茶树主要逆境胁迫反应及其适应逆境的生理机制

莫晓丽，黄亚辉

(华南农业大学，广东 广州 510000)

茶树[Camelliasinensis(L.)O. Kuntze]是我国南方地区的主要经济作物，是世界三大无酒精饮料之一，具有丰富的保健作用，经济价值高。我国是世界上最早发现、栽培茶树和利用茶叶的国家。我国茶区分布辽阔，东至台湾东岸，西至西藏米林，南至海南榆林，北至山东蓬莱。受地区气候、环境影响，茶树极易受到干旱、涝水、高温、低温、盐等逆境胁迫的危害。在长期的进化中，茶树形成了自身的防御机制如抗旱、抗寒、抗高温、抗盐碱来抵御和适应外界不良环境，以保证自身的生存。目前，茶树的研究主要集中在栽培种植、植物学性状分析、茶叶中有效成分或功能成分测定、抗逆境生理作用及基因克隆和表达分析等方面。本文就逆境胁迫对茶树生理特性的影响以及茶树在逆境条件下的抗性机理进行综述，以期为茶树抗逆性研究、引种驯化及开发利用提供参考。

1 干旱胁迫

茶树是一种喜湿怕涝的植物，对水分需求较高，所处生长环境的年降水量需至少达到1000 mm。但是世界各茶区降水量差异大且月降水量分布不均衡。我国长江中下游茶区夏季常有“伏旱”，对茶树发育极为不利，严重影响茶叶产量[1]。

水分是茶树生命活动不可缺少的环境因子，干旱胁迫会影响茶树代谢活动，抑制其生长发育。在水分缺失下，茶树叶片会萎蔫卷曲，产生焦斑甚至枯死凋落[2]，严重时还可导致植株死亡，严重影响茶叶产量；SanamSafaei Chaeikar等研究发现，干旱胁迫会导致茶叶中茶多酚、水浸出物、总灰分、氨基酸和咖啡碱含量降低，从而使茶叶品质下降[3]。此外，干旱胁迫导致茶树生理水平发生一系列变化，如根系活力、光合作用能力及叶绿素含量下降，细胞质膜透性、丙二醛(MDA)、可溶性蛋白质及可溶性糖含量增加，多酚氧化酶(PPO)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)等保护酶呈先上升后下降的趋势[4-8]。

植物在受到干旱胁迫时会积累脯氨酸、可溶性糖等渗透调节物质以提高细胞液浓度，从而降低细胞渗透压以维持细胞内水分，然而在不同的研究中，干旱胁迫下茶树体内脯氨酸含量有不同程度的变化。王守生[9]研究表明干旱胁迫下茶树体内脯氨酸含量显著增加，而潘根生等[10]研究表明脯氨酸含量变化程度与茶树耐旱性有关，耐旱性越强其变化程度越小。茶树体内脯氨酸含量并未出现规律性变化，脯氨酸与茶树抗旱性关系并不明确。王敏等[11]研究表明外源黄腐酸(FA)可提高受干旱胁迫的玉米幼苗中的脯氨酸含量，从而增强其抗旱性。然而孙健皓等[12]研究发现，外源FA并不能有效增加受干旱胁迫的茶树中脯氨酸含量，但与抗坏血酸代谢、谷胱甘肽代谢和黄酮类合成有关的代谢物显著增加，也有研究表明FA能通过调节茶树中抗坏血酸代谢和黄酮类合成来减轻干旱损伤。

2 高温胁迫

茶树是一种喜湿耐阴植物，研究表明茶树新梢生长最适温度为20～25℃，茶树光合作用最适温度为25～30℃。随着全球气候变暖，近年来，夏季我国多地出现40℃以上高温，南方茶区高温灾害报道日趋增加，高温天气对茶叶产量品质造成极大损害[1]。

在自然条件下，日均温高于30℃时茶树新梢生长就会缓慢或停止，若气温持续几天高于35℃，新梢就会枯萎、落叶。高温胁迫影响茶树的生理代谢活动。研究表明，高温胁迫下茶树光合速率持续下降，叶片中叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量减少；此外，随着高温持续时间的延长，茶叶中水浸出物、游离氨基酸、可溶性糖含量逐渐降低，茶多酚、咖啡碱含量逐渐升高，可溶性蛋白含量先升高再降低；当温度到达45℃时茶叶内多酚含量达到最大值，而后随温度升高而下降。高温处理下叶片中MDA含量不断增加，POD和CAT活性随着时间的延长先升高后降低，SOD活性呈现先降低，再升高，后降低的趋势；严重高温处理的叶片中3种酶活性均呈现先升高后降低的趋势[13-15]。

