茶树幼苗对不同浓度铝的生理响应差异研究

王敏，宁秋燕，石元值

1. 中国农业科学院茶叶研究所，农业部茶树生物学与资源利用重点实验室，浙江 杭州 310008；2. 中国农业科学院研究生院，北京100081

茶树幼苗对不同浓度铝的生理响应差异研究

王敏1,2，宁秋燕1,2，石元值1*

1. 中国农业科学院茶叶研究所，农业部茶树生物学与资源利用重点实验室，浙江 杭州 310008；2. 中国农业科学院研究生院，北京100081

本实验选取龙井43幼苗作为研究材料，采用溶液培养的方法，探究不同浓度铝条件下茶树生理变化。结果表明，当铝浓度低于 0.4 mmol·L-1时，随铝浓度升高，茶树生长迅速，生物量明显增加，大量新根发生，茶树生长速率与生长量明显高于对照组，且电子传递效率（ETR）随铝浓度升高而增加，根系丙二醛（MDA）含量降低。当铝浓度继续增加时，ETR增长开始下降，生长速率趋于平缓，但仍有大量新根发生，当浓度高于1 mmol·L-1后，Fv/Fm、ETR明显下降，茶树生长速率降低，生长受到抑制。同时，对不同组织进行铝含量测定发现，茶树中铝的分布为侧根、成叶＞茎＞主根＞幼叶，且浓度越高，铝更多的固定在侧根中。研究发现铝浓度低于1.0 mmol·L-1促进了茶树生长，无铝条件与铝浓度高于1 mmol·L-1则不利于茶树幼苗的生长，这些结果为进一步研究铝促进茶树生长的生理机制提供了参考依据。

铝；茶树；生理响应；促进生长

铝是地壳中含量最丰富的金属元素，约占地壳的 7.8%[1]。铝也是植物矿质元素组成之一，被认为是构成生物体的非必需元素[2]，对于许多生长在酸性介质中的植物来说，土壤或培养液中过量的铝是有害的，即所谓植物的“铝毒”现象。酸性土壤是指 pH值低于 6.5的土壤，全球约有30%的土壤为酸性土壤；在我国酸性土壤的分布遍及15个省区，总面积达204 108 hm2，约占全国耕地面积的 21%，是我国热带、亚热带经济林果、经济作物及粮食生产的重要基地。而铝毒害是酸性土壤中作物生长的主要限制因子之一，近年来，由于酸性土壤不断被利用和开发，人们对植物的“铝毒”和植物的铝营养逐步重视起来，并已有许多的研究。

茶树是一种典型的“喜酸耐铝”植物，其老叶中铝含量可达 1%～2%，与拟南芥等植物相比，对铝的耐受差异十分明显，因此常被作为重要的植物铝营养及铝毒害研究对象。已有的研究结果表明，植物对铝的耐受主要有外部排斥与内部耐受两种机制，外部排斥主要是（1）有机酸的分泌。研究表明，不同铝浓度处理下，茶树根系主要分泌草酸、柠檬酸与苹果酸，有机酸可与铝螯合降低对植物的毒害[3]。（2）细胞壁固定。在铝胁迫下，拟南芥细胞壁中的果胶、半纤维素等有不同程度的增加[4]，在轮藻的细胞中，99.99%的铝积累于细胞壁中。在黄秋葵的细胞中，95%的铝聚集于胚轴细胞壁中[5]。（3）酚类物质分泌。植物根系产生边缘或粘胶层阻止铝进入细胞或者有些植物可以通过提高根际pH值排斥外部铝。内部的耐受机制主要包括液泡的区室化与有机酸与酚类化合物的螯合[6]。茶树对铝不仅具有较高的耐受性，而且已有研究结果表明，较低浓度铝对茶树生长具有明显的促进作用，促进P、K的利用，抑制Mg的吸收，替代部分B的作用，进而促进茶树根系与新梢的生长[7]。同时，铝浓度为0.3 mmol·L-1可以提高叶绿素含量，增强叶片光合能力，铝浓度为0.05 mmol·L-1就可提高茶树叶片中的保护酶活性或者降低膜脂过氧化程度使茶树新陈代谢处于旺盛阶段[8]。铝诱导蛋白质的降解，同时使 CO2同化率升高和碳水化合物增加，调节植物碳氮转化的相互作用机制[9]。但是当前对于茶树对铝的生理响应阈值并不清楚，本研究拟通过探究茶树对不同浓度铝的生理响应，来明确茶树对铝的生理响应阈值，尤其是对根系生长的影响，为进一步研究铝对茶树生长的影响机制提供实验依据。

