杭州 310008；2. 中國農業科學院研究生院，北京100081

本實驗選取龍井43幼苗作為研究材料，采用溶液培養的方法，探究不同濃度鋁條件下茶樹生理變化。結果表明，當鋁濃度低于 0.4 mmol·L-1時，隨鋁濃度升高，茶樹生長迅速，生物量明顯增加，大量新根發生，茶樹生長速率與生長量明顯高于對照組，且電子傳遞效率（ETR）隨鋁濃度升高而增加，根系丙二醛（MDA）含量降低。當鋁濃度繼續增加時，ETR增長開始下降，生長速率趨于平緩，但仍有大量新根發生，當濃度高于1 mmol·L-1后，Fv/Fm、ETR明顯下降，茶樹生長速率降低，生長受到抑制。同時，對不同組織進行鋁含量測定發現，茶樹中鋁的分布為側根、成葉＞莖＞主根＞幼葉，且濃度越高，鋁更多的固定在側根中。研究發現鋁濃度低于1.0 mmol·L-1促進了茶樹生長，無鋁條件與鋁濃度高于1 mmol·L-1則不利于茶樹幼苗的生長，這些結果為進一步研究鋁促進茶樹生長的生理機制提供了參考依據。

鋁；茶樹；生理響應；促進生長

鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素，約占地殼的 7.8%[1]。鋁也是植物礦質元素組成之一，被認為是構成生物體的非必需元素[2]，對于許多生長在酸性介質中的植物來說，土壤或培養液中過量的鋁是有害的，即所謂植物的“鋁毒”現象。酸性土壤是指 pH值低于 6.5的土壤，全球約有30%的土壤為酸性土壤；在我國酸性土壤的分布遍及15個省區，總面積達204 108 hm2，約占全國耕地面積的 21%，是我國熱帶、亞熱帶經濟林果、經濟作物及糧食生產的重要基地。而鋁毒害是酸性土壤中作物生長的主要限制因子之一，近年來，由于酸性土壤不斷被利用和開發，人們對植物的“鋁毒”和植物的鋁營養逐步重視起來，并已有許多的研究。

茶樹是一種典型的“喜酸耐鋁”植物，其老葉中鋁含量可達 1%～2%，與擬南芥等植物相比，對鋁的耐受差異十分明顯，因此常被作為重要的植物鋁營養及鋁毒害研究對象。已有的研究結果表明，植物對鋁的耐受主要有外部排斥與內部耐受兩種機制，外部排斥主要是（1）有機酸的分泌。研究表明，不同鋁濃度處理下，茶樹根系主要分泌草酸、檸檬酸與蘋果酸，有機酸可與鋁螯合降低對植物的毒害[3]。（2）細胞壁固定。在鋁脅迫下，擬南芥細胞壁中的果膠、半纖維素等有不同程度的增加[4]，在輪藻的細胞中，99.99%的鋁積累于細胞壁中。在黃秋葵的細胞中，95%的鋁聚集于胚軸細胞壁中[5]。（3）酚類物質分泌。植物根系產生邊緣或粘膠層阻止鋁進入細胞或者有些植物可以通過提高根際pH值排斥外部鋁。內部的耐受機制主要包括液泡的區室化與有機酸與酚類化合物的螯合[6]。茶樹對鋁不僅具有較高的耐受性，而且已有研究結果表明，較低濃度鋁對茶樹生長具有明顯的促進作用，促進P、K的利用，抑制Mg的吸收，替代部分B的作用，進而促進茶樹根系與新梢的生長[7]。同時，鋁濃度為0.3 mmol·L-1可以提高葉綠素含量，增強葉片光合能力，鋁濃度為0.05 mmol·L-1就可提高茶樹葉片中的保護酶活性或者降低膜脂過氧化程度使茶樹新陳代謝處于旺盛階段[8]。鋁誘導蛋白質的降解，同時使 CO2同化率升高和碳水化合物增加，調節植物碳氮轉化的相互作用機制[9]。但是當前對于茶樹對鋁的生理響應閾值并不清楚，本研究擬通過探究茶樹對不同濃度鋁的生理響應，來明確茶樹對鋁的生理響應閾值，尤其是對根系生長的影響，為進一步研究鋁對茶樹生長的影響機制提供實驗依據。

