褪黑素调控花青素生物合成与抗氧化防御增强茶树氟胁迫抗性的机制研究

《Plant Stress》：Melatonin-mediated regulation of anthocyanin biosynthesis and antioxidant defense enhances the resistance of tea plants ( Camellia sinensis L) to fluoride stress

本研究针对氟污染严重影响茶树生长及茶叶安全性的问题，探讨了外源褪黑素（Melatonin, MT）调控花青素生物合成与抗氧化防御系统增强茶树氟胁迫抗性的机制。通过对比两种花青素含量差异显著的茶树基因型（龙井43与紫鹃），发现褪黑素通过上调关键基因（CsMYB24、CsWD40、CsCHI、CsDFR、CsANS）表达促进花青素合成，提升抗氧化酶活性（SOD、POD、PAO、MFO），降低活性氧（ROS）积累，并显著减少茶树各组织水溶性氟含量。该研究为利用褪黑素培育低氟茶树品种提供了新策略，对保障茶叶食品安全具有重要意义。

　　

茶叶作为全球消费量第二的非酒精饮料，其安全性近年来备受关注。茶树（Camellia sinensis L.）是一种典型的氟超富集植物，尤其在成熟叶片中氟含量可高达600 mg kg?1以上。长期饮用高氟茶饮料可能导致人体氟中毒，表现为骨骼氟中毒和 dental fluorosis（氟斑牙）。中国部分少数民族地区因长期饮用高氟砖茶，已出现大规模氟中毒病例。尽管现有技术（如土壤添加剂、低氟品种选育）可一定程度降低茶树氟积累，但存在二次污染、抑制生长、育种周期长等问题。因此，开发高效、安全的氟污染防控技术已成为茶产业可持续发展的迫切需求。

在此背景下，浙江农业科学院蚕桑茶研究所的研究团队在《Plant Stress》发表了题为"Melatonin-mediated regulation of anthocyanin biosynthesis and antioxidant defense enhances the resistance of tea plants to fluoride stress"的研究论文，探讨了外源褪黑素通过调控花青素生物合成与抗氧化防御系统增强茶树氟胁迫抗性的机制。

研究人员采用药理学方法和两种花青素含量差异显著的茶树品种（低花青素基因型龙井43/LJ43和高花青素基因型紫鹃/ZJ），通过水培试验设置对照组（CK）、褪黑素处理（MT）、氟处理（F）及氟+褪黑素处理（F+MT）。测定指标包括氟积累量、抗氧化能力、花青素合成关键代谢物及基因表达等。关键技术方法包括：① 氟含量测定采用离子计法；② 抗氧化酶活性（SOD、POD、PAO、MFO）及抗氧化能力（ABTS、DPPH）检测；③ 活性氧（H₂O₂、O₂^·?）组织化学染色与荧光探针染色；④ 花青素及褪黑素含量采用HPLC和pH示差法；⑤ 关键基因表达通过qRT-PCR分析。

3.1 褪黑素缓解茶树氟胁迫

氟胁迫导致茶树叶片出现萎黄和萎蔫现象，光系统II（PSII）最大光化学效率（Fv/Fm）显著降低。外源褪黑素处理显著改善两种茶树的生长状况，其中LJ43的Fv/Fm提高13.5%。氟积累分析显示，LJ43的根、茎、叶中水溶性氟（Ws-F）含量均显著高于ZJ。褪黑素使LJ43成熟叶、茎和根中的Ws-F分别降低10%、26%和61%，而对ZJ仅茎和根中氟积累有显著抑制。基因表达分析表明，褪黑素上调了氟外排基因（CsABCB9、CsFEX）表达，并下调氟转运基因（CsNPF2.3）表达。

3.2 褪黑素增强氟胁迫下茶树的抗氧化能力

褪黑素显著提高LJ43的POD和MFO活性（分别增加63.7%和966.7%），同时降低MDA、O₂^·?和H₂O₂含量（降幅达11.9%~36.8%）。组织化学染色进一步证实褪黑素处理显著减少ROS积累。此外，褪黑素还提高了LJ43的总黄酮（TF）、ABTS和DPPH自由基清除能力。

3.3 褪黑素主要通过介导花青素合成增强氟胁迫抗性

内源褪黑素测定显示，F+MT处理下LJ43和ZJ的内源褪黑素含量分别为F处理的18.8倍和12.4倍。值得注意的是，褪黑素显著提高了低花青素品种LJ43的花青素含量，却降低了高花青素品种ZJ的花青素积累。代谢通路分析表明，褪黑素促进LJ43苯丙氨酸（花青素前体）积累（增加93.3%），并上调花青素合成关键基因（CsCHI、CsDFR、CsANS）表达，其中CsCHI和CsDFR表达量分别上调31倍和28倍。

3.4 田间试验验证褪黑素降低茶叶氟积累

田间试验中，100μM和200μM褪黑素处理均促进茶树新芽萌发。100μM褪黑素使LJ43成熟叶和茎中Ws-F分别降低18.1%和30.6%，而200μM褪黑素对ZJ的降氟效果更显著。多酚和黄酮含量变化与氟积累呈负相关，进一步证实褪黑素通过增强抗氧化物质合成降低氟毒性。

4 讨论与结论

本研究首次揭示褪黑素通过调控花青素生物合成与抗氧化防御系统增强茶树氟胁迫抗性的双重机制：一是通过上调氟外排基因（CsABCB9、CsFEX）和下调吸收基因（CsNPF2.3）减少氟积累；二是通过激活MYB-bHLH-WD40（MBW）复合体转录因子（CsMYB24、CsWD40），促进花青素合成途径关键酶基因（CsCHI、CsDFR、CsANS）表达，增强抗氧化能力，维持ROS稳态。研究还发现褪黑素的抗氟效应具有基因型依赖性，对低花青素品种效果更为显著。

该研究不仅为茶树氟胁迫防控提供了安全有效的农艺措施（叶面喷施褪黑素），还为培育低氟茶树品种提供了关键靶基因（CsMYB24、CsWD40、CsFEX等）。未来研究可进一步探索褪黑素与花青素交叉调控网络在氟吸收、转运及亚细胞分布中的作用，以及叶片与根系间的长距离信号调控机制。