不同浓度镁对茶树光合及光保护能力的影响

唐 磊，肖罗丹，黄伊凡，孟 阳，肖 斌，杨亚军,2

(1.西北农林科技大学 园艺学院，陕西杨凌 712100；2.中国农业科学院 茶叶研究所，杭州 310008)

茶树[Camelliasinensis(L.)O.Kuntze] 属于山茶科山茶属木本植物，起源于中国西南地区，栽培广泛，种类丰富，是全世界重要的经济作物之一[1]。氮、磷、钾、镁是茶树正常生长的主要大量元素，被称之为茶树生长的“四要素”，是茶园平衡施肥的基本保证[2]。据调查，中国南方部分茶园由于气候、成土母质等原因土壤有效镁含量大多为10～70mg/kg，其中有70%的茶园土壤有效镁含量低于40mg/kg，这些茶园普遍存在有效镁含量缺乏的现象，被认为是缺镁茶园；而福建铁观音茶园土壤交换性镁含量的平均值仅为9.63mg/kg,土壤有效镁含量非常低[3-6]。镁作为植物正常生长发育的营养元素之一，与K+、Ca2+等其他离子相互作用，调节细胞中阴阳离子平衡，作为渗透活性离子调节细胞膨压[7]；同时镁也是酶活化的辅因子之一，激活H+-ATP酶、激酶、聚合酶和RUBP羧化酶等酶活性，合成核酸和糖类并维持结构稳定[7-9]；镁还是核糖体的组成部分，起到稳定蛋白质合成所必需的核糖体构型、维持核蛋白体稳定的作用[10]；最重要的是Mg2+作为叶绿素分子的中心组分，通过形成更多有吸收、传递和转换光能的叶绿素、参与内囊体膜垛叠形成基粒、调节叶绿体PSⅡ和PSⅠ之间激发能的分配，从而促进光合碳同化，提高光合效率[9,11]。缺镁导致光合电子传递链过度还原引发光氧化损伤[7,12]，并降低叶片光合作用而减缓植物生长，影响作物产量和品质[10,13-15]。已有的研究更关注镁在茶树生长发育过程中对生长状况和次生代谢产物的影响从而影响茶叶产量及品质，认为缺镁土壤施镁有利于茶树生长早发、产量增加、氨基酸和咖啡碱含量的提高[16-17]；叶片施镁和根部施镁降低安溪铁观音的节间长度，增加叶片厚度，有助于提高‘水仙’品种的水浸出物、茶多酚、氨基酸、咖啡碱和黄酮等[18]；适宜的镁浓度处理也有利于游离态及酸解态低萜类成分与儿茶素含量的增加[19]。但是茶树生长发育与次生代谢产物之间的关系却没有得到深究，既然次生代谢是初生代谢的延伸，初生代谢又为次生代谢产物合成提供前体，那么镁作为叶绿素中心组分对茶树光合生长这一初生代谢的作用，及促进生长发育的研究却鲜见报道，这是形成茶叶高产优质的基础，理应受到广泛重视。

本研究从缺镁茶园急需提高产量和品质的实际需求出发，侧重从适宜浓度的镁素能提高光合能力和光保护作用的角度探讨施镁对茶树产量和品质的意义。植物通过光合电子传递、叶绿素荧光发射和热耗散3种途径消耗叶绿素吸收的光能，利用气体交换参数和叶绿素荧光参数可以探究光合作用和热耗散的情况[20]，同时叶绿素荧光参数作为光合作用的有效探针，在探测植物体内光合器官转运、光电子传递及植物响应环境胁迫等各方面敏锐突出[21]。因此，本研究考虑不同茶区茶园的Mg2+含量有较大差别，而设置Mg2+梯度，通过分析不同浓度镁处理下茶树叶片光合气体交换参数和叶绿素荧光参数等的变化趋势，探讨作为叶绿素关键成分镁的不同浓度对茶树光合作用及生长发育的影响，为缺镁茶园镁素施用提供一定的试验依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料培养

