9個茶樹品種的光合特性研究

楊麗冉，和明珠，周大鵬，蔣 賓，楊廣容*

1.宜賓職業技術學院現代農業學院，四川宜賓 644000；2.云南農業大學茶學院，云南昆明 650201

光合作用是植物生長發育的基礎，決定著植物生產力的高低。研究植物光合性能對提高植物光合效率和科學育種具有重要的意義[1-6]。

茶樹（Camellia sinensisL.）是一種常綠葉用經濟作物，在我國栽培廣泛，品種豐富[7-9]。有研究表明，光合作用為植物的生理活動提供必需能量，并作為信號分子參與茶樹體內有機物質糖、茶多酚、咖啡堿等的生物合成和代謝活動，光合效率的高低直接影響茶葉產量和質量[8-9]。研究茶樹及其品種間的光合特性，可為選擇高光效茶樹品種，改善栽培技術措施，提高茶葉產量和質量提供理論依據[10-11]。同時，光合特性也可作為評價茶樹生產力和適應性的重要指標[12-13]。

據中國茶葉學會數據統計，2020年我國主要產茶省茶園面積316.51萬hm2，干毛茶產量298.60萬t，總產值2626.58億元。全國832個國家級貧困縣中有337個縣域以茶產業為脫貧產業和支柱產業[14]。云南是茶樹的中心原產地，2019年茶園種植面積超過45萬hm2，綜合產值超936億元，作為云南省的特色優勢產業，茶產業對云南經濟發展具有重要作用[15]。目前茶樹光合作用研究主要集中于不同品種光合特性[16-17]、逆境生理[18-20]、凈光合速率日變化和季節變化[21-22]、種植模式對光合特性的影響[23-24]等方面，然而，對云南生態環境條件下主要茶樹栽培品種光合特征參數的系統性研究較少。鑒于此，本研究通過測定云南 9個主要茶樹栽培品種的光合參數和葉綠素含量，探究不同茶樹品種間光合特性的差異，為云南茶樹品種的栽培管理和良種培育提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗地設在位于昆明市的云南農業大學茶學院實踐教學茶園基地，茶園的地理位置、海拔高度、氣候和土壤類型等信息與課題組前期研究一致[9]。

所選植物材料為云南省主要栽培的茶樹品種，包括‘云抗10號’‘紫娟’‘十里香’‘昌寧大葉種’‘寶洪’‘香歸銀毫’‘云山’‘天生’‘烏龍’共9種，測試葉片要求當季萌發，展葉在30~60 d，葉面積不再增加，且無病蟲害、無損傷、營養狀況良好、長勢相近的定型葉。

1.2 方法

1.2.1 光響應曲線的測定 2019年3月，選擇晴天偶見云天氣下，于上午9：00—12：00進行，使用Li-6400XT便攜式光合系統測定光合指標，每葉記錄 6次數據，重復 5葉。在光照強度（photosynthetically active radiation，PAR）為800 μmol/ (m2·s)下先誘導 15 min，以 LED 紅藍光源，將 PAR 設定為 1800、1700、1600、1400、1200、1000、750、550、400、200、100、50、20、10、0 μmol/(m2·s) 15 個梯度，CO2濃度設置為400 μmol/(m2·s)，葉室流速 500 μmol/s，測定凈光合 速 率 [Pn， μmol/(m2·s)]、 氣 孔 導 度 [Gs，mol/(m2·s)]、胞間 CO2濃度（Ci，μmol/mol）和蒸騰速率[Tr，mmol/(m2·s)]等光合指標，并計算出WUE（葉片瞬時水分利用效率）和 iWUE（內稟水分利用效率）的數值[25-26]。

1.2.2 光合色素含量測定 采用分光光度法測定9個茶樹品種的葉綠素和類胡蘿卜素含量[27]，每個品種重復測定6次。

1.3 數據處理

采用 SPSS 22.0軟件進行多重比較和相關性分析，根據 WEBB等[28]的非直角雙曲線模型方法，采用Sigma Plot 10.0科學繪圖軟件包（美國）分析擬合光合-光曲線，采用SIMCA 14.1軟件進行主成分分析和聚類分析。

