全 文 ：茶叶科学 2011，31（5）：458~462
Journal of Tea Science

收稿日期：2011-05-09 修订日期：2011-07-04
基金项目：教育部科学技术研究重点项目（201097）、安徽省自然科学基金（090411009）、中国博士后基金（20090450800）
作者简介：刘腾腾（1984— ），女，山东聊城人，硕士研究生，主要从事茶树生理生化研究。* 通讯作者：hjgao@ahau.edu.cn
铝对茶树根细胞膜透性和根系分泌有机酸的影响
刘腾腾 1，郜红建 1,2*，宛晓春 2，张正竹 2
1. 安徽农业大学资源与环境学院，安徽 合肥 230036；2. 教育部茶叶生物化学与生物技术重点实验室，安徽 合肥 230036
摘要：采用溶液培养法研究了铝浓度对茶树根细胞膜透性和分泌低分子量有机酸的影响。结果表明，低质量浓
度铝（20 mg/L）有利于茶树根细胞膜的稳定，缺铝（0 mg/L，CK）和高铝（100 mg/L）均使根细胞膜透性显
著降低。有机酸总量随铝浓度升高呈现先降低后升高的趋势。草酸、苹果酸和柠檬酸是茶树根系分泌的 3 种主
要有机酸，占 85%~93%；根系分泌草酸的量与对照相比，低铝和高铝时显著降低了 84.7%和 34.3%；分泌苹
果酸的量与对照相比，低铝时增加了 121.0%，高铝时降低了 40.9%；铝浓度对柠檬酸的分泌量影响不大。研
究结果可为阐明茶树根系的耐铝生理机制提供依据。
关键词：铝浓度；茶树；根细胞膜透性；有机酸
中图分类号：S571.1；Q945.78 文献标识码：A 文章编号：1000-369X（2011）05-458-05

Impacts of Aluminum on Root Cell Membrane Permeability
and Organic Acids in Root Exudates of Tea Plant
LIU Teng-teng1, GAO Hong-jian1,2*, WAN Xiao-chun2, ZHANG Zheng-zhu2
1. Resources and Environment College, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China;
2. Key Laboratory of Tea Biochemistry & Biotechnology, Ministry of Education, Hefei 230036, China
Abstract: The impacts of aluminum (Al) concentration on root cell membrane permeability and components of
organic acids in root exudates of tea plant (Camellia. sinensis L.) were investigated by hydroponics. Results showed
that 20 mg/L of low Al concentration could enhance the cell membrane stability of tea root, and the membrane
permeability was significantly declined with deficiency Al (0 mg/L, CK) and high Al (100 mg/L) treatments. The
total organic acids firstly decreased and then increased with the increase of Al concentrations. About 85%~93% of
the total organic acids in root exudates of tea plant were oxalic acid, malic acid and citric acid. Compared with CK,
the oxalic acid secretion remarkably reduced 84.7% and 34.3% under the low and high Al concentration treatments.
Compared with CK, the malic acid of root exudates increased by 121.1% in low Al concentration, and decreased by
40.9% in high Al concentration. There wasn’t significant influence on citric acid, containing about 3.5~4.5 mg/g.
This result can provide critical data for elucidating tolerance mechanisms of Al stress on tea root.
Keywords: aluminum concentrations, tea plant, root cell membrane permeability, organic acids


茶树（Camellia sinensis L.）作为喜酸性
和超富铝植物（Al hyper- accumulator），适
量的铝可以促进茶树的生长发育 [1-2]，但当铝
含量超过茶树的耐受限度或低于生长所需的
临界水平时，则造成营养胁迫，导致茶树体内
物质代谢紊乱[3]。报道显示，不同植物在铝胁
5 期 刘腾腾，等：铝对茶树根细胞膜透性和根系分泌有机酸的影响 459

