茶樹(shù)耐鋁聚鋁特性及其機(jī)理研究進(jìn)展

李勇，唐澈，趙華*，倪德江

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茶樹(shù)耐鋁聚鋁特性及其機(jī)理研究進(jìn)展

李勇1，唐澈2，趙華1*，倪德江1

1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院 園藝植物生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070； 2. 湖北省農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測(cè)中心，湖北 武漢 430070

酸性土壤占世界可耕作土壤的30%~40%，且呈逐年上升趨勢(shì)，鋁毒是酸性土壤中作物生產(chǎn)的主要限制因素。作為鋁富集植物，茶樹(shù)體內(nèi)鋁含量是其他植物的幾十倍，且不表現(xiàn)出根尖生長(zhǎng)受抑制及根冠表皮脫落等典型鋁毒癥狀，適宜濃度的鋁還能促進(jìn)茶樹(shù)的生長(zhǎng)。本文主要對(duì)茶樹(shù)鋁富集特性、鋁在茶樹(shù)細(xì)胞內(nèi)存在形態(tài)及亞細(xì)胞分布、茶樹(shù)對(duì)鋁的生理響應(yīng)、茶樹(shù)耐鋁聚鋁的可能機(jī)理等研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并對(duì)后續(xù)研究思路作了展望。

茶樹(shù)；鋁；有機(jī)酸；轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白；轉(zhuǎn)錄因子

鋁（Al）占地殼總質(zhì)量的7%，是第三豐富的元素[1]。酸性土壤（pH<5）中活性鋁產(chǎn)生的鋁毒害會(huì)顯著抑制植物的根系生長(zhǎng)，根尖壞死阻礙對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收，進(jìn)而抑制地上部分的生長(zhǎng)，是限制作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的主要因素之一[2]。酸性土壤占地球耕地面積的30%~40%，因生理酸性肥料的大量施用及不合理的施肥習(xí)慣，耕地土壤酸化進(jìn)一步加劇[3]。茶樹(shù)起源于我國(guó)西南地區(qū)，在亞熱帶溫帶濕潤(rùn)的氣候條件下，形成了茶樹(shù)“喜酸喜鋁怕堿”的特性，土壤pH 4.5~5.5為茶樹(shù)生長(zhǎng)最適宜酸度范圍。因茶樹(shù)喜鋁，其成熟葉中鋁含量可高達(dá)30?000?mg·kg-1，且沒(méi)有鋁毒害的癥狀，表現(xiàn)出鋁富集的特性[4]，該濃度水平為較耐鋁禾谷類水稻植株體內(nèi)鋁含量的百倍多。研究發(fā)現(xiàn)適宜濃度的鋁對(duì)茶樹(shù)生長(zhǎng)有明顯的促進(jìn)作用[5-8]。因此，明確茶樹(shù)的喜鋁耐鋁機(jī)制，對(duì)于培育具有耐酸鋁性的農(nóng)作物新品種、提高農(nóng)作物產(chǎn)量及促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。

1 茶樹(shù)聚鋁特性

茶樹(shù)具有富集鋁的生物學(xué)特性，體內(nèi)的鋁含量較高且沒(méi)有鋁毒癥狀，因此被認(rèn)為是鋁富集植物。研究發(fā)現(xiàn)，茶樹(shù)各器官的鋁含量由高到低依次為葉>根>莖[9]。茶樹(shù)老葉中的鋁濃度是幼嫩葉中的18倍[10-11]。Fung等[12]發(fā)現(xiàn)茶樹(shù)葉片中的鋁濃度在不同茶樹(shù)品種中具有廣泛的遺傳變異，茶樹(shù)葉片鋁含量隨著發(fā)育成熟度的提高而增加，不同部位茶樹(shù)葉片鋁濃度依次為：落葉＞成熟葉（老葉）＞根系＞樹(shù)枝＞嫩葉，表明鋁在茶樹(shù)體內(nèi)難以移動(dòng)。于翠平[13]隨機(jī)檢測(cè)了51個(gè)茶樹(shù)品種葉片中的鋁濃度，發(fā)現(xiàn)不同茶樹(shù)基因型對(duì)鋁的富集存在顯著差異，其中葉片鋁含量最高品種和含量最低品種間相差4倍。王瓊瓊等[14]研究發(fā)現(xiàn)，不同季節(jié)的茶樹(shù)鋁富集能力具有差異，茶樹(shù)葉片鋁濃度呈現(xiàn)出季節(jié)性變化規(guī)律，秋季茶樹(shù)葉片鋁濃度最高，春季鋁濃度最低，同一部位的葉片鋁濃度隨著樹(shù)齡的增長(zhǎng)而增加。因此，茶樹(shù)不同器官、不同部位、不同季節(jié)對(duì)鋁的富集存在顯著差異，且存在廣泛的基因型差異。因此，以茶樹(shù)種質(zhì)資源為研究材料，克隆茶樹(shù)耐鋁或富集鋁基因及其等位變異，對(duì)于揭示茶樹(shù)耐鋁聚鋁的遺傳調(diào)控機(jī)理，對(duì)培育耐鋁農(nóng)作物新品種具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1.1 茶樹(shù)體內(nèi)鋁形態(tài)