2 結果與分析

2.1 不同茶樹品種光合特征參數分析

對參試9個茶樹品種的光合特征參數進行比較分析，由表1可知，9個茶樹品種的Pn存在明顯差異，按照大小依次為：‘云抗 10號’＞‘云山’＞‘烏龍’＞‘昌寧大葉種’＞‘紫娟’＞‘香歸銀毫’＞‘十里香’＞‘寶洪’＞‘天生’。其中‘云抗10號’和‘云山’的Pn顯著高于其他茶樹品種（P＜0.05），‘天生’‘寶洪’和‘十里香’的Pn顯著低于其他茶樹品種（P＜0.05），而三者之間的差異不顯著。Gs表現為：‘云抗 10號’＞‘烏龍’＞‘紫娟’＞‘云山’＞‘香歸銀毫’＞‘昌寧大葉種’＞‘寶洪’‘十里香’＞‘天生’，其中‘云抗10號’的Gs顯著高于其他品種（P＜0.05），是最低‘天生’的5.8倍，‘烏龍’和‘紫娟’的Gs也顯著高于除‘云抗 10號’外的其他茶樹品種（P＜0.05）。Ci為‘云抗 10號’＞‘紫娟’＞‘烏龍’＞‘云山’＞‘香歸銀毫’＞‘十里香’＞‘寶洪’＞‘天生’＞‘昌寧大葉種’，其中‘云抗 10號’‘紫娟’和‘烏龍’的Ci顯著高于其他茶樹品種（P＜0.05），而‘昌寧大葉種’的Ci顯著低于其他品種（P＜0.05）。不同茶樹品種的Tr存在明顯差異，其中，‘云抗10號’和‘云山’的Tr顯著高于其他品種（P＜0.05），屬于強蒸騰植物。而‘天生’‘寶洪’和‘十里香’的Tr顯著低于其他品種（P＜0.05）。

表1 不同茶樹品種的光合特性指標Tab.1 Comparison of photosynthetic characteristic parameters of different tea cultivars’ functional leaves

2.2 不同茶樹品種光響應曲線分析

2.2.1 不同茶樹品種Pn的光響應曲線比較 9個茶樹品種的Pn在 PAR 由 0~400 μmol/(m2·s)時都隨著PAR的增強而基本呈線性上升趨勢（圖1）；之后茶樹品種的Pn隨 PAR增加表現不一，‘寶洪’和‘烏龍’的光響應曲線在PAR為550 μmol/(m2·s)后基本趨于平穩；而‘云抗10號’‘香歸銀毫’‘云山’‘云山’和‘紫娟’在 550 μmol/(m2·s)之后Pn繼續上升至最高點并不再增加；‘十里香’和‘昌寧大葉種’直到PAR為1800 μmol/(m2·s)時才趨于平穩。1800 μmol/(m2·s)后 9 個茶樹品種均處于一個平臺期，無明顯光抑制現象。此外，9個茶樹品種的Pn差異較大，‘云抗10號’和‘香歸銀毫’的Pn明顯高于其他7個品種，而‘寶洪’較早就達到飽和光強，Pn也低于其他品種。

圖1 9個茶樹品種Pn的光響應曲線Fig.1 Pn-light response curve of nine varieties of tea cultivars

2.2.2 不同茶樹品種Gs、Tr的光響應曲線比較 9個茶樹品種的Gs隨PAR的變化呈現2種變化趨勢（圖2），除‘香歸銀毫’外，8個茶樹品種的Gs隨PAR的升高總體呈上升趨勢，1600 μmol/(m2·s)后上升趨勢明顯，而‘香歸銀毫’逐漸趨于平穩；‘云抗10號’和‘香歸銀毫’的Gs明顯高于其他7個品種。9個茶樹品種蒸騰速率（Tr）的光響應曲線與Gs的光響應曲線變化趨勢基本相同（圖3），說明二者相關性很高，Gs是影響植物蒸騰的主要因子之一。

圖2 9個茶樹品種Gs的光響應曲線Fig.2 Gs-light response curve of nine varieties of tea cultivars

圖3 9個茶樹品種Tr的光響應曲線Fig.3 Tr-light response curve of nine varieties of tea cultivars

