铝对茶树光合特性和叶片超微结构的影响

李春雷+倪德江

摘要：采用水培法研究铝对茶树（Camellia sinensis L.）叶片叶绿素含量、净光合速率、叶片超微结构的影响。结果表明，随着铝浓度的增大，茶树叶片叶绿素含量和净光合速率均是先升高后降低。通过透射电镜发现，在中低浓度铝处理下，茶树叶片细胞超微结构破坏较轻，只是脂质球增多，淀粉粒变大，但在高浓度（12 mg/L）铝处理下，叶片细胞结构破坏严重，如叶绿体膜溶解、类囊体片层扭曲加重。以上结果表明茶树对铝有一定耐性，但高浓度的铝将对茶树产生伤害。

关键词：茶树（Camellia sinensis L.）；光合特性；超微结构；铝

中图分类号：S571.1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）03-0604-03

铝元素是地壳中含量最丰富的金属元素，在pH小于5.5的土壤中，当Al3+的浓度超过2 mg/kg许多植物就出现中毒现象，因此，过量的铝被认为是酸性土壤中限制植物生长的主要因素[1]。铝对植物的毒害主要表现在促进活性氧的产生以及膜脂质过氧化反应，导致DNA的损坏和细胞死亡，抑制植物生长[2-4]。茶树是喜酸性植物，适宜的pH为4.5～5.5，茶园土壤中总铝浓度有的高达20 000 mg/kg[5]，茶树叶片中的铝含量可达250～9 000 mg/kg[6]，老叶中甚至达到了30 000 mg/kg[7]。目前关于环境及茶树叶片中高含量的铝对茶树光合特性及细胞超微结构的影响鲜见报道，为此以福鼎大白茶为材料，采用水培法研究不同浓度铝处理下茶树叶片光合作用和细胞超微结构的变化，以期为进一步探讨茶树对铝的耐性机制奠定基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试茶树品种为福鼎大白茶，由湖北省农业科学院果树茶叶研究所提供的一年生扦插苗。

1.2 试验设计

试验在温室中进行，栽植前先用自来水充分清洗茶苗根部，再用去离子水洗净，将长势、大小一致的茶苗在1/2 Hogland+Arnon培养液中培养10 d，然后进行铝处理，每5 d换一次营养液，pH 5.5，每隔1d用NaOH或HCl调一次pH，每隔3 h通气1 h。所用铝为硫酸铝[Al2（SO4）3·18H2O]，设置4个铝处理浓度，Al3+浓度分别为2、4、8、12 mg/L，以不进行铝处理的作对照，处理30 d后进行各项指标的测定。

1.3 叶绿素含量及净光合速率的测定

铝处理30 d后，采集第三叶序处完全展开的功能叶片进行叶绿素含量的测定。叶绿素含量采用丙酮萃取分光光度法测定[8]。

早上将茶苗置于室外，于13：00采用TPS-1便携式光合测定仪（PP SYSTEMS，MA，USA）测定各处理叶片的净光合速率。每处理测6株，每株取第三叶序处的功能叶，共6次重复。

1.4 透射电镜分析细胞超微结构

采集第三叶序处功能叶的中部近主脉0.5 mm处叶片，再切成1 mm×1 mm的样品块，然后用预冷的2.5%戊二醛前固定，在pH 7.4、0.1 mol/L的磷酸缓冲液中冲洗3次，用1%的锇酸后固定2 h，再用丙酮梯度脱水，SPI-812树脂渗透、包埋。Leica UC6超薄切片机切成60 nm超薄切片，醋酸铀、柠檬酸铅染色后，80 kV下用日立H-7650型透射电镜进行观察，Gatan832数字成像系统（Gatan，美国）记录、拍照。

