磷有效性介导茶树（*Camellia sinensis*）中氟积累与食品安全之间的权衡

《Industrial Crops and Products》：Phosphate availability mediates a trade-off between fluoride accumulation and food safety in Camellia sinensis

　　

氟（F）是一种广泛存在的环境污染物，过量积累于植物组织中会损害植物生长。茶树[*Camellia sinensis* (L.) Kuntze]是众所周知的氟超积累植物，在相同生长条件下，其氟积累浓度比大多数其他作物高10–100倍（Gadi et al., 2021; Xing et al., 2022）。然而，一旦氟积累超过茶树（*C. sinensis*）的耐受阈值，植株便表现出典型的毒性症状，且过量氟会抑制品质相关化合物的代谢（Pan et al., 2020; Peng et al., 2023）。因此，阐明调控茶树氟吸收、转运及积累的机制，对于缓解氟相关风险、保障食品安全至关重要。

茶叶中氟浓度由吸收、转运和组织积累的协同过程决定，这些过程均可受农艺管理措施影响（Xing et al., 2022; Yang et al., 2024）。在诸多管理因素中，磷（P）营养已成为植物元素稳态的关键调控因子。磷酸盐（Pi）是植物吸收磷的主要形式，作为一种必需大量营养元素，在根系发育、代谢调控和胁迫响应中发挥重要作用（Barbhuiya et al., 2024; Smith et al., 2025; Sun et al., 2025）。在茶树中，施磷不仅能促进养分吸收，还能改善茶叶品质（Zhang et al., 2023）。更广泛而言，研究表明磷有效性可影响必需矿质营养元素和潜在有毒元素（包括锰和镉）的吸收、分布与积累（Liu et al., 2025; Ye et al., 2024）。这些发现提示磷可能同样影响茶树中的氟稳态。

植物已进化出多种应对氟胁迫的机制，其中转运蛋白介导的氟转运和区室化发挥着核心作用（Xing et al., 2022; Ye et al., 2024）。在茶树中，已鉴定出两个与氟稳态调控密切相关的转运蛋白家族：氟外排蛋白家族（FEX）和氯通道（CLC）超家族中的CLCF亚类。*CsFEX*是茶树中鉴定的首个氟外排基因，在大肠杆菌（*Escherichia coli*）和拟南芥（*Arabidopsis thaliana*）中过表达时可降低细胞内氟积累并增强氟耐受性（Zhu et al., 2019）。同样，*CsCLCe*参与氟转运过程（Xing et al., 2020）。此外，磷酸盐转运蛋白（PHT）家族的成员介导磷跨细胞膜的吸收、转运和再分配，维持植物体内磷稳态（Cao et al., 2021; Wang et al., 2021）。然而，磷有效性是否调控这些氟转运蛋白的表达或活性，以及这种调控如何影响茶树中的氟积累，目前尚不清楚。

本研究系统研究了茶树在氟（0、8和16 mg·L?1）与磷（0、0.01、0.1和1 mM）联合处理下的生理和分子响应。考察了氟–磷互作对植物生长、氟/磷及矿质营养元素组织分布、根系H?流和质膜电位的影响。此外，分析了*CsFEX*、*CsCLCe*和*CsPHT*的表达模式，并利用大肠杆菌异源表达系统验证了*CsFEX*在不同氟–磷条件下的功能。本研究旨在阐明磷有效性如何调控氟积累，并确定这种调控是否涉及促进植物生长与食品安全之间的权衡。研究结果将为水培条件下获得的机制性见解提供依据，并为今后利用茶园土壤开展盆栽和田间试验验证奠定基础。

