茶树吸收富集氟的机制研究进展

黄鑫，宋晓维，陈玉琼

华中农业大学园艺林学学院 园艺植物生物学教育部重点实验室，湖北 武汉，430070

茶树吸收富集氟的机制研究进展

黄鑫，宋晓维，陈玉琼*

华中农业大学园艺林学学院 园艺植物生物学教育部重点实验室，湖北 武汉，430070

茶树有聚氟特性，通常氟含量比其他植物高出几十倍，也不会表现受害症状。本文主要阐述了茶树吸收富集氟的特点，氟对茶树的生理影响及茶树吸收、富集氟机制的主要研究成果，并对茶树吸收富集氟的后续研究提出一些思考。

茶树；氟；富集机制

茶树（Camellia sinensis L. O. Kuntze）是有较强富集氟能力的几种植物之一，可吸收、富集分散在大气、水和土壤中的氟[1]。叶片是茶树富集氟的主要器官[2]，因而，饮茶成为人们摄取氟的方式之一[3]。氟是人体所需要的一种微量元素，适量的氟能促进人体骨骼和牙齿的钙化[4]、增加骨骼强度，并促进牙釉质的形成，防治龋齿[5-6]；但若长期摄入过量氟化物，将干扰人体钙代谢和骨组织中胶原蛋白合成，引起氟中毒，临床表现为氟斑牙、氟骨病和尿氟增高等[7-9]。世界卫生组织（WHO）规定，人均每天适宜的氟摄入量（Adequate intakes, AI）为2.5～4.0 mg[10]。据此，我国农业部规定了茶叶中氟化物含量不得超过200mg·kg-1[11]。因此，茶树富集氟的特点，以及如何降低茶叶中的氟已引起人们的广泛关注。研究茶树吸收、富集氟的机制对如何有效降低茶叶中的氟具有重要意义。

1 茶树富集氟的特点

1.1氟在茶树器官、亚细胞分布

茶苗体内的氟是可以转移的[12]，沙济琴等[13]通过对茶树各器官的含氟量分析发现，叶片（尤其是老叶）是茶树积累氟的主要器官，占全株氟含量的98.1%。李春雷[14]研究了茶树叶片和根亚细胞中氟的富集规律，发现细胞壁是氟的主要富集部位，突破细胞壁进入原生质体的氟主要富集在细胞的液泡中。房峰祥[15]通过对茶树叶片细胞壁改性探究了不同多糖组分与氟的结合规律，发现纤维素和半纤维素对氟的富集能力较果胶强，且细胞壁官能团-COOH和-NH2在氟与细胞壁结合中有重要作用，根系和叶片细胞壁中多糖的存在形式对茶树吸收和富集氟可能会有一定影响。

1.2不同茶树品种对氟富集的差异

茶树对氟的积累特性与品种有关[16]，主要受茶树基因型控制。不同茶树品种之间的氟含量差异显著。据朱晓静等[16]分析，同一生长环境下，梅占一芽三叶氟含量为192.5mg·kg-1，福鼎大白茶则为132.5mg·kg-1；Yang等[17]用含4mg·L-1氟的营养液处理福云六号一年生茶苗4周，处理后叶片中氟含量为168.22mg·kg-1，显著低于乌牛早叶片氟含量（246.56mg·kg-1）。茶树主要通过根系吸收富集氟，根系活力大小与茶树根系氟含量存在显著相关性，因此，茶树根系活力的变化可能是引起茶树不同品种间氟吸收差异的因素之一。也有研究表明，茶树氟累积会受到茶树分枝角度的影响[18]，而这种分枝特性受中度至较强程度的遗传控制[19]，另外也有研究推测茶树的顶端优势与激素分配造成的生长势不同会影响氟的吸收，但二者关系及对氟吸收富集的影响还有待进一步研究。