目前，防止夏季茶树热害的主要方法为遮阴处理。研究表明，遮阴处理可使茶树新梢持嫩性增强，产量增加；遮阴可有效提高光合速率，茶叶内茶多酚含量减少，水浸出物、游离氨基酸和可溶性糖含量增加，从而使茶叶品质提高[16-17]。

在非生物胁迫下，植物体内的第二信使Ca2+发生特异性变化，并与钙靶蛋白进行感受和转导，使细胞内发生一系列生化反应从而适应或抵制各种逆境胁迫。钙调素(CaM)、钙依赖蛋白激酶(CDPK)、钙磷脂酶(CBL)是迄今已经被证明的分布最广、分子结构高度保守的钙靶蛋白，每种钙感知蛋白均包含着大量的家族成员，每个家族成员又可以激活大量的下游转录因子[18]。此外，植物细胞内还有类钙调素蛋白这一典型的钙靶蛋白(CMLs)，他是植物中一类重要的Ca2+传感器，在调节植物生长发育和应对非生物胁迫方面起着至关重要的作用。近期研究表明Ca2+可提高茶树的耐热性，喷洒了CaCl2溶液的茶苗在高温条件下脯氨酸、可溶性糖、钙离子、叶绿素含量明显比未处理组的多，处理组的MDA和相对导电率增加趋势明显低于未处理组；通过克隆并在拟南芥中表达钙调素类蛋白基因CsCML45，发现植株耐热性增强[19]。干旱胁迫能显著诱导CsCML38的表达；CsCML16、CsCML18-2和CsCML42的表达水平在低温和盐分条件下显著诱导[20-21]。

3 低温胁迫

茶树是一种喜温畏寒的植物，北方冬季春初天气寒冷，南方易出现“倒春寒”现象，对茶树生长造成威胁，极易受到低温胁迫，不仅导致春茶产量和品质下降，还可能导致来年经济效益降低。根据低温和受害程度，茶树的低温胁迫可分为冷害和冻害。冷害表现为：叶片变红或黄褐色，若冷害时间短，天气回暖时叶片可复原；冻害表现为：叶片全部变成赭色，顶芽和上部腋芽变暗褐色；叶片出现焦枯、卷缩、易脱落及黑色斑点等现象，有些枝条外皮裂开，再甚者地上部分全部叶片枯萎脱落，枝条大部分或全部枯死[1, 22]。

在低温胁迫下，茶树叶片电导率增大、叶片气孔关闭、叶绿素含量降低、光合作用强度降低、水分代谢失去平衡、呼吸代谢异常、物质代谢失调、酶促反应失衡；叶片中MDA、脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量增加；谷胱甘肽还原酶(GR)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)与超氧化物岐化酶(SOD)活性都显著增加，也有研究表明CAT、SOD的活性随温度降低而降低。另有研究表明低温对茶树叶片中可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸及MDA含量的影响以冷害与冻害相区别。零度以上低温对茶树存在冷驯化过程，各项指标存在先升后降趋势；同时，在冷驯化过程中，部分新蛋白组分形成以抵御冷害。零度以下低温可以导致茶树叶片细胞膜结构改变，叶片细胞受到机械性损伤或破坏，引起体内相关的合成酶活性降低，水解酶活性增强，各项指标均下降。脯氨酸在茶树体内含量变化规律不一致[22-26]。

研究表明，耐寒茶树品种在低温胁迫下CaM、CBL、CDPK、CML和CIPK基因上调；Wang等研究表明茶树和拟南芥之间以及茶树成熟叶和幼芽之间对冷胁迫的不同反应受 CBL-CIPK 复合物调节，并提出了一种Ca2+-CsCBL-CsCIPK 模块介导的茶树非生物胁迫信号模型[27]。

研究表明冷处理能够增加活性氧(ROS)积累来诱发氧化胁迫进而影响茶树叶片的光合过程，提高茶树抗氧化能力可缓解茶树冷胁迫。宋传奎等的研究表明茶叶中香气物质有助于茶树抗寒，他们首先发现在低温环境下，茶树体内结合态的橙花叔醇糖苷大量聚集，通过生物信息学、生物化学等手段成功得到1条糖基转移酶基因，该关键酶基因能够催化橙花叔醇从游离态转化为结合态，其稳定性、水溶性以及抗氧化能力都得到了提高，并可控制香气物质的释放，外源添加橙花叔醇可促使茶树体内橙花叔醇糖苷大量积累，有效提高茶树清除活性氧自由基的能力，进而起到抵御寒冷的作用[28]。

