茶樹主要逆境脅迫反應及其適應逆境的生理機制

莫曉麗，黃亞輝

(華南農(nóng)業(yè)大學，廣東 廣州 510000)

茶樹[Camelliasinensis(L.)O. Kuntze]是我國南方地區(qū)的主要經(jīng)濟作物，是世界三大無酒精飲料之一，具有豐富的保健作用，經(jīng)濟價值高。我國是世界上最早發(fā)現(xiàn)、栽培茶樹和利用茶葉的國家。我國茶區(qū)分布遼闊，東至臺灣東岸，西至西藏米林，南至海南榆林，北至山東蓬萊。受地區(qū)氣候、環(huán)境影響，茶樹極易受到干旱、澇水、高溫、低溫、鹽等逆境脅迫的危害。在長期的進化中，茶樹形成了自身的防御機制如抗旱、抗寒、抗高溫、抗鹽堿來抵御和適應外界不良環(huán)境，以保證自身的生存。目前，茶樹的研究主要集中在栽培種植、植物學性狀分析、茶葉中有效成分或功能成分測定、抗逆境生理作用及基因克隆和表達分析等方面。本文就逆境脅迫對茶樹生理特性的影響以及茶樹在逆境條件下的抗性機理進行綜述，以期為茶樹抗逆性研究、引種馴化及開發(fā)利用提供參考。

1 干旱脅迫

茶樹是一種喜濕怕澇的植物，對水分需求較高，所處生長環(huán)境的年降水量需至少達到1000 mm。但是世界各茶區(qū)降水量差異大且月降水量分布不均衡。我國長江中下游茶區(qū)夏季常有“伏旱”，對茶樹發(fā)育極為不利，嚴重影響茶葉產(chǎn)量[1]。

水分是茶樹生命活動不可缺少的環(huán)境因子，干旱脅迫會影響茶樹代謝活動，抑制其生長發(fā)育。在水分缺失下，茶樹葉片會萎蔫卷曲，產(chǎn)生焦斑甚至枯死凋落[2]，嚴重時還可導致植株死亡，嚴重影響茶葉產(chǎn)量；SanamSafaei Chaeikar等研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫會導致茶葉中茶多酚、水浸出物、總灰分、氨基酸和咖啡堿含量降低，從而使茶葉品質(zhì)下降[3]。此外，干旱脅迫導致茶樹生理水平發(fā)生一系列變化，如根系活力、光合作用能力及葉綠素含量下降，細胞質(zhì)膜透性、丙二醛(MDA)、可溶性蛋白質(zhì)及可溶性糖含量增加，多酚氧化酶(PPO)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)等保護酶呈先上升后下降的趨勢[4-8]。

植物在受到干旱脅迫時會積累脯氨酸、可溶性糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)以提高細胞液濃度，從而降低細胞滲透壓以維持細胞內(nèi)水分，然而在不同的研究中，干旱脅迫下茶樹體內(nèi)脯氨酸含量有不同程度的變化。王守生[9]研究表明干旱脅迫下茶樹體內(nèi)脯氨酸含量顯著增加，而潘根生等[10]研究表明脯氨酸含量變化程度與茶樹耐旱性有關(guān)，耐旱性越強其變化程度越小。茶樹體內(nèi)脯氨酸含量并未出現(xiàn)規(guī)律性變化，脯氨酸與茶樹抗旱性關(guān)系并不明確。王敏等[11]研究表明外源黃腐酸(FA)可提高受干旱脅迫的玉米幼苗中的脯氨酸含量，從而增強其抗旱性。然而孫健皓等[12]研究發(fā)現(xiàn)，外源FA并不能有效增加受干旱脅迫的茶樹中脯氨酸含量，但與抗壞血酸代謝、谷胱甘肽代謝和黃酮類合成有關(guān)的代謝物顯著增加，也有研究表明FA能通過調(diào)節(jié)茶樹中抗壞血酸代謝和黃酮類合成來減輕干旱損傷。

2 高溫脅迫

茶樹是一種喜濕耐陰植物，研究表明茶樹新梢生長最適溫度為20～25℃，茶樹光合作用最適溫度為25～30℃。隨著全球氣候變暖，近年來，夏季我國多地出現(xiàn)40℃以上高溫，南方茶區(qū)高溫災害報道日趨增加，高溫天氣對茶葉產(chǎn)量品質(zhì)造成極大損害[1]。