在茶樹(shù)葉片細(xì)胞內(nèi)，鋁主要以配體結(jié)合的方式存在。早期Nagata等[15]用27Al核磁共振（NMR，Nuclear magnetic resonance spectroscopy）技術(shù)檢測(cè)茶樹(shù)不同部位葉片中鋁的核磁共振譜線，發(fā)現(xiàn)嫩葉中鋁主要與兒茶素結(jié)合，較老葉片中除了兒茶素鋁復(fù)合物外，少部分以酚酸鋁和有機(jī)鋁形式存在。Morita等[16]用27Al-NMR法檢測(cè)茶樹(shù)木質(zhì)部汁液時(shí)發(fā)現(xiàn)鋁主要以鋁-檸檬酸絡(luò)合物形式存在，雖然木質(zhì)部傷流液中蘋果酸含量高于檸檬酸，但蘋果酸鋁絡(luò)合物以及草酸鋁絡(luò)合物很少。Morita等[17]研究表明，茶樹(shù)根部鋁主要與草酸結(jié)合。孫婷等[18]的研究結(jié)果表明，茶樹(shù)體內(nèi)的鋁大多以有機(jī)態(tài)或螯合態(tài)形式存在，包括鋁-草酸鹽（1:1）、鋁-草酸鹽（1:2）和鋁-磷酸鹽復(fù)合物，此外在葉片中還檢測(cè)到鋁與兒茶素、有機(jī)酸（琥珀酸、五倍子酸）、酚酸等的絡(luò)合物。Gao等[11]研究表明，茶樹(shù)葉片和根系中鋁與細(xì)胞壁中的果膠和半纖維素結(jié)合而被富集。因此，這些研究表明茶樹(shù)通過(guò)有機(jī)酸、兒茶素或磷酸螯合離子態(tài)的鋁，從而降低或解除細(xì)胞質(zhì)鋁的毒性，且細(xì)胞中大部分鋁與細(xì)胞壁中多糖結(jié)合成為鋁富集的重要組成部分。

1.2 鋁在茶樹(shù)細(xì)胞中的分布

Matsumoto等[4]采用光學(xué)顯微鏡及電子探針X射線技術(shù)發(fā)現(xiàn)鋁在茶樹(shù)葉片的表皮細(xì)胞中存在，尤其是老葉組織的表皮細(xì)胞中鋁濃度較高且表皮細(xì)胞顯著增厚。在茶樹(shù)根尖細(xì)胞中各細(xì)胞器的鋁含量為：細(xì)胞壁＞細(xì)胞質(zhì)＞細(xì)胞核＞線粒體，并且細(xì)胞核中鋁的含量最為穩(wěn)定，細(xì)胞壁中鋁的含量變化較大[19]?；诘湍芰康腦射線熒光顯微技術(shù)（LEXRF）對(duì)茶樹(shù)葉片中鋁的分布的研究表明，鋁優(yōu)先儲(chǔ)存在上表皮細(xì)胞壁，其次是液泡[20]。Carr等[10]在葉片外表皮細(xì)胞壁發(fā)現(xiàn)高濃度鋁支持了這一觀點(diǎn)。茶樹(shù)新梢及成熟葉細(xì)胞壁中的鋁分別占64.40%和83.24%，葉片細(xì)胞壁中鋁的比例隨著成熟度而增加[21]。Gao等[11]利用離子色譜和原子吸收光譜對(duì)茶樹(shù)中鋁的亞細(xì)胞分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)茶樹(shù)根、葉中分別有69.8%和75.2%的鋁儲(chǔ)存于細(xì)胞壁，并且根部細(xì)胞壁中73.2%的鋁與果膠和半纖維素結(jié)合，葉片原生質(zhì)體中88.3%的鋁被隔離在液泡中，進(jìn)一步證實(shí)了在細(xì)胞水平上鋁主要貯存在細(xì)胞壁和被區(qū)隔化在液泡中，減少了鋁對(duì)茶樹(shù)生理代謝的破壞，這也是茶樹(shù)耐鋁或富集鋁的重要機(jī)制，細(xì)胞壁作為第一道屏障抵御重金屬毒害脅迫逐漸被證實(shí)而被重視，液泡膜將液泡區(qū)隔成相對(duì)獨(dú)立的細(xì)胞器，參與細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)、細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的積累與移動(dòng)及物質(zhì)的代謝活動(dòng)等生理功能，是許多超積累植物耐受重金屬和鹽分的一種重要機(jī)制。