为了探究适宜于茶树生长的Mg2+浓度，选取长势一致且质量基本一致的2 a生‘陕茶1号’扦插苗，用清水洗去根部泥土，将其培养在小西茂毅营养液[22]中1个月；选取长出白色幼根且长势一致的茶苗，分别培养在含0、0.05、0.1、0.2、0.4、0.8、1.6、3.2和6.4 mmol/L Mg2+的小西茂毅营养液中，每个处理3次重复，试验持续约3个月。营养液每周更换1次，24 h连续通气。试验在西北农林科技大学人工气候室内进行，培养温度为25 ℃(白天)/20 ℃(晚上)，空气相对湿度保持在75%±5%，光周期为12 h(光照)/12 h(黑暗)。

1.2 光合作用相关指标测定

1.2.1 叶绿素含量的测定 叶绿素含量采用研磨醇提取法[23]测定。称取茶树叶片0.2 g，在95%乙醇中研磨过滤定容后，采用双光束紫外可见分光光度计在665 nm、649 nm、470 nm处测定吸光值，依据有关公式[23]计算叶绿素含量，每个镁浓度处理设置3株茶苗作为重复。

1.2.2 光合气体交换参数测定 选取生长旺盛、长势一致且光照良好的茶苗第3或第4片真叶，采用Li-6400便携式光合仪(Li-Cor公司，美国)，于9:00-11:30以红蓝LED为光源，设定光照强度为1 200 μmol/(m2·s)测定净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)，每个Mg2+浓度处理设置3株茶苗作为重复。根据测定结果计算瞬时水分利用效率(WUEi)，WUEi=净光合速率/蒸腾速率。

1.2.3 叶绿素荧光参数测定 将茶苗第3或第4片真叶暗适应30 min后，采用脉冲振幅调制(PAM)叶绿素荧光仪(WALZ公司，德国)测定最小荧光Fo、最大荧光Fm、PSⅡ非调节性能量耗散量子产量Y(NO)和PSⅡ实际光化学量子产量Y(Ⅱ)等，每个镁浓度处理设置3株茶苗重复。根据测定结果计算PSⅡ最大光化学效率，Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm和PSⅡ潜在光化学效率，Fv/Fo=(Fm-Fo)/Fo。

1.2.4 生物量的测定 用自来水将处理约3个月的植株冲洗干净，分开测定地上部分和地下部分的鲜质量，每个镁浓度处理设置3株茶苗重复。为了测定植株的干质量，将鲜样在105 ℃下杀青30 min，然后在75 ℃下烘干至恒量，测定各部分的干质量。总鲜质量和总干质量分别为各自地上部分与地下部分的总和。

1.3 数据处理与分析

试验数据的平均值、标准差使用Excel 2010分析完成；用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析和相关性分析，多重比较使用最小显著差异法(LSD)(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 镁对茶树叶绿素含量的影响

不同浓度Mg2+处理的茶树地上部表型如图1所示。叶绿素测量结果表明，叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)、类胡萝卜素和总叶绿素[Chl (a+b)]的含量在不同Mg2+处理下的变化趋势比较一致；随着Mg2+浓度的增加，各色素含量均表现为先升高后下降的趋势，在0.1 mmol/L处理下达到峰值，显著高于缺镁(0 mmol/L)和较高浓度的处理(0.8 mmol/L)(图2)。0.1 mmol/L 处理下的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量显著高于0.4 mmol/L、0.8 mmol/L和0 mmol/L处理，而0.1 mmol/L和0.4 mmol/L处理的类胡萝卜素含量差异不显著，但0.1 mmol/L处理下类胡萝卜素相比于缺镁和0.8 mmol/L处理分别显著增加 44.99%和9.78%。0.05 mmol/L、0.1 mmol/L和0.2 mmol/L处理的叶绿素a、类胡萝卜素含量差异不显著，但0.1 mmol/L处理的叶绿素b含量显著高于0.05 mmol/L 和0.2 mmol/L处理，分别增加16.69%和13.78%；0.1 mmol/L处理的总叶绿素比0.05 mmol/L处理显著增加10.91%，但与0.2 mmol/L无显著性差异(图2)。因此，后续试验选择0 mmol/L(缺镁)、0.1 mmol/L、0.4 mmol/L和0.8 mmol/L 4个浓度处理进行研究。