在自然條件下，日均溫高于30℃時茶樹新梢生長就會緩慢或停止，若氣溫持續(xù)幾天高于35℃，新梢就會枯萎、落葉。高溫脅迫影響茶樹的生理代謝活動。研究表明，高溫脅迫下茶樹光合速率持續(xù)下降，葉片中葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量減少；此外，隨著高溫持續(xù)時間的延長，茶葉中水浸出物、游離氨基酸、可溶性糖含量逐漸降低，茶多酚、咖啡堿含量逐漸升高，可溶性蛋白含量先升高再降低；當溫度到達45℃時茶葉內(nèi)多酚含量達到最大值，而后隨溫度升高而下降。高溫處理下葉片中MDA含量不斷增加，POD和CAT活性隨著時間的延長先升高后降低，SOD活性呈現(xiàn)先降低，再升高，后降低的趨勢；嚴重高溫處理的葉片中3種酶活性均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢[13-15]。

目前，防止夏季茶樹熱害的主要方法為遮陰處理。研究表明，遮陰處理可使茶樹新梢持嫩性增強，產(chǎn)量增加；遮陰可有效提高光合速率，茶葉內(nèi)茶多酚含量減少，水浸出物、游離氨基酸和可溶性糖含量增加，從而使茶葉品質(zhì)提高[16-17]。

在非生物脅迫下，植物體內(nèi)的第二信使Ca2+發(fā)生特異性變化，并與鈣靶蛋白進行感受和轉(zhuǎn)導，使細胞內(nèi)發(fā)生一系列生化反應從而適應或抵制各種逆境脅迫。鈣調(diào)素(CaM)、鈣依賴蛋白激酶(CDPK)、鈣磷脂酶(CBL)是迄今已經(jīng)被證明的分布最廣、分子結(jié)構(gòu)高度保守的鈣靶蛋白，每種鈣感知蛋白均包含著大量的家族成員，每個家族成員又可以激活大量的下游轉(zhuǎn)錄因子[18]。此外，植物細胞內(nèi)還有類鈣調(diào)素蛋白這一典型的鈣靶蛋白(CMLs)，他是植物中一類重要的Ca2+傳感器，在調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育和應對非生物脅迫方面起著至關(guān)重要的作用。近期研究表明Ca2+可提高茶樹的耐熱性，噴灑了CaCl2溶液的茶苗在高溫條件下脯氨酸、可溶性糖、鈣離子、葉綠素含量明顯比未處理組的多，處理組的MDA和相對導電率增加趨勢明顯低于未處理組；通過克隆并在擬南芥中表達鈣調(diào)素類蛋白基因CsCML45，發(fā)現(xiàn)植株耐熱性增強[19]。干旱脅迫能顯著誘導CsCML38的表達；CsCML16、CsCML18-2和CsCML42的表達水平在低溫和鹽分條件下顯著誘導[20-21]。

3 低溫脅迫

茶樹是一種喜溫畏寒的植物，北方冬季春初天氣寒冷，南方易出現(xiàn)“倒春寒”現(xiàn)象，對茶樹生長造成威脅，極易受到低溫脅迫，不僅導致春茶產(chǎn)量和品質(zhì)下降，還可能導致來年經(jīng)濟效益降低。根據(jù)低溫和受害程度，茶樹的低溫脅迫可分為冷害和凍害。冷害表現(xiàn)為：葉片變紅或黃褐色，若冷害時間短，天氣回暖時葉片可復原；凍害表現(xiàn)為：葉片全部變成赭色，頂芽和上部腋芽變暗褐色；葉片出現(xiàn)焦枯、卷縮、易脫落及黑色斑點等現(xiàn)象，有些枝條外皮裂開，再甚者地上部分全部葉片枯萎脫落，枝條大部分或全部枯死[1, 22]。