1 材料與方法

1.1 材料培養

本實驗以1年生龍井43茶籽苗為材料，播種前用蒸餾水清洗浸泡，播于珍珠巖中，60天后移至水培盆中，蒸餾水中通氣培養7 d后，換至1/2完全營養液。營養液配方：大量元素：銨態氮 1 mmol·L-1（以 N 計）、硝態氮 0.5 mmol·L-1（以 N 計）、P 0.05 mmol·L-1、K 0.5 mmol·L-1、Mg 0.2 mmol·L-1、Ca 0.4mmol·L-1，微量元素：EDTA-Fe 3.15 μmol·L-1，B 5 μmol·L-1，Mn 0.75 μmol·L-1，Zn 0.5 μmol·L-1，Cu 0.1 μmol·L-1，Mo 0.25 μmol·L-1。營養液 pH 為 4.5，鋁處理采用 AlCl3，設置 0（CK）、0.2、0.4、0.6、1.0、2.0、4.0、10.0 mmol·L-1不同的鋁濃度處理，4組重復，隔兩天換水，25℃通氣培養，相對濕度為 70%～80%，晝夜 16 h/8 h，光照強度為200 μmol·m-2·s-1，茶苗培養 42 d 后取樣。

1.2 茶樹幼苗側根中SOD活性與MDA含量的測定

稱取冷凍研磨后的根鮮樣0.3 g左右，加3 mL 預冷磷酸緩沖液（50 mmol·L-1，pH 7.8）、0.6 g PVP和少量石英砂，12 000 g離心 15 min，取上清液保存于 4℃備用。超氧化物歧化酶（SOD）活性的測定采用氮藍四唑（NBT）光還原法[10]。丙二醛（MDA）含量的測定采用雙組分光光度法[10]。

1.3 茶樹幼苗葉片葉綠素熒光測定

取樣前使用LI-6400便攜式光合儀測定葉片的葉綠素熒光數值。20 min葉片遮光處理（暗適應）后，測定其光化學效率（Fv/Fm），進行光照活化后，測定電子傳遞效率（ETR）。

1.4 茶樹幼苗根系掃描與生物量變化測定

培養前后，洗凈，吸干表面水分，稱取不同處理茶樹幼苗的總生物量及處理后茶樹主根、側根、莖、幼葉、成葉的生物量，記錄并進行統計分析。使用EPSON SCAN根系掃描儀，對鋁處理后的茶苗根系一級側根進行掃描。

1.5 茶樹幼苗各器官鋁含量測定

洗凈茶苗不同部位，60℃烘干后磨碎用于鋁含量的測定。稱取干樣0.2 g左右，置于消化管中加入5 mL硝酸與2 mL高氯酸，高溫消解，冷卻后定容至50 mL。使用ICP測定。

1.6 數據處理

文中所有數據采用Excel 2010、SPSS 20以及Sigma Plot12.5進行處理，不同處理之間的差異采用方差分析，顯著性采用Duncan多重比較。

2 結果與分析

2.1 鋁對茶樹幼苗根系生長的影響

經培養6周后，不同鋁濃度對茶樹幼苗根系生長的影響差異明顯（圖1）。4.0 mmol·L-1鋁處理下側根發生量變少，根系黃褐，0.4、0.6、1.0、2.0 mmol·L-1鋁處理下側根大量發生，新根較多，伸長量大。對照組根系生長狀況明顯差于實驗組。掃描茶苗一級側根，結果見圖2。不同處理下，側根表觀形態有明顯差異，對照組側根長度較短，發生量少，鋁濃度低于10.0 mmol·L-1時，根毛數多，長度較對照組更長，但當鋁濃度為4.0 mmol·L-1時，根毛比對照組的長，卻比低濃度鋁濃度處理組的短。與其他所有處理相比，在 10.0 mmol·L-1鋁濃度處理下，著生在茶苗一級側根上的根毛的長度明顯段，數量明顯少。

圖1 鋁處理42 d后茶苗根系生長狀況Fig. 1 The roots of tea plants under Al treatments in nutrient solution after 42 d

