氟、铝对茶树生理生化特性的影响研究进展

钟秋生，林郑和，陈常颂，游小妹，陈志辉，单睿阳

（福建省农业科学院茶叶研究所，福建福安 355015）

研究表明，茶树是一种高聚氟植物[1]，成熟叶中的氟含量可达1000mg/kg以上[2]。人体摄入适量的氟可以预防龋齿，但过量会引起氟中毒。一般在砖茶中氟含量较高，一些藏族等少数民族地区人类长期大量饮用此类茶叶会出现饮茶型氟中毒[3]；同时，茶树又是聚铝植物[4]，在成熟叶中铝的浓度一般可达到几千mg/kg，在老叶甚至可以达到30000以上[5]。人体通过饮茶摄入铝是饮食摄铝的主要途径，而铝对人体而言是一种毒害元素。已有研究表明，人体摄入过量的氟会产生“氟斑牙和氟骨症”[6-7]，或引起神经系统疾病如阿尔茨海默病（Alzheimerg disease，AD）等。有报道指出，饮茶型氟中毒可能因砖茶同时伴有高铝而产生联合作用，即铝氟联合中毒的现象[8-9]。因此，茶叶中铝、氟的研究引起了人们日益关注。

1 氟对茶树生长及生理生化特性的影响

许多研究认为，氟是对植物有毒的元素[10]，氟富集过量会导致植物生理障碍[11]。主要表现在对新陈代谢的抑制和对细胞结构的破坏，使植物叶绿体和细胞膜系统受损；光合作用、呼吸作用及其他关键酶活性受抑制；在叶尖和叶缘出现伤斑，使未成熟叶片受害，叶片褪绿、坏死、脱落，枝梢顶端枯死[12]；植物吸收氟化物后其光合作用明显受到抑制，与光合作用相关的（RUBP）羧化酶的活性及位于叶绿体膜上的ATP酶的活性均受到了抑制；伤害营养吸收和光合组织[13]；经氟化物伤害的叶片中，表皮细胞、栅栏组织、海绵组织和韧皮部细胞等均出现红棕色，线粒体膨胀和衰化，叶绿体变圆、基粒减少[14-16]。

茶树具有从土壤中超累积氟的能力，茶树氟的含量是生长于同一地点其他植物的10-100倍，却未见其出现任何受毒害症状，可见茶树对氟的吸收具有很强的累积性[17-18]。低剂量的氟处理试验对茶树生长影响不明显，但高剂量的氟会抑制茶树生长，并对茶树产生毒害作用。有研究报道，茶树对氟耐受极限为0.32 mmol·L-1，暴露于超过此浓度的生长条件下，茶树的亚细胞结构会有一定程度的破坏[19]。唐茜等[20]研究发现，氟处理抑制了茶树生长，随着施氟浓度的增加，福鼎和名山白毫两品种茶树的树高、树幅、主干直径、根系和地上部重量都下降。氟浓度增加其抑制作用也增强；李琼等[21]的研究表明低浓度氟对茶树生长有一定的促进作用，高浓度氟抑制茶树生长和茶多酚、氨基酸等的代谢；王小平等[22]研究表明茶叶品质的主要成分均表现为低浓度（4 mg·L–1）的促进生成和高浓度（12 mg·L–1）的抑制产生；随着氟处理浓度的增加，茶多酚、蛋白质、总儿茶素及其单体含量降低，金属元素Ca、K、Cu、Zn含量显著下降，香气成分总量降低[23]；蔡荟梅等[24]研究发现，经过氟处理的茶树叶片细胞角质层变薄，在近轴表明有较高浓度的有机酸积累，相反在远轴表明角质层变厚，有机酸浓度较低；Xiao Yang等[25]水培试验研究发现，氟浓度低于 4 mg·L-1时增加了儿茶素类的合成，增强了相关代谢酶的活性，当氟浓度大于8 mg·L-1的则起到了抑制作用。氟处理下福鼎大白茶茶树叶片叶绿素a、叶绿素 b及总叶绿素含量均低于对照，叶绿素a/b显著高于对照，氟对叶绿素b的影响大于叶绿素a，氟对类胡萝卜素含量影响不显著[26]；氟化物降低了叶绿体ATP酶合成ATP的能力[27]；较高浓度的氟会引起叶绿体膜结构破坏，叶绿素含量降低[28]；李春雷等[23]研究表明：在低氟浓度（＜2 mg/L）范围，叶绿素含量和光合速率轻微增加，但无显著差异；钟秋生等[29]研究发现茶树叶片的CO2同化速率、气孔导度、蒸腾速率等均在低浓度氟（100mg·L-1）处理时会出现较小幅度的上升而后下降；经过氟处理的茶苗叶片I点、J点的相对可变荧光和耗散能增加[30]。