此外，外源添加物对茶树抗寒能力的作用也取得了较大进展，研究表明5-氨基乙酰丙酸(ALA)、一氧化氮、γ-氨基丁酸(GABA)、绿藻粉和竹醋液可显著降低茶树苗中MDA含量，提高抗氧化酶活性，增加叶片叶绿素、可溶性糖和脯氨酸含量，从而提高茶树抗寒能力[29-31]。近期研究表明外源褪黑素的施用能够通过增强抗氧化潜能和氧化还原平衡来降低氧化胁迫、减少光合容量进而缓和冷胁迫[32]。

4 盐胁迫

茶树是一种喜欢酸性土壤的植物，适宜种植茶树的土壤pH为4.0～5.5左右，过酸和偏碱的条件都不利于茶树生长[1]。盐基影响土壤的酸碱度，进而影响茶树生长，过高过低都会造成盐胁迫。在高盐胁迫下，茶树叶片形态遭到严重破坏，叶缘卷曲焦枯，在盐碱环境下茶树出现矿质元素缺乏、环境适应性差、生长发育不良等问题甚至白化干枯而死。

土壤中盐含量过高会使土壤溶液水势降低，茶树吸水困难从而造成渗透胁迫，导致茶树细胞脱水，发生生理干旱，严重时出现气孔关闭，甚至导致细胞内水分外渗。渗透调节是茶树耐盐的方式之一。研究表明，在盐胁迫下，茶树中的渗透调节物质如MDA、可溶性糖、可溶性蛋白等含量增加，从而降低茶树细胞水势，防止水分外渗，防止质膜在高盐环境下受到伤害。茶树另一个调节机制是通过抗氧化酶实现，在盐胁迫下，茶树中抗氧化酶POD、CAT、APX活性均呈现上升的趋势，帮助清除自由基，降低膜脂过氧化程度，但SOD活性受到抑制[33-34]。

当前，我国土壤盐渍化严重，如何缓解茶树盐胁迫取得了一定进展。研究表明，添加外源水杨酸(SA)可通过提高渗透调节和抗氧化能力，维持植株水分平衡，保护膜结构和功能，缓解盐胁迫对茶树的伤害，从而促进茶树生长[35]。外源硫化氢能显著增强茶树抗氧化酶(SOD、POD、CAT、APX)和黄素蛋白氧化还原酶GR活性和非酶抗氧化剂(抗坏血酸AsA和还原性谷胱甘肽GSH)含量，减轻活性氧的积累和膜脂质过氧化程度，帮助维持细胞膜的稳定性和细胞内氧化还原反应的平衡，缓解盐胁迫诱导的氧化损伤[36]；外源添加丛枝菌根AMF可通过促进盐胁迫下茶树对矿质营养的吸收，促进茶树生长，增强茶树对盐胁迫的耐性，进而提高茶叶产量和改善品质[37]。

5 低氮磷钾胁迫

氮磷钾是构成土壤养分的最基本营养元素，也是茶树生长发育必不可少的营养元素，土壤中氮磷钾含量过高过低都不利于茶树生长发育。

茶树氮源有多种形态，氮是植物营养物质的基本组成成分，缺乏氮植物生命活动无法正常进行[34]。茶园缺氮严重时茶树叶色失绿，枝条瘦弱，春夏茶新梢发育受阻，严重影响茶叶产量和质量[38]。胡国策等的研究表明氮素含量过高过低都会使茶树的光合作用降低，低氮胁迫对茶树生长生理的影响有较多的研究，缺氮情况下茶树体内生物合成和次级代谢活动受阻，蛋白质、核酸、茶多酚、氨基酸等含量降低[39]。

磷是植物体内多种重要化合物的组成物质，几乎参与了植物所有的生命活动，对植物生长发育至关重要，然而由于茶树种植土壤偏酸性，多数酸性土壤存在“低磷高铝”问题[40]，低磷胁迫对茶树生长发育造成较大威胁。茶树缺磷症状半年左右才开始出现，缺磷可使茶树生长缓慢。处于缺磷环境初期茶树顶部嫩叶暗红，叶柄和主脉红色，老叶暗绿；长期处于缺磷状态老叶紫红色且无光泽[38]。此外，缺磷对茶树次生代谢影响较大，林郑和研究表明，缺磷会使制得的绿茶中茶多酚、游离氨基酸、黄酮类物质、水浸出物等含量降低[41]。