在低溫脅迫下，茶樹葉片電導率增大、葉片氣孔關(guān)閉、葉綠素含量降低、光合作用強度降低、水分代謝失去平衡、呼吸代謝異常、物質(zhì)代謝失調(diào)、酶促反應失衡；葉片中MDA、脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量增加；谷胱甘肽還原酶(GR)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)與超氧化物岐化酶(SOD)活性都顯著增加，也有研究表明CAT、SOD的活性隨溫度降低而降低。另有研究表明低溫對茶樹葉片中可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸及MDA含量的影響以冷害與凍害相區(qū)別。零度以上低溫對茶樹存在冷馴化過程，各項指標存在先升后降趨勢；同時，在冷馴化過程中，部分新蛋白組分形成以抵御冷害。零度以下低溫可以導致茶樹葉片細胞膜結(jié)構(gòu)改變，葉片細胞受到機械性損傷或破壞，引起體內(nèi)相關(guān)的合成酶活性降低，水解酶活性增強，各項指標均下降。脯氨酸在茶樹體內(nèi)含量變化規(guī)律不一致[22-26]。

研究表明，耐寒茶樹品種在低溫脅迫下CaM、CBL、CDPK、CML和CIPK基因上調(diào)；Wang等研究表明茶樹和擬南芥之間以及茶樹成熟葉和幼芽之間對冷脅迫的不同反應受 CBL-CIPK 復合物調(diào)節(jié)，并提出了一種Ca2+-CsCBL-CsCIPK 模塊介導的茶樹非生物脅迫信號模型[27]。

研究表明冷處理能夠增加活性氧(ROS)積累來誘發(fā)氧化脅迫進而影響茶樹葉片的光合過程，提高茶樹抗氧化能力可緩解茶樹冷脅迫。宋傳奎等的研究表明茶葉中香氣物質(zhì)有助于茶樹抗寒，他們首先發(fā)現(xiàn)在低溫環(huán)境下，茶樹體內(nèi)結(jié)合態(tài)的橙花叔醇糖苷大量聚集，通過生物信息學、生物化學等手段成功得到1條糖基轉(zhuǎn)移酶基因，該關(guān)鍵酶基因能夠催化橙花叔醇從游離態(tài)轉(zhuǎn)化為結(jié)合態(tài)，其穩(wěn)定性、水溶性以及抗氧化能力都得到了提高，并可控制香氣物質(zhì)的釋放，外源添加橙花叔醇可促使茶樹體內(nèi)橙花叔醇糖苷大量積累，有效提高茶樹清除活性氧自由基的能力，進而起到抵御寒冷的作用[28]。

此外，外源添加物對茶樹抗寒能力的作用也取得了較大進展，研究表明5-氨基乙酰丙酸(ALA)、一氧化氮、γ-氨基丁酸(GABA)、綠藻粉和竹醋液可顯著降低茶樹苗中MDA含量，提高抗氧化酶活性，增加葉片葉綠素、可溶性糖和脯氨酸含量，從而提高茶樹抗寒能力[29-31]。近期研究表明外源褪黑素的施用能夠通過增強抗氧化潛能和氧化還原平衡來降低氧化脅迫、減少光合容量進而緩和冷脅迫[32]。

4 鹽脅迫

茶樹是一種喜歡酸性土壤的植物，適宜種植茶樹的土壤pH為4.0～5.5左右，過酸和偏堿的條件都不利于茶樹生長[1]。鹽基影響土壤的酸堿度，進而影響茶樹生長，過高過低都會造成鹽脅迫。在高鹽脅迫下，茶樹葉片形態(tài)遭到嚴重破壞，葉緣卷曲焦枯，在鹽堿環(huán)境下茶樹出現(xiàn)礦質(zhì)元素缺乏、環(huán)境適應性差、生長發(fā)育不良等問題甚至白化干枯而死。

土壤中鹽含量過高會使土壤溶液水勢降低，茶樹吸水困難從而造成滲透脅迫，導致茶樹細胞脫水，發(fā)生生理干旱，嚴重時出現(xiàn)氣孔關(guān)閉，甚至導致細胞內(nèi)水分外滲。滲透調(diào)節(jié)是茶樹耐鹽的方式之一。研究表明，在鹽脅迫下，茶樹中的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)如MDA、可溶性糖、可溶性蛋白等含量增加，從而降低茶樹細胞水勢，防止水分外滲，防止質(zhì)膜在高鹽環(huán)境下受到傷害。茶樹另一個調(diào)節(jié)機制是通過抗氧化酶實現(xiàn)，在鹽脅迫下，茶樹中抗氧化酶POD、CAT、APX活性均呈現(xiàn)上升的趨勢，幫助清除自由基，降低膜脂過氧化程度，但SOD活性受到抑制[33-34]。

