鋁對氟在茶樹體內(nèi)吸收與分配的影響

張顯晨，郜紅建，張正竹,*，宛曉春

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶與食品科技學(xué)院，安徽 合肥 230036；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 合肥 230036)

F是人體必需微量元素，適量的F能維持機(jī)體正常的鈣磷代謝，增強(qiáng)骨骼的強(qiáng)度[1]，過量攝入則可引起F中毒，主要表現(xiàn)為氟斑牙(斑釉齒)和氟骨癥[2]。茶樹是F高積累植物，體內(nèi)F含量是一般植物的20～30倍，主要累積于葉片中[3]。成品茶葉中F含量從幾十到幾千mg/kg不等，其中以用老葉和茶梗為原料加工而成的磚茶氟含量最高，甚至超過1000mg/kg。存在于茶葉中的F有40%～90%可溶解在茶湯中，飲茶成為人體攝入F的主要途徑之一[4]。在沒有大氣污染的條件下，茶樹體內(nèi)的F主要來源于根系從土壤中吸收，而吸收的多寡則與土壤F形態(tài)密切相關(guān)[5]。土壤溶液中F－可與Al3+形成Al/F (AlF2+、A1F2+、AlF3、AlF4－、AlF52－、AlF63－)絡(luò)合物，從而影響茶樹對F的吸收[6]。阮建云等[7]證實(shí)，增加供Al促進(jìn)茶樹對F的吸收，從而促進(jìn)葉片對F的累積。向勤裎等[8]的研究表明：Al和F在茶樹葉中的富集動態(tài)一致。廖萬有[9]的研究證實(shí)，Al3+從茶樹吸收開始，直到富集于葉表皮處，主要以復(fù)合狀態(tài)存在，這與F元素有某些相似。但有關(guān)不同Al3+/F－比例對茶樹吸收F的研究較少。

本實(shí)驗(yàn)采用水培實(shí)驗(yàn)的方法，研究不同濃度Al3+及Al3+與F－濃度比對F在茶樹體內(nèi)富集和分配的影響，研究結(jié)果為揭示茶樹吸收累積F的特性及生理調(diào)控機(jī)制提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

氯化鈉、檸檬酸三鈉、冰醋酸、硝酸氨、磷酸二氫鉀、氯化鉀等均為分析純 天津市天福達(dá)實(shí)業(yè)公司。

奧立龍氟離子測量儀(配有9609BNWP氟電極) 美國熱電公司；電熱恒溫水浴鍋 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；PHS-3C精密pH計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司雷磁儀器廠。

1.2 方法

1.2.1 茶苗培養(yǎng)方法

精選顆粒飽滿的茶籽在自來水中浸泡2d后，選取健康茶籽定植于洗凈的石英砂中(直徑0.3cm)，待種子發(fā)芽后，轉(zhuǎn)移至人工氣候室內(nèi)培養(yǎng)。光照時(shí)間12h/d，室溫(22±1)℃，光照強(qiáng)度約1500lx，空氣濕度45%～50%。選長勢一致的茶苗，用去離子水沖凈根部，轉(zhuǎn)移到盛有改進(jìn)的茶樹水培標(biāo)準(zhǔn)營養(yǎng)液的塑料盆(50cm×30cm)中培養(yǎng)，改進(jìn)的茶樹水培標(biāo)準(zhǔn)營養(yǎng)液配方為：硝酸銨0.114g/L、磷酸二氫鉀0.0136g/L、氯化鉀0.03869g/L，pH值調(diào)節(jié)至5.00～5.50之間[10]，定時(shí)供氣。待茶苗根部長出大量白色吸收根后，再繼續(xù)水培1周進(jìn)行實(shí)驗(yàn)處理。