**磷有效性介导茶树氟积累与食品安全权衡的机制研究——论文解读**

**一、研究背景与科学问题**

氟（F）是广泛存在的环境污染物，过量积累对植物生长构成威胁。茶树[*Camellia sinensis* (L.) Kuntze]是公认的氟超积累植物，在相同生长条件下其氟积累浓度可达其他作物的10–100倍。然而，当氟积累超过茶树耐受阈值时，植株出现典型毒性症状，且过量氟抑制品质相关化合物的代谢。茶叶中氟浓度由吸收、转运和组织积累的协同过程决定，并受农艺管理措施影响。磷（P）作为植物必需大量营养元素，在根系发育、代谢调控和胁迫响应中发挥关键作用。已有研究表明，磷有效性可影响植物对必需矿质元素和潜在有毒元素（如锰、镉）的吸收与积累，但磷是否调控茶树氟稳态尚不清楚。已有研究鉴定出茶树中两类关键氟转运蛋白——氟外排蛋白家族（FEX）和氯通道（CLC）超家族中的CLCF亚类，其中*CsFEX*为茶树中首个鉴定的氟外排基因，*CsCLCe*参与氟转运过程；磷酸盐转运蛋白（PHT）家族则维持磷稳态。然而，磷有效性是否调控这些氟转运蛋白的表达或活性，及其对茶树氟积累的影响机制，仍属未知。因此，研究人员开展本研究，旨在阐明磷有效性调控茶树氟积累的生理与分子机制，并评估其是否涉及促进植物生长与食品安全之间的权衡。

**二、主要研究结论与意义**

研究人员通过水培试验系统研究了茶树在氟（0、8、16 mg·L?1）与磷（0、0.01、0.1、1 mM）联合处理下的生理和分子响应，揭示了磷有效性在调控茶树氟积累中的双刃剑效应：低磷（0.01 mM）促进氟胁迫下茶树生长和光合性能，但显著增加叶片氟积累，在16 mg·L?1氟与0.01 mM磷处理下，嫩叶氟含量达316.8 mg/kg，超过中国国家标准（GB 19965–2005：≤300 mg/kg）的限值；高磷（1 mM）则抑制氟向地上部转运、降低叶片氟积累，但以抑制根系生长为代价。该研究首次系统揭示了磷有效性通过调控转运蛋白表达、离子转运和矿质元素再分配来协调茶树氟积累与生长响应，为氟污染茶园土壤的磷肥管理提供了理论依据。论文发表在《Industrial Crops and Products》。

**三、关键技术方法**

研究人员采用水培试验体系，以茶树品种‘龙井43’一年生扦插苗为材料，设置氟（0、8、16 mg·L?1）和磷（0、0.01、0.1、1 mM）共12个联合处理组合，处理35天。主要技术方法包括：利用非损伤微测技术（NMT）实时测定根系H?流和质膜电位；采用氟离子选择电极测定各组织氟含量；利用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）测定磷及矿质元素含量；通过实时荧光定量PCR（qRT-PCR）分析*CsFEX*、*CsCLCe*及*CsPHT*家族基因的表达模式；利用大肠杆菌异源表达系统验证*CsFEX*在不同氟磷条件下的功能。样本来源于南京雅润茶业有限公司提供的茶树品种‘龙井43’扦插苗，所有试验在南京农业大学智能温室中进行。

**四、研究结果**

**4.1 氟与磷互作对叶绿素含量和光合参数的影响**

双因素方差分析显示，氟、磷及其互作显著影响叶绿素含量和光合参数（p < 0.05）。在0.1和1 mM磷条件下，叶绿素a和b含量随氟浓度升高而逐渐下降；而在磷缺乏条件（0和0.01 mM）下，叶绿素含量随氟浓度升高呈先升后降趋势。净光合速率（Pn）在F16P1处理下最低（1.3 μmol·m?2·s?1），在F0P0.01处理下达最高（6.5 μmol·m?2·s?1）。与F8P0.1和F16P0.1相比，F8P0.01和F16P0.01处理的Pn分别提高18.83%和13.74%。胞间CO?浓度（Ci）随氟浓度升高而增加，而蒸腾速率（Tr）和气孔导度（Gs）随氟浓度升高而降低。结果表明，0.01 mM磷供应缓解了氟诱导的光合抑制，而1 mM磷则加重该抑制。

