氟、鋁對茶樹生理生化特性的影響研究進展

鐘秋生，林鄭和，陳常頌，游小妹，陳志輝，單睿陽

（福建省農業科學院茶葉研究所，福建福安 355015）

研究表明，茶樹是一種高聚氟植物[1]，成熟葉中的氟含量可達1000mg/kg以上[2]。人體攝入適量的氟可以預防齲齒，但過量會引起氟中毒。一般在磚茶中氟含量較高，一些藏族等少數民族地區人類長期大量飲用此類茶葉會出現飲茶型氟中毒[3]；同時，茶樹又是聚鋁植物[4]，在成熟葉中鋁的濃度一般可達到幾千mg/kg，在老葉甚至可以達到30000以上[5]。人體通過飲茶攝入鋁是飲食攝鋁的主要途徑，而鋁對人體而言是一種毒害元素。已有研究表明，人體攝入過量的氟會產生“氟斑牙和氟骨癥”[6-7]，或引起神經系統疾病如阿爾茨海默病（Alzheimerg disease，AD）等。有報道指出，飲茶型氟中毒可能因磚茶同時伴有高鋁而產生聯合作用，即鋁氟聯合中毒的現象[8-9]。因此，茶葉中鋁、氟的研究引起了人們日益關注。

1 氟對茶樹生長及生理生化特性的影響

許多研究認為，氟是對植物有毒的元素[10]，氟富集過量會導致植物生理障礙[11]。主要表現在對新陳代謝的抑制和對細胞結構的破壞，使植物葉綠體和細胞膜系統受損；光合作用、呼吸作用及其他關鍵酶活性受抑制；在葉尖和葉緣出現傷斑，使未成熟葉片受害，葉片褪綠、壞死、脫落，枝梢頂端枯死[12]；植物吸收氟化物后其光合作用明顯受到抑制，與光合作用相關的（RUBP）羧化酶的活性及位于葉綠體膜上的ATP酶的活性均受到了抑制；傷害營養吸收和光合組織[13]；經氟化物傷害的葉片中，表皮細胞、柵欄組織、海綿組織和韌皮部細胞等均出現紅棕色，線粒體膨脹和衰化，葉綠體變圓、基粒減少[14-16]。

茶樹具有從土壤中超累積氟的能力，茶樹氟的含量是生長于同一地點其他植物的10-100倍，卻未見其出現任何受毒害癥狀，可見茶樹對氟的吸收具有很強的累積性[17-18]。低劑量的氟處理試驗對茶樹生長影響不明顯，但高劑量的氟會抑制茶樹生長，并對茶樹產生毒害作用。有研究報道，茶樹對氟耐受極限為0.32 mmol·L-1，暴露于超過此濃度的生長條件下，茶樹的亞細胞結構會有一定程度的破壞[19]。唐茜等[20]研究發現，氟處理抑制了茶樹生長，隨著施氟濃度的增加，福鼎和名山白毫兩品種茶樹的樹高、樹幅、主干直徑、根系和地上部重量都下降。氟濃度增加其抑制作用也增強；李瓊等[21]的研究表明低濃度氟對茶樹生長有一定的促進作用，高濃度氟抑制茶樹生長和茶多酚、氨基酸等的代謝；王小平等[22]研究表明茶葉品質的主要成分均表現為低濃度（4 mg·L–1）的促進生成和高濃度（12 mg·L–1）的抑制產生；隨著氟處理濃度的增加，茶多酚、蛋白質、總兒茶素及其單體含量降低，金屬元素Ca、K、Cu、Zn含量顯著下降，香氣成分總量降低[23]；蔡薈梅等[24]研究發現，經過氟處理的茶樹葉片細胞角質層變薄，在近軸表明有較高濃度的有機酸積累，相反在遠軸表明角質層變厚，有機酸濃度較低；Xiao Yang等[25]水培試驗研究發現，氟濃度低于 4 mg·L-1時增加了兒茶素類的合成，增強了相關代謝酶的活性，當氟濃度大于8 mg·L-1的則起到了抑制作用。氟處理下福鼎大白茶茶樹葉片葉綠素a、葉綠素 b及總葉綠素含量均低于對照，葉綠素a/b顯著高于對照，氟對葉綠素b的影響大于葉綠素a，氟對類胡蘿卜素含量影響不顯著[26]；氟化物降低了葉綠體ATP酶合成ATP的能力[27]；較高濃度的氟會引起葉綠體膜結構破壞，葉綠素含量降低[28]；李春雷等[23]研究表明：在低氟濃度（＜2 mg/L）范圍，葉綠素含量和光合速率輕微增加，但無顯著差異；鐘秋生等[29]研究發現茶樹葉片的CO2同化速率、氣孔導度、蒸騰速率等均在低濃度氟（100mg·L-1）處理時會出現較小幅度的上升而后下降；經過氟處理的茶苗葉片I點、J點的相對可變熒光和耗散能增加[30]。