2 鋁對(duì)茶樹(shù)生長(zhǎng)的影響

Chenery[22]首次發(fā)現(xiàn)鋁對(duì)茶樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育具有促進(jìn)作用，隨后大量的研究也證實(shí)了一定濃度范圍的鋁能夠促進(jìn)茶樹(shù)的生長(zhǎng)。方興漢等[23]研究表明，適宜的鋁濃度可增加茶苗的生物量，8~32?mg·L-1為最適宜鋁濃度范圍。潘根生等[24]研究發(fā)現(xiàn)，適宜濃度的鋁可促進(jìn)茶樹(shù)新根發(fā)育，并且茶樹(shù)新稍長(zhǎng)度、萌展值，以及生物重均顯著增加。Ghanati等[5]研究發(fā)現(xiàn)，加鋁處理的茶樹(shù)根系10?d伸長(zhǎng)量為8.3?mm，顯著高于不加鋁處理的伸長(zhǎng)量（3.1?mm）。孫婷等[18]發(fā)現(xiàn)，茶樹(shù)僅在高鋁濃度條件下表現(xiàn)出鋁毒害癥狀。Xu等[25]的研究結(jié)果也與此一致，即添加適量的鋁可以促進(jìn)茶樹(shù)根系生長(zhǎng)，包括根長(zhǎng)增長(zhǎng)、根系干物質(zhì)增加、根系活力增強(qiáng)。Li等[7]發(fā)現(xiàn)0.2?mmol·L-1鋁濃度最適宜茶樹(shù)幼苗生長(zhǎng)，當(dāng)茶樹(shù)被1.0?mmol·L-1Al（pH必需調(diào)整為3.2才能沒(méi)有渾濁沉淀）處理1?h，就表現(xiàn)出脫水萎蔫等鋁毒或質(zhì)子毒害癥狀。Ruan等[26]研究發(fā)現(xiàn)，茶樹(shù)根際pH低于非根際土壤中的pH，而根際鋁活性顯著高于非根際土壤中的鋁活性，推測(cè)茶樹(shù)根系分泌物活化了根際土壤中的鋁，從而促進(jìn)茶樹(shù)對(duì)鋁的吸收。研究表明鋁影響茶樹(shù)對(duì)不同礦質(zhì)元素的吸收與利用，Chen等[27]研究發(fā)現(xiàn)，鋁促進(jìn)茶樹(shù)對(duì)Ca、Mg、K、Mn等養(yǎng)分的吸收，抑制Fe、Cu、Zn等養(yǎng)分的吸收，在適宜的鋁濃度范圍內(nèi)，茶樹(shù)體內(nèi)的多酚及表兒茶素沒(méi)食子酸酯等組分含量隨著鋁濃度增加而增加。在添加鋁的處理?xiàng)l件下，茶樹(shù)對(duì)鐵的吸收和運(yùn)輸明顯減少，可能是通過(guò)減輕潛在的鐵離子毒害促進(jìn)茶樹(shù)生長(zhǎng)[6]。鋁通過(guò)與氟離子形成無(wú)毒的Al-F絡(luò)合物，緩解高濃度氟離子對(duì)茶樹(shù)的毒害，進(jìn)而促進(jìn)茶樹(shù)生長(zhǎng)[28]。鋁影響茶樹(shù)的生理代謝過(guò)程，隨著鋁濃度的遞增，茶樹(shù)葉片中葉綠素含量、凈光合速率均遵循先升后降的變化規(guī)律，這也驗(yàn)證了適宜濃度的鋁有益茶樹(shù)生長(zhǎng)，但濃度過(guò)高則對(duì)茶樹(shù)造成傷害，適宜濃度的鋁誘導(dǎo)茶樹(shù)的光合速率和抗氧化能力增強(qiáng)，并且擴(kuò)大根表面積，從而改善其對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收[29]。