2 氟对茶树生理代谢的影响

氟对茶树生理代谢具有双重作用。低浓度的氟可促进茶树的正常生理代谢，有利于根尖伸长区生长；高浓度氟对根系伸长具有一定的抑制作用，甚至会引发茶树逆境胁迫，导致根系细胞膜损伤、通透性增加[20]，茶树叶片细胞超微结构的破坏[21]，削弱茶树叶片的光合电子传递能力[22]，从而影响其光合效率[23-24]。李春雷等[24]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（ASA-GSH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[21]，引起过量的自由基攻击叶绿体类囊体膜上的大分子，从而造成细胞膜的裂解，导致叶绿体膜结构破坏，叶绿素含量下降。有研究报道，茶树对氟也有一定的耐受极限，其氟浓度耐受极限为0.32mmol·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[21]。

3 茶树吸收、富集氟的机制

3.1根系吸收、运输氟的机制

在没有大气氟污染的情况下，根系是茶树吸收、运输氟的主要器官[25]。较低浓度氟溶液中，茶树根系通过主动吸收并富集氟，吸收动力学曲线符合Michalis-Menten动力学模型；在高浓度氟溶液中，茶树对氟的吸收随外界氟浓度的升高而呈线性增长，表现为被动吸收[26]。张磊[27]认为，茶树根系在吸收氟离子时存在一个S-型阴离子通道，阴离子通道抑制剂四甲基氯化铵（Tetramethylammonium chloride, TMACI）可以显著抑制茶树根系对氟的吸收[28]，因此，阴离子通道可能是氟进入茶苗体内的主要途径之一。在含氟介质中，茶树具有较强的运输和有效转运氟的能力[14]。很多学者认为氟在植物体内吸收、运转的主要形态为氟铝络合物。小西茂毅等[29]曾根据茶树体内的氟、铝含量及分布的明显相关性，提出茶树体内氟铝络合物（AlFn3-n）的解毒机制假说。Akio Morita及Nagata等[30-31]通过27Al和19F-NMR鉴定表明，茶树木质部汁液中Al-柠檬酸是茶树运输氟的主要方式，其次是Al-苹果酸、Al-草酸和F-Al络合物。因此，可以归纳为氟离子主要通过阴离子通道进入茶树根系，通过木质部向地上部运输。有关氟在木质部运输的形式存在争议。一种是Nagata等[31]和Liang等[32]认为直接以氟铝络合物形式迁移；另一种是Akio Morita等[30]认为的铝、氟分别迁移，到叶片后再进行积累。这种吸收存储模式使茶树叶片积累大量氟的同时又可以让茶树保持正常生理状况而不受氟的毒害。

3.2茶树细胞壁、液泡对氟的固定作用

植物细胞壁主要是由多糖、蛋白质和木质素等组成的一个复合体，广泛参与植物生长发育及各种逆境胁迫响应，是重金属离子及其他有害元素进入细胞质的第一道屏障[33]。细胞壁中的蛋白质、多糖和果胶等生物大分子含有醛基、羧基、氨基和磷酸盐等基团结构，提供了可结合大量金属离子的交换位点[34-36]，其含量的变化都会影响细胞壁对其他金属离子如铝、铅、锰等的结合[37-38]，如互花米草的细胞壁和液泡是富集镉和锌的主要场所[39]，枸杞细胞壁中钒的含量占细胞中总钒含量的30.1%～52.4%[40]。房峰祥[15]分析不同品种茶树叶片细胞壁组成、金属离子含量变化时发现，细胞壁组成及结合金属离子的变化与叶片氟含量有重要关系，是影响细胞壁与氟结合的重要因素。Yang等[17]通过氟胁迫茶树幼苗，分析显示茶树叶片木质素含量与叶片中氟含量呈一致趋势，都随氟胁迫浓度增加而增加。木质素是植物细胞壁的主要成分之一，细胞壁可能是茶树叶片累积氟的重要部位，从而减少氟对茶树的毒害作用。液泡含有多种蛋白质、有机酸、植物碱和盐类等物质，是植物积累和贮存养料及多种代谢产物的重要器官，胞质中过剩的中间产物可被液泡吸收和贮存，减少对酶和细胞器的伤害[41]。随着茶树叶片的生长发育，根部的氟逐渐向叶片细胞壁累积，也有原生质体中氟向液泡迁移的可能性，细胞壁沉淀和液泡的区隔化作用使氟远离原生质这一生理代谢活动中心而不影响茶树细胞正常生理活动[14]，这可能是茶树富集氟的机制之一。