近年来，活性氧对植物细胞的毒害作用引起了人们的广泛关注。研究发现，在低浓度的氟胁迫下，茶苗可通过抗坏血酸谷胱甘肽循环（ASAGSH循环）及体内的抗氧化系统，在一定程度上通过提高抗氧化酶活性，清除氟胁迫下产生的过量自由基，以减轻自由基对膜的伤害，但随着氟浓度升高，这两大系统的防御机能达到最大后出现下降[31]，导致过量的自由基攻击叶绿体类囊体膜上的大分子，而造成细胞膜破裂分解；蔡荟梅等[32]研究发现氟胁迫CAT、POD和APX活性先升高后降低，H2O2、MDA以及脯氨酸含量升高；李品武等[33]研究发现随着氟胁迫强度增加，名山131的SOD、CAT活性逐渐降低，福鼎大白茶SOD、CAT活性则先升高后降低，品种间存在一定差异；李春雷等[23]发现随着氟浓度的升高总SOD及分型SOD活性下降，POD及CAT活性均是先升高后降低。在ASAGSH循环系统中，APX、GR、MDHAR均是先升高后降低，DHAR活性下降显著；氟处理后，福鼎大白茶茶树叶片中超氧化物歧化酶（SOD）活性显著下降；POD和CAT均是先升高后降低，均是在氟处理48 h达到最大值，MDA和H2O2含量随着处理时间的延长变化不大[34]。

2 铝对茶树生长与生理生化特性的影响

在一般情况下，土壤中的铝以对植物没有毒害作用的硅酸盐、磷酸盐等形式存在，当随着土壤PH值逐渐降低，进而成为酸性土壤。在酸性土壤环境中，不溶性的铝化物就转变为溶解状态的铝（Al3+），铝进入土壤对植物产生毒害作用[35]。许多研究证实，作物处于铝胁迫下，吸收的铝主要分布在根部，作物根的伸长受到抑制，随之地上部分生长降低，新叶变小、卷曲，叶柄萎缩，叶缘褪绿，叶尖死亡，叶片脱落，最终作物的生长发育受到抑制[36]。

已有研究表明，在茶园的酸性土壤中，大量的铝离子与氟离子结合形成AIF2+等络合形式。通过这种络合作用来降低铝的活性，达到抗铝和耐铝的效果。铝对茶树生长发育有着双重影响，表现为较低浓度铝水平下，促进茶树生长；铝胁迫下，抑制茶树生长。茶苗根茎中铝含量均随着铝处理的质量浓度的增加而明显增加，而叶中含量影响不大[37]；当铝离子浓度超过10 mg/L时，会使茶幼苗受害[38]或根部受害[39]；低质量浓度的铝（20mg·L-1） 有利于茶树根细胞膜的稳定，缺铝 （0 mg·L-1，CK）和高铝（100mg·L-1）均使根细胞膜透性显著降低。有机酸总量随铝浓度升高呈现先降低后升高的趋势[94]；铝可以促进茶树花粉管的伸长，促进茎分化根[40]。

铝处理明显促进茶树生长发育，增加茶树叶片叶绿素的含量，并提高了SOD、CAT、POD活性，使MDA含量降低[41]；低浓度的铝处理降低茶树的MDA含量，促进茶树POD、CAT和Pro含量增加。而高浓度则反之[42]；随着Al3+浓度的增加，茶树叶片栅栏组织细胞排列趋向疏松、空隙增大，海绵组织细胞排列无序程度增加[43]；此外，铝参与茶氨酸转化儿茶素的过程[44]，可以改善茶汤的汤色和滋味，但降低绿茶的嫩度[45]；在水培时，铝浓度为10-50mgL-1时可以提高茶多酚、氨基酸和Vc等与茶叶品质密切相关的化学成分，而过高浓度的铝（如100mg/L-1）有负面作用[46]；在生产上施铝肥浓度应小于20mg/L，这样有利于茶叶品质的形成[47]。

低浓度的铝能促进山茶属植物的光合作用和CO2同化能力，提高干物质的积累，高浓度铝抑制山茶属植物的光合作用[48]。小西茂毅[49]等报道，铝可以促进光合作用，提高光合效率，促进CO2同化产物的累积；阮宇成等[50]通过砂培试验，发现铝对茶树的生理效应表现在增加了叶绿素含量，增强了其净光合作用，同时CO2同化能力得到提高；应小芳[51]等关于铝与植物叶片光合参数变化关系的研究结果表明，在铝处理下，植物叶片的光合速率都下降，导致光合作用降低。

