基于引種的茶樹遺傳育種研究進展

葉利利,王樹元,張永成,王玉璽,穆丹,吳娟

(安慶師范大學 生命科學學院,安徽 安慶 246133)

茶樹(CameliasinensisL.)是山茶科、山茶屬植物,為我國重要的經濟作物,種植歷史相當悠久。茶葉生產擁有良好的社會經濟性和生態效益,是國民經濟中不可或缺的重要組成部分。茶樹品種決定茶葉品質,優良品種對提高作物產量、改進茶產品品質和增強茶樹對自然條件的耐性限度等均有十分重要的作用[1]。品種是農業的核心組成部分,不斷選育優良品種是保障農業生產持續發展的重要保障[2]。受制于自然條件,我國茶樹品種南北差異大,主要產茶區品種單一,茶葉種類龐雜。推動茶產業發展,茶樹引種是育種的關鍵環節[3]。引種可用篩選出的良種代替當地原有茶樹品種,增加茶葉產量和品質,滿足人們對不同茶葉品種的需求;也可以擴大茶樹遺傳資源,豐富育種物質基礎和當地茶樹種質資源。在自然選擇和人工選擇下,我國四大茶區的茶樹生態型不同,儲藏著大量的茶樹種質資源,為茶樹引種提供了極有利條件。筆者綜述了我國南北茶區茶樹遺傳育種發展概況與遺傳多樣性研究的相關進展,以期為茶樹遺傳育種的進一步研究提供參考。

1 基于引種的我國茶樹育種發展概況

我國茶區原分布在秦嶺、準河以南、四川省的大雪山、云南省的怒江流域以東的廣大地區,即北緯34°、東經97.5°,是我國茶區分布的最北和最西界線。引種(Introduction)是人工將茶樹從現有分布區(野生茶樹)或栽培區(栽培茶樹)遷移到其他地區進行培育的過程[4]。引種是栽培茶樹起源與演化的基礎,是茶葉的遺傳育種極為重要的一步。判斷茶樹生長狀況的標準因茶葉而異,但發芽期、產量和存活率是茶樹引進的一般標準,如果上述3個指標達到較高水平,則可稱為引種成功[5]。1965年全國范圍內推廣的茶樹良種包括福鼎大白茶、黃金桂、鐵觀音、湖南云臺山大葉種、政和大白茶、水仙、大葉烏龍、貴州湄潭苔茶、毛蟹、廣東鳳凰水仙、樂昌白毛尖、安徽祁門櫧葉種、云南大葉種、四川南江大葉種、崇慶枇杷茶、寧州大葉種、江西上梅州種、浙江塢坑大葉種、梅占、陜西紫陽種和廣西凌樂白毛茶。這些首批國家級良種對我國茶樹的育種研究具有深刻的現實意義。我國茶業發展歷程依據發展目標和發展路徑可分為4個發展階段:(1)擴大茶園面積增加茶葉產量階段(1949～1978年);(2)提高茶葉單產增加茶葉產量階段(1979～1989年);(3)調整產品結構提高茶葉品質階段(1990～2000年);(4)綜合發展階段(2001年以來)[6]。

1.1 擴大茶園面積增加茶葉產量階段

國內茶樹育種處于自發狀態,只在小區域內進行,各地發展也不平衡。茶樹大多是野茶,少數的人工茶園屬于間作茶園,栽種方式落后,茶葉一直是嚴重短缺的產品。新中國成立以后,開始有組織有計劃地開展茶樹育種工作,系統的無性系茶樹品種選育及育種基礎理論研究逐漸開展,這一時期發展茶業的途徑主要是依靠擴大種植面積,增加茶葉總產量,完善良種繁育體系,推進高效茶園建設。

南方茶區除一些用無性繁殖品種的茶園外,大部分種植園是群體品種,植株性狀差異甚大。茶樹品種優劣不齊,茶樹大都年齡衰老,新梢伸育力弱,芽葉不良,影響制茶品質。茶樹引種是改進和提高本地區茶葉品質的重要途徑。上世紀五十年代初,安徽從國內引入包含適應性強、抗寒等諸多優點的祁門櫧葉種,產量高,長勢好。五十年代后期,通過引種試驗,毛蟹、福鼎大白和云南大葉種等表現良好、性狀優良的茶樹在全國茶區大面積推廣,豐富了各地茶樹品種資源[7]。優良品種在較大地域范圍的引種馴化,培育了擁有優良變異的天然雜種,這是我國近代發展起來的極其有價值的茶樹育種基因庫。