1 材料与方法

1.1 材料培养

本实验以1年生龙井43茶籽苗为材料，播种前用蒸馏水清洗浸泡，播于珍珠岩中，60天后移至水培盆中，蒸馏水中通气培养7 d后，换至1/2完全营养液。营养液配方：大量元素：铵态氮 1 mmol·L-1（以 N 计）、硝态氮 0.5 mmol·L-1（以 N 计）、P 0.05 mmol·L-1、K 0.5 mmol·L-1、Mg 0.2 mmol·L-1、Ca 0.4mmol·L-1，微量元素：EDTA-Fe 3.15 μmol·L-1，B 5 μmol·L-1，Mn 0.75 μmol·L-1，Zn 0.5 μmol·L-1，Cu 0.1 μmol·L-1，Mo 0.25 μmol·L-1。营养液 pH 为 4.5，铝处理采用 AlCl3，设置 0（CK）、0.2、0.4、0.6、1.0、2.0、4.0、10.0 mmol·L-1不同的铝浓度处理，4组重复，隔两天换水，25℃通气培养，相对湿度为 70%～80%，昼夜 16 h/8 h，光照强度为200 μmol·m-2·s-1，茶苗培养 42 d 后取样。

1.2 茶树幼苗侧根中SOD活性与MDA含量的测定

称取冷冻研磨后的根鲜样0.3 g左右，加3 mL 预冷磷酸缓冲液（50 mmol·L-1，pH 7.8）、0.6 g PVP和少量石英砂，12 000 g离心 15 min，取上清液保存于 4℃备用。超氧化物歧化酶（SOD）活性的测定采用氮蓝四唑（NBT）光还原法[10]。丙二醛（MDA）含量的测定采用双组分光光度法[10]。

1.3 茶树幼苗叶片叶绿素荧光测定

取样前使用LI-6400便携式光合仪测定叶片的叶绿素荧光数值。20 min叶片遮光处理（暗适应）后，测定其光化学效率（Fv/Fm），进行光照活化后，测定电子传递效率（ETR）。

1.4 茶树幼苗根系扫描与生物量变化测定

培养前后，洗净，吸干表面水分，称取不同处理茶树幼苗的总生物量及处理后茶树主根、侧根、茎、幼叶、成叶的生物量，记录并进行统计分析。使用EPSON SCAN根系扫描仪，对铝处理后的茶苗根系一级侧根进行扫描。

1.5 茶树幼苗各器官铝含量测定

洗净茶苗不同部位，60℃烘干后磨碎用于铝含量的测定。称取干样0.2 g左右，置于消化管中加入5 mL硝酸与2 mL高氯酸，高温消解，冷却后定容至50 mL。使用ICP测定。

1.6 数据处理

文中所有数据采用Excel 2010、SPSS 20以及Sigma Plot12.5进行处理，不同处理之间的差异采用方差分析，显著性采用Duncan多重比较。

2 结果与分析

2.1 铝对茶树幼苗根系生长的影响

经培养6周后，不同铝浓度对茶树幼苗根系生长的影响差异明显（图1）。4.0 mmol·L-1铝处理下侧根发生量变少，根系黄褐，0.4、0.6、1.0、2.0 mmol·L-1铝处理下侧根大量发生，新根较多，伸长量大。对照组根系生长状况明显差于实验组。扫描茶苗一级侧根，结果见图2。不同处理下，侧根表观形态有明显差异，对照组侧根长度较短，发生量少，铝浓度低于10.0 mmol·L-1时，根毛数多，长度较对照组更长，但当铝浓度为4.0 mmol·L-1时，根毛比对照组的长，却比低浓度铝浓度处理组的短。与其他所有处理相比，在 10.0 mmol·L-1铝浓度处理下，着生在茶苗一级侧根上的根毛的长度明显段，数量明显少。

图1 铝处理42 d后茶苗根系生长状况Fig. 1 The roots of tea plants under Al treatments in nutrient solution after 42 d

图2 铝处理42 d后茶苗一级侧根生长状况Fig. 2 The primary lateral roots of tea plants under Al treatments in nutrient solution after 42 d

2.2 铝对茶树幼苗生物量变化的影响

铝处理 6周后，茶树幼苗生长具较大差异，如图 3所示，0.2、1.0 mmol·L-1铝处理下生长量显著高于对照，当铝浓度高于 4.0 mmol·L-1后，生长量低于对照组。0.2～1.0 mmol·L-1铝处理下相对生长速率均显著高于对照。

