寒潮過(guò)程中4個(gè)茶樹(shù)品種光合特性和保護(hù)酶活性變化及品種間差異

楊再?gòu)?qiáng), 韓　冬, 王學(xué)林, 金志鳳

1 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京　210044

2 南京信息工程大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京　210044

3 浙江省氣象服務(wù)中心, 杭州　310017

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寒潮過(guò)程中4個(gè)茶樹(shù)品種光合特性和保護(hù)酶活性變化及品種間差異

楊再?gòu)?qiáng)1,2,*, 韓冬1, 王學(xué)林1, 金志鳳3

1 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京210044

2 南京信息工程大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京210044

3 浙江省氣象服務(wù)中心, 杭州310017

摘要:以茶樹(shù)品種龍井43號(hào)(Longjing No.43)、鳩坑(Jiukeng)、烏牛早(Wuniuzao)、福鼎大白茶(Fortin white tea)為試材，研究了一次寒潮過(guò)程對(duì)4個(gè)茶樹(shù)品種葉片的光合特性、葉綠素?zé)晒鈪?shù)和保護(hù)酶活性的影響，并利用主成分分析方法確定4個(gè)茶樹(shù)品種的抗寒性。結(jié)果表明：寒潮初期，隨著氣溫的降低，4個(gè)茶樹(shù)品種的葉綠素含量、最大光合速率(Pmax)、表觀量子效率(AQY)、最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)、非光化學(xué)淬滅(qN)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在氣溫回升期間隨氣溫升高而有所增加，且福鼎大白茶的葉綠素含量、Pmax、AQY、Fv/Fm的值為4個(gè)品種中最大，qN的平均值以烏牛早為最小，鳩坑最大；4種茶樹(shù)的過(guò)氧化物酶(POD)活性在寒潮及恢復(fù)期間持續(xù)增強(qiáng)；4種茶樹(shù)POD活性的平均值以龍井43號(hào)最小，福鼎大白茶最大；葉片的氣孔限制值(Ls)和丙二醛(MDA)含量在降溫和氣溫回升過(guò)程中，表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，整個(gè)期間的Ls和MDA含量的平均值以福鼎大白茶為最小，龍井43號(hào)最大；利用主成分分析法對(duì)4品種茶樹(shù)的光合參數(shù)、熒光參數(shù)和抗氧化酶活性進(jìn)行分析，得到4個(gè)品種茶樹(shù)的抗寒性順序?yàn)椋焊６Υ蟀撞?烏牛早>鳩坑>龍井43號(hào)。研究結(jié)果為茶樹(shù)的引種及茶葉生產(chǎn)布局提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：茶樹(shù); 寒潮; 光合特性; 保護(hù)酶活性; 主成分分析

茶樹(shù)(Camelliasinensis)在我國(guó)栽種歷史悠久，是我國(guó)南方傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)植物[1]。我國(guó)茶樹(shù)資源豐富，山茶科植物已經(jīng)達(dá)到23 屬380 多種[2]，且種植區(qū)域不再局限于南方地區(qū)。茶樹(shù)的最適生長(zhǎng)溫度范圍為20—30 ℃左右，寒潮劇烈的降溫會(huì)直接對(duì)茶樹(shù)產(chǎn)生危害[3]，嚴(yán)重影響了茶樹(shù)正常的生長(zhǎng)發(fā)育。