同時,北方陜西茶區采取以建立留種茶園為主、無性繁殖為輔的辦法,使得紫陽種得到大面積的繁育推廣。在上世紀五十年代,陜西安康地區從外地引進安徽祁門種,作為陜南地區引進外地品種的開始。在五十年代中期,北方一些適宜種植茶樹的區域陸續引進了福鼎大白、湄潭苔茶、黃山種和湖南種等進行本地培育。我國開展的大規模茶樹引種項目——“南茶北引”,將安徽南部與江浙地區的茶樹引入山東[8]。直至1965年青島茶苗種植試驗成功后,在全國范圍內掀起種茶熱潮,茶園遍布全國。1972年,山東省“南茶北引”的成功,打破了長期以來茶樹不能種植于北緯30°以北的歷史。“南茶北引”后,我國秦嶺、淮河以北地區以及甘肅省、西藏自治區的察隅、波密、林芝等都已初步引種成功。

1.2 提高茶葉單產增加茶葉產量階段

這一階段,茶樹育種進程加速,茶園面積不斷擴大,結構趨于完善,單產不斷提高,標準體系建設更加完善,茶葉質量安全得以保障。茶園面積雖增長緩慢,但茶葉產量增長迅速。無性系良種篩選于豐富種質資源,具有高產、抗性好、制茶質量優良等特點,目前全球各產茶大國都將培育無性系良種作為茶樹栽培的重點[9]。1987年全國茶樹良種審定委員會將52個品種定為國家級茶樹良種,其中無性系良種35個,有性系良種17個。這52個良種為各地茶葉生產的發展作出了重大貢獻。

上世紀八十年代“錫茶11號”“錫茶5號”和“櫧葉齊”等從云南大葉種選育出的無性品系以及“楊樹林種”等地方群體品種在江南和江北的紅、綠茶區推廣。1981年發現紫陽種是抗逆性強、高產、優質、適應性強的優良品種,應繁殖推廣。1986年研究人員通過品比試驗得出適宜推廣到各地的茶樹良種是早白尖5號、蜀水307、906、其次是蜀水3號、401號、1號[10]。作為“南茶北引”的重點區域,山東茶園面積由于不重視綜合管理和受到低溫脅迫又大幅度回落,到1990年,全省茶園面積停留在1333.3 hm2左右[11]。

1.3 調整產品結構提高茶葉品質階段

名優茶市場迅速崛起,茶樹優良品種和先進技術在茶葉生產上得到推廣應用,全國各茶區都在引進良種,或進行換種改植,或發展新茶園。茶葉生產開始由產品短缺步入供過于求,茶業發展越來越受到市場需求的制約,靠增加茶葉產量來提高茶業效益已失效,產品結構不合理的問題非常突出。此時,適應市場需求的變化,調整茶葉產品結構、提高茶葉質量成為此階段茶產業發展的主要任務。

1995年,從早白尖群體中采用單株育種法育成性狀優良的“早白尖5號”,隨后在重慶、陜西、四川等茶區推廣。1996年,云臺山大葉種經單株選擇繁育成“唐茶1號”,可在湖南省茶區引種推廣。1996年江西農業技術推廣站實施茶樹良種引種試驗,篩選出龍井43、烏牛早、碧云等適合引種到低丘紅壤地區的茶樹良種。1997 年,種子直播和移栽實生苗等落后的育種形式開始淘汰,原農業部明確提出做到發展新茶園和老茶園換種改植,采用無性系良種,實現茶樹無性系良種化。1997年,“早白尖5號”在信陽引種后在信陽及江北茶區推廣[12]。上世紀90年代,浙江千島湖茶區引入品種長勢良好,包括鳩坑群體種、中茶108、安吉白茶、烏牛早、迎霜、龍井43等品種[13]。

1.4 綜合發展階段

進入本世紀后,我國在茶樹遺傳育種多個領域取得了更多的成果,引領了世界相關領域的發展。在這一新階段,茶園結構和區域布局趨于合理,推進機械化,降低茶葉生產成本,茶園單產進一步提高,茶葉質量水平顯著提升,茶葉產業化進程顯著加快,茶樹育種開始向多樣化的方向發展(包括低咖啡堿、低苦澀味、高氨基酸等),茶文化日益興盛。為了提高育種目標的精準性和提高基因突變頻率,以分子標記輔助育種和基因工程育種為代表的現代生物育種技術在21世紀成為推動茶樹遺傳育種前進的主要力量。2007年以后,中國茶園面積和產量世界第一,茶園單產進一步提高。直至2021年,全國茶葉內銷總量突破230萬噸[14]。在遺傳育種方面,經過幾十年的推動,我國種植園中克隆茶的比例已達30%左右[15]。我國無性系良種化比例由20世紀80年代初的10%左右提高到2020年的68%[16]。比較特殊的是甘肅在環境因素的影響下,70%山地茶園為有性茶園,茶樹主根發達、發芽期遲,無性系茶樹成活率低[17]。在引種鑒定方面,Jin 等[18-19]開發了相應的功能標記,可進行低咖啡堿和高二羥基兒茶素材料的快速篩選。