圖2 鋁處理42 d后茶苗一級側根生長狀況Fig. 2 The primary lateral roots of tea plants under Al treatments in nutrient solution after 42 d

2.2 鋁對茶樹幼苗生物量變化的影響

鋁處理 6周后，茶樹幼苗生長具較大差異，如圖 3所示，0.2、1.0 mmol·L-1鋁處理下生長量顯著高于對照，當鋁濃度高于 4.0 mmol·L-1后，生長量低于對照組。0.2～1.0 mmol·L-1鋁處理下相對生長速率均顯著高于對照。

2.3 鋁對茶樹幼苗葉綠素熒光的影響

處理42 d后測定其葉綠素熒光數值，茶苗葉片光化學效率（Fv/Fm）與電子傳遞效率（ETR），結果如圖 4。當鋁濃度低于 0.4 mmol·L-1時，葉片光合電子傳遞效率隨濃度增加呈上升趨勢，鋁濃度為0.4 mmol·L-1時達到最高，之后隨濃度增加，ETR呈下降趨勢。Fv/Fm在0～2.0 mmol·L-1時無明顯差異，且顯著高于 4.0 mmol·L-1與 10.0 mmol·L-1處理。PSII在 0～0.4 mmol·L-1鋁濃度范圍內，無明顯變化；在鋁濃度 為 0.6～10.0 mmol·L-1時 顯著 低 于 0～0.4 mmol·L-1處理組；高于 1.0 mmol·L-1后，呈顯著下降趨勢。較低濃度鋁促進茶樹光合作用，促進電子傳遞與碳水化合物積累，促進茶樹生長，而當鋁濃度高于2.0 mmol·L-1時，鋁對茶樹葉片光合作用有明顯的抑制作用。

圖3 鋁處理下茶苗生長量和相對生長速率Fig. 3 The tea growth and the relative growth rate of tea plants under Al treatment

圖4 鋁對茶樹葉綠素熒光的影響Fig. 4 Effects of Aluminum on ETR,PSII and Fv/Fm in tea leaves

2.4 鋁對茶樹幼苗側根SOD、MDA含量的影響

MDA含量高低可以反映脅迫條件下細胞受損的程度。從圖5可知，加鋁條件下，MDA含量明顯低于不加鋁對照組，加鋁的各處理中，0.2、0.6 mmol·L-1鋁處理的 MDA含量顯著高于除對照外的其他幾個鋁濃度處理。

加鋁后側根中超氧化物歧化酶（SOD）活性高于不加鋁對照組，如圖5所示，不加鋁對照組與 0.2 mmol·L-1鋁處理的 SOD活性顯著低于其他鋁濃度處理，0.4、0.6、2、4 mmol·L-1鋁處理間SOD活性無顯著差異，但均高于其他處理。

2.5 茶樹不同組織中鋁含量的差異

由表1可以看出，與不加鋁處理相比較，加鋁處理后，茶樹各器官中鋁含量均顯著增加，但當外源 Al3+在 0.2～1.0 mmol·L-1范圍內時，不同鋁處理茶樹各器官中鋁含量保持相對穩定，差異變幅相對較小，側根之間（0.2 mmol·L-1除外）、成葉間鋁含量間（0.4 mmol·L-1除外）無顯著差異，并不與外源鋁濃度增加量呈正比；當鋁濃度大于1.0 mmol·L-1時，其茶樹各器官中鋁含量均表現出了顯著增加趨勢，鋁在茶樹不同組織中的含量由高到低大致依次為側根＞成葉＞莖＞主根＞幼葉，且新梢的生長受到顯著影響，說明側根與成葉是茶樹鋁積累的主要部位。

3 討論

研究表明，不同鋁處理對茶樹生長影響不同，低濃度下鋁促進茶樹生長，高濃度對茶樹生長產生脅迫。當鋁濃度高于1 mmol·L-1后，茶樹生長量低于對照，且其生長速率呈下降趨勢。4 mmol·L-1鋁處理下茶樹生物量積累已低于對照，且側根發生有明顯的減少，鋁對茶樹生長脅迫嚴重。

圖5 不同鋁濃度處理對茶樹根系SOD活性與MDA含量的影響Fig. 5 Effects of different Al concentrations on malondialdehyde contents and SOD enzyme activities in tea