2.2 镁对茶树光合气体交换参数的影响

在4个Mg2+浓度处理下，0.1 mmol/L的净光合速率高于其他3个浓度，显著高于缺镁和 0.8 mmol/L处理，但与0.4 mmol/L差异不显著(图3-A)。缺镁、0.4 mmol/L和0.8 mmol/L处理的净光合速率比0.1 mmol/L处理分别下降 49.96%、5.41%和27.45%。气孔导度和蒸腾速率的变化趋势比较一致，0.1 mmol/L和0.4 mmol/L处理下最高且差异不显著；0.4 mmol/L处理的气孔导度和蒸腾速率显著高于0.8 mmol/L处理，分别增加 36.92%和39.30%，但缺镁和 0.1 mmol/L处理下气孔导度差异不显著而蒸腾速率存在显著性差异(图3-B，3-C)。0.1 mmol/L处理的瞬时水分利用效率最高，比缺镁处理的最低值增加40.09%，但4个Mg2+浓度处理的幼苗瞬时水分利用效率无显著性差异(图3-D)。

2.3 镁对茶树叶绿素荧光参数的影响

PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)和PSⅡ潜在光化学效率(Fv/Fo)在4个Mg2+浓度处理下表现出相似的趋势，随着Mg2+浓度的升高，Fv/Fm和Fv/Fo先增加后降低，0.1 mmol/L处理达到峰值，但与0.4 mmol/L处理没有显著性差异，缺镁和0.8 mmol/L处理显著低于0.1 mmol/L和0.4 mmol/L处理(图4-A，4-B)。在0.1 mmol/L和0.4 mmol/L下，茶树叶片的Fv/Fm比缺镁处理分别增加 5.88%和4.55%，比0.8 mmol/L处理分别增加6.87%和5.52%。同时，0.1 mmol/L和 0.4 mmol/L处理的Fv/Fo比缺镁处理分别增加25.00%和22.44%，比0.8 mmol/L处理分别增加29.51%和26.86%。PSⅡ非调节性能量耗散量子产量Y(NO)与Fv/Fm和Fv/Fo的趋势相反；与0.1 mmol/L处理相比，缺镁、0.4 mmol/L和0.8 mmol/L处理下Y(NO)分别增加15.12%、7.39%和26.56%。显著性分析发现，0.1 mmol/L处理的Y(NO)显著低于缺镁和 0.8 mmol/L处理，0.4 mmol/L处理的Y(NO)也显著低于 0.8 mmol/L处理，但与缺镁和0.1 mmol/L处理没有显著性差异(图4-C)。由图4-D可知，PSⅡ实际光化学量子产量Y(Ⅱ)在4个Mg2+浓度下没有显著性差异，0.8 mmol/L处理下的最低值比0.1 mmol/L处理下的最高值下降13.75%。

2.4 不同镁素水平下光合荧光相关各指标的 关系

对不同镁素水平下茶树各指标的相关分析(表1)表明，总鲜质量与Gs、Chl(a+b)与Pn、Pn与Tr、Gs与Tr以及Fv/Fm与Fv/Fo之间的关系密切，呈极显著正相关，而Fv/Fm与Y(NO)、Fv/Fo与Y(NO)、Y(NO)与Y(Ⅱ)极显著负相关。同时，Tr与Y(Ⅱ)、Pn与Gs、总鲜质量与Pn、Tr、Fv/Fm及Fv/Fo达显著正相关水平，而Gs与Y(NO)、Tr与Y(NO)呈显著负相关。以上结果证明，光合生长需要镁的参与从而促进茶树的生长。

表1 不同Mg2+水平下茶树各指标的Pearson相关分析Table 1 Pearson correlation analysis of tea plant indicators under different magnesium levels