2.3 铝对茶树幼苗叶绿素荧光的影响

处理42 d后测定其叶绿素荧光数值，茶苗叶片光化学效率（Fv/Fm）与电子传递效率（ETR），结果如图 4。当铝浓度低于 0.4 mmol·L-1时，叶片光合电子传递效率随浓度增加呈上升趋势，铝浓度为0.4 mmol·L-1时达到最高，之后随浓度增加，ETR呈下降趋势。Fv/Fm在0～2.0 mmol·L-1时无明显差异，且显著高于 4.0 mmol·L-1与 10.0 mmol·L-1处理。PSII在 0～0.4 mmol·L-1铝浓度范围内，无明显变化；在铝浓度 为 0.6～10.0 mmol·L-1时 显著 低 于 0～0.4 mmol·L-1处理组；高于 1.0 mmol·L-1后，呈显著下降趋势。较低浓度铝促进茶树光合作用，促进电子传递与碳水化合物积累，促进茶树生长，而当铝浓度高于2.0 mmol·L-1时，铝对茶树叶片光合作用有明显的抑制作用。

图3 铝处理下茶苗生长量和相对生长速率Fig. 3 The tea growth and the relative growth rate of tea plants under Al treatment

图4 铝对茶树叶绿素荧光的影响Fig. 4 Effects of Aluminum on ETR,PSII and Fv/Fm in tea leaves

2.4 铝对茶树幼苗侧根SOD、MDA含量的影响

MDA含量高低可以反映胁迫条件下细胞受损的程度。从图5可知，加铝条件下，MDA含量明显低于不加铝对照组，加铝的各处理中，0.2、0.6 mmol·L-1铝处理的 MDA含量显著高于除对照外的其他几个铝浓度处理。

加铝后侧根中超氧化物歧化酶（SOD）活性高于不加铝对照组，如图5所示，不加铝对照组与 0.2 mmol·L-1铝处理的 SOD活性显著低于其他铝浓度处理，0.4、0.6、2、4 mmol·L-1铝处理间SOD活性无显著差异，但均高于其他处理。

2.5 茶树不同组织中铝含量的差异

由表1可以看出，与不加铝处理相比较，加铝处理后，茶树各器官中铝含量均显著增加，但当外源 Al3+在 0.2～1.0 mmol·L-1范围内时，不同铝处理茶树各器官中铝含量保持相对稳定，差异变幅相对较小，侧根之间（0.2 mmol·L-1除外）、成叶间铝含量间（0.4 mmol·L-1除外）无显著差异，并不与外源铝浓度增加量呈正比；当铝浓度大于1.0 mmol·L-1时，其茶树各器官中铝含量均表现出了显著增加趋势，铝在茶树不同组织中的含量由高到低大致依次为侧根＞成叶＞茎＞主根＞幼叶，且新梢的生长受到显著影响，说明侧根与成叶是茶树铝积累的主要部位。

3 讨论

研究表明，不同铝处理对茶树生长影响不同，低浓度下铝促进茶树生长，高浓度对茶树生长产生胁迫。当铝浓度高于1 mmol·L-1后，茶树生长量低于对照，且其生长速率呈下降趋势。4 mmol·L-1铝处理下茶树生物量积累已低于对照，且侧根发生有明显的减少，铝对茶树生长胁迫严重。

图5 不同铝浓度处理对茶树根系SOD活性与MDA含量的影响Fig. 5 Effects of different Al concentrations on malondialdehyde contents and SOD enzyme activities in tea

表1 不同铝浓度处理下茶树各器官铝含量Table 1 Al distribution in different organs of tea plant under different treatments mg·kg-1

光合作用中，电子传递链将电子传递至反应中心，把NADP+还原为NADPH，并建立跨膜电化学梯度，驱动 ATP的合成，铝可以促进该过程进行，促进 ATP的合成，低浓度铝对其电子传递效率的促进作用明显，且在这一范围铝浓度与电子传递效率呈正相关，为碳的同化提供动力，使茶树生物量的增加。这与Hajiboland等[9]的研究结果一致，铝处理浓度高于 0.4 mmol·L-1且低于 1.0 mmol·L-1时，铝对 ETR的影响随浓度升高而降低，而当铝浓度高于 2.0 mmol·L-1后，ETR低于对照组。且PSII与Fv/Fm呈下降趋势，说明该条件下铝抑制了茶树的光合作用，对茶树生长产生胁迫[11]。

