鋁對茶樹光合特性和葉片超微結構的影響

李春雷+倪德江

摘要：采用水培法研究鋁對茶樹（Camellia sinensis L.）葉片葉綠素含量、凈光合速率、葉片超微結構的影響。結果表明，隨著鋁濃度的增大，茶樹葉片葉綠素含量和凈光合速率均是先升高后降低。通過透射電鏡發現，在中低濃度鋁處理下，茶樹葉片細胞超微結構破壞較輕，只是脂質球增多，淀粉粒變大，但在高濃度（12 mg/L）鋁處理下，葉片細胞結構破壞嚴重，如葉綠體膜溶解、類囊體片層扭曲加重。以上結果表明茶樹對鋁有一定耐性，但高濃度的鋁將對茶樹產生傷害。

關鍵詞：茶樹（Camellia sinensis L.）；光合特性；超微結構；鋁

中圖分類號：S571.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）03-0604-03

鋁元素是地殼中含量最豐富的金屬元素，在pH小于5.5的土壤中，當Al3+的濃度超過2 mg/kg許多植物就出現中毒現象，因此，過量的鋁被認為是酸性土壤中限制植物生長的主要因素[1]。鋁對植物的毒害主要表現在促進活性氧的產生以及膜脂質過氧化反應，導致DNA的損壞和細胞死亡，抑制植物生長[2-4]。茶樹是喜酸性植物，適宜的pH為4.5～5.5，茶園土壤中總鋁濃度有的高達20 000 mg/kg[5]，茶樹葉片中的鋁含量可達250～9 000 mg/kg[6]，老葉中甚至達到了30 000 mg/kg[7]。目前關于環境及茶樹葉片中高含量的鋁對茶樹光合特性及細胞超微結構的影響鮮見報道，為此以福鼎大白茶為材料，采用水培法研究不同濃度鋁處理下茶樹葉片光合作用和細胞超微結構的變化，以期為進一步探討茶樹對鋁的耐性機制奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試茶樹品種為福鼎大白茶，由湖北省農業科學院果樹茶葉研究所提供的一年生扦插苗。

1.2 試驗設計

試驗在溫室中進行，栽植前先用自來水充分清洗茶苗根部，再用去離子水洗凈，將長勢、大小一致的茶苗在1/2 Hogland+Arnon培養液中培養10 d，然后進行鋁處理，每5 d換一次營養液，pH 5.5，每隔1d用NaOH或HCl調一次pH，每隔3 h通氣1 h。所用鋁為硫酸鋁[Al2（SO4）3·18H2O]，設置4個鋁處理濃度，Al3+濃度分別為2、4、8、12 mg/L，以不進行鋁處理的作對照，處理30 d后進行各項指標的測定。

1.3 葉綠素含量及凈光合速率的測定

鋁處理30 d后，采集第三葉序處完全展開的功能葉片進行葉綠素含量的測定。葉綠素含量采用丙酮萃取分光光度法測定[8]。

早上將茶苗置于室外，于13：00采用TPS-1便攜式光合測定儀（PP SYSTEMS，MA，USA）測定各處理葉片的凈光合速率。每處理測6株，每株取第三葉序處的功能葉，共6次重復。

1.4 透射電鏡分析細胞超微結構

采集第三葉序處功能葉的中部近主脈0.5 mm處葉片，再切成1 mm×1 mm的樣品塊，然后用預冷的2.5%戊二醛前固定，在pH 7.4、0.1 mol/L的磷酸緩沖液中沖洗3次，用1%的鋨酸后固定2 h，再用丙酮梯度脫水，SPI-812樹脂滲透、包埋。Leica UC6超薄切片機切成60 nm超薄切片，醋酸鈾、檸檬酸鉛染色后，80 kV下用日立H-7650型透射電鏡進行觀察，Gatan832數字成像系統（Gatan，美國）記錄、拍照。