1.5 统计分析

采用Excel和SAS统计软件包进行处理， 方差分析采用LSD检验法。

2 结果与分析

2.1 铝对茶树叶片叶绿素含量及净光合速率的影响

由表1可知，随着铝浓度的增大，叶绿素含量和净光合速率均是先升高后降低。铝浓度为2、4、8 mg/L时，叶绿素含量和净光合速率均显著高于对照，叶绿素含量在铝浓度为4 mg/L时达到最大值，与其他浓度处理的差异显著，净光合速率在铝浓度为2 mg/L时达到最大值，与铝浓度为4 mg/L时的差异不显著，但与其他浓度处理的差异均显著，而当铝浓度达到12 mg/L时，叶绿素含量和净光合速率均显著下降，低于其他的处理。这说明一定浓度的铝促进了茶树叶片中叶绿素的合成和提高了净光合速率，表明茶树对铝有一定的耐性，但过高浓度的铝将会阻碍叶绿素的合成和降低光合作用。

2.2 铝对茶树叶片细胞超微结构的影响

铝对茶树叶片细胞超微结构的影响见图1。从图1可以看出，对照细胞中叶绿体完整，呈椭圆形，紧贴细胞壁，叶绿体的双层被膜及细胞壁、细胞膜清晰可见。经2、4 mg/L铝处理的茶树叶片中，细胞结构仍然完整，只是叶绿体略微变形，叶绿体中脂质球明显增多（图1a中的黑色小点），出现较大的淀粉粒（图1b）；线粒体呈圆形，结构完整，线粒体膜和嵴清晰。经8 mg/L铝处理的茶树叶片中，细胞结构出现破坏，叶绿体向细胞中间聚拢，质壁分离现象严重，细胞膜断裂溶解，淀粉粒增多变大，脂质球增多，类囊体片层出现轻微膨胀；线粒体呈圆形，线粒体膜和嵴仍然清晰（图1c、图1d）。在12 mg/L铝处理下，细胞结构破坏严重，叶绿体严重变形，被膜已经溶解，类囊体片层扭曲加重，线粒体膜仍然可见，但嵴变得模糊甚至消失（图1e）。由此可见，经铝处理的茶树叶片的细胞结构在中、低浓度下，细胞结构虽有损伤，但是并不严重，只是在高浓度下，细胞内部结构破坏较明显。说明茶树对中、低浓度的铝有一定的耐性。

3 小结与讨论

脂质球是由于叶绿体中类囊体膜结构的破坏导致大量的脂类和蛋白质积累而形成的产物[9]。试验中，在低浓度铝处理下，茶树叶片细胞结构除了脂质球增多并无其他破坏，说明铝最先攻击的是细胞的类囊体膜结构。在8 mg/L铝处理下，叶绿体开始向细胞中间聚拢，膜结构遭到严重破坏，叶绿体一个很明显的特点就是淀粉粒的大量积累，这可能是因为铝参与了细胞代谢，导致细胞代谢水平降低，生理活性降低，同化物的运输系统遭到破坏，造成淀粉粒大量积累。当铝浓度达到12 mg/L时，细胞结构遭到了严重破坏。这些结果表明，在中、低浓度的铝处理下，叶片内部结构破坏并不明显，只是在高浓度下细胞结构遭到了严重破坏，这一现象证实了茶树对铝具有一定的耐性。主要原因可能是因为茶树吸收铝后主要在叶片细胞壁中积聚[7，10]，远离代谢中心，避免了对细胞内部结构的伤害，当铝浓度增大时，可能将铝运至液泡中储存。一旦铝浓度超过一定极限就破坏细胞的结构。

试验中茶树叶片叶绿素含量及净光合速率随着铝浓度的增大均是先升高后降低，两者在2、4、8 mg/L的处理中均高于对照，而当铝浓度达到12 mg/L时均低于对照。表明低浓度的铝促进了茶树叶片叶绿素的合成和光合作用，说明茶树对铝有一定的耐性，这也与细胞超微结构的变化基本一致。叶绿体是叶绿素合成和光合作用的主要部位，并且光合作用的光化学过程主要在基粒膜和基质膜上进行，正常的类囊体的排列方式能保证其最大的光面积和光合速率[11]。在中低浓度的铝处理下，茶树叶片细胞叶绿体只是遭到了轻微的破坏，未影响光合作用，而高浓度时叶绿体破坏严重，类囊体扭曲膨胀，基粒膜和基质膜溶解，基粒减少，这必将减少茶树对光的吸收，严重影响茶树的光合作用。