光合作用是植物體內(nèi)重要的生理過(guò)程，可以作為判斷植物生長(zhǎng)和抗逆性強(qiáng)弱的指標(biāo)。低溫會(huì)造成植物光合速率的下降[4- 5]，當(dāng)溫度降至引起冷害的臨界溫度時(shí)，光合作用就會(huì)受到抑制且低溫會(huì)增加冷敏感植物和抗冷植物發(fā)生光抑制的可能性[6]。葉綠體是細(xì)胞進(jìn)行光合作用的細(xì)胞器[7]，在發(fā)生低溫危害時(shí)，葉綠素含量逐漸降低，葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力參數(shù)發(fā)生改變，光系統(tǒng)活性減低，目前已經(jīng)證實(shí)厚皮甜瓜[8]、馬鈴薯[9]、甜椒、黃瓜[10- 11]、佛手[12]葉綠素各成分隨低溫脅迫而降低，葉片的凈光合速率也逐步降低?？自坪13]與和紅云等[14]研究發(fā)現(xiàn)低溫會(huì)導(dǎo)致葉綠素?zé)晒鈪?shù)PSⅡ photochemical efficiency (Fv/Fm)比值下降，Non-photochemical quenching (qN)值升高，劉慧英等[15]發(fā)現(xiàn)低溫處理下嫁接西瓜苗的qN值逐漸降低。同時(shí)，前人研究表明，低溫脅迫下植物體內(nèi)的抗氧化酶活性發(fā)生改變[16- 18]，且抗寒性不同品種的變化存在差異[19- 20]。黃華濤等[21]的研究認(rèn)為冬季低溫使茶樹(shù)葉片中過(guò)氧化物酶Peroxidase(POD)活性提高，POD同工酶譜帶同時(shí)增加。武雁軍等[22]發(fā)現(xiàn)抗寒性強(qiáng)的品種在低溫下抗氧化酶保護(hù)酶活性較高，且能產(chǎn)生更多的可溶性蛋白。劉偉等[23]對(duì)葡萄枝條進(jìn)行低溫處理后，發(fā)現(xiàn)保護(hù)酶POD的活性呈現(xiàn)先降低再升高后降低的變化趨勢(shì)，在低溫脅迫下葡萄的枝條的保護(hù)酶活性變化與品種間的抗寒性存在相關(guān)性。

關(guān)于低溫脅迫對(duì)茶樹(shù)光合和保護(hù)酶活性的影響的研究，前人主要以人工環(huán)境控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，而針對(duì)一次寒潮降溫過(guò)程對(duì)田間茶樹(shù)葉片的光系統(tǒng)活性和保護(hù)酶的影響至今未見(jiàn)報(bào)道。本文在江蘇省南京市發(fā)生的一次寒潮過(guò)程期間對(duì)4種茶樹(shù)(龍井43號(hào)、烏牛早、鳩坑、福鼎大白茶)的光合特性和抗氧化酶活性進(jìn)行了研究，研究結(jié)果為茶樹(shù)種植布局和氣象災(zāi)害防御提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1寒潮的定義標(biāo)準(zhǔn)

按照《寒潮等級(jí)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 21987—2008)，對(duì)局地而言，冷空氣影響后，日最低氣溫下降幅度24h≥8 ℃，或48h≥10 ℃，或72h≥12 ℃，且最低氣溫≤4 ℃，即為一次寒潮天氣過(guò)程。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2013年11月23日至2013年12月6日在南京信息工程大學(xué)進(jìn)行，以7 年生的4 個(gè)茶樹(shù)品種龍井43號(hào)(Longjing No.43)、鳩坑(Jiukeng)、烏牛早(Wuniuzao)、福鼎大白茶(Fortin white tea)為試材，選取生長(zhǎng)基本一致、健壯的茶樹(shù)，采樣時(shí)選取上部全展開(kāi)功能葉片，每?jī)商鞙y(cè)定4 個(gè)品種茶樹(shù)葉片葉綠素含量、光合作用特性、熒光動(dòng)力參數(shù)、及保護(hù)性酶活性。各茶樹(shù)品種植株基本情況見(jiàn)表1。

表1　4種茶樹(shù)基本情況(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

平均葉質(zhì)和平均葉面積測(cè)量的為采樣區(qū)葉片

1.3測(cè)定項(xiàng)目與方法

(1)天氣數(shù)據(jù)來(lái)源于試驗(yàn)地附近50 m的南京信息工程大學(xué)大氣觀測(cè)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，收集了2013年11月23日至2013年12月6日茶樹(shù)受低溫脅迫和恢復(fù)期間的天氣數(shù)據(jù)，包括氣溫(℃)、相對(duì)濕度(%)和太陽(yáng)總輻射(μmol m-2s-1)，每隔10min讀取1次測(cè)量值。