1.5 統計分析

采用Excel和SAS統計軟件包進行處理， 方差分析采用LSD檢驗法。

2 結果與分析

2.1 鋁對茶樹葉片葉綠素含量及凈光合速率的影響

由表1可知，隨著鋁濃度的增大，葉綠素含量和凈光合速率均是先升高后降低。鋁濃度為2、4、8 mg/L時，葉綠素含量和凈光合速率均顯著高于對照，葉綠素含量在鋁濃度為4 mg/L時達到最大值，與其他濃度處理的差異顯著，凈光合速率在鋁濃度為2 mg/L時達到最大值，與鋁濃度為4 mg/L時的差異不顯著，但與其他濃度處理的差異均顯著，而當鋁濃度達到12 mg/L時，葉綠素含量和凈光合速率均顯著下降，低于其他的處理。這說明一定濃度的鋁促進了茶樹葉片中葉綠素的合成和提高了凈光合速率，表明茶樹對鋁有一定的耐性，但過高濃度的鋁將會阻礙葉綠素的合成和降低光合作用。

2.2 鋁對茶樹葉片細胞超微結構的影響

鋁對茶樹葉片細胞超微結構的影響見圖1。從圖1可以看出，對照細胞中葉綠體完整，呈橢圓形，緊貼細胞壁，葉綠體的雙層被膜及細胞壁、細胞膜清晰可見。經2、4 mg/L鋁處理的茶樹葉片中，細胞結構仍然完整，只是葉綠體略微變形，葉綠體中脂質球明顯增多（圖1a中的黑色小點），出現較大的淀粉粒（圖1b）；線粒體呈圓形，結構完整，線粒體膜和嵴清晰。經8 mg/L鋁處理的茶樹葉片中，細胞結構出現破壞，葉綠體向細胞中間聚攏，質壁分離現象嚴重，細胞膜斷裂溶解，淀粉粒增多變大，脂質球增多，類囊體片層出現輕微膨脹；線粒體呈圓形，線粒體膜和嵴仍然清晰（圖1c、圖1d）。在12 mg/L鋁處理下，細胞結構破壞嚴重，葉綠體嚴重變形，被膜已經溶解，類囊體片層扭曲加重，線粒體膜仍然可見，但嵴變得模糊甚至消失（圖1e）。由此可見，經鋁處理的茶樹葉片的細胞結構在中、低濃度下，細胞結構雖有損傷，但是并不嚴重，只是在高濃度下，細胞內部結構破壞較明顯。說明茶樹對中、低濃度的鋁有一定的耐性。

3 小結與討論

脂質球是由于葉綠體中類囊體膜結構的破壞導致大量的脂類和蛋白質積累而形成的產物[9]。試驗中，在低濃度鋁處理下，茶樹葉片細胞結構除了脂質球增多并無其他破壞，說明鋁最先攻擊的是細胞的類囊體膜結構。在8 mg/L鋁處理下，葉綠體開始向細胞中間聚攏，膜結構遭到嚴重破壞，葉綠體一個很明顯的特點就是淀粉粒的大量積累，這可能是因為鋁參與了細胞代謝，導致細胞代謝水平降低，生理活性降低，同化物的運輸系統遭到破壞，造成淀粉粒大量積累。當鋁濃度達到12 mg/L時，細胞結構遭到了嚴重破壞。這些結果表明，在中、低濃度的鋁處理下，葉片內部結構破壞并不明顯，只是在高濃度下細胞結構遭到了嚴重破壞，這一現象證實了茶樹對鋁具有一定的耐性。主要原因可能是因為茶樹吸收鋁后主要在葉片細胞壁中積聚[7，10]，遠離代謝中心，避免了對細胞內部結構的傷害，當鋁濃度增大時，可能將鋁運至液泡中儲存。一旦鋁濃度超過一定極限就破壞細胞的結構。