茶树细胞壁是富集氟的重要场所，那么，研究如何通过调控细胞壁富集氟和各种重金属离子对于进一步理解茶树富集氟的分子机理具有重要作用。

3.3氟与金属离子交互作用

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[13]。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[42-43]。茶树器官也有富铝作用，Ruan等[44]研究显示，不同浓度Al3+促进了氟在茶树叶部的富集，同时，在一定的比例范围内，铝氟交互作用对茶树生理机制的影响显著优于单独的铝和氟处理[45]。向勤锃等[46]研究发现，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[47]。将氟铝结合分析，能发现更多关于氟和铝的新规律，这对于进一步研究茶树耐铝和富集氟的生理机制有重要意义。氟也可与钙发生络合，王丽霞[18]研究表明，随着氟处理浓度的增大，细胞壁中氟和钙的分配比率都在增加，说明细胞壁溶质中的钙质与氟络合，参与了氟的富集。彭传燚[48]研究认为氟在茶树叶片表面也会与镁、钙、铝结合，在叶片远轴面以MgF2形式存在，叶片的近轴面主要以AlF3存在，同时可能存在少量的MgF2或者CaF2。李春雷[14]、Ruan等[49]研究发现，增加水培营养液和土培中的钙，茶树叶片中的氟含量均显著减少，可能因为钙可以与氟形成CaF2，减轻了氟对茶苗的毒害。同时有研究显示，铝对茶树富集氟的促进作用可被阴离子通道抑制剂4,4-二异硫氰-2,2-二磺酸（4,4-diisothiocyanostilbene-2,2-disulfonic acid, DIDS）所抑制，且Ca2+/CaM和膜电位去极化可能涉及此过程[50]。

3.4氟转运吸收的分子机制

近年来在细菌和古生菌中氟化物响应核糖开关的发现，是氟化物生物学的一个重大突破，这些非编码RNA调节不同基因的表达，可激活促进氟离子转运蛋白和相关抵御氟化物的酶的合成，来减轻氟的毒害[51]。现已确定的氟输出蛋白家族（Fluoride exporter, Fex），目前公认有两种不同结构，一种是超家族的变种CLCF，在真菌中CLCF基因编码F-/H+逆向运输蛋白，一般受氟敏感核糖开关控制[52]；另一种是分布更为广泛的家族——细菌中的Fluc（又名CrcB）[53]和真核生物中的Fex2。目前，在真核生物中关于Fex基因的研究主要集中在白色念珠菌、粗糙链孢菌以及酿酒酵母上[54]。通过美国国家生物技术信息中心（National Center of Biotechnology Information, NCBI）平台进行局部序列比对基本检索工具（Basic local alignment search tool, blast）比对发现，粗糙链孢菌Fex1基因序列与茶树水通道蛋白3（Aquaporin protein 3）有50%的同源性，不排除茶树上也存在这种氟运输方式的可能性。Smith等[55]研究酿酒酵母（S. Cererisiae）中Fex蛋白（包含Fex1蛋白和Fex2蛋白），发现这两种蛋白作为氟离子通道的功能在质膜上持续表达，可从氯化物中选择氟化物，直接作用于F-的外排。Liao Y等[56]通过链球菌氟敏感系和耐受系对比研究发现一些差异基因。Zhu L K等[57]也发现氟耐受系链球菌中fabM mRNA表达远高于野生系。这些有关氟离子通道的研究发现也许可为茶树耐氟机制提供一定理论参考。

4 讨论与展望

茶树吸收、富集氟的机制研究已取得一定进展，但仍存在许多有待进一步探索的问题，如茶树根系吸收、运输氟的具体形式及机制；金属离子如钙、铝、镁等与氟的络合机制及对茶树富集氟的影响机制；氟在茶树亚细胞如细胞壁上的存在形式及结合位点、在液泡中的存在形态及其转运机制；参与调控茶树富集氟的基因或蛋白质等。深入研究这些问题，对全面阐明茶树对氟的吸收、运输、转运及富集机制有重要意义。

[1] 董青华, 孙威江, 杨贤强. 茶树吸收氟的根际效应及富集机理研究进展[J]. 亚热带农业研究, 2009, 5(3): 162-166.