铝对茶树吸收Ca、P、K、Mg等其它营养元素也有一定的的影响。铝对茶苗营养元素Ca、K、Mg的吸收影响不大，对P的吸收有促进作用，在一定程度上体现出茶树对铝的耐性[52]。研究发现，用铝含量8-32 mg·kg-1的水培的茶苗，对N、P、K三要素的吸收分别比对照增加4-5倍、3-4倍和2-3.7倍[44]；方兴汉等[53]分析水培液培养的茶树体内无机成分如N、K、Mn、B等的吸收积累量，随着铝浓度的升高而增加。而P、Ca、Cu等只在较低的铝浓度（2mg·L-1左右）下，有利于被吸收。另有报道，施铝可以促使铁向地上部分移动，可以提高茶树对Fe3+和Fe2+-EDTA的吸收利用。铝还可以影响茶树的耐锰性，在水培条件下，可以抑制过量锰的危害[36]。

3 氟-铝交互处理对茶树生长与生理特性的影响

氟有较强的络合金属离子的能力，能够与铝、钙、镁等形成稳定的配位化合物[54]，氟铝关系尤为密切。茶园土壤的酸性环境中氟和铝构成一个平衡的体系，以 Al3+、AlF2+、AlF2+、AlF3和 AlF4-等形式共同存在[55-56]。氟、铝在茶树中的各方面研究已经取得重大进展，以往的研究大多限于对氟铝单因素的研究，近年来，开始将氟铝两个处理结合起来研究作为研究的一个新方向，并取得一定进展：在氟铝交互处理下，在铝浓度为40 mg/L、氟浓度为8 mg/L时茶苗叶面积的增长量最大[57]；铝与氟之间联合作用对脲酶、蛋白酶、过氧化物酶、过氧化氢酶等活性产生了显著或极显著的交互效应，其作用方式因铝、氟处理浓度组合、酶及茶树品种的不同而不同[58]；同时发现，在茶树体内代谢中铝、氟之间存在一定的相关性；A13+促进了茶树体内 F 向地上部分转移，尤以 c（A13+）：c（F-）为 1:1、1:3、1:5 时，F从茶树根部向地上部分转移系数最高[59]。

铝和氟的不同交互比例产生不同程度的交互效应，减弱本身毒性。铝氟交互作用对茶树生理机制的影响显著优于单铝和单氟处理，且其作用存在一定比例范围，且不同品种间不一致[60]；如在铝氟比例分别为 30/4、30/12和90/4、90/12两个过程中，安吉白茶鲜叶中各品质成分含量均呈现上升趋势，表现为协同作用，而智仁早茶呈现下降趋势，拮抗对方的促进效应[61]；向勤锃等[62]研究氟铝胁迫下对茶树组培小苗的生长及其蛋白质的影响发现，不同浓度氟、铝培养条件下的茶苗在蛋白质谱带上存在差异，可能是氟、铝的共同作用，使茶树某些基因得到表达；氟和铝按一定比例络合并富集于叶片等器官中，消除了氟和铝本身的毒性，这可能是茶树高富集氟的重要生理机制[63]。

4 结束语

随着全球范围内酸性物质沉降的日益严重以及不合理的施用化肥引起土壤酸化，土壤中可溶性铝的数量增加，移动性增强，铝的毒害问题已成为限制酸性土壤地区作物生长的主要因素之一。茶树（Camellia sinensis L.）是一种既超积累铝，又富集大量氟的重要经济作物。氟具有高度的生物活性，与铝形成较稳定Al-F络合物，有效降低氟的生物毒性[64]。因此，笔者认为研究氟铝交互作用对茶树生长，生理的影响机理方面的研究仍然将会是日后研究的热点。如茶树根系吸收、转运氟及铝的具体形式和机制；铝及其他金属离子如镁、钙等与氟的络合机制及对茶树富集氟的影响机制；氟、铝在茶树亚细胞存在形式及结合位点、铝与氟共同作用对茶叶品质的影响及对茶树光合作用及相关代谢酶类的影响、参与调控茶树富集氟及铝的基因或蛋白质等等方面的研究。深入这些问题的研究，对全面阐明茶树对氟的吸收、运输、转运及富集机制、降低或调控茶树吸收氟的含量、选育低氟茶树品种等方面都有重要意义。