**4.2 氟–磷处理对根系干重和根系活力的影响**

氟、磷及其互作对根系干重和根系活力均有极显著影响（p < 0.01）。在相同氟浓度下，0.01 mM磷处理下根系干重最高，0和0.1 mM磷处理居中，1 mM磷处理最低。根系活力呈现相似响应模式，在相同氟水平下按0.01 > 0 > 0.1 > 1 mM磷的顺序递减。在各磷水平内，根系干重和活力均随氟浓度升高而显著受抑。结果表明，0.01 mM磷缓解了氟诱导的根系生长抑制，而1 mM磷则加剧抑制。

**4.3 氟–磷互作处理对氟含量和转运系数的影响**

氟、磷及其互作显著影响氟积累与转运（p < 0.05）。各磷水平下，氟含量随外源氟供应增加而升高，且主要积累于叶片。嫩叶中，在8和16 mg·L?1氟处理下，0.01 mM磷时氟积累量最大（F16P0.01下达316.8 mg/kg）。成熟叶中，各氟水平下氟含量随磷浓度升高而降低。茎中氟含量在0.01 mM磷时最高，而根中氟含量在无氟条件下随磷升高而降低、在其他氟水平下随磷升高而升高。氟转运系数（TF）总体随磷浓度升高而下降。结果表明，0.01 mM磷促进氟向地上部转运和整体吸收，而1 mM磷促进氟在根部滞留并抑制向地上部转运。

**4.4 氟–磷互作处理对磷含量和转运系数的影响**

在嫩叶中，磷含量仅在无氟条件下随磷供应增加而升高；在氟暴露下该响应消失，且在各磷水平下磷含量一般在8 mg·L?1氟处理时最高。成熟叶、茎和根中磷含量在各氟水平下均随外源磷增加而持续升高。根中磷含量在0和0.01 mM磷条件下随氟升高而增加，但在0.1和1 mM磷条件下随氟升高而降低。磷转运系数在各氟水平下均在0.01 mM磷时达到最大值，但F16P0.01较F0P0.01和F8P0.01分别降低30.53%和29.34%。结果表明，氟暴露干扰嫩叶中磷积累，0.01 mM磷促进磷转运，但该促进作用在高氟胁迫下受到显著抑制。

**4.5 氟–磷互作对钾、铝、钙、镁、铁、锰积累与转运的影响**

氟和磷处理显著影响茶树体内钾（K）、铝（Al）、钙（Ca）、镁（Mg）和铁（Fe）的积累与转运，氟×磷互作对铝积累与转运有显著影响（p < 0.05）。嫩叶中，Al、Ca、Mg和Fe在各氟水平下均在0.01 mM磷时达峰值，而K呈相反响应（1 > 0.1 > 0.01 > 0 mM磷）。成熟叶和茎中，Ca、Mg和Mn表现出与嫩叶相似的磷依赖性模式，在0或0.01 mM磷时最高。根中元素分布差异显著：Ca随磷供应增加而升高，Mg随氟增加而升高，K随磷升高而降低，Al随氟升高而降低并在0.1 mM磷时达峰值。元素转运系数也受到差异性调控：K的TF在0.1和1 mM磷时较高，Ca和Mn的TF在0和0.01 mM磷时较高，Mg的TF随氟增加而降低，Al的TF随氟增加而升高但随磷增加而降低。结果表明，0.01 mM磷促进Al、Ca、Mg、Fe和Mn在叶片中积累，而1 mM磷促进Al、Ca和Fe在根部积累并提高K的转运系数。

**4.6 氟–磷处理下根系H?流和膜电位的变化**

氟、磷及其互作均显著影响根H?流和膜电位（p < 0.05）。无氟条件下，最高平均H?外排速率出现在F0P0.01处理（15.57 pmol·cm?2·s?1），F0P1处理则显著降低。氟对不同磷水平下H?外排的调控具有差异性：1 mM磷时氟促进H?外排，而其他磷水平下16 mg·L?1氟将H?外排抑制至4.97–9.25 pmol·cm?2·s?1。膜电位变化与H?外排模式一致，最显著的超极化出现在F0P0.01处理（–134.58 mV）。氟暴露在0.01和0.1 mM磷下诱导膜去极化，但在1 mM磷下促进膜超极化。结果表明，0.01 mM磷抑制H?外排并诱导膜去极化，而1 mM磷则刺激H?外排并促进膜超极化。