近年來，活性氧對植物細胞的毒害作用引起了人們的廣泛關注。研究發現，在低濃度的氟脅迫下，茶苗可通過抗壞血酸谷胱甘肽循環（ASAGSH循環）及體內的抗氧化系統，在一定程度上通過提高抗氧化酶活性，清除氟脅迫下產生的過量自由基，以減輕自由基對膜的傷害，但隨著氟濃度升高，這兩大系統的防御機能達到最大后出現下降[31]，導致過量的自由基攻擊葉綠體類囊體膜上的大分子，而造成細胞膜破裂分解；蔡薈梅等[32]研究發現氟脅迫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]研究發現隨著氟脅迫強度增加，名山131的SOD、CAT活性逐漸降低，福鼎大白茶SOD、CAT活性則先升高后降低，品種間存在一定差異；李春雷等[23]發現隨著氟濃度的升高總SOD及分型SOD活性下降，POD及CAT活性均是先升高后降低。在ASAGSH循環系統中，APX、GR、MDHAR均是先升高后降低，DHAR活性下降顯著；氟處理后，福鼎大白茶茶樹葉片中超氧化物歧化酶（SOD）活性顯著下降；POD和CAT均是先升高后降低，均是在氟處理48 h達到最大值，MDA和H2O2含量隨著處理時間的延長變化不大[34]。

2 鋁對茶樹生長與生理生化特性的影響

在一般情況下，土壤中的鋁以對植物沒有毒害作用的硅酸鹽、磷酸鹽等形式存在，當隨著土壤PH值逐漸降低，進而成為酸性土壤。在酸性土壤環境中，不溶性的鋁化物就轉變為溶解狀態的鋁（Al3+），鋁進入土壤對植物產生毒害作用[35]。許多研究證實，作物處于鋁脅迫下，吸收的鋁主要分布在根部，作物根的伸長受到抑制，隨之地上部分生長降低，新葉變小、卷曲，葉柄萎縮，葉緣褪綠，葉尖死亡，葉片脫落，最終作物的生長發育受到抑制[36]。

已有研究表明，在茶園的酸性土壤中，大量的鋁離子與氟離子結合形成AIF2+等絡合形式。通過這種絡合作用來降低鋁的活性，達到抗鋁和耐鋁的效果。鋁對茶樹生長發育有著雙重影響，表現為較低濃度鋁水平下，促進茶樹生長；鋁脅迫下，抑制茶樹生長。茶苗根莖中鋁含量均隨著鋁處理的質量濃度的增加而明顯增加，而葉中含量影響不大[37]；當鋁離子濃度超過10 mg/L時，會使茶幼苗受害[38]或根部受害[39]；低質量濃度的鋁（20mg·L-1） 有利于茶樹根細胞膜的穩定，缺鋁 （0 mg·L-1，CK）和高鋁（100mg·L-1）均使根細胞膜透性顯著降低。有機酸總量隨鋁濃度升高呈現先降低后升高的趨勢[94]；鋁可以促進茶樹花粉管的伸長，促進莖分化根[40]。

鋁處理明顯促進茶樹生長發育，增加茶樹葉片葉綠素的含量，并提高了SOD、CAT、POD活性，使MDA含量降低[41]；低濃度的鋁處理降低茶樹的MDA含量，促進茶樹POD、CAT和Pro含量增加。而高濃度則反之[42]；隨著Al3+濃度的增加，茶樹葉片柵欄組織細胞排列趨向疏松、空隙增大，海綿組織細胞排列無序程度增加[43]；此外，鋁參與茶氨酸轉化兒茶素的過程[44]，可以改善茶湯的湯色和滋味，但降低綠茶的嫩度[45]；在水培時，鋁濃度為10-50mgL-1時可以提高茶多酚、氨基酸和Vc等與茶葉品質密切相關的化學成分，而過高濃度的鋁（如100mg/L-1）有負面作用[46]；在生產上施鋁肥濃度應小于20mg/L，這樣有利于茶葉品質的形成[47]。

低濃度的鋁能促進山茶屬植物的光合作用和CO2同化能力，提高干物質的積累，高濃度鋁抑制山茶屬植物的光合作用[48]。小西茂毅[49]等報道，鋁可以促進光合作用，提高光合效率，促進CO2同化產物的累積；阮宇成等[50]通過砂培試驗，發現鋁對茶樹的生理效應表現在增加了葉綠素含量，增強了其凈光合作用，同時CO2同化能力得到提高；應小芳[51]等關于鋁與植物葉片光合參數變化關系的研究結果表明，在鋁處理下，植物葉片的光合速率都下降，導致光合作用降低。