迫下根系分泌的有机酸种类差异明显 [4]。目
前，铝胁迫条件下，茶树根系分泌有机酸的变
化研究较少[5]。已有研究表明，铝质量浓度为
10~50 mg/L 时有利于茶树根系的生长，而 100
mg/L 铝对茶根系造成很大伤害[2,6]。据此，本
文选择铝质量浓度分别为 0、20、100 mg/L 的
营养液处理福鼎大白茶茶苗，研究茶树在缺
铝、适宜铝和高铝条件下，根系活力（Root
activity）、根细胞膜透性（Plasma membrane
permeability）以及根系分泌物（Root exudates）
组成等的变化，以了解铝对茶树的毒害程度，
为探索铝对茶树根系的生理作用机制和改善
茶园土壤铝化学环境提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试茶树为福鼎大白茶品种的茶籽苗。茶
籽采自安徽农业大学农业示范园内，经砂培 5~6
个月后，选取根系长势一致的茶苗进行试验，
茶苗平均株高 18.50 cm，平均鲜质量 1.64 g/株。
1.2 主要试剂与仪器
试验所用铝源为 Al2(SO4)3·18H2O（AR
级）；Dowex1×8 型阴离子交换树脂购自 Sigma
公司；高效液相色谱流动相磷酸氢二铵为分析
纯。
标准有机酸配制：分别称取适量有机酸标
准品（精确至 0.0001 g），用去离子水溶解，
0.45 μm 微孔滤膜过滤，制成质量浓度为 100
mg/L 的有机酸标准储备液，低温保存。根据
试验需要，将草酸、酒石酸、琥珀酸、柠檬酸、
苹果酸（均为 AR 级）储备液按 1︰3︰3︰5
︰5 的体积比混合，并稀释成所需质量浓度的
系列混合标准溶液。
根系分泌的有机酸采用 Waters600 双泵高
效液相色谱仪（Waters Empower 色谱工作站、
Waters2489 紫外吸收检测器）进行分析。
1.3 铝处理茶苗的方法
选取根系长势一致的茶苗转移到盛有 1/8
浓度小西茂毅茶苗营养液 [7]的塑料盆（ 50
cm×30 cm）中培养，pH 调至 5.00~5.50 之间，
不间断供气。待茶苗根部长出大量白色吸收根
时，用去离子水冲净根部，滤纸吸干表面水分
后，以 3 株为单位，置于 100 mL 改进的小西
茂毅茶苗营养液（含 0.1140 g/L NH4NO3，
0.0136 g/L KH2PO4，0.0387 g/L KCl）中培养
48 h，铝浓度分别为 0、20、100 mg/L，每个
处理均设 3 个重复。
1.4 有机酸的收集、纯化和测定方法
1.4.1 根系分泌物的收集方法
茶树根系分泌物用溶液培养法收集[8]。将
经过铝处理的茶苗从培养液中取出，用去离子
水清洗根表 3~5 次，滤纸吸干根表面水分。将
整个根系浸没在 100 mL 去离子水并包有黑色
塑料布的聚四氟乙烯塑料瓶中，置于温度 25
℃，湿度 60%，光照 12 h 的人工培养柜（杭
州钱江仪器有限公司）中收集 24 h，收集液用
于根系分泌物组分分析。根系分泌物收集完后
剪下根部，60℃风干称重。
1.4.2 有机酸的纯化方法
将收集的根系分泌物以 3.0 mL/min 流速
通过装有 3.0 g Dowex1×8 型阴离子交换树脂
的交换柱（20 cm×1 cm i.d.）进行纯化，用
1.0 mol/L HCl 以流速 0.4 mL/min 洗脱阴离子
树脂以收集有机酸。洗脱液于 40℃真空旋转
蒸发浓缩至近干，去离子水定容至 1.0 mL，
0.45 μm 水相针式滤器过滤，在﹣20℃保存，
供 HPLC 测定[9]。
1.4.3 有机酸的测定方法
根系分泌有机酸组分用高效液相色谱法
分析 [10]。色谱柱为 LunaC18（ 250 mm×4.60
mm×5 µm, i.d.）；流动相为 pH2.7、0.01 mol/L
的(NH4)2HPO4 水溶液（用前 0.45 μm 水相滤膜
过滤，超声脱气 10 min）；流速为 0.6 mL/min；
柱温 30℃；进样量 20 μL；214 nm 紫外检测。
有机酸分泌量用 mg/g 根干重表示。
460 茶 叶 科 学 31 卷