1.2.2 茶苗吸收富集實(shí)驗(yàn)方法

選取生長勢一致的茶苗，洗凈根表營養(yǎng)液和附著物，用濾紙沾干表明水分后定植于250mL三角燒瓶，每瓶3株。三角瓶中盛有F離子質(zhì)量濃度為200mg/L的改進(jìn)的茶樹水培標(biāo)準(zhǔn)營養(yǎng)液(1.2.1節(jié))250mL，同時(shí)加入一定量的Al3+，使?fàn)I養(yǎng)液中c(Al3+)∶c(F－)比分別為3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶5和1∶10。以不含Al3+的實(shí)驗(yàn)處理為對照。瓶口用脫脂棉封口，瓶體用黑色膠帶裹住，以利于根系生長。茶苗在含有Al3+與F－不同濃度比的營養(yǎng)液中培養(yǎng)2d[6]，每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)(其濃度設(shè)置不會出現(xiàn)氟脅迫癥狀[6])。

1.2.3 茶苗體內(nèi)F的提取和測定方法

培養(yǎng)結(jié)束后，用自來水和蒸餾水沖洗干凈根部和葉片樣品，然后置于80℃烘箱中烘干。茶苗根和葉中F含量參照張顯晨等[4]的方法提取。分別稱取茶樹根部和葉片樣品置于50mL離心管中，加30mL超純水，在100℃沸水浴中靜置提取30min。提取液中F－含量按照郜紅建等[11]的方法測定，準(zhǔn)確取15mL提取液置于50mL聚四氟乙烯燒杯中，加入15mL pH5.0的離子調(diào)節(jié)緩沖液Ⅰ。離子調(diào)節(jié)緩沖液Ⅰ由58g NaCl、68g二水合檸檬酸鈉和57mL冰乙酸溶于700mL純水，用5mol/L氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值，用純水定容至1000mL配制而成。待提取液與離子調(diào)節(jié)緩沖液混合后，充分?jǐn)嚢瑁趭W立龍臺式F離子測量儀(配置9609BNWP氟離子選擇電極)上測定F－濃度。

1.3 離子態(tài)F和總F的測定

調(diào)節(jié)緩沖液Ⅰ按照1.2.3節(jié)中的方法配制。調(diào)節(jié)緩沖液Ⅱ由58g NaCl和57mL冰乙酸溶于700mL純水，用5mol/L氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值，用純水定容至1000mL配制而成。

茶苗吸收總F和離子態(tài)F的測定：準(zhǔn)確取15mL培養(yǎng)液置于50mL聚四氟乙烯燒杯中，分別加入15mL離子調(diào)節(jié)緩沖液Ⅰ、Ⅱ，充分?jǐn)嚢杌靹蚝螅趭W立龍臺式F離子測量儀(包括9609BNWP氟離子選擇電極)上測定總F和F－濃度。

茶樹F吸收量為茶樹根部和莖葉吸收氟的總量(μg)；營養(yǎng)液氟離子減少量為茶苗培養(yǎng)前后營養(yǎng)液中氟離子變化量(μg)；營養(yǎng)液總氟減少量為茶苗培養(yǎng)前后營養(yǎng)液中總氟變化量(μg)；茶樹F吸收量占培養(yǎng)液總F減少量的比例為茶苗植株吸收氟的總量與培養(yǎng)前后營養(yǎng)液中總氟變化量的比值；營養(yǎng)液氟離子減少量占總氟減少量的比例為茶苗培養(yǎng)前后營養(yǎng)液中氟離子變化量與總氟變化量的比值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

茶苗根部和葉片樣品中F含量為3次重復(fù)分析的±s，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2003和DPSS進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。茶苗根部和葉片中F含量采用DPSS統(tǒng)計(jì)軟件中單因素方差分析(ANOVA)，組間差異用Tukey法進(jìn)行多重性比較，顯著性檢驗(yàn)水平分別為0.05和0.01。

2 結(jié)果與分析

2.1 Al3+對F在茶樹體內(nèi)富集的影響

圖 1 Al對F在茶樹根部和葉部富集的影響Fig.1 Effect of c(Al3+):c(F－) concentration ratio on fluoride accumulation in tea plant roots and leaves