2.2.3 不同茶樹品種Ci的光響應曲線比較 由圖4可知，隨著PAR的增加，9個茶樹品種的Ci總體呈先急速下降后趨于平穩的變化趨勢，PAR在0~400 μmol/(m2·s)范圍內，下降速度較快，可能與此階段Gs較小有關，葉片光合作用消耗CO2的量要大于從外界吸收 CO2的量。同樣地，‘云抗10號’的Ci明顯高于其他茶樹品種。

圖4 9個茶樹品種Ci的光響應曲線Fig.4 Ci-light response curve of nine varieties of tea cultivars

2.2.4 不同茶樹品種WUE、iWUE的光響應曲線比較 由圖5、圖6可知，9個茶樹品種的WUE和iWUE隨PAR的增加均呈先上升后下降的總體趨勢。當 PAR 為 0~400 μmol/(m2·s)時，各茶樹品種的 WUE增長最快。‘云抗 10號’‘云山’‘寶洪’‘烏龍’和‘紫娟’在 400 μmol/(m2·s)時 WUE達到峰值；‘香歸銀毫’‘天生’和‘十里香’在PAR 為 550 μmol/(m2·s)時 WUE 達到峰值，此后呈下降趨勢；‘昌寧大葉種’在PAR為1000 μmol/(m2·s)時WUE達到峰值；總體而言，‘香歸銀毫’和‘昌寧大葉種’的WUE相對較高，‘紫娟’的WUE較低。此外，‘云山’和‘烏龍’的 iWUE在 PAR為 0~200 μmol/(m2·s)時增長最快，其余 7個茶樹品種的 iWUE 在 0~400 μmol/(m2·s)時增長最快；‘云山’和‘烏龍’在 200 μmol/(m2·s)時 iWUE達到峰值，‘天生’和‘寶洪’在400 μmol/(m2·s)時iWUE達到峰值；‘云抗10號’和‘昌寧大葉種’分別在 PAR 為 550 μmol/(m2·s)和 1000 μmol/(m2·s)時iWUE達到峰值，此后呈下降趨勢；‘天生’‘昌寧大葉種’和‘寶洪’的iWUE相對較高，‘云抗10號’和‘紫娟’的iWUE較低。

圖5 9個茶樹品種WUE的光響應曲線Fig.5 WUE-light response curve of nine varieties of tea cultivars

圖6 9個茶樹品種iWUE的光響應曲線Fig.6 iWUE-light response curve of nine varieties of tea cultivars

2.3 不同茶樹品種光響應曲線的特征參數比較

2.3.1 最大凈光合速率（Pnmax）和暗呼吸速率（Rd）由表2可知，在CO2濃度為400 μmol/mol時9個茶樹品種間的Pnmax存在明顯差異，表現為‘寶洪’的Pnmax顯著低于其他品種（P＜0.05），僅為7.24 μmol/(m2·s)。‘云抗 10 號’的Pnmax顯著高于其他品種（P＜0.05），為 14.50 μmol/(m2·s)，是最低‘寶洪’的2倍。總體來看，‘云抗10號’‘香歸銀毫’和‘云山’的Pnmax高于其他茶樹品種，說明其光合潛力較強。9個茶樹品種的Rd也存在一定差異，‘云抗10號’的Rd顯著高于其他品種（P＜0.05），‘十里香’的Rd最低，與‘紫娟’差異不顯著。

2.3.2 光補償點（LCP）和光飽和點（LSP） 由表2可知，9個茶樹品種LSP的高低依次為：‘十里香’＞‘昌寧大葉種’＞‘紫娟’＞‘云山’＞‘云抗10號’＞‘天生’＞‘香歸銀毫’＞‘寶洪’＞‘烏龍’，在 408.93~1029.07 μmol/(m2·s)之間，其中‘十里香’‘昌寧大葉種’和‘紫娟’的LSP顯著高于其他茶樹品種（P＜0.05）。對比9個茶樹品種的LCP，‘香歸銀毫’的 LCP 最低，為 18.69 μmol/(m2·s)，‘十里香’與‘香歸銀毫’無顯著差異。