1.5 根系活力和细胞膜透性的测定方法
茶树根系活力采用 TTC 法测定 [11]，用
TTC 的还原量（μg/h·g）表示。根细胞膜透性
用电导仪测定[12]，以相对电导率（%）表示。
按 1.4.1 的方法收集根系分泌物，其 pH 用
PB-10 酸度计测定[13]，去离子水做空白对照。
1.6 数据处理方法
利用 SAS 9.1 软件对各组数据进行 Anova
方差分析和 Duncan 显著性检验。
2 结果与分析
2.1 铝浓度对茶树根系活力的影响
根系活力是指根系新陈代谢活动的强弱，
是反映根系吸收功能的一项综合指标，如生育
环境不良，则茶根组织的 TTC 还原能力显著
下降[14]。表 1 显示，茶树根系活力随铝浓度
的升高呈现先升高后降低的规律，与不含铝的
对照（0.41 μg/h·g）相比，低质量浓度铝（20
mg/L）使茶树根系活力提高了 21.9%，高质量
浓度铝（100 mg/L），使其下降了 43.9%，不同
铝质量浓度处理间差异达到显著水平（P=0.011
＜0.05）。表明适量的铝有利于茶树根系活力的
提高，而高铝显著抑制茶树根系活力。
2.2 铝浓度对茶树根细胞膜透性的影响
根细胞膜透性是植物控制物质进出细胞
的依据，可间接反映外界环境对植物的毒害。
表 1 所示，低质量浓度铝（20 mg/L）时，茶
树根细胞膜透性与不加铝的对照相比下降了
50%，差异达到显著水平（P＜0.05），而高质
量浓度铝（100 mg/L）则使茶树根细胞膜透性
比对照略有升高，但未达到显著水平（P=0.731
＞0.05）。结果表明，低浓度铝有利于茶树根
细胞膜的稳定。

表 1 铝对茶根系活力、细胞膜透性和根分泌物 pH 的影响
Table 1 Effects of Al on root activity, root cell membrane permeability and pH of root exudates of tea plant
铝质量浓度(mg/L)
Al Concentration
根活力（μg/h·g）
Root activity
相对电导率(%)
Relative electro-conductivity
pH 降低值(pHCK=6.4)
pH decreased
0(CK) 0.41±0.10ab 12.91±0.35a 0.10±0.01c
20 0.50±0.08a 6.62±0.51b 0.45±0.09b
100 0.23±0.07b 13.21±0.93a 1.36±0.04a
注：采用邓肯氏显著性检验，不同小写字母表示差异显著(α=0.05)。
Note: Duncan’s multiple test was carried out, different letters indicate significant difference at 5% level.

2.3 铝浓度对茶树根系分泌物 pH 的影响
植物通过改变根际的 pH，来改变根际环境
中单体铝在介质中的主导地位，从而减轻铝对
植物的毒害，根际微小的 pH 变化即能影响植物
的铝毒或耐铝性。表 1 结果表明，随着铝浓度
的增高，茶苗根分泌物 pH 显著降低（P＜0.05）。
尤其高铝处理时，pH 较对照下降 21%。
2.4 铝浓度对茶树根系分泌有机酸的影响
用高效液相色谱法（HPLC）测定铝处理
时茶树根系分泌草酸、苹果酸、柠檬酸、酒石
酸和琥珀酸等 5 种低分子量有机酸的含量，结
果如表 2 所示。茶树根系分泌有机酸总量在低
质量浓度铝（ 20 mg/L ）时比对照降低了
35.8%，差异显著（P=0.006＜0.05），而在高
质量浓度铝（ 100 mg/L）时比对照降低了
16.2%，差异不显著（P=0.113＞0.05）。不同
铝浓度处理下，草酸、苹果酸和柠檬酸均是茶
树根系分泌的 3 种主要有机酸，占有机酸总量
的 85%~93%。茶树根系分泌草酸的量在 20
mg/L 铝时比对照降低了 84.7%，差异显著
（P=0.006＜ 0.05）；高铝时比对照降低了
34.3%，差异不显著（P=0.839＞0.05）。酒石
酸和草酸分泌规律相似，但其分泌量比草酸
5 期 刘腾腾，等：铝对茶树根细胞膜透性和根系分泌有机酸的影响 461

低 4~10 倍。苹果酸分泌量在低浓度铝时比对
照增加了 121.0%，而高浓度铝时比对照降低
了 40.7%，各处理间差异达到显著水平（P＜
0.05）。不同浓度铝对茶树根系分泌柠檬酸的
影响不大，其分泌量为 3.5~4.6 mg/g。琥珀酸
的分泌量则随铝浓度的升高而增加。

表 2 铝对茶树根系分泌有机酸的影响（n=3）
Table 2 Effects of Al on the content of organic acids in root exudates of tea plant(n=3)
mg/g
铝质量浓度 Al concentration (mg/L) 有机酸组分
Organic acids 0(CK) 20 100
草酸 Oxalic acid 7.44±0.84a 1.14±0.41b 4.89±0.67ab
酒石酸 Tartaric acid 0.76±0.14a 0.31±0.11b 0.66±0.13a
L-苹果酸 L-Malic acid 1.62±0.29b 3.59±0.53a 0.96±0.25c
柠檬酸 Citric acid 4.39±0.37a 3.55±0.36a 4.55±0.32a
琥珀酸 Succinic acid 0.34±0.11c 0.76 ±0.15b 1.14±0.19a
有机酸总量 Total organic acid 14.55±1.75a 9.34±1.56b 12.20±1.56a
注：采用邓肯氏显著性检验，不同小写字母表示差异显著(α=0.05)。
Note: Duncan’s multiple test was carried out, different letters indicate significant difference at 5% level.