已有的研究结果表明，铝的促氧化性相对较低[12]，但铝的加入会激发茶树体内的抗氧化酶活性[9]。图 6表明，茶树根系中的 SOD活性以无铝处理最小，并随着铝浓度的增加而增加，当铝的浓度达到0.4 mmol·L-1时，SOD活性达到最大。同时，茶树根系中MDA含量表现出了随铝含量的增加而降低的趋势，无铝处理的MDA含量显著高于加铝处理，在加铝处理中，当铝浓度达到1.0 mmol·L-1时茶树根系中MDA含量基本趋于稳定；表明随着抗氧化酶活性的增加，铝对于茶树根系的膜脂也产生了较好的保护作用，防止因过氧化反应而对细胞的膜脂产生破坏。但其中铝浓度为 0.6 mmol·L-1处理的茶树根系中 MDA含量与 0.4 mmol·L-1处理相比表现出了显著的增加，其原因还有待进一步探究。

随铝浓度的增加，铝在茶树体内的积累也相应增加，各处理组铝含量显著高于对照组，但是当铝浓度高于一定值时，茶树对铝的吸收趋于平缓，表明茶树对铝的吸收存在阈值，在不同组织器官中，侧根含铝量相对较高。研究表明，茶树根部的铝主要集中于细胞壁。潘根生等[13]于1991年发现细胞壁含铝高于其他细胞器，于翠平[14]发现在茶树根尖细胞中，细胞壁的铝含量占根尖铝的59.64%～67.85%，这是茶树耐铝的重要机制，已有人证实将金属元素积累于根系细胞壁阻止其进入原生质体是很多植物提高其耐性的重要方法[15]。当然不同浓度铝处理下其细胞壁中铝的含量仍会存在差异，在以后的研究中我们将会继续探讨。

茶树作为一种铝积累植物，低浓度铝促进茶树生长，且在低浓度铝范围内铝浓度越高，促进作用越明显。当铝浓度在0.4～1.0 mmol·L-1时，促进茶树生长，对生长量、光合作用等的促进明显。高于2.0 mmol·L-1后，茶树生长受到抑制，生长速率、光合速率等低于对照，且铝大量集中于吸收根，使根部变褐，生长受阻。但是，铝促进茶树生长的分子机制尚不清楚，吸收根含大量的铝，其细胞壁对铝的固定以及作用机制可能是铝影响茶树生长的重要方面。

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Study on Physiological Response of Tea Plant(Camellia sinensis) Seedlings to Different Aluminum Concentrations

WANG Min1,2, NING Qiuyan1,2, SHI Yuanzhi1*
1. Tea Research Institute, Chinese Academy of Agriculture Sciences, Key Laboratory for Tea Plant Biology and Resource Utilization,Ministry of Agriculture, Hangzhou 310008, China; 2. Graduate School of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China

This study was to investigate the physiological response of tea cultivar Longjing 43 seedlings to different aluminum (Al) concentrations by hydroponic culture. The results revealed the biomass increment, relative growth rate (RGR) and electron transfer efficiency (ETR) of the tea plants under low Al concentrations (0.2 and 0.4 mmol·L-1) were significantly higher than the control group. However, The MDA content in roots showed an opposite trend. As Al concentration continued to increase, the increase rate of ETR began to decline and the growth rate became flat but still a great number of fresh roots were coming up. When Al concentration was higher than 1 mmol·L-1, the efficiency of light energy conversion in PSⅡ(Fv/Fm) and ETR showed dramatic decline. Meanwhile,RGR decreased and the growth of tea plant was also inhibited. Simultaneously, the results of Al contents in the different tissues of tea plants followed lateral roots, mature leaves ＞ stems ＞ main roots ＞ young leaves. More Al was found in the lateral roots with Al concentration increasing. The study suggested that when Al concentration was lower than 1.0 mmol·L-1, it could promote the growth of tea plants, but the growth would be inhibited under an Al-freeenvironment or the Al concentration was higher than 1 mmol·L-1. These results laid a foundation for further study on the physiological mechanism of how Al would promote the growth of tea plants.

aluminum, tea plant, physiology response, promote growth

S571.1；S154

A

1000-369X(2017)04-356-07

2017-02-23

2017-03-24

国家自然科学基金（31572199）、中国农业科技创新工程项目（CAAS-ASTIP-2014-TRICAAS-03）

王敏，女，硕士研究生，主要从事茶树生理与营养方面的研究。*通讯作者：shiyz@tricaas.com