鋁對茶樹吸收Ca、P、K、Mg等其它營養元素也有一定的的影響。鋁對茶苗營養元素Ca、K、Mg的吸收影響不大，對P的吸收有促進作用，在一定程度上體現出茶樹對鋁的耐性[52]。研究發現，用鋁含量8-32 mg·kg-1的水培的茶苗，對N、P、K三要素的吸收分別比對照增加4-5倍、3-4倍和2-3.7倍[44]；方興漢等[53]分析水培液培養的茶樹體內無機成分如N、K、Mn、B等的吸收積累量，隨著鋁濃度的升高而增加。而P、Ca、Cu等只在較低的鋁濃度（2mg·L-1左右）下，有利于被吸收。另有報道，施鋁可以促使鐵向地上部分移動，可以提高茶樹對Fe3+和Fe2+-EDTA的吸收利用。鋁還可以影響茶樹的耐錳性，在水培條件下，可以抑制過量錳的危害[36]。

3 氟-鋁交互處理對茶樹生長與生理特性的影響

氟有較強的絡合金屬離子的能力，能夠與鋁、鈣、鎂等形成穩定的配位化合物[54]，氟鋁關系尤為密切。茶園土壤的酸性環境中氟和鋁構成一個平衡的體系，以 Al3+、AlF2+、AlF2+、AlF3和 AlF4-等形式共同存在[55-56]。氟、鋁在茶樹中的各方面研究已經取得重大進展，以往的研究大多限于對氟鋁單因素的研究，近年來，開始將氟鋁兩個處理結合起來研究作為研究的一個新方向，并取得一定進展：在氟鋁交互處理下，在鋁濃度為40 mg/L、氟濃度為8 mg/L時茶苗葉面積的增長量最大[57]；鋁與氟之間聯合作用對脲酶、蛋白酶、過氧化物酶、過氧化氫酶等活性產生了顯著或極顯著的交互效應，其作用方式因鋁、氟處理濃度組合、酶及茶樹品種的不同而不同[58]；同時發現，在茶樹體內代謝中鋁、氟之間存在一定的相關性；A13+促進了茶樹體內 F 向地上部分轉移，尤以 c（A13+）：c（F-）為 1:1、1:3、1:5 時，F從茶樹根部向地上部分轉移系數最高[59]。

鋁和氟的不同交互比例產生不同程度的交互效應，減弱本身毒性。鋁氟交互作用對茶樹生理機制的影響顯著優于單鋁和單氟處理，且其作用存在一定比例范圍，且不同品種間不一致[60]；如在鋁氟比例分別為 30/4、30/12和90/4、90/12兩個過程中，安吉白茶鮮葉中各品質成分含量均呈現上升趨勢，表現為協同作用，而智仁早茶呈現下降趨勢，拮抗對方的促進效應[61]；向勤锃等[62]研究氟鋁脅迫下對茶樹組培小苗的生長及其蛋白質的影響發現，不同濃度氟、鋁培養條件下的茶苗在蛋白質譜帶上存在差異，可能是氟、鋁的共同作用，使茶樹某些基因得到表達；氟和鋁按一定比例絡合并富集于葉片等器官中，消除了氟和鋁本身的毒性，這可能是茶樹高富集氟的重要生理機制[63]。

4 結束語

隨著全球范圍內酸性物質沉降的日益嚴重以及不合理的施用化肥引起土壤酸化，土壤中可溶性鋁的數量增加，移動性增強，鋁的毒害問題已成為限制酸性土壤地區作物生長的主要因素之一。茶樹（Camellia sinensis L.）是一種既超積累鋁，又富集大量氟的重要經濟作物。氟具有高度的生物活性，與鋁形成較穩定Al-F絡合物，有效降低氟的生物毒性[64]。因此，筆者認為研究氟鋁交互作用對茶樹生長，生理的影響機理方面的研究仍然將會是日后研究的熱點。如茶樹根系吸收、轉運氟及鋁的具體形式和機制；鋁及其他金屬離子如鎂、鈣等與氟的絡合機制及對茶樹富集氟的影響機制；氟、鋁在茶樹亞細胞存在形式及結合位點、鋁與氟共同作用對茶葉品質的影響及對茶樹光合作用及相關代謝酶類的影響、參與調控茶樹富集氟及鋁的基因或蛋白質等等方面的研究。深入這些問題的研究，對全面闡明茶樹對氟的吸收、運輸、轉運及富集機制、降低或調控茶樹吸收氟的含量、選育低氟茶樹品種等方面都有重要意義。