2000年后 “鄂茶1號”“早白尖5號”“陜茶1號”等無性系良種和宜昌大葉種等高EGCG且品質優良的茶樹品種進行區域試驗成功后,在適宜生長的茶區推廣種植[20]。2010年,南茶北引的核心區域——山東省良種繁育研究取得進展,如“羅漢1號”是在山東引種的茶樹中廣泛篩選培育出的抗寒良種[21],西藏引進了福鼎大白、特早213、梅占、福云6號等茶樹并推廣種植,存活率達到50%以上。2022年,劉燕等[22]研究表明鳩坑小葉種、威寧老茶樹、福鼎大白茶抗旱性較強,適合北方地區種植和推廣;黃金芽、云南大葉茶抗旱性較弱,不適合在干旱地區種植。茶樹的引進極大地豐富了當地茶區的種質資源,為當地適應性強的茶樹新品種的選育和育種提供了充足的育種材料。

2 基于引種的茶樹遺傳多樣性研究

茶樹起源于我國云南省,在傳播過程中,從形態水平到細胞水平再到分子水平,發生了一系列變異,形成了各茶區多樣的種質資源[23]。茶樹長時期內進行著天然雜交,屬于異花授粉作物,致使目前的茶樹群體都具有極端雜合的特點,為茶樹豐富的遺傳多樣性奠定了基礎。變異性是有機體的基本特性之一,育種上利用的變異性是遺傳性的變異,即有機體本性的改變。為了擴大當地作物的種類和優良品種的種植面積,不同地區間相互引種。引種過程中,因不同緯度導致氣候差異、生物差異與土壤差異,引入品種栽培在不同于原產地的環境下,經自然選擇或人工選擇,它的性狀變異的范圍決定于生存環境條件差異的大小和品種本身遺傳性的穩定性。在引種馴化過程中,幼齡階段植物的遺傳變異性較大,實生苗對環境變化適應能力強,當引種種植區與茶樹品種產地環境差異明顯時,引種過程必須采取逐步遷移的辦法完成馴化[24]。

2.1 引種后茶樹的遺傳性狀變異

我國90%左右的山茶屬植物分布在西南及南部[25]。茶樹以貴州、云南、廣西的生態過渡區為中心擴散而逐漸減少。南方因其氣候條件適宜茶樹栽培,可以為北方茶區提供茶樹良種。茶樹是多年生常綠木本植物,在夏季高溫多雨、冬季低溫少雨的南方氣候條件下形成許多遺傳特性,如喬木或小喬木樹型、葉大色淡質薄、芽壯毫多、發芽早、生長期長、茶多酚和咖啡堿含量高、喜溫等特點。茶樹原始類型為喬木狀,隨著向北和海拔高的地區引種,逐漸變為灌木狀,葉片由大變小,葉肉由薄變厚,并帶有革質,這種茶樹對低溫有特殊的適應性。茶樹在適應環境條件變化的過程中,外部形態發生了變化,并形成一些特殊的生物學性能。同時,茶濃度降低、香氣提高[26]。

北方地區的茶樹生長在降雨少、冬季干冷、積溫小的氣候條件下,形成了典型的灌木樹型,生育期短,葉片小而厚,葉色黃綠,氨基酸含量高,抗寒性強。北種南下后,由于生活環境更適合茶樹的栽培條件,更有利于茶樹的生長發育,因此茶樹的表現與南種北引相比有相反的趨勢。

