茶树对氟的富集及其生理响应机制研究

【摘要】茶是世界流行的饮料之一，但随着茶叶氟含量的调查，茶的食用安全风险引起了人们越来越多的关注。茶树是一种吸氟植物，在自然生长条件下，茶树吸收的氟元素远高于其它植物。当前对茶树吸氟的研究主要有：茶叶氟浸泡溶出规律，茶树氟积累特性、茶园土壤对氟的吸附特性、氟铝交互作用对茶树吸氟的影响等几个方面。本文通过对生长在同一资源圃中的44个茶树品种氟水平的调查，分析了造成茶树品种氟吸收差异的可能因素；以大田调查中选出的高氟和低氟品种为研究对象，研究了两个品种在氟处理下抗氧化保护酶和抗坏血酸-谷胱甘肽循环系统的响应机制；通过对氟处理下茶树叶片光合能力、叶绿素含量、叶片解剖结构的观察对比，分析了茶树品种耐氟差异的原因和氟对叶片伤害的主要部位；通过检测亚细胞组织中氟与钙的含量与分布比率，探讨了钙素在茶树耐氟机制中的作用；通过对氟处理下两个品种茶叶儿茶素和挥发物质的检测，研究了氟、品种与茶叶品质的关系；通过模拟根系小分子有机酸的分泌，研究了两种有机酸对茶树根际土壤氟释放的动力学模型；通过研究氟处理下根系有机酸的分泌与有机酸代谢酶的关系，探讨了有机酸分泌对氟的响应机制。主要结果如下：1.44个茶树品种叶片的氟含量存在显著差异。叶片是茶树氟积累的主要器官，成熟叶片中氟含量最高，平均为1121mg·kg-1，而嫩叶（第三叶）中氟含量约为655mg·kg-1，分别是根部氟含量的301和175倍。根、茎中氟含量的变异系数分别为36.9%和36.0%，高于嫩叶（22.2%）和成熟叶（13.3%）的变异系数。以嫩叶和成熟叶的氟含量为变量，通过聚类分析将44个茶树品种分成高氟、中氟和低氟三类，低氟类含有10个茶树品种，分别是：日本萧茶、西乡大河11号、长霖大叶、香菇寮白毫、浙农113号、福鼎大白、西乡大河6号、黄叶早、薮北种、彰科1号等。茶树品种之间氟含量的差异主要是由茶树的基因型控制，茶树表型性状中的主枝分枝角度和侧枝角度受中度至较强程度的遗传控制，研究发现茶树氟积累会受到茶树分枝角度的影响，这可能与茶树顶端优势及激素分配造成的生长势不同而影响了氟的吸收有关。另外，茶树氟的吸收也与根系活力有关。2.高氟和低氟品种在氟处理下的抗氧化酶活性和抗坏血酸-谷胱甘肽循环系统的响应有较大差异。氟处理下，高氟品种叶片过氧化氢含量和超氧阴离子生成速率均高于低氟品种，表明高氟品种受到的活性氧的伤害大于低氟品种，而高氟品种中抗氧化酶如：超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、抗坏血酸过氧化物酶、单脱氢抗坏血酸还原酶、谷胱甘肽还原酶的活性均低于低氟品种，抗氧化物质如：还原型抗坏血酸、氧化型抗坏血酸、还原型谷胱甘肽和氧化型谷胱甘肽的含量也低于低氟品种。表明低氟品种对氟胁迫有更高效的抗氧化保护机制。3.氟处理能引起细胞膜脂肪酸的过氧化，使叶片中不饱和脂肪酸和长链脂肪酸氧化降解为饱和脂肪酸和短链脂肪酸，增加脂肪酸降解产物丙二醛的含量，降低叶片叶绿素含量，导致光合速率的降低。通过叶片解剖结构的观察发现，氟对低氟品种叶片的伤害较轻，而对高氟品种的伤害较重，氟对叶片伤害的部位为木质部和韧皮部之间的形成层细胞。并对叶肉细胞有损害，导致叶片组织结构松散排列。4.随着氟处理浓度的增加，茶苗总磷含量增加，总氮含量降低，这可能与磷酸根吸收的增加，硝酸根和氨根吸收的降低有关。氟浓度的增加也会降低茶苗对矿质元素钾、钙、镁、铁、锌的吸收，茶苗通过改变这些元素在植体内的分布调节对氟的适应。氟主要聚集在叶片细胞的细胞壁中，其占总氟量的48-57%,细胞器中的氟约占23-38%，细胞质中氟约占11-21%。钙素主要分布在细胞溶质中，约占细胞总钙量的52-73%，其次分布在细胞器中，约占16-25%，细胞壁的钙含量最低，约为10-23%。随着氟处理浓度的增大，细胞壁中的氟分配比率在增加，而细胞壁中钙的分配比率也在增加，表明钙可能参与了细胞壁中氟的固定，可能形成了难溶性的CaF2沉积在细胞壁中，起到降低氟毒性的作用。5.氟处理对高氟和低氟品种茶叶品质的影响不同，氟处理下高氟品种主要表现为表没食子儿茶素和表儿茶素含量的降低，而低氟品种主要表现为表没食子儿茶素没食子酸酯含量的降低，在茶叶挥发物质含量方面，高氟品种主要表现为茶叶中醛、醇和酯类物质的增多，而低氟品种的醛、醇和酯类物质在减少。但是，由于低氟品种叶片含有较高的酚类物质和挥发物质，在氟处理后仍然表现出较高的含量。因而氟对茶叶品质的影响与茶树品种的关系较大。6.通过模拟根系持续分泌有机酸对土壤氟释放影响的研究，发现了根际土壤氟释放的动力学模型可用Elovich方程式表示，土壤中氟的释放可分为一个0.5-10h的快速释放期和10-180h的缓慢释放期。这种现象与有机酸和土壤发生反应的部位不同有关。此外，氟处理也降低了茶苗根系苹果酸和柠檬酸的分泌，这可能与根系中苹果酸和柠檬酸含量的降低有关。叶片中苹果酸脱氢酶和柠檬酸合成酶的活性均显著高于根部。叶片中活性较高的苹果酸脱氢酶和柠檬酸合成酶可能促进了叶片中苹果酸和柠檬酸的合成，并向下输送到根系参与根系有机酸的分泌，调节茶苗对外界氟的适应。
【作者】王丽霞；
【导师】杨亚军；
【作者基本信息】西北农林科技大学，茶学，2014，博士
【关键词】品种；表型性状；保护酶；解剖结构；脂肪酸；形成层；营养元素；亚细胞分布；儿茶素；有机酸；分泌；释放；

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