不同Al3+與F－濃度比對茶樹根部和葉片吸收富集F的規(guī)律不同。當(dāng)c(Al3+)∶c(F－)≥1時(shí)，Al3+抑制茶樹根對F的吸收，c(Al3+)∶c(F－)為3∶1、2∶1、1∶1時(shí)，抑制率分別為33.93%、14.53%和12.51%，尤以3∶1的c(Al3+)∶c(F－)抑制率最高。但當(dāng)c(Al3+)∶c(F－)＜1時(shí)，Al3+促進(jìn)茶樹根部對F的吸收，c(Al3+)：c(F－)為1：2、1：3、1：5、1：10時(shí)，茶樹根部F的吸收量分別比對照高80.02%、33.38%、9.06%和44.45%。當(dāng)c(Al3+)：c(F－)為1：2和1：10時(shí)，茶樹根部F的吸收量與對照相比達(dá)到1%的極顯著差異水平。

由圖1可知，與不含Al3+的對照相比，加入不同濃度A l3+對茶樹根部吸收F 表現(xiàn)出較大差異。低濃度時(shí)，Al促進(jìn)茶樹根部對F吸收富集，如Al3+濃度為1.05mmol/L時(shí)(c(Al3+)：c(F－)=1：10)，茶樹根部F的含量為(700.5±139.5)mg/kg，比對照高44.45%。這可能是因?yàn)椋涸诘蜐舛葧r(shí)，隨著Al3+濃度的增加，茶樹對F的吸收主要由離子態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)锳l/F絡(luò)合態(tài)，茶苗根部對F的吸收與植株對F的富集，均呈增長趨勢。羅亮等[12]的研究證實(shí)，茶樹生長在低Al3+的酸性土壤溶液中，Al3+含量隨著pH值的降低而增加，Al3+與土壤溶液中的F－進(jìn)行絡(luò)合，形成穩(wěn)定性高且易溶于水的不同形態(tài)鋁氟絡(luò)合物AlFn3-n，促進(jìn)了茶樹對F的吸收，減少F對茶樹的毒害作用[13-14]。阮建云等[7]研究表明：Al3+濃度在0～0.2mmol/L時(shí)，無論土壤或溶液培養(yǎng)條件下，增加供鋁都促進(jìn)茶樹對氟的吸收，這與本研究結(jié)果一致。

在高濃度時(shí)，A l3+抑制了茶樹根部對F 的吸收，茶樹根部對F 的吸收明顯減少，其F 含量在320.4～424.26mg/kg，比對照減少12.51%～33.93%。這可能是因?yàn)榈蜐舛鹊腁l3+能夠促進(jìn)根系的生長，高濃度Al3+抑制了茶樹根系生長[15]，從而影響茶樹根系對F的吸收。伍炳華等[16]證實(shí)，Al3+濃度為1mmol/L時(shí)茶樹根尖細(xì)胞分裂指數(shù)提高，當(dāng)Al3+濃度高于2mmol/L時(shí)，抑制了根細(xì)胞分裂和生長，造成Al3+對茶樹根系的毒害，抑制了根對F－的吸收。

加入不同濃度Al3+促進(jìn)了F在茶樹葉片的富集，不同c(Al3+)：c(F－)對F在茶樹葉片的累積效應(yīng)表現(xiàn)較大差異。在200mg/L的F－溶液中，加入一定量的Al3+，使溶液中c(Al3+)：c(F－)為1：2、2：1和3：1時(shí)，茶樹葉片F(xiàn)的富集量分別比對照增加93.7%、33.63%和9.36%，其中以c(Al3+)：c(F－)為1：3時(shí)，F(xiàn)在茶樹葉片的累積量增加最多。這可能是因?yàn)閏(Al3+)：c(F－)為1：3時(shí)，茶樹根系吸收F的數(shù)量增加了33.38%，增加了F從根系到葉片的轉(zhuǎn)移。馬立峰[17]也證實(shí)，在c(Al3+)：c(F－)為2：1溶液中，茶樹葉片中的F的含量比對照增加了37%。這與阮建云等[7]的結(jié)果一致，表明Al3+能促進(jìn)茶樹對F的吸收和轉(zhuǎn)移，提高了F在茶樹葉片累積量。