因此，茶樹(shù)能吸收儲(chǔ)存高濃度的鋁而被認(rèn)為是鋁積累植物，而且適宜濃度的鋁對(duì)茶樹(shù)生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用，鋁被認(rèn)為是對(duì)茶樹(shù)生長(zhǎng)的有益元素。

3 茶樹(shù)對(duì)鋁的響應(yīng)

3.1 茶樹(shù)分泌有機(jī)酸螯合鋁

植物可以通過(guò)分泌有機(jī)酸（蘋果酸、草酸、檸檬酸等）與Al3+螯合而減輕鋁毒[2,30]。Nagata等[15]采用27Al NMR光譜在茶樹(shù)葉片中發(fā)現(xiàn)大量鋁-兒茶素、鋁-氟、鋁-酚酸和鋁-有機(jī)酸等復(fù)合物。Morita等[16]研究表明，在茶樹(shù)木質(zhì)部汁液中檢測(cè)到蘋果酸與檸檬酸，而草酸含量微乎其微，采用27Al NMR技術(shù)在茶樹(shù)木質(zhì)部汁液中檢測(cè)到Al-檸檬酸復(fù)合物，表明Al3+可能通過(guò)與檸檬酸形成復(fù)合物在茶樹(shù)根部裝載至木質(zhì)部，再向地上部運(yùn)輸，而鋁-蘋果酸與鋁-氟復(fù)合物并不是茶樹(shù)木質(zhì)部汁液的主要組成成分。通過(guò)對(duì)茶樹(shù)根尖分析發(fā)現(xiàn)鋁-草酸絡(luò)合物的特征峰，該絡(luò)合物濃度隨著鋁濃度的增加而增加，表明鋁與草酸絡(luò)合物是茶樹(shù)根尖解鋁毒的重要機(jī)制[17]。Morita等[31]推測(cè)茶樹(shù)可能通過(guò)根系分泌草酸以及咖啡堿等物質(zhì)提高其耐鋁性。茶樹(shù)體內(nèi)可檢測(cè)到草酸、丙酮酸、蘋果酸、α-酮戊二酸和琥珀酸等有機(jī)酸，而茶樹(shù)根系分泌物中主要為草酸和蘋果酸[21]。Xu等[25]發(fā)現(xiàn)鋁可以促進(jìn)茶樹(shù)莽草酸代謝途徑相關(guān)酶類的生物合成，在茶樹(shù)根部發(fā)現(xiàn)蘋果酸、奎寧酸和莽草酸。Li等[7]利用RNA-Seq技術(shù)確定了3個(gè)涉及有機(jī)酸生物合成途徑基因，包括2個(gè)蘋果酸脫氫酶基因和1個(gè)草酸輔酶A連接酶基因。以上研究結(jié)果表明，茶樹(shù)合成有機(jī)酸與鋁離子螯合以無(wú)毒或毒性較小的鋁形態(tài)存在，減輕鋁對(duì)細(xì)胞的毒害，該機(jī)制與茶樹(shù)鋁的富集密切相關(guān)，而根系有機(jī)酸分泌物以螯合根際鋁而降低鋁毒或增強(qiáng)茶樹(shù)的耐鋁性。

3.2 茶樹(shù)氨基酸和糖代謝對(duì)鋁的響應(yīng)