2.1.1 形態變化 茶樹遺傳育種的表型多樣性研究主要在生殖器官和營養器官,其中生殖器官主要包括花瓣數量、種子大小及形狀等;營養器官主要包括葉片色澤、大小及形狀等[27]。茶樹的形態學遺傳多樣性研究主要在種間或種內花、果實、葉片和新梢等性狀的遺傳差異[45]。在樹型方面,植株矮化,最低分枝部位降低。如劉樹峰等[28]引入安吉白茶到西藏錯那縣,測得相較于生長在安徽的安吉白茶,所引茶樹在西藏平均苗高變矮,根莖細小,生根速度緩慢,生長勢弱。葉片上,云南大葉種北引后,葉片與原產地相比,顏色加深,葉面積變小。在解剖結構上,其上表皮增厚,柵狀組織與海綿組織的比值增大,柵狀組織數量增多。劉洋等[29]概述山東引種的茶樹葉片厚度明顯增加,海綿組織減少,柵欄組織細胞變厚變短,層數增加。茶樹南移后,葉片變大變薄,柵欄組織增加至2～3層,海綿組織明顯變薄。生長在四川的樂昌白毛茶葉片長度比生長在原產地的短且小,新梢芽葉重量顯著減少。在晝夜節律方面,受日照和溫度的影響,部分茶樹花期縮短,結實率降低。南方地區的日照和氣溫條件,有利于茶樹開花結果,北種南移后,一般花期延長,開花結實數增多。如鳩坑種引至南方茶區,花期長,結實率達開花數的20%以上,比原產地結實多,這對提高茶葉產量是不利的。茶樹發芽期和年生長期會隨著茶樹種植區氣溫降低程度(與原產地相比)的不同相應地延后和縮短[30]。在北茶區,茶樹物候期推遲。在山東泰安茶區觀測到金萱品種萌芽期較主栽的綠茶早生品種遲25天。我國南方地區比北方地區春季氣溫回暖早、上升快。北種南移后,其茶萌發生長需要的溫度易滿足,因而比當地一般品種發芽較早,花期延長,結實率高,往往是屬于早生品種,如紫陽種和信陽種分別從陜西紫陽、河南信陽引種到長沙栽培,春茶萌發期較原產地早。

引種茶樹地生長情況與運輸過程、氣候環境、枝葉修剪、栽培過程、施肥澆灌都有關聯,一旦某一因素出現異常,都會影響到茶樹的生長繁殖[31]。因此,必須嚴格把控引種過程。

2.1.2 生化成分變化 茶樹生化成分是在不同的基因調控下的代謝產物,具有很高的營養和藥用價值[32],是鑒定和評價茶葉品質優劣、篩選優質茶樹資源和茶樹分類等的重要參考依據,是遺傳特性的具體表現之一。茶樹跨緯度、跨區域引種后,土壤與氣候等環境要素的不同會影響茶葉中的生物成分與化學成分的含量[33]。引種后,茶葉的生化成分屬于重要研究部分。

北引后,茶樹新梢氨基酸含量增加、茶多酚含量減少,咖啡堿含量變化不明顯[34]。李曉東等[35]對南方祁門褚葉種與日照綠茶的品質比較顯示:南茶北引后,咖啡堿含量差別不明顯,茶多酚略低,水浸出物和氨基酸含量北方高于南方。茶樹南移后,氨基酸含量減少、酚類含量增加,苦澀味增加。劉義明等[36]在東興市試種龍井43號,發現酚類物質含量增加。王治會[37]等在江西試種的鄂茶1號,茶樹中總游離氨基酸含量相較于原產地較低。

2.1.3 抗性變化 引種茶樹的抗性是茶樹對環境適應能力的體現。抗性研究主要集中在茶樹的抗寒、抗旱與抗蟲方面。

2.1.3.1 抗寒方面 茶樹是一種喜溫植物,低溫不僅使茶樹生長緩慢,茶葉產量減少,也限制了茶樹的分布范圍。低溫脅迫下,茶樹發生一系列生理生化變化,包括葉片電導率增加、氣孔閉合,植物體內葉綠素含量下降,光合作用強度降低,物質代謝失調,酶促反應失衡[38]。有研究表明,植物在自然冷馴化期間,植物體內會發生多種生理和生化變化,合成抗凍化合物和蛋白質,調控基因表達和代謝途徑從而抵御冷脅迫[39]。南方茶區品種的抗逆性比北方茶區差,在耐寒性方面尤其顯著,引進北方后茶樹容易結冰,甚至遭受嚴重霜凍。羅雯等[40]研究表明,高耐寒性的茶樹可作為茶葉遠交、基因轉移聚合等選育材料,是茶樹良種突破性育種的不可替代的基因源。

2.1.3.2 抗旱方面 茶樹屬于喜濕植物,對水分需求較高,所處生長環境的年降水量至少需要達到1000 mm[38],否則,其生長發育和代謝會受到干旱脅迫的抑制。在缺水環境下,茶樹葉片會萎蔫卷曲,表面存在焦斑,甚至有枯死現象產生,致使茶葉產量和質量顯著下降[41];SanamSafaei Chaeikar等[42]發現茶多酚、氨基酸和咖啡堿等物質含量會隨茶樹所受的干旱脅迫程度而減少,導致茶產品品質下降。在干旱環境脅迫下,植物會積累滲透調節物質以增加體內細胞液濃度、降低細胞滲透壓,維持水分。我國北方地區氣候干燥,濕度低,在培育馴化南方茶樹品種時研究不同茶葉品種的抗旱性極為重要。陜西茶區引入的湖南碧香早品種成活率高,表現出了較強的抗旱性。