根據(jù)Al/F配位-解離平衡及其解離常數(shù)可知，不同c(Al3+)：c(F－)比可以形成不同配比的Al/F絡(luò)合物[15]。當(dāng)c(Al3+)：c(F－)≥1：3時(shí)，培養(yǎng)液中的F主要以帶正電荷的Al/F絡(luò)合物形態(tài)存在為主，隨著c(Al3+)：c(F－)減小，Al/F絡(luò)合物所帶正電荷數(shù)的減少，茶苗吸收F－占吸收總F的比例從5.82%增加到47.91%(表1)。當(dāng)c(Al3+)：c(F－)＜1：3時(shí)，培養(yǎng)液中的F主要以帶有負(fù)電荷的Al/F絡(luò)合物形態(tài)為主，此時(shí)培養(yǎng)液中含有大量F，吸收F－的數(shù)量占吸收總量的90%以上(表1)。Ding[13]、小西茂毅[14]等提出茶樹體內(nèi)F與Al可以形成Al/F絡(luò)合物(AlFn3-n)是F進(jìn)入植物體并發(fā)生運(yùn)轉(zhuǎn)的主要形態(tài)。Takmaz-Nisancioglu等[18]研究也證實(shí)，c(Al3+)：c(F－)為1：3時(shí)，有44%的F以Al/F絡(luò)合物存在于番茄木質(zhì)部中。這與本實(shí)驗(yàn)得出的c(Al3+)：c(F－)為1：3時(shí)有52.1%的F以絡(luò)合物形式被茶樹吸收的結(jié)果相吻合。

表 1 F在茶苗體內(nèi)的富集規(guī)律(±s, n = 3)Table 1 Accumulation pattern of fluoride in tea plants(±s, n = 3)

表 1 F在茶苗體內(nèi)的富集規(guī)律(±s, n = 3)Table 1 Accumulation pattern of fluoride in tea plants(±s, n = 3)

c(Al3+)：c(F－)營養(yǎng)液F－減少量/總F減少量/%3：166.67±4.684.26±0.2273.10±9.3691.205.83 2：1100.0±15.5923.33±3.86102.60±8.4897.4722.74 1：1182.5±9.3742.50±3.77 203.20±24.3489.8120.92 1：2225.0±18.3365.00±6.24 232.75±20.5696.6727.93 1：3350.0±41.94 143.75±11.12 300.10±30.81116.6347.90 1：5150.0±13.11 150.00±11.14 165.70±21.8390.5390.53 1：10280.0±27.07 250.00±24.27 276.60±25.06101.2390.38茶樹F吸收量/μg營養(yǎng)液F－減少量/μg營養(yǎng)液總F減少量/μg茶樹F吸收量/營養(yǎng)液F減少量/%

2.2 培養(yǎng)液中F的減少量與茶樹富集量的關(guān)系

加入不同濃度的Al3+，F(xiàn)在茶苗體內(nèi)的吸收量隨培養(yǎng)液中c(Al3+)：c(F－)比例不同而發(fā)生變化，其變化范圍在66.67～350.0μg之間(表1)。當(dāng)c(Al3+)：c(F－)從3：1逐漸減少為1：2時(shí)，茶樹體內(nèi)F的吸收量呈增加趨勢，而c(Al3+)：c(F－)為1：3和1：5時(shí)，茶樹體內(nèi)F的吸收量卻呈降低趨勢，這與培養(yǎng)液中F的減少量的規(guī)律一致。茶樹F吸收量占培養(yǎng)液總F減少量的比例在90.53%～116.63%之間，且符合方程y=0.8357x+31.774(R2=0.9616)，其中x表示茶樹F的吸收量(μg)；y表示營養(yǎng)液中總F的減少量(μg)，表明茶樹體內(nèi)F的吸收主要來源于茶樹根系從培養(yǎng)液中的吸收。高緒評等[19]也證實(shí)，根系是茶樹吸收富集F主要器官，在沒有大氣氟污染的情況下，茶樹體內(nèi)F主要來源于根系從土壤中的吸收富集。

2.3 Al3+對F在茶樹體內(nèi)轉(zhuǎn)移分配的影響

表 2 不同形態(tài)F在茶樹體內(nèi)的轉(zhuǎn)移系數(shù)(±s, n = 3)Table 2 Translocation factors of different forms of fluoride in tea plant (±s, n = 3)