Xu等[25]利用GC-MS在鋁處理后的茶樹(shù)葉片中檢測(cè)發(fā)現(xiàn)氨基酸含量升高。糖類物質(zhì)作為植物生長(zhǎng)過(guò)程中非常重要的代謝產(chǎn)物，可以維持細(xì)胞滲透壓以及直接給機(jī)體提供能源[32]，糖酵解代謝在緩解植物鋁毒害過(guò)程中起著重要作用，有研究發(fā)現(xiàn)，鋁毒害條件下抗鋁小麥品種[33]和水稻品種[34]，體內(nèi)大量與糖酵解相關(guān)的基因的表達(dá)量出現(xiàn)上調(diào)。在加鋁條件下，茶樹(shù)根和葉片中許多與糖酵解代謝有關(guān)的蛋白也被檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，Xu等[25]利用GC-MS技術(shù)在茶樹(shù)根和葉片中檢測(cè)到較高濃度的糖醇、FBA（果糖-1，6-二磷酸醛縮酶）、GAPDH（甘油醛-3-磷酸脫氫酶）和PDH（丙酮酸脫氫酶）等物質(zhì)。Xu等[8]發(fā)現(xiàn)鋁脅迫條件下F5H（阿魏酸5-羥化酶）含量在茶樹(shù)根部和葉片中下降，Morita等[31]還發(fā)現(xiàn)鋁誘導(dǎo)條件下，茶樹(shù)根部可以分泌咖啡堿物質(zhì)抑制胼胝質(zhì)沉積，從而增強(qiáng)根系生長(zhǎng)。因此，表明茶樹(shù)響應(yīng)鋁的體內(nèi)糖類物質(zhì)的代謝可能和耐鋁聚鋁性緊密相關(guān)。

3.3 鋁促進(jìn)茶樹(shù)光合作用

Xu等[25]發(fā)現(xiàn)鋁可以促進(jìn)茶樹(shù)光合作用，在加鋁條件下茶樹(shù)葉片SPAD值增加，并進(jìn)一步利用iTRAQ蛋白組學(xué)方法分析發(fā)現(xiàn)，鋁誘導(dǎo)條件下茶樹(shù)葉片中細(xì)胞色素b6f、PetB、PetD等復(fù)合物大量合成[8]，這些復(fù)合物在電子從光系統(tǒng)II（PSII）到光系統(tǒng)I（PSI）的傳遞上起重要作用[35]，可以加速電子從PSII到PSI的轉(zhuǎn)移[36]，從而影響ATP和NADPH的產(chǎn)生。在茶樹(shù)葉片中PSI蛋白（PsaG、PsaL、PsaO）、PSII蛋白（PsbA、PsbD、PsbE、PsbH、PsP、PsbQ、PsbR）和捕光色素復(fù)合物L(fēng)HC蛋白（Lhcb1，Lhcb2，Lhcb4，Lhcb6）以及葉綠體ATP合成酶也被檢測(cè)到[8]，有研究表明大麥應(yīng)對(duì)鋁脅迫時(shí)ATP合成酶也會(huì)大量合成[37]。Li等[7]發(fā)現(xiàn)，茶樹(shù)在鋁誘導(dǎo)條件下4個(gè)葉綠素a/b結(jié)合蛋白基因出現(xiàn)大量表達(dá)，可能與茶樹(shù)響應(yīng)鋁有關(guān)。以上結(jié)果表明，與對(duì)鋁敏感植物不同，茶樹(shù)響應(yīng)鋁處理能夠保持較高的光合作用效率，茶樹(shù)葉片維持這些蛋白質(zhì)的高表達(dá)量可能是茶樹(shù)喜鋁或鋁富集的機(jī)制之一。

3.4 鋁促進(jìn)茶樹(shù)抗氧化系統(tǒng)相關(guān)酶的合成

植物能夠利用抗氧化酶系統(tǒng)，提高其抗氧化能力進(jìn)而增強(qiáng)耐鋁性能，已有研究報(bào)道超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化物酶（POD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）、抗壞血酸酶（APX）和谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶（GST）等抗氧化酶在植物應(yīng)對(duì)環(huán)境鹽堿脅迫、重金屬毒害、干旱與高溫等非生物脅迫時(shí)具有重要調(diào)節(jié)作用[38]。羅亮等[39]在茶樹(shù)中研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的鋁（10?mg·L-1）處理可以降低茶樹(shù)的丙二醛（MDA）含量，并增強(qiáng)茶樹(shù)POD、CAT活性；高濃度的鋁處理（100?mg·L-1）降低POD的活性，提高CAT活性和丙二醛含量。于翠平等[40]研究也得到了一致的結(jié)果，即鋁處理明顯促進(jìn)茶樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育，增加茶樹(shù)葉片葉綠素的含量，并提高SOD、CAT、POD活性，使MDA含量降低。Ghanati等[5]研究表明，鋁可顯著提高茶樹(shù)根尖和茶樹(shù)懸浮培養(yǎng)細(xì)胞的保護(hù)酶活性，降低脂質(zhì)過(guò)氧化作用，減少與細(xì)胞壁結(jié)合的木質(zhì)素和多酚含量，延緩木質(zhì)化并提高細(xì)胞壁的韌性，從而間接提高抵御外界脅迫的能力。Xu等[8]研究發(fā)現(xiàn)，茶樹(shù)在鋁誘導(dǎo)條件下，CAT、APX及GST在其根部大量合成。GST有助于保護(hù)細(xì)胞免受氧化損傷，通過(guò)谷胱甘肽與過(guò)量的毒素形成連體S-谷胱甘肽產(chǎn)物，并進(jìn)一步將產(chǎn)物運(yùn)輸?shù)揭号葸M(jìn)行隔離[41]。Li等[7]利用RNA-Seq對(duì)不同鋁濃度處理的茶樹(shù)幼苗根系進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析，發(fā)現(xiàn)在高鋁濃度誘導(dǎo)條件下基因在茶樹(shù)中大量表達(dá)。因此，茶樹(shù)在鋁處理?xiàng)l件下抗氧化酶活性增加，且相關(guān)基因表達(dá)被誘導(dǎo)，推測(cè)該抗氧化酶保護(hù)系統(tǒng)可以消除因鋁處理而產(chǎn)生的活性氧自由基等毒害物質(zhì)，酶類和非酶類抗氧化系統(tǒng)可能參與茶樹(shù)耐鋁及富集鋁的生物學(xué)過(guò)程。