表1 不同鋁濃度處理下茶樹各器官鋁含量Table 1 Al distribution in different organs of tea plant under different treatments mg·kg-1

光合作用中，電子傳遞鏈將電子傳遞至反應中心，把NADP+還原為NADPH，并建立跨膜電化學梯度，驅動 ATP的合成，鋁可以促進該過程進行，促進 ATP的合成，低濃度鋁對其電子傳遞效率的促進作用明顯，且在這一范圍鋁濃度與電子傳遞效率呈正相關，為碳的同化提供動力，使茶樹生物量的增加。這與Hajiboland等[9]的研究結果一致，鋁處理濃度高于 0.4 mmol·L-1且低于 1.0 mmol·L-1時，鋁對 ETR的影響隨濃度升高而降低，而當鋁濃度高于 2.0 mmol·L-1后，ETR低于對照組。且PSII與Fv/Fm呈下降趨勢，說明該條件下鋁抑制了茶樹的光合作用，對茶樹生長產生脅迫[11]。

已有的研究結果表明，鋁的促氧化性相對較低[12]，但鋁的加入會激發茶樹體內的抗氧化酶活性[9]。圖 6表明，茶樹根系中的 SOD活性以無鋁處理最小，并隨著鋁濃度的增加而增加，當鋁的濃度達到0.4 mmol·L-1時，SOD活性達到最大。同時，茶樹根系中MDA含量表現出了隨鋁含量的增加而降低的趨勢，無鋁處理的MDA含量顯著高于加鋁處理，在加鋁處理中，當鋁濃度達到1.0 mmol·L-1時茶樹根系中MDA含量基本趨于穩定；表明隨著抗氧化酶活性的增加，鋁對于茶樹根系的膜脂也產生了較好的保護作用，防止因過氧化反應而對細胞的膜脂產生破壞。但其中鋁濃度為 0.6 mmol·L-1處理的茶樹根系中 MDA含量與 0.4 mmol·L-1處理相比表現出了顯著的增加，其原因還有待進一步探究。

隨鋁濃度的增加，鋁在茶樹體內的積累也相應增加，各處理組鋁含量顯著高于對照組，但是當鋁濃度高于一定值時，茶樹對鋁的吸收趨于平緩，表明茶樹對鋁的吸收存在閾值，在不同組織器官中，側根含鋁量相對較高。研究表明，茶樹根部的鋁主要集中于細胞壁。潘根生等[13]于1991年發現細胞壁含鋁高于其他細胞器，于翠平[14]發現在茶樹根尖細胞中，細胞壁的鋁含量占根尖鋁的59.64%～67.85%，這是茶樹耐鋁的重要機制，已有人證實將金屬元素積累于根系細胞壁阻止其進入原生質體是很多植物提高其耐性的重要方法[15]。當然不同濃度鋁處理下其細胞壁中鋁的含量仍會存在差異，在以后的研究中我們將會繼續探討。

茶樹作為一種鋁積累植物，低濃度鋁促進茶樹生長，且在低濃度鋁范圍內鋁濃度越高，促進作用越明顯。當鋁濃度在0.4～1.0 mmol·L-1時，促進茶樹生長，對生長量、光合作用等的促進明顯。高于2.0 mmol·L-1后，茶樹生長受到抑制，生長速率、光合速率等低于對照，且鋁大量集中于吸收根，使根部變褐，生長受阻。但是，鋁促進茶樹生長的分子機制尚不清楚，吸收根含大量的鋁，其細胞壁對鋁的固定以及作用機制可能是鋁影響茶樹生長的重要方面。

[1] 楊建立, 何云峰, 鄭紹建. 植物耐鋁機理研究進展[J]. 植物營養與肥料學報, 2005, 11(6): 836-845.

[2] Osawa H, Ikeda S, Tange T. The rapid accumulation of aluminum is ubiquitous in both the evergreen and deciduous leaves of theaceae and ternstroemiaceae plants over a wide pH range in acidic soils [J]. Plant and Soil, 2013, 363(1): 49-59.