表 2 不同形態(tài)F在茶樹體內(nèi)的轉(zhuǎn)移系數(shù)(±s, n = 3)Table 2 Translocation factors of different forms of fluoride in tea plant (±s, n = 3)

c(Al3+)：c(F－)對照3：12：11：11：21：31：51：10轉(zhuǎn)移系數(shù) 0.52±0.11 0.86±0.18 0.81±0.04 0.97±0.06 0.55±0.06 0.94±0.05 0.98±0.31 0.57±0.22

轉(zhuǎn)移系數(shù)(translocation factor，TF)是指地上部元素的含量與地下部同種元素含量的比值，用來評價(jià)植物將某元素從地下向地上的運(yùn)輸能力。轉(zhuǎn)移系數(shù)越大，元素從根系向地上部器官轉(zhuǎn)運(yùn)能力越強(qiáng)。以茶樹地上部分F含量與根系F含量的比值計(jì)算F在茶樹體內(nèi)的轉(zhuǎn)移系數(shù)(表2)可知，培養(yǎng)液中Al3+的加入，促進(jìn)了F在茶苗體內(nèi)的轉(zhuǎn)移，其轉(zhuǎn)移系數(shù)在0.55～0.98之間。培養(yǎng)液中c(Al3+)：c(F－)為1：2和1：10時(shí)，F(xiàn)在茶樹體內(nèi)的轉(zhuǎn)移系數(shù)與對照(0.52)相當(dāng)，分別為0.55和0.57。但當(dāng)培養(yǎng)液中c(Al3+)：c(F－)為1：1、1：3和1：5時(shí)，F(xiàn)從茶樹根部向地上部分轉(zhuǎn)移能力增強(qiáng)，分別為0.97、0.94和0.98此時(shí)茶樹葉部F的含量也比對照增加了64.44%、142.84%和106.54%。

茶樹體內(nèi)的F主要是以F－或Al/F絡(luò)合物的形式存在，具有向生長部位轉(zhuǎn)移的特性，并隨葉片生長而累積[3]。阮建云等[7]研究表明，茶樹根系從溶液中和土壤中吸收的F通過木質(zhì)部向地上部運(yùn)輸，主要在茶樹葉片中積累，分布在莖和根系中的量非常有限。Liang等[20]認(rèn)為Al/F絡(luò)合物 (AlF2+、A1F2+、AlF4－)是茶樹體內(nèi)F的主要存在和運(yùn)輸形態(tài)，且茶樹葉片中F、Al濃度呈顯著正相關(guān)。Nagata等[21]利用27Al-NMR和19F-NMR研究顯示，茶樹從土壤中吸收的F在木質(zhì)部以Al/F絡(luò)合物形態(tài)向地上部分運(yùn)輸，并以A1Fn3-n的形式存在于葉片中。F、Al按一定比例絡(luò)合并富集于葉片等器官中，消除了F－和Al3+本身的毒性，這可能是茶樹高富集F的重要生理機(jī)制。

3 結(jié) 論

3.1 低濃度Al3+促進(jìn)了F在茶樹根部的富集，且主要以F離子態(tài)形式被茶樹吸收；而高濃度Al3+抑制了F在茶樹根部的富集，且主要以Al/F絡(luò)合態(tài)形式被茶樹吸收。當(dāng)培養(yǎng)液中c(Al3+)：c(F－)≥1時(shí)，抑制了茶樹根部對F的吸收富集，而c(Al3+)：c(F－)＜1時(shí)，促進(jìn)了茶樹根部對F的吸收富集。加入不同濃度Al3+促進(jìn)了F在茶樹葉部的富集。

3.2 隨c(Al3+)：c(F－)比例減小，Al/F絡(luò)合物所帶正電荷數(shù)的減少，茶苗吸收F－占吸收總F的比例逐步增加。當(dāng)c(Al3+)：c(F－)=1：3時(shí)，F(xiàn)在茶樹體內(nèi)的富集量大于帶正電荷的Al/F絡(luò)合物，而小于帶負(fù)電荷的氟離子。

3.3 Al促進(jìn)了茶樹體內(nèi)氟向地上部分轉(zhuǎn)移，尤以當(dāng)c(Al3+)：c(F－)為1：1、1：3、1：5時(shí)，F(xiàn)從茶樹根部向地上部分轉(zhuǎn)移系數(shù)最高。

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