3.5 茶樹(shù)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)鋁的響應(yīng)

Li等[7]通過(guò)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析發(fā)現(xiàn)2個(gè)鋁誘導(dǎo)的蘋果酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因與1個(gè)鋁敏感轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因在茶樹(shù)根系中被鋁誘導(dǎo)表達(dá)。是鋁誘導(dǎo)的蘋果酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因與耐鋁相關(guān)[42]，在擬南芥中編碼一個(gè)跨膜蛋白和耐鋁緊密關(guān)聯(lián)[43]，它和水稻中的是同源基因，在水稻中通過(guò)和形成一個(gè)復(fù)合物共同調(diào)節(jié)修飾細(xì)胞壁組分從而達(dá)到耐鋁作用[43]，根細(xì)胞壁的組成成分可間接反映植物抵御外界環(huán)境脅迫的能力。這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的同源基因在高耐鋁植物蕎麥中也被鑒定受鋁誘導(dǎo)[44]，以上研究表明，這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因介導(dǎo)的鋁耐受機(jī)制在植物界普遍存在，雖然在不同植物物種中表達(dá)模式不完全一致。

Li等[7]在茶樹(shù)中發(fā)現(xiàn)了15個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族基因（ATP-Binding cassette）被鋁誘導(dǎo)表達(dá)，ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是一大類跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，參與生物體多種物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸，其轉(zhuǎn)運(yùn)底物包括多糖、重金屬螯合物、生物堿等[45]，推測(cè)ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可能與茶樹(shù)根部鋁的吸收跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)及鋁在茶樹(shù)葉片亞細(xì)胞水平的分布相關(guān)。

鎂轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因（Magnesium transporter gene）通過(guò)調(diào)節(jié)鎂離子的內(nèi)流來(lái)介導(dǎo)水稻的其他抗鋁脅迫途徑，鋁脅迫可誘導(dǎo)其在水稻根中的快速表達(dá)。與水稻抗鋁性能高度相關(guān)，該基因敲除突變體對(duì)鋁毒性的耐受能力減弱。因鎂在植物中作為多種酶的輔基，推測(cè)其可能通過(guò)提高酸性磷酸酶的活性、穩(wěn)定H+-ATPase的活性、調(diào)節(jié)細(xì)胞質(zhì)pH、維持細(xì)胞質(zhì)Ca2+穩(wěn)態(tài)、緩解活性氧的產(chǎn)生等提高植株的耐鋁性能[46]。Li等[7]基于茶樹(shù)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序發(fā)現(xiàn)3個(gè)鎂離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因被高濃度鋁誘導(dǎo)表達(dá)，推測(cè)其在茶樹(shù)體內(nèi)可能存在與水稻類似的生物學(xué)功能，從而增強(qiáng)茶樹(shù)耐鋁的生物學(xué)特性。

在水稻、擬南芥中研究表明，多藥和有毒化合物轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因（Multidrug and toxic compound extrusion，）與檸檬酸的轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)，它能促進(jìn)檸檬酸分泌以螯合機(jī)體外的鋁離子，減輕鋁毒[42,47]。高鋁誘導(dǎo)條件下，Li等[7]在茶樹(shù)中發(fā)現(xiàn)5個(gè)同源基因的表達(dá)量受高鋁濃度的誘導(dǎo)，表明基因可能通過(guò)調(diào)節(jié)檸檬酸的分泌來(lái)提高茶樹(shù)耐鋁能力。