(2)葉綠素含量的測(cè)定選取每棵植株上的成熟葉3—5 片，洗凈擦干，剪碎，稱(chēng)取0.2 g，置于95%乙醇中48 h直至葉片中的葉綠素完全被提取出。取提取液在紫外分光光度計(jì)UV-1800(日本島津)中采用比色法測(cè)定光密度(OD)值[24]，每個(gè)處理重復(fù)3 次。

(3)光合參數(shù)的測(cè)定試驗(yàn)期間，取茶樹(shù)從上往下數(shù)第3節(jié)位成熟葉，用LI-6400便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)在9:00—11:00間測(cè)定4種茶樹(shù)的葉片光合特性，每個(gè)處理重復(fù)測(cè)定3 次。同時(shí)測(cè)定光響應(yīng)曲線，測(cè)定時(shí)設(shè)計(jì)CO2濃度為(400±10) μmol/mol，光強(qiáng)梯度設(shè)計(jì)：2000、1600、1400、1200、1000、800、600、400、200、100、50、0 μmol m-2s-1等12 個(gè)水平，根據(jù)模型模擬得到光響應(yīng)曲線，求得光合參數(shù)Pmax與表觀量子效率Apparent Quantum Yield(AQY)。選取光強(qiáng)為1000 μmol m-2s-1，計(jì)算得到胞間CO2濃度(Ci)(μmol/mol)，從而得到氣孔限制值Ls，Ls=1-Ci/Ca，Ca為環(huán)境中CO2濃度(μmol/mol)。

(4)熒光參數(shù)的測(cè)定選取與測(cè)光合參數(shù)相同部位的葉片，用FMS-2型便攜式熒光儀(英國(guó)Hansatech)測(cè)定葉片PSⅡ的光化學(xué)效率和PSⅡ的光合電子傳遞量子效率，測(cè)定前暗適應(yīng)30 min，然后依次測(cè)定葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)。包括PSⅡ的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和非光化學(xué)猝滅系數(shù)(qN)[25]。每個(gè)參數(shù)的測(cè)定進(jìn)行3 次重復(fù)。

(5)酶活性參數(shù)的測(cè)定選取植株頂端從上到下的第5—8 位葉片，采集后迅速置于液氮中冷卻，然后保存于冰箱中冷凍，稱(chēng)取0.5 g左右樣品放入研體中，加入5 mL pH7.8的磷酸緩沖液(0.2 mol/L的KH2PO4和0.2 mol/L的K2HPO4配制)和少量石英砂，冰浴研磨，勻漿倒入離心管中，于0 ℃，4000 r/min冷凍離心20 min，上清液(酶液)倒入試管中，置于0—4 ℃下保存，用于POD活性和MDA含量的測(cè)定，每次測(cè)定重復(fù)3次。過(guò)氧化物酶(POD)活性測(cè)定用愈創(chuàng)木酚法[26]，以每分鐘內(nèi)OD470的增加量表示其活性。丙二醛Malondialdehyde(MDA)含量測(cè)定采用硫代巴比妥酸比色法[27]。

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用DPS軟件、SPSS18.0軟件進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)計(jì)算和多重分析，Excel軟件作圖。用Duncan檢驗(yàn)(α=0.05)進(jìn)行多重比較。

對(duì)光響應(yīng)測(cè)定結(jié)果采用劉建鋒等的[28]方法，構(gòu)建非直角雙曲線方程估算光響應(yīng)參數(shù)。

茶樹(shù)抗寒性采用主成分分析方法。在計(jì)算時(shí)先將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以累積貢獻(xiàn)率達(dá)85%以上為參考值，確定主成分個(gè)數(shù)[29]。

