紫化茶树新品系紫魁的光合特性及叶色特征

姜艳艳，石 杨,2，周国兰，王家伦,3，郑文佳，张小琴*

(1.贵州省茶叶研究所，贵州 贵阳 550006；2.贵州大学 茶学院，贵州 贵阳 550025；3.国家茶叶产业技术体系遵义综合试验站，贵州 贵阳 550006)

0 引言

【研究意义】茶树是一种重要的叶用经济作物，广泛种植在中国的贵州、云南、浙江、福建等省。随着我国茶园面积的不断扩大，茶产业已成为诸多地区的支柱产业之一，在农村产业结构调整中发挥着重要作用。茶树叶色突变改变了茶叶的氨基酸、咖啡碱、酯类等内含物质含量，为成茶提供特殊的品质特征。茶树光合特性是评价茶树生产力和适应性的重要指标。因此，研究叶色变异茶树品种(品系)光合作用对于茶叶品质和产量的调控有重要意义。【前人研究进展】茶叶产量受光合作用影响[1-2]，叶色变异的品种(品系)不同程度影响产量[3]。另外，茶树体内的有机物质如游离氨基酸、咖啡碱、茶多酚等是光合作用的产物。研究表明，茶树叶片净光合速率与EC、GCG含量均呈正相关关系；与简单儿茶素和儿茶素总量均呈负相关关系[4]。植物叶片色泽是植物叶绿素、花青素和多种物质在植物叶片表面共同表现的光学特征，与品种有较大的相关性。叶色差异通常涉及光合色素和非光合色素的变化。但以往对茶树红紫芽叶的研究集中于常规品种的植物学特性、阶段性红紫芽的比例[5]和生化组分上的差异分析[6]，尤其是非光合色素花青素[7]，而对紫化品种的产量相关特性，尤其对光合色素及光合效率关注较少。光合色素中重要色素分子叶绿素参与光能的吸收、转化和传递，叶绿素含量高，尤其是叶绿素a含量越高，茶树的净光合速率越高。叶色白化茶树的光合色素含量低于普通绿色品种[8]。一般来说，绿色茶叶中叶绿素含量较高，红紫芽茶叶中花青素含量偏高。叶片颜色的突变通常影响植物的光合作用效率[9]。许燕[10]研究表明，紫叶的紫嫣和紫鹃品种(系)春季叶绿素总量均显著低于福鼎大白茶，但光合效率高于福鼎大白茶，说明叶色、叶绿素含量与光合效率间存在复杂的联系。【研究切入点】目前，研究主要集中在白化品种的叶色突变机制上，对于特殊叶色的茶树品种(系)光合特性的研究较少，对于紫化茶树叶色变化与光合特性的关系尚不清楚。【拟解决的关键问题】对紫化茶树春夏季新梢不同叶位的叶片色泽、SPAD值及光合性状进行定量分析，明确叶色紫化的茶树品系紫魁的叶色与光合作用的相关性，并探索与二者相关的影响因素，揭示叶色紫化对茶树光合生长的影响，为紫化茶树的高产栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在贵州省湄潭县贵州省茶树种质资源圃进行，试验地位于107.5°E，27.8°N，海拔920 m，属亚热带季风性湿润气候，年均温14.9℃，年日照时数1 163 h。

1.2 试验材料

供试茶树品系为紫魁，是由湄潭苔茶群体种的变异单株经贵州省茶叶研究所自主选育的特异性新品系，于2015年由扦插苗统一定植而成。该品系茶树新梢芽、叶、茎全年均为紫红色(图1)，以福鼎大白茶(Camelliasinensis.cv.Fuding Dabai)作为对照。2个品种(品系)树龄均为5年。

图1 茶树特异性新品系紫魁定植茶园及新梢芽叶Fig.1 The tea plantation,buds and leaves of Zikui,a new tea line

