茶树富集氟的特点及其机制的研究进展

　　摘要：茶树是一种超累积氟的植物，其体内的氟含量远远高于其他植物，却不表现氟中毒症状。氟不是茶树生长的必需元素，但在高氟胁迫下，氟可通过破坏茶树的细胞结构、抑制酶活性等影响其正常生长。本文通过阐述茶树吸收、富集氟及其累积/解毒机制等方面的研究进展，以期为未来研究茶树氟累积和降氟技术提供理论依据。

　　关键词：茶树;氟;富集机制

　　氟是植物生长过程中的非必需元素，根据植物对氟污染反应的不同可以分为敏感、中等敏感和抗性 3 种类型[1]。其中，茶树属于氟抗性植物，且叶片是茶树氟富集的主要器官[2]。闽南茶树的一芽三叶中氟含量大致范围在69~299 mg·kg-1[3]，四川茶园茶树叶片的氟含量可高达 2 965 mg·kg-1[4]，安徽茶园茶树的成熟叶片氟含量也高达 1 155.2 mg·kg-1[5]。

　　针对闽南采集的 55 份茶树样本，通过组间平均联结法对茶叶氟含量的差异进行聚类分析得出 3 个类群，分别为低累积、中度累积和高累积氟元素的茶树类型[3]。可见这些茶树叶片氟含量的差异与品种紧密相关，并且这些茶树在存在一定浓度氟的生长环境中并未呈现受伤害的状况。但当植物氟含量超过耐受范围时，植物损伤最先出现在叶片上，即叶缘和叶尖坏死，随后出现叶片萎黄甚至坏死等一系列症状[6]。

　　茶树作为叶用植物，其叶片的氟含量过高，会对茶叶的儿茶素、氨基酸、香气等品质成分产生不利影响[7-8]。此外，茶叶在冲泡过程中约有 42%~86%的氟溶于茶汤，进而被人体吸收，长期积累，会增加人体患“饮茶型氟中毒”的风险[9]。因此，了解茶树吸收、累积氟的特点，可以针对性地提出有效降低茶树累积氟的措施，减少茶叶的氟含量，对提高茶叶品质和质量安全具有重要意义。

　　1 茶树吸收、富集氟的特性

　　1.1 茶树对氟的吸收

　　在氟污染的大气环境中，茶树主要通过叶片气孔或表皮角质层吸收大气中的氟，并且可沿导管向叶片尖端和边缘转移。茶树主要通过根系吸收土壤和水环境中的氟，并通过蒸腾作用、质外体和共质体途径等进行氟转运[10]。王玉梅等[11]通过研究茶树根系对氟的吸收发现，在 0~5.0 mmol·L-1 的氟处理条件下茶树对氟的吸收符合Michalis-Menten 动力学模型。张磊等[12]也发现，茶苗在 0~2.0 mg·L-1 的氟处理下其吸收动力学曲线符合 Michalis-Menten 动力学模型;在氟浓度为 0~0.8 mg·L-1 时，茶苗吸收速率随外界氟浓度增加而迅速增加;而在氟浓度为0.8~2.0 mg·L-1 时，其吸收速率趋于稳定。张磊[13]认为，茶树对氟的吸收，在氟浓度较低时为主动吸收过程，而在氟浓度较高时以被动吸收为主导。

　　彭传燚等[14]对茶树吸收氟的浓度动力学特性研究表明，在 0.1~10 mg·L-1 的氟浓度范围内，茶树根系对氟离子的吸收是主动吸收，并符合 Michaelis-Menten 动力学模型，而在高氟条件(50~100 mg·L-1)下则表现出被动吸收氟的过程。此外，茶树主要吸收土壤中的水溶性氟。诸多研究表明黔西北高氟病区[15]、安徽[5]、粤东凤凰山茶区[16]、四川、重庆、云南、湖北、湖南茶园[17]等不同产茶区土壤的水溶性氟含量均低于 10 mg·kg-1。

　　因此，我国大多数茶园茶树的氟吸收主要依赖于根系的主动吸收。主动吸收需要的能量主要通过H+-ATPase 产生，王玉梅[18]研究发现，外源施加 NaF 可以激发 H+-ATPase 的活性，刺激质子驱动力的形成，促进茶树根系对 F 的吸收。但 H+-ATPase 介导的茶树根系跨膜主动吸收氟的分子机制仍有待研究。Ca2+-ATPase 介导的茶树根系跨膜主动吸收氟主要是通过激活类受体蛋白激酶( RLK )识别氟，激活Ca2+-ATPase 活性促进茶树吸收氟[19]。