2.1.3.3 抗蟲方面 在遭受植食性昆蟲為害后,植物通過改變自身揮發物組成相、提高揮發物釋放量以及釋放蟲害誘導特異性揮發物等方式,與周圍有機體進行化學信號交流,從而發揮其生態功能[43]。茶樹受體感知來自植食性昆蟲的相關信號后,啟動早期信號通路如鈣離子、活性氧和MAPK激酶,進而激活植物激素、轉錄因子和防御基因等信號網,最終以局部和系統的方式啟動防御代謝物、蛋白、物理防御和耐受性等防御應答,保護自身免受昆蟲攻擊[44]。茶樹的抗蟲性隨品種的不同而不同,其中,小綠葉蟬、茶尺蠖等為茶園常見的茶樹害蟲[45],這些害蟲普遍存在于南方茶區,在高海拔地區和北方茶區數量較少。從浙江引種至四川的“中茶302”,在引種初期,有一半以上的茶樹在無人為干擾的情況下被小葉綠蟬等害蟲為害。

2.1.4 細胞學特征變化 茶樹基因組大小為3.8～4.0 Gb,大多數(90.65%)山茶屬物種為二倍體,染色體數目為15對,只有少數茶樹為多倍體,有45～120條染色體[46]。染色體的變異主要是數目和結構變異,此外還有形態特征的變異,如著絲點位置等[47]。染色體作為遺傳物質的載體,它的變異必然造成相應的遺傳變異,是遺傳多樣性研究的重要方法[48]。細胞學標記是通過分析染色體的核型和帶型來檢測生物的遺傳特征、探究生物起源和演化進程的重要方法。Zhen Jin[49]分析了“紫燕”及其自然雜交后代的細胞學參數和染色體核型差異,發現“紫燕”與其后代之間存在遺傳多樣性,同一母本不同后代的表型和細胞學差異明顯。

2.2 引種后茶樹的分子遺傳多樣性

隨著分子生物學技術的不斷發展,DNA 分子標記技術也應運產生,可以直接反映個體在DNA水平上的差異,能準確且全面地反映出物種遺傳多樣性的水平[50]。現階段,在核酸水平上對遺傳多樣性研究的主要手段是DNA分子標記,以揭示茶樹品種的遺傳多樣性和親緣關系,指導茶樹育種的發展。經40余年發展,DNA分子標記已有數十種[51]。目前,常用的分子標記類型包括隨機擴增多態性DNA標記、限制性片段長度多態性、擴增片段長度多態性標記、單核苷酸多態性和簡單序列重復標記[52]。

YiLin等[53]從福建、廣東和臺灣的茶園苗圃,共收集了100份烏龍茶材料,分析了茶樹種質資源的SNP位點的多態性。鄢東海等[54]應用RAPD標記貴定鳥王茶、都勻毛尖茶、湄潭苔茶和石阡苔茶,對四個地區茶樹種質資源間的遺傳差異進行分析,結果表明種質資源內種間的遺傳距離(GD)的變幅較大,遺傳多樣性豐富,遺傳變異主要發生在種質資源內。YaoMingzhe[55]對來自中國14個產茶區的450份茶樹材料進行了分析,開發了96個新的多態性EST-SSR標記,發現廣西、云南和貴州等原始地區的遺傳多樣性水平較高。

3 結語和展望

從國內茶樹引種的情況和表型性狀多樣性可以看出,國內的茶樹種質資源較為豐富。對茶樹種質資源的收集鑒定工作一定要引起重視,豐富的種質資源是進行育種工作的基礎。國內的茶樹育種工作已取得了一定的進展,種植技術與茶樹引種的成功率呈正相關。引種后建立了多個新茶園,培育了一系列的新品種,茶葉的競爭力、產量與質量都得到了一定的提升,一定程度上滿足了市場的需求,推動了茶產業的發展。

但國內茶樹的引種工作還不夠充分,今后可從以下幾點著手。首先,注意種質資源的保護與收集,創建具有特征特性的茶樹種質資源庫,分析不同的表型性狀與環境的關系,充分收集具有優異遺傳性狀的種質材料。其次,注意育種目標的選擇,質量是茶樹引種的首要指標。最后,在引種時,既要重視南茶北引,也要重視北茶南下。統籌兼顧,培育具有本地特色和高品質的茶樹品種,使得茶葉質量有所保證,更好地滿足市場需求,從而推動茶產業的蓬勃發展。