[2] 阮建云, 杨亚军, 马立锋. 茶叶氟研究进展：累积特性、含量及安全性评价[J]. 茶叶科学, 2007, 27(1): 1-7.

[3] Koblar A, Tavčar G, Ponikvar-Svet M. Fluoride in teas of different types and forms and the exposure of humans to fluoride with tea and diet [J]. Food Chemistry, 2012, 130(2): 286-290.

[4] 张云桂, 张昊, 朱雯. 砖茶氟的防龋功效及其应用[J]. 茶叶通讯, 2010, 37(4): 7-8.

[5] Borah K K, Bhuyan B, Sarma H P. Lead, arsenic, fluoride, and iron contamination of drinking water in the teagarden belt of Darrang district, Assam, India [J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2010, 169: 347-352.

[6] Suyama E, Tamura T, Ozawa T, et al. Remineralization and acid resistance of enamel lesions after chewinggum containing fluoride extracted fromgreen tea [J]. Australian Dental Journal, 2011, 56(4): 394-400.

[7] Fan Z P, Gao Y H, Wang W, et al. Prevalence of brick tea-type fluorosis in the tibet autonomous region [J]. Journal of Epidemiology, 2016, 26(2): 57-63.

[8] 李曼. 氟骨症相关因素研究进展[J]. 西藏医药, 2016, 37(2): 87-88.

[9] 赵平花. 茶叶氟含量的研究及对人体健康的影响分析[J].福建茶叶, 2016(2): 28-29.

[10] World Health Organization. Guidelines for drinking water quality incorporating first addendum. Third edition [M]. Geneva: WHO Press, 2004: 375-377.

[11] 中华人民共和国农业部. NY 659—2003 茶叶中铬、镐、汞、砷及氟化物限量[S]. 2003: 2-3.

[12] 李丽霞, 杜晓, 何春雷. 水培茶苗对氟的吸收累积特性[J].四川农业大学学报, 2008, 26(1): 59-63.

[13] 沙济琴, 郑达贤. 福建茶树鲜叶含氟量的研究[J]. 茶叶科学, 1994, 14(1): 37-42.

[14] 李春雷. 氟对茶树幼苗生理生化的影响及其作用机制研究[D]. 武汉: 华中农业大学, 2011: 87-90.

[15] 房峰祥. 氟在茶树叶片中的形态、分布及富集机制[D]. 武汉: 华中农业大学, 2014: 16-19.

[16] 朱晓静, 房峰祥, 张月华, 等. 茶叶及茶多糖中氟测定前处理方法的比较研究[J]. 茶叶科学, 2015, 35(2): 145-150.

[17] Yang X, Yu Z, Zhang B B, et al. Effect of fluoride on the biosynthesis of catechins in tea [Camellia sinensis (L.) O. Kuntze] leaves [J]. Scientia Horticulture, 2015, 184: 78-84.

[18] 王丽霞. 茶树对氟的富集及其生理响应机制研究[D]. 咸阳: 西北农林科技大学, 2014: 16-22.

[19] 吴海, 周安佩, 刘东玉, 等. 滇杨落叶期侧芽内源激素含量与分枝特性的关系[J]. 西南林业大学学报, 2013, 33(2): 35-41.

[20] 马士成. 铝对茶树氟吸收、累积、分布特性的影响及其机理研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2012: 28-29.

[21] Li C L, Zheng Y , Zhou J R, et al. Changes of leaf antioxidant system, photosynthesis and ultrastructure in tea plant under the stress of fluorine [J]. Biologia Plantarum, 2011, 55(3): 563-566.