Li等[7]還發(fā)現(xiàn)了大量與硫酸鹽外排、鉀轉(zhuǎn)運(yùn)、硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白相關(guān)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因，這表明鋁離子的轉(zhuǎn)運(yùn)可能與以上這些化合物一并轉(zhuǎn)運(yùn)。除此之外，Li等[7]鑒定了，和共3個(gè)水通道蛋白的同源基因，其中受高鋁濃度誘導(dǎo)，其他2個(gè)被高鋁抑制。在鋁富集植物繡球花（）中也鑒定了兩個(gè)水通道蛋白家族成員，分別定位于液泡膜Al3+轉(zhuǎn)運(yùn)體（）和質(zhì)膜Al3+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1（）[48]，可能通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)非離子底物如NH3、尿素和水調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓來(lái)緩解鋁毒脅迫[49-50]，也有可能是鋁以Al(OH)3分子形態(tài)跨越茶樹(shù)液泡膜或細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)，其機(jī)制還需進(jìn)一步研究闡明。

因此，研究表明茶樹(shù)耐鋁聚鋁機(jī)理復(fù)雜，為多基因共同調(diào)控的結(jié)果：包括內(nèi)部耐受和外部排斥機(jī)制。水稻和擬南芥等模式植物抗鋁毒的機(jī)理包括鋁的外部排斥、減少對(duì)鋁的吸收及體內(nèi)對(duì)鋁的區(qū)隔化。茶樹(shù)作為鋁的富集植物，鋁在茶樹(shù)體內(nèi)的螯合及區(qū)隔無(wú)害化可能起著更為關(guān)鍵的作用，前者與有機(jī)酸代謝密切相關(guān)，胞質(zhì)內(nèi)維持著較低活性鋁的水平，從而減少鋁對(duì)茶樹(shù)細(xì)胞器的毒害，而后者則是細(xì)胞壁修飾相關(guān)基因及跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白扮演著重要角色。

3.6 鋁脅迫相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)

在苔蘚植物和高等植物中被鑒定為響應(yīng)鋁脅迫的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，并且可能在陸生植物體內(nèi)廣泛存在[44, 51-53]。Li等[7]研究結(jié)果表明，茶樹(shù)基因也受鋁誘導(dǎo)，調(diào)控的下游基因的部分同源基因在茶樹(shù)中也被鑒定，這些基因功能涉及茶樹(shù)根部有機(jī)酸的分泌（）、鋁離子跨細(xì)胞膜吸收（）、離子的液泡區(qū)隔化（）、細(xì)胞壁組分修飾（）、鎂轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（），這些基因都和茶樹(shù)耐鋁或富鋁相關(guān)，表明茶樹(shù)可能與擬南芥、水稻具有相似的耐鋁機(jī)制。蛋白是一類植物特異的轉(zhuǎn)錄因子家族，在植物響應(yīng)病害及非生物脅迫中起重要作用[54]。研究表明，在擬南芥中與啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合阻止其轉(zhuǎn)錄表達(dá)，是的轉(zhuǎn)錄阻遏因子，而在鋁誘導(dǎo)條件下可以調(diào)節(jié)蘋果酸分泌，蘋果酸能和鋁離子螯合從而緩解鋁毒害[55]。Li等[7]發(fā)現(xiàn)6個(gè)家族基因響應(yīng)鋁誘導(dǎo)表達(dá)，可能通過(guò)使表達(dá)量下調(diào)減少其對(duì)的負(fù)向調(diào)控，進(jìn)而調(diào)節(jié)蘋果酸的分泌。除此之外，Li等[7]還發(fā)現(xiàn)了、等轉(zhuǎn)錄因子，其調(diào)控的下游基因中，許多基因功能和植物響應(yīng)生物和非生物脅迫相關(guān)。推測(cè)這些轉(zhuǎn)錄因子在茶樹(shù)耐鋁聚鋁生物學(xué)過(guò)程中發(fā)揮了非常重要的作用，其調(diào)控機(jī)理將是今后研究的重點(diǎn)。