[3] 劉騰騰, 郜紅建, 宛曉春, 等. 鋁對茶樹根細胞膜透性和根系分泌有機酸的影響[J]. 茶葉科學, 2011, 31(5):458-462.

[4] Yang J L, Zhu X F, Peng Y X, et al. Cell wall hemicellulose contributes significantly to aluminum adsorption and root growth in arabidopsis [J]. Plant Physiology, 2011, 155(4):1885-1892.

[5] Lin Y, Chen J. Aluminum resistance and cell-wall characteristics of pineapple root apices [J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2013, 176(5), 795-800.

[6] 朱曉芳. 擬南芥細胞壁半纖維素結合鋁的機制及其調控[D]. 杭州: 浙江大學, 2014.

[7] 小西茂毅. 鋁對茶樹生長的促進作用[J]. 茶葉, 1995,21(3): 18-22.

[8] 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(1/2): 133-141.

[9] Hajiboland R, Bahrami R S, Barceló J, et al. Mechanisms of aluminum-induced growth stimulation in tea (Camellia sinensis) [J]. Journal of Plant Nutrition & Soil Science, 2013,176(4):616-625.

[10] 高俊鳳. 植物生理學實驗技術[M]. 西安: 世界圖書出版公司, 2000.

[11] 曹林, 吳玉環, 章藝, 等. 外源水楊酸對鋁脅迫下菊芋光合特性及耐鋁性的影響[J]. 水土保持學報, 2015, 29(4):260-266.

[12] Kinraide T B, Poschenrieder C, Kopittke P M. The standard electrode potential (Eθ) predicts the prooxidant activity and the acute toxicity of metal ions [J]. Journal of Inorganic Biochemistry, 2011, 105(11): 1438-1445.

[13] 潘根生, Masaki Tsuji, 小西茂毅. 茶根尖細胞各胞器分部的分離及其鋁的分布[J]. 浙江農業大學學報, 1991, 21(3):33-36.

[14] 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, 2014.

[15] Morishita T, Yamaguchi A, Ohta Y. Sulphur accumulation by tomato and rice root in relation to transport of heavy metals [J]. Soil Science and Plant Nutrition, 1983, 29(2):219-225.

Study on Physiological Response of Tea Plant(Camellia sinensis) Seedlings to Different Aluminum Concentrations

WANG Min1,2, NING Qiuyan1,2, SHI Yuanzhi1*
1. Tea Research Institute, Chinese Academy of Agriculture Sciences, Key Laboratory for Tea Plant Biology and Resource Utilization,Ministry of Agriculture, Hangzhou 310008, China; 2. Graduate School of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China

This study was to investigate the physiological response of tea cultivar Longjing 43 seedlings to different aluminum (Al) concentrations by hydroponic culture. The results revealed the biomass increment, relative growth rate (RGR) and electron transfer efficiency (ETR) of the tea plants under low Al concentrations (0.2 and 0.4 mmol·L-1) were significantly higher than the control group. However, The MDA content in roots showed an opposite trend. As Al concentration continued to increase, the increase rate of ETR began to decline and the growth rate became flat but still a great number of fresh roots were coming up. When Al concentration was higher than 1 mmol·L-1, the efficiency of light energy conversion in PSⅡ(Fv/Fm) and ETR showed dramatic decline. Meanwhile,RGR decreased and the growth of tea plant was also inhibited. Simultaneously, the results of Al contents in the different tissues of tea plants followed lateral roots, mature leaves ＞ stems ＞ main roots ＞ young leaves. More Al was found in the lateral roots with Al concentration increasing. The study suggested that when Al concentration was lower than 1.0 mmol·L-1, it could promote the growth of tea plants, but the growth would be inhibited under an Al-freeenvironment or the Al concentration was higher than 1 mmol·L-1. These results laid a foundation for further study on the physiological mechanism of how Al would promote the growth of tea plants.

aluminum, tea plant, physiology response, promote growth

S571.1；S154

A

1000-369X(2017)04-356-07

2017-02-23

2017-03-24

國家自然科學基金（31572199）、中國農業科技創新工程項目（CAAS-ASTIP-2014-TRICAAS-03）

王敏，女，碩士研究生，主要從事茶樹生理與營養方面的研究。*通訊作者：shiyz@tricaas.com