2.3.3 表觀量子效率（AQY） 9個茶樹品種AQY的高低依次為：‘香歸銀毫’‘十里香’＞‘云抗10號’‘寶洪’‘烏龍’＞‘云山’‘天生’＞‘昌寧大葉種’＞‘紫娟’，‘香歸銀毫’和‘十里香’的AQY為0.06 μmol/mol，是AQY最低‘紫娟’的6倍（表2）。

表2 9個茶樹品種的光響應特征參數Tab.2 Parameters of light response characteristic to light intensity of nine varieties of tea cultivars

2.4 主成分分析和聚類分析

基于Pn、Tr、Gs、Ci、WUE 和 iWUE6 個光合參數指標對9個茶樹品種進行主成分分析（圖7A），由圖7A可知，第一主成分對于總方差的貢獻率為 67.9%，第二主成分的貢獻率為 19.9%，二者累加達到 87.8%，說明前 2個主成分代表了數據的大部分信息，可以作為主成分分析的依據。采用歐氏距離—離差平方和法基于6個光合特征參數對9個茶樹品種進行系統聚類分析（圖7B），可以發現，2種判別方式表現出相似的特征，9個茶樹品種共分為4類，Ⅰ類為‘昌寧大葉種’，為較高光合速率、中等氣孔阻力、低氣孔導度、中等蒸騰速率、高水分利用效率型；Ⅱ類包括‘十里香’‘天生’和‘寶洪’，為低光合速率、低氣孔阻力氣孔導度、低蒸騰速率、較高水分利用效率型；Ⅲ類為‘云抗10號’，為高光合速率、高氣孔阻力氣孔導度、高蒸騰速率、低水分利用效率型；Ⅳ類包括‘香歸銀毫’‘紫娟’‘云山’和‘烏龍’，為中等光合速率、中等蒸騰速率、較高氣孔阻力氣孔導度、除‘紫娟’外為中等水分利用效率型。此外，由圖7A可知，WUE和iWUE位于‘昌寧大葉種’附近，這說明其在‘昌寧大葉種’中相對較高；Pn、Tr和Gs在‘云抗10號’附近，其在‘云抗10號’中相對較高。

圖7 9個茶樹品種光合參數主成分分析和聚類分析Fig.7 Principal component and cluster analysis based on parameters of light response characteristic to light intensity of nine varieties of tea cultivars

2.5 不同茶樹品種的光合色素含量分析

采用分光光度法測定了9個茶樹品種的葉綠素和類胡蘿卜素含量（表3）。由表3可知，‘烏龍’‘云抗10號’和‘云山’的Chla含量顯著高于其他品種（P＜0.05），‘昌寧大葉種’的Chla含量最低，僅為2.51 mg/g；‘云抗10號’和‘烏龍’的Chlb含量顯著高于其他品種，‘香歸銀毫’、‘紫娟’的Car含量顯著高于其他品種（P＜0.05），‘昌寧大葉種’的Car含量最低，僅為0.30 mg/g；葉綠素總量表現為‘烏龍’＞‘云抗10號’＞‘云山’＞‘香歸銀毫’＞‘紫娟’＞‘十里香’＞‘寶洪’＞‘天生’＞‘昌寧大葉種’，9個茶樹品種的Chla/Chlb值在 2.42~3.10之間，其中 Chla/Chlb值大于2.9的有‘天生’和‘昌寧大葉種’，其余茶樹品種的Chla/Chlb值均小于2.9。

表3 9個茶樹品種的光合色素含量Tab.3 Photosynthetic pigment content comparisons of nine varieties of tea cultivars

2.6 不同茶樹品種光合參數指標的相關性分析

9個茶樹品種各項光合氣體交換參數的相關性分析結果表明（表4），Pn與Gs、Tr呈極顯著正相關；Gs與Ci、Tr、Chla、Chlb、Chl呈極顯著正相關，與WUE呈極顯著負相關；Ci與Tr、Chla、Chlb、Chl呈極顯著正相關，與WUE呈極顯著負相關；Tr與 Chla、Chlb、Chl呈極顯著正相關；iWUE與Chlb呈極顯著負相關，與Chla/b呈極顯著正相關；Chla與Chlb、Chl呈極顯著正相關。WUE與光合色素含量相關關系不顯著。