3 讨论
3.1 铝对茶树根细胞膜透性的影响
茶树根细胞膜透性在低铝时最小，这可能
与 Al3+对膜脂发生作用，使细胞膜生理特性发
生变化有关。适量的铝离子有利于细胞膜的稳
定，使其透性降低；而高铝时，铝离子与生物
膜强烈的亲和力，导致细胞膜僵化，透性变大，
此时根系渗透出来的离子增多，导致电导率增
大。Lindberg 等[15]研究发现，铝可以增加根系
质膜的磷脂酰胆碱（卵磷脂）/磷脂酰乙醇胺
（PC/PE）的比率，提高质膜磷脂双分子层结
构的稳定性，进而改变膜的流动性和渗透性。
3.2 铝对茶树根系分泌物 pH 的影响
茶树根系分泌物 pH 随铝的升高显著降
低。造成根系环境 pH 下降的原因包括：根系
对阴阳离子吸收不平衡造成的质子分泌和根
系分泌有机酸[16]。由表 1 和表 2 可见，根系环
境 pH 下降与总有机酸分泌量没有显著的相关
性，因此，推测根系分泌的质子是造成根系环
境 pH 下降的主要原因，具体有待进一步研究。
3.3 铝对茶树根系分泌有机酸的影响
在缺铝和高铝时，茶树根系分泌有机酸总
量均比适宜条件时显著升高，这与不同铝浓度
下根系活力和细胞膜透性变化趋势呈负相关。
可能是由于铝胁迫处理使根系活力下降，根细
胞膜透性增大，提高了茶树根细胞向根际分泌
有机酸的量。此外，茶树根分泌有机酸变化的
原因还有：一方面，铝胁迫诱导体内有机酸合
成量增加[17]；另一方面，铝能激活根尖细胞质
膜内的离子通道[18]，进而调节有机酸的分泌。
茶树作为高富集铝植物，在强酸性土壤条
件下仍能生长良好，说明茶树本身有良好的解
铝毒机制，而研究表明植物根系分泌的低分子
量有机酸在缓解铝毒方面发挥重要作用 [19]。
资料显示，抗性植物在接触 Al3+后能专一性地
从根尖内分泌出有机酸，与根际的 Al3+结合，
形成无毒性的螯合物，从而减轻铝对根际细胞
的毒害[20]。Morita 等[5]水培实验发现铝处理能
使茶树大量分泌草酸。本试验结果显示，高铝
处理时，福鼎大白茶茶苗根系分泌草酸的量升
高，而苹果酸的量显著降低，推测铝胁迫引起
的根系分泌有机酸的变化可能是茶树对铝的
应激反应之一，并且作为强解毒型和强酸型有
机酸，草酸可能对茶树根际有效铝平衡起重要
作用。

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中国历年茶叶出口量（续）
万 t
年份 出口量 年份 出口量 年份 出口量 年份 出口量 年份 出口量
1960 4.35 1970 4.09 1980 10.80 1990 19.55 2000 22.77
1961 3.50 1971 5.31 1981 8.98 1991 18.49 2001 24.96
1962 3.06 1972 4.81 1982 10.58 1992 17.55 2002 25.23
1963 3.15 1973 5.02 1983 12.51 1993 20.14 2003 25.99
1964 3.16 1974 6.36 1984 14.53 1994 17.97 2004 28.02
1965 3.79 1975 6.13 1985 13.69 1995 16.66 2005 28.66
1966 3.52 1976 6.12 1986 17.21 1996 16.97 2006 28.66
1967 3.26 1977 8.18 1987 17.43 1997 20.25 2007 28.96
1968 3.72 1978 8.69 1988 19.84 1998 21.74 2008 29.69
1969 3.51 1979 10.68 1989 20.46 1999 19.96 2009 30.30
数据来源：1949 年前数据从《世界茶业一百年》摘录整理，其余数据根据中国海关数据库资料整理。
（供稿：朱永兴）