　　而目前关于茶树吸收氟分子机制的研究较多针对离子通道蛋白，尤其是近来发现的特定吸收转运氟的离子通道[20]，CLC 超家族阴离子转运蛋白的一个亚类——CLCF 型 F-/H+反向转运蛋白，以及在原核生物中称作“crcB(Fluc)”，但在真核生物中称为 FEX(Fluorieexporter)的小膜蛋白家族。茶树的 CLCF 基因对 F的响应更敏感[21];茶树氟化物输出基因FEX 具有组织特异性，并在茶树的氟吸收转运中起重要作用[22]。王玉梅[18]研究表明，ABC(ATP-binding cassette)转运蛋白主要是 ABC中 A—G 亚家族在茶树 F/C1 跨膜转运中发挥载体作用。

　　广敏[23]研究发现，CsCL667 蛋白含有典型的 ABC 转运蛋白结构域，并且和茶树 CsFEX 属于同一基因家族的不同分支;氟不仅诱导该基因的表达量，同时也显著增加了ABC 转运蛋白的含量，而且 ABC 转运蛋白对氟的转运能力增强，大量的氟吸收进入细胞内累积。研究茶树氟富集首先需探明茶树如何吸收氟，虽然目前已有研究对相关基因进行了克隆及异源表达验证，但有关茶树吸收氟的分子机制仍需探索。

　　1.2 影响茶树吸收及转运氟的因素

　　茶树根系对氟的吸收转运受氟的存在形态、pH、其他元素(如 Al3+、Ca2+、Cl等)离子通道、离子通道抑制剂及温度等因素的影响。氟在土壤中主要以难溶态、可交换态和水溶态等形式存在[17]，其中难溶态和可交换态氟难以被茶树吸收，水溶态则是茶树吸收氟的主要形式，而水溶性氟浓度受 pH 的影响显著。茶树适宜生长在 pH 为 4.0~6.5 的酸性环境中，当培养液 pH 在 4.0~6.0 时，茶树根系的氟吸收量随 pH 的增加呈现先增加后减少的变化，并且在 pH 为 5.5 时达到最大吸收量[24]。在酸性条件下 F优先与Al3+形成络合物，并以该络合物为主要形式被茶树吸收[25]。

　　有学者针对茶树在木质部的转运提出两种不同的氟转运形式，一种认为茶树分别转运铝和氟[26]至叶片后再进行积累;另一种则认为茶树直接以氟铝络合物形式转运[27]。铝同样在缓解茶树氟胁迫中起重要作用。当 Al/F 摩尔浓度比小于 1时，氟将导致茶树叶片坏死，而 Al 浓度的适当增加，茶树会通过形成 Al-F 络合物减少游离氟存在的形式缓解茶叶的氟损害[25]，以此增强茶树对氟的抗性，这可能是茶树氟富集的生理机制之一。

　　此外，Ca2+与 F会形成CaF2沉淀，进而降低土壤水溶性氟的含量，影响茶树对氟的吸收[28]。也有报道发现，外源施加0.01~0.5 mmol·L Ca2+时，能够有效降低茶叶中的氟含量[29]，这可能与 Ca2+改变了茶树根系细胞壁结构和膜通透性有关[24]。另一方面，一些相同价态的阴离子也会对茶树体内的 F产生影响，例如Cl和F可能通过竞争同一载体的吸附位点，从而 Cl与F之间存在竞争性抑制作用，因此 Cl降低茶树对F的吸收，同时F也会干扰Cl的吸收转运[11]。

　　Zhang等[30]发现，施用阴离子通道抑制剂 NPPB[5-硝基-2-(3-苯丙胺)-苯甲酸]会造成茶树的氟累积量减少，并且通过比较外施阴离子通道抑制剂、阳离子通道抑制剂、水通道抑制剂的研究发现[31]，外施阴离子通道抑制剂可以更显著地减少茶树根系对氟的吸收。因此，部分氟可通过水通道蛋白被吸收，而阴离子通道则是茶树根系吸收氟的主要通道。茶树根系对氟的主动吸收依赖于质膜H+-ATPase 水解 ATP 形成的电势差和能量[32]。在低温( 4 ℃)条件下，茶树根系质膜H+-ATPase 的活性被抑制，茶树根系对氟的吸收也受到显著的抑制[11];高温(35℃)处理时，则明显提高根系对氟的吸收[33]。

　　氟的吸收还与 Ca2+-ATPase 相关，受体蛋白激酶(RLK)通过活化 Ca2+-ATPase 并将其作为茶树吸收氟的载体，进而促进氟的吸收[19]。与此同时，Al3+处理可以诱导茶树根系产生 Ca2+信号，进而激活钙调蛋白(CaM)，促进氟的吸收[32]。另一方面，质膜 H+-ATPase 产生的H+梯度，也可以促进植物体内 Ca2+信号传导，以此调控离子的跨膜转运[34]，影响氟吸收。