表4 光合參數的相關性Tab.4 Correlation of photosynthetic parameters

3 討論

光合作用是作物生長的能量來源，為作物產量的形成提供了重要基礎[6,17,29]。茶樹是葉用植物，90%以上的生物產量均來自葉片光合作用，就茶樹育種工作而言，提高茶樹光合效率及光合產物轉化效率是促進茶葉提質增效的最理想途徑[8-9,11]。茶樹的光合能力既受環境影響，更受遺傳因素制約，在相同的環境條件下，茶樹品種基因型是決定光合能力的主要原因[30]。本研究比較了云南9個主要栽培茶樹品種的光合特征參數，發現 800 μmo/(m2·s) PAR 下，9 個茶樹品種的Pn、Gs、Ci和Tr等光合參數存在顯著差異，表明茶樹光合性狀在品種間存在遺傳變異，這與高光效甘薯和玉米篩選的研究結果一致[6,31]，說明可將光合參數作為篩選高光效茶樹品種的參考指標。

前人研究認為，植物的光合速率在到達最高點后有2種變化趨勢，一種是光強繼續增加，光合速率保持不變，另一種是光強繼續增加，光合速率反而降低[32]。本研究中，9個茶樹品種的光合—光響應曲線都屬于第一種，且存在“快速響應階段”和“平穩階段”2個過程，但各茶樹品種2個階段對應的PAR范圍有所差異。‘寶洪’“快速響應階段”對應的 PAR 為 0~400 μmol/(m2·s)，較早就達到飽和光強，Pn也低于其他品種；‘烏龍’和‘天生’對應的PAR為0~550 μmol/(m2·s)，此后3個茶樹品種的Pn增幅逐漸變小，處于一個“平穩階段”。其他6個茶樹品種“快速響應階段”的 PAR 為 0~750 μmol/(m2·s)，此后增幅減小達到“平穩階段”，‘云抗10號’和‘香歸銀毫’的Pn明顯高于其他7個品種。各茶樹品種的Pn隨 PAR升至最高點后都能穩定下來，并未出現明顯的光抑制現象，說明本研究的9個茶樹品種具有較強的耐強光能力[33]。此外，9個茶樹品種的Gs在低 PAR[0~400 μmol/(m2·s)]條件下，隨PAR的增幅加大，表明各茶樹品種在弱光環境下將作為光合反應底物的CO2迅速消耗，這也解釋了為何各茶樹品種的Ci在低 PAR條件下迅速下降，這是因為茶樹為了補充反應底物進而提高茶樹葉片與大氣之間的氣體交換速率，同時造成了Tr上升[33]。隨著 PAR的繼續增加，各茶樹品種Gs、Ci和Tr的變化趨勢表現出較大差異，說明受遺傳因素的影響，在相同環境情況下，不同茶樹品種表現出不同的環境適應機制。此外，逆境脅迫研究認為Pn的下降伴隨著Gs和Ci的降低，光合作用的下降則主要受氣孔限制[34]。本研究發現Pn與Gs和Ci的變化趨勢并不一致，提示茶樹光合作用的改變可能受非氣孔限制，具體原因需要進一步研究。

高水分利用效率是作物抗干旱能力的重要指標，茶樹水分利用效率不僅受眾多外界因素的影響，也與自身的遺傳基礎密切相關[17]。相同條件下，WUE和iWUE高的茶樹品種更能適應干旱環境且具有更高的生長潛力[17,35]。本研究中，PAR在 0~400 μmol/(m2·s)范圍內，‘云抗 10 號’和‘云山’的WUE高于其他茶樹品種，說明在低PAR條件下這2個茶樹品種的抗干旱能力較強；隨著PAR增強各樹種的WUE總體呈下降趨勢，但‘香歸銀毫’和‘昌寧大葉種’依然維持較高WUE。同樣，PAR 在 0~400 μmol/(m2·s)范圍內，‘天生’和‘寶洪’的iWUE較高，隨著PAR增強，二者的iWUE均高于其他茶樹品種。總體而言‘香歸銀毫’‘昌寧大葉種’‘天生’和‘寶洪’的水分利用效率較高，可作為抗干旱能力較好的茶樹品種開展選育。