1.3 试验方法

1.3.1 不同叶位光合速率相关参数的测定 叶片选用茶树新梢芽下第1～5片叶，每个品种(品系)重复测定5株。利用Li-6800便携式光合测定仪(Li-Cor，Inc.，USA)，于2021年5月、7月晴天上午9：00—11：00进行净光合速率相关参数测定。测定时设定参比室CO2浓度为400μmol/mol，光照强度设定为环境光强[1 200μmol/(m2·s)]。测定指标包括净光合速率(A)、蒸腾速率(E)、胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(gsw)等生理参数。

1.3.2 不同叶位叶片SPAD值测定 利用SPAD仪(Konica Minolta，502Plus型)测定5株新梢芽下第1～5叶(共25枚)相应的SPAD值，每个叶片在主叶脉两边各测定1次，取平均值作为叶绿素含量。

1.3.3 不同叶位叶片色泽的测定 使用全自动色彩色差计仪(Konica Minolta，CR-400型)测定5株新梢芽下第1～5叶(共25枚)叶片色泽，用L*、a*、b* 3个参数表示，L*表示叶片颜色的明度，0～100表示颜色明度从深(黑)到浅(白)；a*表示叶片颜色的红绿程度，数值由正到负表示颜色由偏红到偏绿；b*表示叶片颜色的黄蓝程度，数值由正到负表示颜色由偏黄到偏蓝。

1.4 数据处理

采用Excel 2016进行数据统计。在R-studio 4.1.2中采用tidyverse程辑包进行数据计算，采用ggplot2程辑包绘制柱状图，采用bruceR程辑包将5月、7月的数据分别作为春季、夏季数据进行简单效应检验和多重比较的多因素方差分析，比较不同季节、不同品种(品系)、不同叶位下净光合效率和叶色的差异，同时考虑因素的交互作用。利用Performance Analytics程辑包进行Pearson相关性分析并绘图。

2 结果与分析

2.1 茶树不同叶位净光合速率

由图2可见，不同叶位的叶片光合效率差异较大，整体表现为新梢自上(芽下第1叶)而下(芽下第5叶)递增的规律。芽下第1叶净光合速率最低，为负值，即叶片以呼吸作用为主。从第2叶开始净光合速率为正值，即叶片以光合产物积累为主。同一季节下，紫魁新梢叶片净光合速率与福鼎大白茶相比均较大(夏季第5叶除外)，尤其在春季。在同一叶位下2个品种(品系)净光合速率的显著性差异主要体现在春季第3叶和第5叶。

经方差分析，品种(品系)、叶位极显著影响净光合速率(P<0.01)，但季节的影响不显著(P>0.05)。品种(品系)与季节之间存在交互作用(P<0.01)，但叶位与其他因素并无交互作用(P>0.05)。效应值η2p的大小表明该变量对因变量净光合速率的影响大小。3个因素中，叶位的影响最大(η2p=0.692)，其次是品种(品系)(η2p=0.107)，再者是品种(品系)和季节的交互作用(η2p=0.093)。因此，后期试验应选择一固定叶位进行观测，比较品种(品系)的差异。

由表1可见，在春季的第3叶、第5叶，品种(品系)表现出显著效应。茶树光合作用的测定通常选择第3叶或成熟叶片[11]，由于紫魁的变异叶色主要表现在新梢叶片上，以后的光合特性研究可选择芽下第3叶作为观测叶片进行比较。

注：条形图上方不同字母表示不同季节间差异显著(P<0.05)。误差线表示标准误SE，下同。Note:Different letters indicate significance of difference in different seasons at P<0.05 level.The error bars show the standard error (SE).The same below.图2 2个品种(品系)茶树不同季节叶位的净光合速率Fig.2 Net photosynthetic rate of different leaf position of two tea varieties (lines) in different seasons

表1 不同茶树品种(品系)因素的简单效应Table 1 Simple effect of different tea varieties (lines)