試驗中茶樹葉片葉綠素含量及凈光合速率隨著鋁濃度的增大均是先升高后降低，兩者在2、4、8 mg/L的處理中均高于對照，而當鋁濃度達到12 mg/L時均低于對照。表明低濃度的鋁促進了茶樹葉片葉綠素的合成和光合作用，說明茶樹對鋁有一定的耐性，這也與細胞超微結構的變化基本一致。葉綠體是葉綠素合成和光合作用的主要部位，并且光合作用的光化學過程主要在基粒膜和基質膜上進行，正常的類囊體的排列方式能保證其最大的光面積和光合速率[11]。在中低濃度的鋁處理下，茶樹葉片細胞葉綠體只是遭到了輕微的破壞，未影響光合作用，而高濃度時葉綠體破壞嚴重，類囊體扭曲膨脹，基粒膜和基質膜溶解，基粒減少，這必將減少茶樹對光的吸收，嚴重影響茶樹的光合作用。

線粒體被認為是真核細胞的“動力站”，是細胞呼吸作用的主要地點，含有大量的酶，其中三羧酸循環的酶系主要集中在線粒體的可溶性襯質中，而電子傳遞和氧化磷酸化的酶存在于內膜上，因此是細胞內能量代謝中心。試驗中高濃度的鋁使茶樹葉片細胞線粒體遭到破壞，這必將影響酶分子附著表面的面積，使細胞呼吸減弱，從而導致植物有氧糖代謝受阻，使以ATP形式提供的能量減少。

參考文獻：

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試驗中茶樹葉片葉綠素含量及凈光合速率隨著鋁濃度的增大均是先升高后降低，兩者在2、4、8 mg/L的處理中均高于對照，而當鋁濃度達到12 mg/L時均低于對照。表明低濃度的鋁促進了茶樹葉片葉綠素的合成和光合作用，說明茶樹對鋁有一定的耐性，這也與細胞超微結構的變化基本一致。葉綠體是葉綠素合成和光合作用的主要部位，并且光合作用的光化學過程主要在基粒膜和基質膜上進行，正常的類囊體的排列方式能保證其最大的光面積和光合速率[11]。在中低濃度的鋁處理下，茶樹葉片細胞葉綠體只是遭到了輕微的破壞，未影響光合作用，而高濃度時葉綠體破壞嚴重，類囊體扭曲膨脹，基粒膜和基質膜溶解，基粒減少，這必將減少茶樹對光的吸收，嚴重影響茶樹的光合作用。

線粒體被認為是真核細胞的“動力站”，是細胞呼吸作用的主要地點，含有大量的酶，其中三羧酸循環的酶系主要集中在線粒體的可溶性襯質中，而電子傳遞和氧化磷酸化的酶存在于內膜上，因此是細胞內能量代謝中心。試驗中高濃度的鋁使茶樹葉片細胞線粒體遭到破壞，這必將影響酶分子附著表面的面積，使細胞呼吸減弱，從而導致植物有氧糖代謝受阻，使以ATP形式提供的能量減少。

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試驗中茶樹葉片葉綠素含量及凈光合速率隨著鋁濃度的增大均是先升高后降低，兩者在2、4、8 mg/L的處理中均高于對照，而當鋁濃度達到12 mg/L時均低于對照。表明低濃度的鋁促進了茶樹葉片葉綠素的合成和光合作用，說明茶樹對鋁有一定的耐性，這也與細胞超微結構的變化基本一致。葉綠體是葉綠素合成和光合作用的主要部位，并且光合作用的光化學過程主要在基粒膜和基質膜上進行，正常的類囊體的排列方式能保證其最大的光面積和光合速率[11]。在中低濃度的鋁處理下，茶樹葉片細胞葉綠體只是遭到了輕微的破壞，未影響光合作用，而高濃度時葉綠體破壞嚴重，類囊體扭曲膨脹，基粒膜和基質膜溶解，基粒減少，這必將減少茶樹對光的吸收，嚴重影響茶樹的光合作用。

線粒體被認為是真核細胞的“動力站”，是細胞呼吸作用的主要地點，含有大量的酶，其中三羧酸循環的酶系主要集中在線粒體的可溶性襯質中，而電子傳遞和氧化磷酸化的酶存在于內膜上，因此是細胞內能量代謝中心。試驗中高濃度的鋁使茶樹葉片細胞線粒體遭到破壞，這必將影響酶分子附著表面的面積，使細胞呼吸減弱，從而導致植物有氧糖代謝受阻，使以ATP形式提供的能量減少。

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