线粒体被认为是真核细胞的“动力站”，是细胞呼吸作用的主要地点，含有大量的酶，其中三羧酸循环的酶系主要集中在线粒体的可溶性衬质中，而电子传递和氧化磷酸化的酶存在于内膜上，因此是细胞内能量代谢中心。试验中高浓度的铝使茶树叶片细胞线粒体遭到破坏，这必将影响酶分子附着表面的面积，使细胞呼吸减弱，从而导致植物有氧糖代谢受阻，使以ATP形式提供的能量减少。

参考文献：

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[11] TREBST A. Energy conservation in photosynthetic transport chloroplasts[J]. Annual Review of Plant Physiology，1974，25：423-458.

试验中茶树叶片叶绿素含量及净光合速率随着铝浓度的增大均是先升高后降低，两者在2、4、8 mg/L的处理中均高于对照，而当铝浓度达到12 mg/L时均低于对照。表明低浓度的铝促进了茶树叶片叶绿素的合成和光合作用，说明茶树对铝有一定的耐性，这也与细胞超微结构的变化基本一致。叶绿体是叶绿素合成和光合作用的主要部位，并且光合作用的光化学过程主要在基粒膜和基质膜上进行，正常的类囊体的排列方式能保证其最大的光面积和光合速率[11]。在中低浓度的铝处理下，茶树叶片细胞叶绿体只是遭到了轻微的破坏，未影响光合作用，而高浓度时叶绿体破坏严重，类囊体扭曲膨胀，基粒膜和基质膜溶解，基粒减少，这必将减少茶树对光的吸收，严重影响茶树的光合作用。

线粒体被认为是真核细胞的“动力站”，是细胞呼吸作用的主要地点，含有大量的酶，其中三羧酸循环的酶系主要集中在线粒体的可溶性衬质中，而电子传递和氧化磷酸化的酶存在于内膜上，因此是细胞内能量代谢中心。试验中高浓度的铝使茶树叶片细胞线粒体遭到破坏，这必将影响酶分子附着表面的面积，使细胞呼吸减弱，从而导致植物有氧糖代谢受阻，使以ATP形式提供的能量减少。

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试验中茶树叶片叶绿素含量及净光合速率随着铝浓度的增大均是先升高后降低，两者在2、4、8 mg/L的处理中均高于对照，而当铝浓度达到12 mg/L时均低于对照。表明低浓度的铝促进了茶树叶片叶绿素的合成和光合作用，说明茶树对铝有一定的耐性，这也与细胞超微结构的变化基本一致。叶绿体是叶绿素合成和光合作用的主要部位，并且光合作用的光化学过程主要在基粒膜和基质膜上进行，正常的类囊体的排列方式能保证其最大的光面积和光合速率[11]。在中低浓度的铝处理下，茶树叶片细胞叶绿体只是遭到了轻微的破坏，未影响光合作用，而高浓度时叶绿体破坏严重，类囊体扭曲膨胀，基粒膜和基质膜溶解，基粒减少，这必将减少茶树对光的吸收，严重影响茶树的光合作用。

线粒体被认为是真核细胞的“动力站”，是细胞呼吸作用的主要地点，含有大量的酶，其中三羧酸循环的酶系主要集中在线粒体的可溶性衬质中，而电子传递和氧化磷酸化的酶存在于内膜上，因此是细胞内能量代谢中心。试验中高浓度的铝使茶树叶片细胞线粒体遭到破坏，这必将影响酶分子附着表面的面积，使细胞呼吸减弱，从而导致植物有氧糖代谢受阻，使以ATP形式提供的能量减少。

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