通過光響應模型計算植物的Pnmax、LSP、LCP、Rd、和AQY等光合參數是研究植物光合特性的重要途徑[36]。Pnmax反映了植物葉片的最大光合能力，是代表植物光合潛能的重要參數[37]，通過比較分析可知，9個茶樹品種的耐強光能力主要分為3個等級，即光合潛能較大的‘云抗10號’‘香歸銀毫’和‘云山’，光合潛能稍低的‘十里香’‘天生’‘烏龍’和‘昌寧大葉種’，以及光合潛能最低的‘寶洪’和‘紫娟’。LSP代表了植物適應強光的能力，LSP越高的植物可在越強的光下正常生長發育[38]。本研究中，9個茶樹品種LSP的高低依次為：‘十里香’＞‘昌寧大葉種’＞‘紫娟’＞‘云山’＞‘云抗 10號’＞‘天生’＞‘香歸銀毫’＞‘寶洪’＞‘烏龍’，且‘十里香’‘昌寧大葉種’和‘紫娟’的LSP顯著高于其他茶樹品種（P＜0.05），說明其耐強光能力較強。LCP、Rd、和AQY是植物利用弱光能力的重要參數，即可代表植物的耐陰性能力[39]。LCP和 Rd越低、AQY越高，說明植物利用弱光的能力越強，耐陰能力越強[1,40-41]，綜合3個指標發現，‘十里香’為耐弱光能力強、呼吸消耗少和對光的利用效率高類型；‘香歸銀毫’為耐弱光能力較強、呼吸消耗較少和對光的利用效率高類型；‘昌寧大葉種’為耐弱光能力弱、呼吸消耗少和對光的利用效率低類型，其他6個茶樹品種的LCP、Rd、和AQY也均存在差異，說明茶樹光合特征參數在品種間表現出了較高的多樣性。葉綠素是植物的光合色素，具有吸收和傳遞光量子的作用，一般來說，葉綠素含量高、Chla/Chlb小于2.9的植物，具有較強的耐陰性[5,42]。本研究中葉綠素含量高低排序為：‘烏龍’＞‘云抗 10號’＞‘云山’＞‘香歸銀毫’＞‘紫娟’＞‘十里香’＞‘寶洪’＞‘天生’＞‘昌寧大葉種’，Chla/Chlb為：‘天生’＞‘昌寧大葉種’＞‘紫娟’＞‘烏龍’＞‘云山’＞‘香歸銀毫’＞‘云抗10號’＞‘十里香’＞‘寶洪’，其中‘天生’和‘昌寧大葉種’的葉綠素含量最低，Chla/Chlb高于2.9，與LCP、Rd和AQY的判定結果存在差異。因此，僅由葉綠素含量高低是不能判斷茶樹耐陰性的，應結合光合指標進行綜合判定。根據Pn、Tr、Gs、Ci、WUE 和 iWUE 6個指標將9個茶樹品種分為4類，可以較好地反映不同茶樹品種的綜合性狀和自然類型。對 9個茶樹品種的光合參數進行相關性分析，發現Pn與Gs、Tr呈極顯著正相關，說明茶樹自身的生理狀態是影響Pn的主要因素。

綜上，本研究 9個茶樹品種的耐陰性能力、耐強光能力、抗干旱能力和光合潛能等光合特性既具有相似性也存在物種特異性。除‘云抗10號’和‘烏龍’外，其他品種對弱光利用能力較強，具有較強的適應弱光的能力，‘香歸銀毫’的耐陰性較強，在茶園管理上可以采取適度遮陰來促進茶樹光合作用，提高茶葉品質。‘昌寧大葉種’和‘紫娟’耐強光能力較強。‘十里香’既有最強的耐陰能力，又能適應較強的陽光輻射，對光適應的生態幅度較寬，因此在生產上可以考慮在全光照條件下栽培或者在經濟林果中進行套種，提高茶園的綜合效益。‘昌寧大葉種’和‘香歸銀毫’更能適應干旱環境且具有更高的生長潛力，可應用于茶樹耐旱品種選育，‘云抗10號’的光合潛能最大，可應用于高光效茶樹品種選育。