[22] 钟秋生, 林郑和, 陈常颂, 等. 不同浓度氟对茶树幼苗叶片叶绿素荧光特性的影响[J]. 热带亚热带植物学报, 2014, 22(6): 576-583.

[23] Cai H M, Dong Y Y, Li Y Y, et al. Physiological and cellular responses to fluoride stress in tea (Camellia sinensis) leaves [J]. Acta Physiologiae Plantarum, 2016, 38(6): 144.

[24] 李春雷, 倪德江. 氟对幼龄茶树叶绿素含量及抗氧化酶活性的影响[J]. 江苏农业学报, 2015, 31(5): 1149-1153.

[25] 高绪评, 王萍, 王之让, 等. 环境氟迁移与茶叶氟富集的关系[J]. 植物资源与环境, 1997, 6(2): 44-48.

[26] Zhang L, Li Q, Ma L F, et al. Characterization of fluoride uptake by roots of tea plants (Camellia sinensis (L.) O. Kuntze) [J]. Plant and Soil, 2013, 366: 659-669.

[27] 张磊. 茶树氟吸收动力学特性的研究[D]. 北京: 中国农业科学院, 2008: 35-40.

[28] Zhang X C, Gao H J, Zhang Z Z, et al. Influences of different ion channel inhibitors on the absorption of fluoride in tea plants (Camellia sinesis L.) [J]. Plant Growth Regulation, 2013, 69(1): 99-106.

[29] 小西茂毅. 铝对茶树生长的促进作用[J]. 茶叶, 1995, 21(3): 18-22.

[30] Morita A, Horie H, Fujii Y. Chemical forms of aluninum in xylem sap of tea plants (Camellia sinensis L. ) [J]. Phytochemistry, 2004, 65(20): 2775-2780.

[31] Nagata T, Hayatsu M, Kosuge N. Aluminium kinetics in the tea plant using27A1 and19F NMR [J]. Phytochemistry, 1993, 32(4): 771-775.

[32] Liang J Y, Shyu T H, Lin H C. The aluminum complexesin in the xylem sap of tea plant [J]. Journal of the Chinese Agricultural Chemical Society, 1996, 34(6): 695-702.

[33] 刘清泉, 陈亚华, 沈振国, 等. 细胞壁在植物重金属耐性中的作用[J]. 植物生理学报, 2014, 50(5): 605-611.

[34] Allan D, Jarrell W. Proton and copper adsorption to maize and soybean root cell walls [J]. Plant Physiol, 1989, 89(3): 823-832.

[35] 徐劼, 保积庆, 于明革, 等. 茶树根细胞壁对铅的吸附作用[J]. 应用生态学报, 2014, 25(2): 427-432.

[36] 刘婷婷, 彭程, 王梦, 等. 海州香薷根细胞壁对铜的吸附固定机制研究[J]. 环境科学学报, 2014, 34(2): 514-523.

[37] Memon A R, Schröder P. Implications of metal accumulation mechanisms to phytoremediation [J]. Environmental Science and Pollution Research, 2009, 16(2): 162-175.

[38] 裴惠娟, 张满效, 安黎哲. 非生物胁迫下植物细胞壁组分变化[J]. 生态学杂志, 2011, 30(6): 1279-1286.

[39] 潘秀, 石福臣, 刘立民, 等. Cd、Zn及其交互作用对互花米草中重金属的积累、亚细胞分布及化学形态的影响[J].植物研究, 2012, 32(6): 717-723.

[40] 侯明, 胡存杰, 熊玲, 等. 钒在枸杞幼苗中积累、转运及亚细胞分布[J]. 农业环境科学学报, 2013, 32(8): 1514-1519.

[41] 廖祥儒, 陈彤, 刘小丽. 植物液泡的形成及其功能[J]. 细胞生物学杂志, 2002, 24(2): 95-101.

[42] 苏有健, 廖万有, 王烨军, 等. 皖南茶园土壤活性铝形态分布与土壤pH和植茶年限的关系[J]. 农业环境科学学报, 2013, 34(4): 721-728.