　　1.3 茶树富集氟的特性

　　茶树各器官对氟的积累强度有很大不同，其中叶片的氟含量远大于吸收器官根和运输器官茎。沙济琴等[2]发现茶树各器官的氟积累强度顺序为叶>花蕾>茶籽>茶果皮>细枝>骨干枝>细根>主轴茎>主干茎>主根>侧根，唐茜等[35]的研究也证实了茶树各组织的聚氟能力依次为叶片>新梢>枝条>茎>根。此外，不同成熟度的茶树叶片氟含量差异显著，一般表现为成熟叶>嫩叶[5]。

　　李丽霞等[36]发现处于无氟水培条件下的茶树，其吸收根和新梢的氟含量增加，并认为这是由于茶树体内的氟进行了转移与再分配的结果。茶树体内的氟具有可移动性且这种转移特性决定了氟在新梢中的含量变化，同时发现氟可进行茶树体内的再分配，具有向生长部位转移的特性，即将枯萎的老叶可以将氟向新梢和根系转移分配。

　　不止是茶树，萝卜为保护其可食用部分不受损害也具有将过量的氟从根部转移到叶片的功能[37]。菠菜在 0~800 mg·kg-1 土培氟处理中，也同样发现具有在组织水平上再分配氟化物的独特机制[38]，造成菠菜根部的氟含量高于地上部氟含量，这可能与根部内胚层的渗透性较低有关[39]。总而言之，茶树叶片是氟富集的主要组织，而且由于氟可能以相当部分的游离态形式存在，这种形态的氟在植物体内具有转移与再分配的特性，使得茶树叶龄也对氟的累积产生了一定的影响。

　　2 氟对茶树的影响及其抗性机制

　　氟对植物的损害主要表现在对细胞结构的破坏，如细胞膜系统、叶绿体和线粒体等，进而对光合作用、呼吸作用等生理活动及一些关键酶活性产生抑制作用等。此外，氟对植物的损害程度与其浓度及接触时间密切相关。当环境中氟浓度较低时，植株仅会出现叶片变黄、萎蔫的症状;随着氟浓度逐渐升高，植物叶片将会枯死，甚至整个植株也会死亡，并且氟处理浓度越高，植物出现伤害症状的时间就越早[40]。

　　李丽霞等[36]发现，福鼎大白茶在低氟浓度下仍然表现出良好的长势;当氟浓度达到 200 mg·L-1 时，14 d 后的茶苗开始出现叶色黯淡，少量叶片脱落的现象;而氟浓度升至250 mg·L-1 以上时，茶苗在第 12 天开始出现胁迫症状并表现为叶片轻易脱落，根系逐渐转黑。植物可通过外排机制和内部耐受的方式增加自身对氟胁迫的抗性，同样的，茶树可通过外部排斥的方式防止茶树吸收过量的氟，即利用茶树细胞壁对氟进行抵御，同时，茶树体内也产生一系列反应机制增强自身的氟抗性，应对氟胁迫。

　　3 降氟措施

　　茶树虽然具有聚氟耐氟的特性，但过多的氟累积仍会危害茶树，影响茶叶产量和品质。研究者针对茶树品种的差异、茶园土壤氟含量的降低措施、加工技术的改良等方面，探索提出了降低茶叶氟含量的方法。

　　3.1 选育低氟茶树品种不同

　　茶树品种对氟的累积量具有很大的差异性，选择合适的低氟品种是首要的降氟措施。前期对乌牛早、浙农 138 等 31 个茶树品种进行氟含量的研究，发现不同茶树品种成熟叶片的氟含量具有差异性[75]。石元值等[76]的研究也表明不同品种茶树对氟的吸收存在差异，并发现中茶 108 与中茶 102、龙井 43、乌牛早相比，具有稳定的低氟吸收富集特点，认为这与茶树的基因型相关。不同茶树品种对氟的富集能力不同由遗传差异所决定，且有研究者根据氟富集程度的不同将 55 个茶树品种分为了高、中、低 3 种[77]。

　　一般来讲，品种间氟含量的差异与叶片的结构相关。云南大叶种的叶片大而薄，海绵组织发达，细胞排列疏松，细胞间隙大，有利于叶片进行气体交换，相比之下，凤凰水仙这种小乔木型大叶种的叶片小且厚，栅栏组织发达，细胞排列紧密，不利于茶树吸收空气中的氟[77]。可见，培育、选用低氟品种的茶树，是减少茶叶氟含量的根本举措。

　　3.2 改善茶园土壤管理措施

　　施肥也是改变茶树氟含量的一种措施，一般通过根部施肥或者叶面喷肥的方式进行茶园管理。其中，对叶面喷施适当浓度的氮肥可以降低茶树新梢中的氟含量，例如在夏季进行叶面喷施 2%浓度范围内的尿素，可以显著降低茶树新梢中的氟含量，但当喷施的尿素浓度高于 2%时，便会提高茶树新梢中的氟含量[78]。