2.5 镁对茶树生长的影响

由表2可知，0.1 mmol/L Mg2+处理下茶树的地上部鲜质量和总鲜质量达到最大值，显著高于缺镁和0.8 mmol/L Mg2+处理，与0.4 mmol/L 处理差异不显著；地下部鲜质量在缺镁和0.8 mmol/L处理时最低，但4个浓度的处理无显著性差异。缺镁、0.4 mmol/L和0.8 mmol/L处理下总鲜质量与 0.1 mmol/L处理相比分别下降8.22%、1.14%和15.46%。缺镁处理下，鲜质量的根冠比相对于0.8 mmol/L处理下降8.26%，但相对0.1 mmol/L和0.4 mmol/L处理分别增加11.00%和12.12%。显著性分析显示，0.8 mmol/L处理下鲜质量的根冠比显著大于0.1 mmol/L和0.4 mmol/L的处理，与缺镁处理差异不显著；此外，缺镁、0.1 mmol/L和0.4 mmol/L处理下鲜质量的根冠比也没有显著性差异。不同浓度Mg2+对茶树干质量的影响与鲜质量的结果一致，仅在显著性上存在差异。

表2 不同镁素水平对茶树生物量的影响Table 2 Biomass of tea plant under different magnesium levels

3 讨 论

目前，中国南方茶园土壤普遍存在有效镁含量缺乏的现象[3-6]，因此研究镁肥促进茶树高效生产具有重要意义。本试验结果表明，适宜浓度的镁(0.1 mmol/L)可能通过提高茶树的叶绿素含量、光合作用和光保护作用而促进茶树生长；缺镁和较高浓度的镁(0.8 mmol/L)均不利于茶树 生长。

3.1 适宜浓度的镁对光合生长的促进作用

有关研究证明，叶绿素作为植物进行光合作用的主要色素，其含量与光合作用之间一般呈正相关[24]。生物量是反映植物体有机物积累状况的主要指标，常被用来表征植物的生长状况[25]。研究表明，苦瓜在缺镁和高镁的条件下叶绿素和干质量显著降低，说明镁影响苦瓜的生长和叶绿体发育[9]。在本试验中，随着镁浓度的增加，茶树的叶绿素含量呈现先上升后降低的趋势，适宜浓度的镁(0.1 mmol/L)能够提高茶树的叶绿素，缺镁和高镁降低茶树叶绿素含量；镁对茶树生物量的影响也呈现同叶绿素一致的趋势。由此推测，镁素通过影响茶树叶绿素含量进而影响茶树的生长。这与对葡萄[26]、银杏[27]、水稻[10]等的相关研究结果一致。在对银杏的研究中发现，随着镁喷施浓度的增加，银杏的根冠比呈先下降后升高的趋势[27]；对小麦的研究也发现在缺镁和低镁条件下其根冠比明显增加[25]。本研究结果也表明缺镁和0.8 mmol/L Mg2+处理下茶树的根冠比增加。

光合作用是植物体内重要的代谢过程，是植物合成有机物质和获得能量的根本源泉[28]。在缺镁条件下，水稻叶片的Pn明显降低[29]；而在柑橘中发现正常供镁时Gs和Tr显著高于缺镁处理[30]。本试验中，在缺镁和较高的镁浓度(0.8 mmol/L)处理下，茶树的Pn、Gs和Tr都显著降低，说明缺镁和较高浓度的镁可能造成茶树光合器官的损伤，导致光合能力下降，而适宜浓度的镁则对茶树的光合作用具有促进作用。相似的研究结果在葡萄[26]和黄瓜[31]等植物中也得到进一步验证。在对葡萄的研究中还发现，Chl(a+b)与Pn、Pn和Tr呈极显著正相关，Pn与Gs呈显著正相关关系[26]。在本试验中，不同Mg2+浓度处理下茶树叶片的Chl(a+b)、Pn、Gs和Tr也呈现同葡萄各参数一致的相关性，总鲜质量与Pn、Gs、Tr也存在显著或极显著的正相关性。这表明镁可能通过提高茶树的光合作用从而促进茶树 生长。