**4.7 氟–磷互作下*CsFEX*、*CsCLCe*和*CsPHT*家族成员的表达分析**

氟、磷及其互作在1 d和2 d时间点均显著影响叶片和根中*CsCLCe*表达（p < 0.05）；氟在1 d显著影响叶片中*CsFEX*表达、2 d显著影响根中*CsFEX*表达（p < 0.05）。在氟供应下，*CsFEX*和*CsCLCe*在0.01 mM磷时叶片中表达较高，而在1 mM磷时两者在根中表达较高。*CsPHT*家族基因表达呈现时空特异性：氟×磷互作在茎中显著影响*CsPHT1;2a*表达（p < 0.05），在茎和根中显著影响*CsPHT4;5*表达（p < 0.05）；磷处理单独显著影响根中*CsPHT4;3*表达（p < 0.05），磷和氟处理均显著影响根中*CsPHO1;7*表达（p < 0.05）。氟暴露下，*CsPHT1;2a*和*CsPHT4;5*在0.01 mM磷时茎中表达较高，而*CsPHT4;3*、*CsPHT4;5*和*CsPHO1;7*在1 mM磷时根中表达较高。

**4.8 氟–磷处理下过表达CsFEX的大肠杆菌的氟积累**

在不含氟条件下，0.5 mM磷促进细菌生长，20 mM磷抑制生长。在50 mM氟条件下，*CsFEX*过表达菌株在0 mM磷时生长改善，12 h后OD???达1.132，而空载体对照仅为0.691。点板实验进一步证实，在50 mM氟下，*CsFEX*菌株在各磷水平下存活率均略优于载体对照。氟、磷及其互作显著影响大肠杆菌细胞内氟含量（p < 0.05）：*CsFEX*菌株在50 mM氟条件下积累的氟显著低于载体对照，0.5 mM磷进一步降低了两种菌株的胞内氟含量。结果表明，*CsFEX*通过减少细胞氟积累增强氟耐受性，且其活性受磷有效性调控。

**五、讨论与结论**

研究人员在讨论部分指出，磷有效性通过多条途径协调调控茶树氟积累与生理响应。低磷（0.01 mM）通过维持根系活力、促进矿质元素（Al、Ca、Fe、Mn）向地上部转运，保障光合功能，但同时也增加了氟在可食用叶片中的积累，构成食品安全风险；高磷（1 mM）则通过促进氟在根部滞留和抑制必需元素转运来限制氟对叶片的污染，但以牺牲根系生长和营养转运效率为代价。*CsFEX*、*CsCLCe*和*CsPHT*的组织特异性表达模式与氟和磷的分布模式一致，且大肠杆菌异源表达实验证实*CsFEX*介导的氟外排功能受磷供给水平调控。研究还观察到磷有效性对根H?流和膜电位的差异性调控，提示质膜H?-ATPase可能参与磷依赖性离子转运调控。

研究结论为：磷有效性通过协调的机制调控茶树氟积累和生理响应。低磷（0.01 mM）增强氟胁迫下植物表现，但增加可食用叶片中氟积累；高磷（1 mM）限制氟向地上部转运，但以抑制根系生长为代价。这些差异性响应与*CsFEX*、*CsCLCe*和*CsPHT*的组织特异性表达模式相关，且*CsFEX*介导的氟外排功能在适量磷供应下得到增强，这已通过大肠杆菌异源表达得到验证。综上，这些发现揭示了生长促进与食品安全之间的权衡：低磷促进生长但升高叶片氟含量，高磷降低叶片氟积累但抑制生长。低磷条件下叶片氟升高引发食品安全担忧，因其可能接近或超过监管限值。因此，在氟污染茶园土壤的磷管理中，应优先考虑最小化叶片氟积累，而非简单地在生长与氟含量之间寻求平衡，相关结论有待田间试验进一步验证。研究人员同时指出，本研究结果基于水培条件获得，土壤体系可能因土壤吸附、微生物活性和根–土互作等因素而有所不同，因此田间验证是农艺应用前的必要前提。