當前，我國土壤鹽漬化嚴重，如何緩解茶樹鹽脅迫取得了一定進展。研究表明，添加外源水楊酸(SA)可通過提高滲透調(diào)節(jié)和抗氧化能力，維持植株水分平衡，保護膜結(jié)構(gòu)和功能，緩解鹽脅迫對茶樹的傷害，從而促進茶樹生長[35]。外源硫化氫能顯著增強茶樹抗氧化酶(SOD、POD、CAT、APX)和黃素蛋白氧化還原酶GR活性和非酶抗氧化劑(抗壞血酸AsA和還原性谷胱甘肽GSH)含量，減輕活性氧的積累和膜脂質(zhì)過氧化程度，幫助維持細胞膜的穩(wěn)定性和細胞內(nèi)氧化還原反應的平衡，緩解鹽脅迫誘導的氧化損傷[36]；外源添加叢枝菌根AMF可通過促進鹽脅迫下茶樹對礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收，促進茶樹生長，增強茶樹對鹽脅迫的耐性，進而提高茶葉產(chǎn)量和改善品質(zhì)[37]。

5 低氮磷鉀脅迫

氮磷鉀是構(gòu)成土壤養(yǎng)分的最基本營養(yǎng)元素，也是茶樹生長發(fā)育必不可少的營養(yǎng)元素，土壤中氮磷鉀含量過高過低都不利于茶樹生長發(fā)育。

茶樹氮源有多種形態(tài)，氮是植物營養(yǎng)物質(zhì)的基本組成成分，缺乏氮植物生命活動無法正常進行[34]。茶園缺氮嚴重時茶樹葉色失綠，枝條瘦弱，春夏茶新梢發(fā)育受阻，嚴重影響茶葉產(chǎn)量和質(zhì)量[38]。胡國策等的研究表明氮素含量過高過低都會使茶樹的光合作用降低，低氮脅迫對茶樹生長生理的影響有較多的研究，缺氮情況下茶樹體內(nèi)生物合成和次級代謝活動受阻，蛋白質(zhì)、核酸、茶多酚、氨基酸等含量降低[39]。

磷是植物體內(nèi)多種重要化合物的組成物質(zhì)，幾乎參與了植物所有的生命活動，對植物生長發(fā)育至關(guān)重要，然而由于茶樹種植土壤偏酸性，多數(shù)酸性土壤存在“低磷高鋁”問題[40]，低磷脅迫對茶樹生長發(fā)育造成較大威脅。茶樹缺磷癥狀半年左右才開始出現(xiàn)，缺磷可使茶樹生長緩慢。處于缺磷環(huán)境初期茶樹頂部嫩葉暗紅，葉柄和主脈紅色，老葉暗綠；長期處于缺磷狀態(tài)老葉紫紅色且無光澤[38]。此外，缺磷對茶樹次生代謝影響較大，林鄭和研究表明，缺磷會使制得的綠茶中茶多酚、游離氨基酸、黃酮類物質(zhì)、水浸出物等含量降低[41]。