3.2 适宜浓度的镁对逆境植物的光保护作用

镁促进茶树光合作用还体现在叶绿素荧光参数的变化上。Fv/Fm反映光系统Ⅱ的最大光能转化效率，常被用来作为环境胁迫程度的指标和探针[32]。当植物受到光抑制时，Fv/Fm将会降低，进而引起PSⅡ受体侧QA的过度还原、三线叶绿素的形成和单线氧的产生，导致PSⅡ反应中心D1蛋白降解[33]。本试验结果表明，茶树的Fv/Fm和Fv/Fo在0.1 mmol/L Mg2+处理下最高，而在缺镁和较高的镁浓度(0.8 mmol/L)处理下均显著降低；相关分析表明Fv/Fm和Fv/Fo与总鲜质量呈显著正相关性。Fv/Fo反映PSⅡ的潜在光化学效率，Fv/Fo降低表明类囊体结构受到损伤，从而抑制光合电子传递[30]。说明缺镁和较高的镁浓度(0.8 mmol/L)处理可能导致 PSⅡ反应中心受到损伤，电子传递速率受到抑制，降低茶树PSⅡ反应中心利用光能的效率，茶树遭受到光抑制或光破坏；而适宜浓度的镁素处理可能促进茶树的光能利用效率，提高茶树的光保护作用。在柑橘中的研究也发现缺镁时柑橘的Fv/Fm和Fv/Fo显著降低[30,34]。因此，在光照充足的中午和夏季，镁元素可能通过光保护作用使茶树免受光破坏。前期研究表明，当植物遭受不利的生长条件如营养缺乏或干旱时光抑制可能会发生[33]。适量镁还可以通过光保护作用缓解植物受到的重金属胁迫和病害影响[35-37]。由此推测，当茶树遭受到各种各样的生物胁迫和非生物胁迫(干旱、盐碱等)时，镁元素的施用可能在一定程度上通过提高茶树的Fv/Fm值使茶树减轻或免受伤害。

植物叶片PSⅡ反应中心通过PSⅡ实际光量子产量Y(Ⅱ)、PSⅡ调节性能量耗散的量子产量Y(NPQ)和PSⅡ非调节性能量耗散的量子产量Y(NO)进行光能的转化和耗散，且三者总和为1或接近1[38]。Y(NO)表示PSⅡ非调节性能量耗散的量子效率，是光损伤的重要指标，高Y(NO)值表示PSⅡ光化学反应和保护性调节机制没有发挥作用，过量的激发能将对PSⅡ产生光破坏[39-40]。在本试验中，随着Mg2+浓度的升高，Y(NO)先下降后上升，缺镁和0.8 mmol/L Mg2+处理均显著升高，而Y(Ⅱ)表现出与Y(NO)相反的趋势，但4个浓度之间无显著差异，由此推测在缺镁和高镁浓度下，碳水化合物的大量积累和光合CO2固定的损伤导致光合电子传递链的过度还原[7,12]，叶片的热耗散等保护性调节机制和光化学反应不足以将叶片吸收的所有光能完全消耗[41]，即入射光强可能超过植物能接受的程度[39]，产生严重的光抑制，从而影响茶树生长。这些结果表明，镁可能通过提高茶树的环境适应能力而促进茶树的生长。由此可见，茶园缺镁时会降低茶树叶片的叶绿素含量，可能导致光合作用下降及光抑制现象的发生，降低茶树的生物量，抑制茶叶产量和品质的提升。

综上所述，茶树生长需要的最适Mg2+浓度为0.1 mmol/L，这一浓度可能通过提高茶树的叶绿素含量进而加强光合生长和光保护作用，促进茶树生长发育；当Mg2+浓度达到0.8 mmol/L时，茶树生长受到抑制。因此，在缺镁茶园可以优先考虑适宜浓度的镁素施用以减少产量损失和品质下降，另外对季节性干旱或盐碱等逆境也可通过施镁得到缓解。具体镁肥用量需综合考虑缺镁茶园土壤有效镁含量、茶树品种及树龄等因素 确定。