2.2 茶树不同叶位的SPAD值

由图3可知，2个品种(品系)春季的叶片SPAD值均低于夏季。茶树叶片SPAD值在新梢不同叶位表现为自上而下递增，说明叶片成熟度影响叶片的叶绿素含量，与叶燕[10]的测定结果一致。紫魁新梢叶片SPAD值在春季和夏季均高于福鼎大白茶，与前面光合作用的结果趋势一致，说明紫魁叶片叶绿素含量较高是其光合速率高的物质基础。夏季SPAD值品种(品系)不同叶位间差异均达显著水平(P<0.05)。

2.3 茶树的叶片色泽

从图4可知，2个品种(品系)的叶片色泽差异较大。明度L*和黄度b*表现为福鼎大白茶>紫魁，而红度a*表现为福鼎大白茶<紫魁。说明紫魁叶片的明度和黄度较低，红度较高，叶色偏红色和蓝色，因此紫魁叶片呈现肉眼可见的紫色。2个品种(品系)叶色的显著差异均在夏季第2～5叶，而春季的差异不显著。说明季节间叶色的差异显著，紫魁叶片色泽的变化可能受春夏气温差异的影响。

图4 2个品种(品系)茶树不同季节叶位的叶片色泽叶Fig.4 Leaf color at different leaf position of two tea varieties (lines) in different seasons

2个品种(品系)的叶片色泽明度L*、红度a*、黄度b*在新梢不同叶位呈自上而下递增趋势，尤其在第1叶、第2叶和第3叶间差异显著，第3～5叶间基本不变，说明叶片成熟度也影响叶片色泽。

经方差分析，品种(品系)、季节、叶位3个因素分别对叶色明度、红度、黄度有极显著影响(P<0.001)。季节因素分别与品种(品系)和叶位有交互作用(P<0.05)，即品种(品系)、季节、叶位3个因素的效应非独立，说明叶色同时受季节(可能是温度或光照)、品种(品系)和叶片成熟度的影响。效应值为叶位效应>季节效应>品种(品系)效应。

2.4 茶树叶色与光合作用的相关性

由图5可知，福鼎大白茶(图5a)叶片的净光合速率与叶位、色泽、SPAD值存在显著相关性(P<0.05)；而紫魁(图5b)的净光合速率与叶位、色泽存在显著相关性(R=0.4，P<0.05)，但与SPAD值无显著相关性，R值(-0.01)也较小。2个品种(品系)的净光合速率均随着叶片明度、黄度的增加和红度的下降而上升，表明叶片的净光合速率受叶色显著影响。SPAD值在绿叶品种(品系)中与叶片明度、黄度和红度均呈显著相关关系，而在紫色品种(品系)中仅与叶片红度呈正显著相关关系，表明茶树叶片色泽的变异可能对叶片叶绿素含量产生影响。

注：a为福鼎大白茶；b为紫魁。图中对角线上的字符表示变量名称：依次为LeafP(叶位)；叶色相关参数：L*为明度，a*为红度，b*为黄度；光合相关参数：A为净光合速率，Ci为细胞间CO2浓度，E为蒸腾速率，gsw为气孔导度。左下三角部分为横纵向对应的双变量的回归关系；右上三角部分为相关系数R，*、**、***分别表示P<0.05、P <0.01、P<0.001显著性水平。Note:a,Fudingdabaicha;b,Zikui.LeafP,leaf position;L*,brightness;a*,redness;b*,yellowness;A,net photosynthetic rate;Ci,intercellular CO2 concentration;E,transpiration rate;gsw,stomatal conductance;R,correlation coefficient.*,** and *** indicate difference of significance at P<0.05,P <0.01 and P<0.001 level,respectively.图5 2个品种(品系)茶树叶色、SPAD值与光合速率的相关性Fig.5 Correlations between leaf color,SPAD value and photosynthetic rate in two tea varieties (lines)