钾是茶树生长发育必不可少的元素之一，但我国茶园多处于风化和淋溶作用强烈的红壤地区，土壤中钾含量普遍较低，茶树缺钾问题较为严重。轻度缺钾胁迫时茶树生长缓慢，叶片变小且寿命缩短；重度缺钾胁迫茶树嫩叶褪绿，成熟叶和部分老叶叶尖或叶缘出现褐斑，而后逐步扩大形成褐色斑块，叶片卷曲最后大量不正常脱落[38, 42]。林郑和等研究表明，缺钾会使茶树光合电子传递能力降低；缺钾胁迫对茶叶内含物的影响较大，可显著降低茶叶中氨基酸、咖啡碱、水浸出物和EGCG含量，而叶片的茶多酚含量、儿茶素总量、酚氨比、EGC和EC含量显著增加；同时缺钾会减少茶叶中醇类、醛类和酯类等香气物质含量及其种类[43-46]。此外，钾在植物抗旱方面也发挥着重要作用，孙哲等研究表明施用钾肥可增大甘薯叶面积，提高叶绿素含量和光合性能，调节叶片气孔关闭，增大叶片气孔阻，减少水分蒸腾损失，增加叶片相对含水量[47]。近期研究发现，茶树维持K+能力与其抗旱性成正相关，叶肉中钾离子的维持是茶树抗旱的一个重要机制，并且干旱抗性品种和敏感性品种中钾离子的外流通道和非选择性阳离子通道对控制PEG诱导下钾离子从叶肉细胞流出的作用是不同的[48]。

6 重金属胁迫

随着我国工业化的发展和农药化肥等的使用，我国农地重金属污染问题日益严重，引起了大量学者的关注。重金属具有难溶、持久等特点，沉积于土壤里会对农作物产量和质量造成威胁，同时会被农作物吸收进而影响人体健康[49]。重金属对茶树的生理胁迫可能是改变土壤微生物环境、微生物生命过程、土壤pH值等，从而影响茶树对营养物质和重金属的吸收和积累[50]。叶江华等研究表明铅胁迫茶树叶片中SOD、POD、CAT的活性下降，不同茶树品种应对铅胁迫的方式存在差异[51]。韩文炎等研究表明过量锌胁迫会抑制茶树生长，导致茶树产量和品质下降[52]。唐迪等研究表明过量的镉胁迫影响茶树生长，并使茶树中MDA、叶绿素和类胡萝卜素含量下降[53]。

茶树中重金属主要来自于土壤、大气和茶叶加工过程，其中土壤是最主要的来源[54]。众多研究表明外源添加物可有效缓解土壤重金属胁迫。研究表明外源添加腐殖酸对铅胁迫有显著缓解作用，可显著减轻铅胁迫对细胞的损伤，并增加茶叶细胞壁中果胶和果胶酸含量，提高细胞壁对铅的吸收能力，促进细胞的伸长[55]。外源施加适量硒可在一定程度上增加镉诱导产生的抗氧化酶CAT、APX和GPX活性，降低质膜过氧化产物MDA和H2O2含量积累，缓解镉对茶树叶片的毒害，并降低对镉的积累[56]。

7 结论

在逆境条件下，植物不仅会生长迟缓甚至停滞，其生殖发育也会被严重影响。当遭遇逆境胁迫，茶树自身会采取一系列途径如生长发育调节、植物激素调节、代谢调节、渗透调节等来提高抗逆性，从而减轻逆境胁迫的危害。随着全球气候变暖，气候异常现象加剧，茶树栽培中面临的气象灾害与病虫害的威胁更大，急需培育抗寒、抗旱、抗虫等优良茶树品种来满足生产上的需求。除了茶树的逆境生理，其相关抗性机制和茶树抗逆基因的研究更进一步深入，目前相关分子机制研究偏少。在漫长的进化中，茶树形成了各种生理机制来适应逆境条件。利用多组学等方法揭示逆境生理机制，发掘相关抗逆基因应该是今后茶树逆境胁迫研究的重中之重。此外，培育抗逆性强的茶树品种是减轻茶树逆境胁迫的根本途径，未来可通过选配抗逆性强的亲本组合杂交获得抗逆性强的茶树品种，并采用分子生物学等手段辅助育种，提高育种效率。