鉀是茶樹生長發(fā)育必不可少的元素之一，但我國茶園多處于風化和淋溶作用強烈的紅壤地區(qū)，土壤中鉀含量普遍較低，茶樹缺鉀問題較為嚴重。輕度缺鉀脅迫時茶樹生長緩慢，葉片變小且壽命縮短；重度缺鉀脅迫茶樹嫩葉褪綠，成熟葉和部分老葉葉尖或葉緣出現(xiàn)褐斑，而后逐步擴大形成褐色斑塊，葉片卷曲最后大量不正常脫落[38, 42]。林鄭和等研究表明，缺鉀會使茶樹光合電子傳遞能力降低；缺鉀脅迫對茶葉內(nèi)含物的影響較大，可顯著降低茶葉中氨基酸、咖啡堿、水浸出物和EGCG含量，而葉片的茶多酚含量、兒茶素總量、酚氨比、EGC和EC含量顯著增加；同時缺鉀會減少茶葉中醇類、醛類和酯類等香氣物質(zhì)含量及其種類[43-46]。此外，鉀在植物抗旱方面也發(fā)揮著重要作用，孫哲等研究表明施用鉀肥可增大甘薯葉面積，提高葉綠素含量和光合性能，調(diào)節(jié)葉片氣孔關(guān)閉，增大葉片氣孔阻，減少水分蒸騰損失，增加葉片相對含水量[47]。近期研究發(fā)現(xiàn)，茶樹維持K+能力與其抗旱性成正相關(guān)，葉肉中鉀離子的維持是茶樹抗旱的一個重要機制，并且干旱抗性品種和敏感性品種中鉀離子的外流通道和非選擇性陽離子通道對控制PEG誘導下鉀離子從葉肉細胞流出的作用是不同的[48]。

6 重金屬脅迫

隨著我國工業(yè)化的發(fā)展和農(nóng)藥化肥等的使用，我國農(nóng)地重金屬污染問題日益嚴重，引起了大量學者的關(guān)注。重金屬具有難溶、持久等特點，沉積于土壤里會對農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量造成威脅，同時會被農(nóng)作物吸收進而影響人體健康[49]。重金屬對茶樹的生理脅迫可能是改變土壤微生物環(huán)境、微生物生命過程、土壤pH值等，從而影響茶樹對營養(yǎng)物質(zhì)和重金屬的吸收和積累[50]。葉江華等研究表明鉛脅迫茶樹葉片中SOD、POD、CAT的活性下降，不同茶樹品種應對鉛脅迫的方式存在差異[51]。韓文炎等研究表明過量鋅脅迫會抑制茶樹生長，導致茶樹產(chǎn)量和品質(zhì)下降[52]。唐迪等研究表明過量的鎘脅迫影響茶樹生長，并使茶樹中MDA、葉綠素和類胡蘿卜素含量下降[53]。

茶樹中重金屬主要來自于土壤、大氣和茶葉加工過程，其中土壤是最主要的來源[54]。眾多研究表明外源添加物可有效緩解土壤重金屬脅迫。研究表明外源添加腐殖酸對鉛脅迫有顯著緩解作用，可顯著減輕鉛脅迫對細胞的損傷，并增加茶葉細胞壁中果膠和果膠酸含量，提高細胞壁對鉛的吸收能力，促進細胞的伸長[55]。外源施加適量硒可在一定程度上增加鎘誘導產(chǎn)生的抗氧化酶CAT、APX和GPX活性，降低質(zhì)膜過氧化產(chǎn)物MDA和H2O2含量積累，緩解鎘對茶樹葉片的毒害，并降低對鎘的積累[56]。

7 結(jié)論

在逆境條件下，植物不僅會生長遲緩甚至停滯，其生殖發(fā)育也會被嚴重影響。當遭遇逆境脅迫，茶樹自身會采取一系列途徑如生長發(fā)育調(diào)節(jié)、植物激素調(diào)節(jié)、代謝調(diào)節(jié)、滲透調(diào)節(jié)等來提高抗逆性，從而減輕逆境脅迫的危害。隨著全球氣候變暖，氣候異?，F(xiàn)象加劇，茶樹栽培中面臨的氣象災害與病蟲害的威脅更大，急需培育抗寒、抗旱、抗蟲等優(yōu)良茶樹品種來滿足生產(chǎn)上的需求。除了茶樹的逆境生理，其相關(guān)抗性機制和茶樹抗逆基因的研究更進一步深入，目前相關(guān)分子機制研究偏少。在漫長的進化中，茶樹形成了各種生理機制來適應逆境條件。利用多組學等方法揭示逆境生理機制，發(fā)掘相關(guān)抗逆基因應該是今后茶樹逆境脅迫研究的重中之重。此外，培育抗逆性強的茶樹品種是減輕茶樹逆境脅迫的根本途徑，未來可通過選配抗逆性強的親本組合雜交獲得抗逆性強的茶樹品種，并采用分子生物學等手段輔助育種，提高育種效率。