3 讨论

3.1 不同品种(品系)茶树叶片的光合性能和叶色

紫魁是紫化中小叶品系，与绿色品种福鼎大白茶相比，紫魁的净光合速率更高。谢文钢等[12]研究表明，四川中叶种紫嫣和云南大叶种紫鹃二者(叶绿体多且大)的光合作用较强但未超过福鼎大白茶，因此中小叶种紫魁的光合作用潜力较大。叶位、品种(品系)及品种(品系)×季节是对叶片净光合速率影响最大的因素。紫魁在春季的净光合速率显著高于绿色品种福鼎大白茶，芽下第3～5叶差异显著，而夏季差异不显著，推测紫魁在光照强度较弱的条件下(如春季)光合作用更强，在夏季光强较大的情况下可能发生光抑制[13]，光合速率较福鼎大白茶差，对强光条件的响应亦较差。该结果与前人发现紫鹃、紫嫣在光响应曲线中最大光合速率低于福鼎大白茶的结果[10]一致，可能因叶色和叶绿体结构的差异导致。

叶位、季节、品种(品系)对茶树新梢叶色的影响均显著。不同茶树新梢叶色的差异主要表现在春季新梢的芽下第2～5叶位。随着叶位向下，叶片SPAD值增大，叶色由黄绿明亮向紫红暗沉转变。其中，紫魁的叶片SPAD值与色泽在夏季与福鼎大白茶有显著差异，在各叶位均有显著差异，与杨丽冉等[14]发现叶片的光合速率与叶龄相关的结论相似。

3.2 茶树叶片光合速率与叶色的相关性

紫魁新梢叶片较高的净光合速率与蒸腾速率、气孔导度较高及胞间CO2浓度较低有关。此外，相关性分析表明，紫魁新梢叶片的净光合速率还受到叶位、叶色的影响。叶片明度、黄度越高，红度越低，净光合速率越高。该规律在2种颜色的茶树品种中均适用。可能是叶色突变体的突变基因影响色素(如叶绿素和花青素)的合成、降解、含量和比例，从而影响叶片的光合作用[9]。在紫魁新梢叶片中，色泽及光合速率相关参数与叶位明显相关，但与SPAD值无显著相关，叶绿素含量是光合作用的物质基础，推测在特殊叶色品种(品系)中叶绿素的形成途径或叶绿体的数量可能受品种变异的影响[10]。

紫魁叶片SPAD值比福鼎大白茶更高，尤其在光照较强、温度较高的夏季，差异更显著。但紫魁叶片SPAD值与叶片红度正显著相关，即紫魁叶片越红，叶绿素含量越高，这与福鼎大白茶相反，表明净光合速率与SPAD的相关性在不同品种(品系)中有差异。因此，茶树叶片的紫化除直接表现在叶色的成色物质花青素含量的变化上[15]，还间接影响光合作用的物质基础叶绿素对光合速率的贡献。在紫叶品种幼嫩的红紫芽叶中，花青素能够通过吸收光子，尤其是绿光，拦截部分光能量，保护不成熟的叶绿体[16]，免受光损伤风险[17]。推测茶树叶片紫化是通过保护叶绿体，抵抗强光，以提高叶片的光合速率。

紫化茶叶中的花青素可能对茶树的光合生长有重要的促进作用，下一步将研究叶片花青素含量，叶绿体超微结构的变化及光反应机制，明确特殊叶色茶树在不同光照强度下的光合特性及其随叶色变化的生理生化机制。

4 结论

紫化茶树品系紫魁的新梢叶片色泽偏紫，净光合作用表现出比福鼎大白茶更高的性状，光合潜力较大，叶绿素含量较高。紫魁的叶色紫化与叶片光合速率的增加有显著相关性。茶树叶片的光合性能及叶色同时受到品种、季节、叶位等因素的多重影响。对特殊叶色茶树品种(品系)的选育和引种应考虑品种光合潜力、光照、温度、适应性及产量等多个因素。