高等植物在长期进化过程中，演化出一系列对各种复杂地理环境变化的适应机制。福建农林大学廖红课题组发现，茶树在长期适应酸性土壤的过程中，将铝演化成其根系生长发育的必需营养元素。植物生长需要至少17种必需营养元素，缺乏其中任何一种，都不能完成整个生命周期。虽然铝是地壳中含量最丰富的金属元素，但在土壤pH值高于5.5时，铝主要以Al(OH)n的形态存在，不能被植物吸收利用。只有在pH值低于5.5的酸性土壤上，铝才能以活性铝（Al3+）的形态存在，并被植物吸收。微量的Al3+能够快速降低植物细胞壁的延展性、扰乱细胞膜电势、破坏细胞核结构，从而损害根尖细胞、抑制根系生长，最终导致铝毒害（Ma et al., 2014; Kochian et al., 2015）。因此，铝是大多数植物的毒害元素。然而，对酸性土壤先锋植物茶树而言，铝是有益元素，能够刺激茶树的生长（Pilon-Smits et al., 2009）。但是，一直没有明确铝对茶树生长是否具有必需性。
JIPB近日在线发表了福建农林大学根系生物学研究中心廖红课题组题为“Aluminum is essential for root growth and development of tea plants (Camellia sinensis)”的研究论文，该研究首次提出铝是茶树根系生长发育的必需营养元素，铝主要聚集在根尖分生区的细胞核中，对维持茶树根尖DNA的稳定性具有不可替代的作用。
第1列：茶树在加减Al3+营养液中培养30天，新根的生成情况。第2-4列：正常茶树新根在缺Al3+营养液中生长3天后，根尖的变化情况。第2列：蓝色为Calcofluor-white染色，显示细胞壁结构。第3列：绿色为morin染色，显示细胞内铝的定位。第4列：绿色为TUNEL染色，显示细胞核内DNA的受损状况。
该研究首先通过对茶树不同品种的加减Al3+处理试验，发现Al3+能够刺激茶树新根的生成，新根的数量和长度随Al3+浓度的增加而增加；在不供Al3+的条件下，茶树非但不能形成新根，其正常根尖在缺Al3+处理1天后明显受损，并逐渐褐化凋亡。进一步分析茶树根尖结构发现，Al3+对维持根尖分生区的分生活性十分重要，缺Al3+处理3天的根尖分生区长度不足供Al3+处理的30%。Morin原位染色显示，Al3+主要分布于正常根尖分生区的细胞核中；Al3+缺乏时，Al3+逐渐从细胞核转移到细胞质，根尖细胞开始畸变。通过TUNEL染色发现，茶树根尖细胞核DNA在缺Al3+ 处理1天就已明显损伤，并且DNA损伤程度随缺Al3+时间延长而逐渐加剧，说明Al3+对维持茶树根尖DNA的稳定性十分重要。研究结果不仅诠释了茶树对酸性土壤的适应机制，还有助于在生产实际中指导茶园科学施肥。
福建农林大学根系中心孙丽莉副教授与张梦诗硕士生为该论文的第一作者，廖红教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、农业部创新团队项目的大力资助。
参考文献
Ma JF, Chen ZC, Shen RF (2014) Molecular mechanisms of Al tolerance in gramineous plants. Plant Soil 381: 1-12
Kochian LV, Piñeros MA, Liu JP, Magalhaes JV (2015) Plant adaptation to acid soils: The molecular basis for crop aluminum resistance. Annu Rev Plant Biol 66: 23.1–23.28
Pilon-Smits EA, Quinn CF, Tapken W, Malagoli M, Schiavon M (2009) Physiological functions of beneficial elements. Curr Opin Plant Biol 12: 267-274
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