3.7 茶樹(shù)其他耐鋁候選基因

蛋白質(zhì)泛素化已被證明在對(duì)外界環(huán)境信號(hào)的感知和轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮重要作用，Li等[7]在茶樹(shù)根部發(fā)現(xiàn)了13個(gè)與泛素化相關(guān)基因，表明蛋白質(zhì)泛素化和茶樹(shù)響應(yīng)外界鋁的誘導(dǎo)存在密切關(guān)聯(lián)。研究表明調(diào)控增加甾醇生物合成量，在谷類作物中具有耐鋁作用[56]，是家族成員之一Li等[7]在茶樹(shù)中也檢測(cè)發(fā)現(xiàn)了多個(gè)基因。Oh等[57]通過(guò)蛋白組發(fā)現(xiàn)，熱激蛋白在緩解小麥耐鋁毒害方面發(fā)揮了重要作用。Li等[7]檢測(cè)發(fā)現(xiàn)了5個(gè)熱激蛋白基因，推測(cè)其可能在轉(zhuǎn)錄水平上參與了茶樹(shù)耐鋁與富鋁調(diào)控。值得關(guān)注的是，還發(fā)現(xiàn)許多未知生物學(xué)功能的基因在茶樹(shù)根部大量表達(dá)?；谵D(zhuǎn)錄組或蛋白組鑒定的受鋁水平調(diào)控的關(guān)鍵基因，是解析茶樹(shù)鋁富集的分子機(jī)理的候選基因，為后續(xù)研究提供了重要依據(jù)。

4 展望

茶樹(shù)因具有較高的經(jīng)濟(jì)與品飲價(jià)值，最近幾年有關(guān)茶樹(shù)分子生物學(xué)的研究發(fā)展迅速。近期茶樹(shù)基因組測(cè)序的完成[58]，將會(huì)促進(jìn)對(duì)茶葉代謝物質(zhì)生物合成、品質(zhì)形成及養(yǎng)分高效機(jī)理等相關(guān)科學(xué)問(wèn)題的研究。有關(guān)茶樹(shù)耐鋁聚鋁的分子機(jī)理鮮有報(bào)道，耐鋁相關(guān)基因的克隆解析研究更是一片空白，尤其是與抗鋁密切相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白等基因值得進(jìn)一步探索。模式植物水稻和擬南芥僅可以作為茶樹(shù)耐鋁候選基因功能研究的遺傳轉(zhuǎn)化受體，目前，茶樹(shù)遺傳轉(zhuǎn)化體系不成熟將成為茶樹(shù)聚鋁基因功能研究的技術(shù)瓶頸。已有的研究表明植物耐鋁是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)制，是多基因共同作用的結(jié)果，借助于當(dāng)前公布的茶樹(shù)基因組數(shù)據(jù)，進(jìn)一步挖掘與耐鋁密切相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白等基因，不斷明確茶樹(shù)耐鋁機(jī)制，對(duì)于培育具有耐酸耐鋁的農(nóng)作物、提高農(nóng)作物產(chǎn)量及促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有非常重要意義。

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Advances of Aluminum Tolerance and Accumulation in Tea Plant

LI Yong1, TANG Che2, ZHAO Hua1*, NI Dejiang1

1. Key Laboratory of Horticultural Plant Biology, Ministry of Education; College of Horticulture and Forestry Sciences, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China; 2. Hubei Province Agricultural Products Quality Safety Testing Center, Wuhan 430070, China

Acidification is identified in 30%-40% arable land worldwide. Furthermore, the soil acidity is gradually serious. Aluminum (Al) toxicity is a major limiting factor for plant growth and crop production in acid soils. The tea plant ((L.) O. Kuntze) exhibits good performance when exposed to a proper Al level, and accumulates high Al in the leaves without representative toxicity symptoms, such as growth inhibition of root tip, falling of the epidermis of root cap. Thus, tea plant is considered as an Al hyper accumulator. This review summarized the progress of Al accumulation, forms, subcellular location or distribution and its physiological responses of tea plant to Al. Additionally, the potential mechanisms and future researches related to Al tolerance or accumulation in tea plant were also discussed.

tea plant, aluminum, organic acid, transporter, transcription factor

S571.1

A

1000-369X（2018）01-001-08

2017-06-29

2017-10-24

國(guó)家自然科學(xué)基金（31470406）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（2662015BQ011）

李勇，男，碩士研究生，主要從事茶樹(shù)鋁富集機(jī)理的研究。*通訊作者：zhaohua@mail.hzau.edu.cn