　　通过根部施氮肥同样可以降低茶叶新梢的氟含量，但仅在茶叶新梢氟含量较高的情况下施用有效[78]。氟对茶叶的品质有很大的影响，含氟量高的茶叶，其没食子儿茶素含量比较低，而适量的铝元素可以提高儿茶素的含量[79]。施加适量的铝可以提高茶叶中氨基酸、咖啡碱、可溶性糖以及茶多酚的含量，能够促进茶叶品质的提升，但铝施用量超过 2 g·m-2 时，茶叶咖啡碱与茶多酚的含量增多，造成茶汤发苦发涩;所以，合理控制茶叶中的氟、铝含量，能够促进茶叶品质的提升。

　　钙通过与氟形成 CaF2，通过改变土壤有效性氟的含量以降低茶树对氟的吸收。张永利等 [80] 研究发现通过施用不同浓度的Ca(NO3)2、CaCl2、Ca(OH)2 会影响酸性土壤pH 的变化，以 pH5.0 为拐点，pH 的降低或升高均会使土壤水溶态氟含量增加。可见，钙不止是通过形成 CaF2 对土壤有效氟含量产生影响，还可以改变土壤颗粒表面电荷、离子交换能力、络合物/配合物的稳定性进而调整土壤pH[81]，降低土壤交换态氟含量。

　　因而，在酸性土壤中施用碱性的 Ca(OH)2 等，降低土壤中氟的有效性，可以减少茶树对氟的吸收富集。研究发现添加木炭和竹炭能显著提高土壤中 Fe/Mn 氧化物结合态氟的浓度，而水溶性氟和交换性氟含量显著降低，这有效减少了土壤氟的可利用性，影响土壤氟的有效性，进而降低茶树对氟的吸收与积累[82]。腐植酸铝(HAA)吸附剂能通过与可溶性 F螯合的方式，使得土壤溶液中的 F含量显著降低，最终降低茶叶对氟化物的吸收[83]。目前，已经研发出茶园土壤降氟剂 B，具有降低土壤氟10%~40%的效果，但鲜叶的氟含量降低不明显，有待进一步提升研发产品[78]。

　　茶树论文范例：边际效应对茶树光合特性的影响

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　　4 展望

　　近来，关于茶树氟富集特性的研究颇丰，同时对茶树的氟抗性机制也有了一定的研究进展，为茶叶降氟措施的研究提供了一定的理论基础，但相关的研究仍然存在一定的问题，有待进一步探索。

　　(1)近年来，关于茶树根系吸收、转运氟方面的研究较多，也在茶树中发现了氟离子转运通道蛋白——CLC 和 FEX，并对其转运氟的功能进行了初步验证，但其分子结构、互作机制、调控机制等分子生物学机理仍不清楚。未来，在鉴定更多的氟离子转运通道蛋白、验证其功能、解析其分子机制等方面的研究有待进一步的深入和挖掘，以期解析茶树富集氟的机制。

　　(2)茶树不仅具有聚氟特性，还兼具富铝、喜酸、偏铵吸收等特征。已有研究联合氟与不同 pH 环境或外源施加铝后茶树的氟累积特性，综合分析茶树的氟富集特性，但该方面的研究仅进行了初步的探索，深入研究可能发掘茶树自身耐氟的独特机制。同时，茶树具有富含茶多酚、生物碱和茶氨酸等次生代谢物质的特性，已有研究表明茶树富集过量的氟能影响这些次生代谢物质的含量，但茶中大量的次生代谢物质在茶树富集氟、耐受氟中的作用及作用机制还鲜有报道，值得深入研究以发掘茶树富集氟的特有生物学机制。

　　(3)在茶叶降氟方面，通过对比不同茶树品种氟含量，筛选出了氟累积相对较低的品种，但传统茶树低氟品种的选育周期长，难度大，现代分子育种技术在低氟品种选育方面至今仍然是空白。通过茶园土壤管理，对茶园土壤中交换态氟含量降低具有一定效果，但对茶树叶片降氟效果相对较弱。总之，茶叶降氟措施研究中，在品种选育、土壤管理、茶叶加工工艺改良等方面都取得了一定的进展，但目前为止，仍然没有系统、高效、完善的降氟管理措施。

　　综述所述，在未来的研究探索中，需加快解析茶树富集氟的分子生物学机制，加强建设低氟品种、低氟茶园管理模式、低氟茶叶加工工艺等相结合的完善降氟技术体系。

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　　作者：邢安琪 1，武子辰 1，徐晓寒 1，孙怡 1，王艮梅 2，王玉花 1*