科创中国

行业领域

农、林、牧、渔业

需求背景

任何植物的正常生长都离不开一定的适宜环境以及植物自身对环境的适应能力。茶树生长在暖温带和亚热带地区，在这数千年的生长繁衍过程中，已经进化出一套较完善的系统来适应外界环境。在茶树的环境适应性方面，人们最关注茶树种植于酸性土壤这一特性。过酸性土壤不适合大多数植物生长，但茶树多种植在酸性土壤中，且在pH 4.5-5.5范围内生长良好。茶树喜酸的说法由来已久，但是茶树为什么需要种植在酸性土壤中仍然不是很清楚，此外，茶树如何适应酸性土壤的具体机制也不是特别清晰。由于气候原因（大气中CO₂含量的增加）以及不善的农艺措施（过多化肥的施用），使得我国茶园土壤酸化越来越严重。因此，解答这些科学问题有助于判断茶树种植在酸性土壤是主动需求还是被动选择的过程，也有利用耐酸性茶树品种资源的选育。

需解决的主要技术难题

酸性土壤会引起许多问题，例如金属中毒、营养缺乏和抑制土壤微生物生长等不良影响。但是，茶树却需要在酸性条件下才能更好生长，这意味着茶树有很强的适酸能力。目前，对茶树酸性土壤的研究大多是聚焦到如何适应方面。

在各种有毒金属中，铝是制约植物在酸性土壤中正常生长的主要金属元素。因为铝是最丰富的金属，在酸性土壤中，铝一般会以铝离子的形式存在，且随着酸性的增强而增加。一般情况下，可溶性铝离子的浓度增加不利于许多植物的生长，主要是影响其根系的发育。但是，被认为是最耐铝和高铝积累植物之一的茶树在高浓度的铝供应下没有任何有毒的症状，且从土壤中吸收的大量铝离子反而有利于根系的生长。茶树中的铝离子主要积累在成熟叶片的细胞壁中，以与儿茶素螯合的形式存在。这种螯合物是否能通过固定在细胞壁上从而减少铝的毒害尚不确定，有待进一步研究。除铝之外，酸性土壤还激活其他有毒金属离子，这些金属离子也对茶树生长有害。许多研究发现铝在茶树抗金属毒性方面也起着重要作用，铝可以防止其他元素引起的毒性，特别是锌、锰和铜。此外，一些研究发现，根系分泌的有机酸是植物耐重金属的原因之一。在茶树中的木质部和根部的汁液中也发现了许多铝与有机酸结合的复合物，如铝-柠檬酸、铝-草酸等。但实际上，这些有机酸参与茶树中铝解毒的贡献有多大，以及具体的解毒机理都尚未确定与阐明，有待进一步研究。

营养缺乏也是限制植物在酸性土壤中正常生长的一个重要因素。磷是植物生长发育所必需的营养元素之一，酸性土壤严重缺磷，影响植物生长。但当茶树在酸性土壤中生长时，铝的存在会促进茶树根系的生长，从而增加根系面积，有助于茶树吸收磷。另外，酸性土壤中缺乏钾、钠、钙、镁等金属元素也会影响植物的生长发育，其中钙流失最为严重；此外，酸性土壤引起的高含量铝也可以竞争抑制钙的吸收。茶树是种嫌钙植物，对钙的需求比一般作物低得多，过高的钙供应反而会影响茶树的正常生长。那么，酸性土壤引起的高铝和钙流失是否是为了给茶树提供一个低钙的生长条件呢？此外，茶树嫌钙特性的成因也尚不清楚，有待进一步研究。茶树生长环境中含有大量的土壤微生物，这将极大地促进茶树养分的获取。此外，酸性土壤也能影响土壤微生物的生存，从而影响植物的发育。但在茶园土壤中，其微生物主要是耐铝真菌，这可能是共同进化的结果，帮助茶树适应酸性土壤。

结合目前的研究进展可以发现，酸性土壤与高铝存在密切的联系，这种多因素之间紧密的连锁效应，使得在探索茶树为什么生长在酸性土壤中无法确定真正的主效因子。所以在探索茶树为什么需要在酸性土壤条件时容易与茶树为什么需要在高铝条件混为一谈，无法阐明酸性土壤的真正意义。在茶树如何适应酸性土壤方面，目前大多的研究都聚焦到高铝的作用上，是否还存在其他的因素帮助茶树适应酸性土壤，例如微生物的影响。目前，在茶园中发现了许多微生物都具有很强的耐酸性，这种特殊的微生物是否在茶树的耐酸过程中发挥着重要的作用？对于这些未知的、可能的关键因子的挖掘与确定，也是未来面临的关键难点与挑战。

期望实现的主要技术目标

茶树是一种高铝积累植物，在酸性条件下也能生长良好，是研究耐铝和酸胁迫生理机制的最佳材料。茶叶中铝的大量积累可能表明铝在茶树中起着独特的生物学作用。但目前对植物中铝的研究主要集中在铝对植物的毒害作用和植物的解毒机理方面，对铝的生物学功能的研究还很少。对其生物学功能的研究有助于我们理解为什么茶叶需要吸收这么多的铝，并可能解释为什么茶树需要酸性土壤。目前，随着土壤酸化程度的加重，土壤肥力下降，有毒金属活化，影响了许多农作物的生长。因此，阐明茶树耐酸机理对于促进作物适应环境、发展绿色农业具有重要意义。

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