[43] 殷佳丽, 郑子成, 李廷轩. 不同植茶年限土壤团聚体全铝和交换态铝的分布特征[J]. 农业环境科学学报, 2015, 34(5): 891-896.

[44] Ruan J Y, Ma L F, Shi Y Z, et al. Uptake of fluoride by tea plant (Camellia sinensis L. ) and the impact of aluminium [J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2003, 83(13): 1342-1348.

[45] 卢莉, 张琪芬. 氟铝及其交互处理对茶苗生长的影响[J].现代农业科技, 2013(19): 19-21.

[46] 向勤锃, 刘德华, 张丽霞, 等. 氟铝胁迫下茶树组培小苗的生长及其蛋白质分析[J]. 湖南农业大学学报: 自然科学版, 2005, 31(1): 57-59.

[47] Yang Y, Liu Y, Huang C F, et al. Aluminium alleviates fluoride toxicity in tea (Camellia sinensis) [J]. Plant and Soil, 2016, 402: 179-190.

[48] 彭传燚. 茶树氟富集规律、亚细胞分布及在叶片表面存在形态的研究[D]. 合肥: 安徽农业大学, 2013: 34-39.

[49] Ruan J Y, Ma L F, Shi Y Z, et al. The impact of pH and calcium on the uptake of fluoride by tea plants (Camellia sinensis L.) [J]. Annals of Botany, 2004, 93(1): 97-105.

[50] Zhang X C, Gao H J, Yang T Y, et al. Al3+-promoted fluoride accumulation in tea plants (Camellia sinensis) was inhibited by an anion channel inhibitor DIDS [J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2016, 96(12): 4224-4230.

[51] Jenny L B, Narasimhan Sudarsan, Zasha Weinberg, et al. Widespreadgenetic switches and toxicity resistance proteins for fluoride [J]. Science, 2012, 335(13): 233-236.

[52] Stockbridge R B, Lim H H, Otten R, et al. Fluoride resistance and transport by riboswitch-controlled CLC antiporters [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2012, 109(38): 15289-15294.

[53] Stockbridge R B, Robertson J L, Kolmakova-Partensky L, et al. A family of fluoride-specific ion channels with dual-topology architecture [J]. Elife, 2013, 10(2): e01084.

[54] Li S S, Smith K D, Davis J H, et al. Eukaryotic resistance to fluoride toxicity mediated by a widespread family of fluoride export proteins [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2013, 110(47): 19018-19023.

[55] Smith K D, Gordon P B, Rivetta A, et al. Yeast fex1p is a constitutively expressed fluoride channel with functional asymmetry of its two homologous domains [J]. Journal of Biological Chemistry, 2015, 290(32): 19874-19887.

[56] Liao Y, Chen J W, Brandt B W, et al. Identification and functional analysis ofgenome mutations in a fluoride-resistant streptococcus mutans strain [J]. Plos One, 2015, 10(4): e122630.

[57] Zhu L K, Zhang Z M, Liang J P. Fatty-acid profiles and expression of the fabMgene in a fluoride-resistant strain of Streptococcus mutans [J]. Archives of Oral Biology, 2012, 57(1): 10-14.

Advances in Fluorine Absorption and Accumulation Mechanisms in Tea Plant

HUANG Xin, SONG Xiaowei, CHEN Yuqiong*
Key Laboratory of Horticultural Plant Biology, Ministry of Education; College of Horticulture and Forestry Sciences, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China

Tea plant with strong ability to accumulate fluorine could tolerate several times higher external fluorine content than other plants. In this paper, the features of fluoride absorption and accumulation, their relative mechanisms and the physical effects of fluoride on tea plant were summarized. Future research directions of fluorine absorption and accumulation in tea plant were also discussed.

tea plant, fluorine, enrichment mechanism

S571.1；O613.41

A

1000-369X（2016）06-551-06

2016-06-17

2016-09-30

国家自然科学基金（31470691）

黄鑫，女，硕士研究生，主要从事茶叶生物化学方面的研究。*通讯作者：chenyq@mail.hzau.edu.cn