2結(jié)果與分析

2.1寒潮期間天氣數(shù)據(jù)的變化

圖1　寒潮期間的氣溫、相對(duì)濕度、日總太陽(yáng)輻射Fig.1　Changes of daily temperature, daily related humidity and daily global solar radiation during the cold wave

由圖1中寒潮期間每日平均、最高和最低溫度變化的曲線圖可知，11月23日與26日的日最低氣溫分別為：14.59 ℃和2.49 ℃，符合日最低氣溫下降幅度72 h≥12 ℃，且最低氣溫≤4 ℃，判斷此為一次寒潮過(guò)程。而后，11月28—29日還有一次強(qiáng)冷空氣過(guò)程，氣溫持續(xù)下降。從11月23日到25日，日平均氣溫顯著降低，25日到26日稍有回升，28日日平均氣溫到達(dá)最低值，為-1.70 ℃，隨后至11月30日，氣溫明顯升高，12月3日以后，氣溫較平穩(wěn)，圍繞8 ℃上下波動(dòng)，認(rèn)為是此次寒潮過(guò)程的恢復(fù)期。11月23日到28日，日最低氣溫持續(xù)下降，28日達(dá)到最小值，而后日最低氣溫的值逐漸升高，12月3日后日最低氣溫保持在4 ℃以上。日最高氣溫與日平均氣溫存在相似的變化。

寒潮期間每日平均、最高和最低相對(duì)濕度的變化曲線(圖1)，從11月24日至29日，日平均相對(duì)濕度一直呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。29日的日平均相對(duì)濕度值最小，僅為34.0%，29日后日平均相對(duì)濕度逐漸增加，在12月1日存在一個(gè)較大值，隨后的變化趨勢(shì)為先降低再升高。寒潮期間的日最低相對(duì)濕度的變化趨勢(shì)與日平均相對(duì)濕度的變化趨勢(shì)相似。

寒潮期間每日太陽(yáng)總輻射的變化(圖1)，11月23、24、25日太陽(yáng)總輻射值較小，25日以后，日太陽(yáng)總輻射有明顯的上升趨勢(shì)，而后又開(kāi)始呈下降趨勢(shì)?？梢?jiàn)日太陽(yáng)總輻射的變化與日平均溫度和日平均相對(duì)濕度的變化步調(diào)不一致。

2.2寒潮過(guò)程對(duì)茶樹(shù)葉片光合特性的影響2.2.1寒潮過(guò)程對(duì)茶樹(shù)葉片中葉綠素含量的影響

寒潮過(guò)程中，4 種茶樹(shù)葉片中葉綠素a、葉綠素b、類(lèi)胡蘿卜素含量的變化(表2)，表明，此次寒潮過(guò)程中，4 種茶樹(shù)葉片中葉綠素的含量雖然差異較大，但總體的變化趨勢(shì)一致，11月23日至12月1日，葉綠素a、葉綠素b含量逐漸降低，12月1日后葉綠素a、b含量緩慢上升，4種茶樹(shù)在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)葉綠素a含量較初始時(shí)稍有降低，葉綠素b下降幅度稍大，各品種分別下降了龍井43號(hào)21.5%、鳩坑4.3%、烏牛早18.3%、福鼎大白茶11.6%，表明寒潮對(duì)葉綠素b的影響大于葉綠素a。類(lèi)胡蘿卜素的變化因茶樹(shù)品種不同而不同，寒潮前6d，4個(gè)品種的類(lèi)胡蘿卜素含量均降低，而后隨時(shí)間的持續(xù)增加，寒潮恢復(fù)后茶樹(shù)葉片中類(lèi)胡蘿卜素含量高于初始值。

表中數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。每日同列不同字母表示品種間差異顯著(P<0.05)

2.2.2一次寒潮過(guò)程對(duì)4種茶樹(shù)葉片光合參數(shù)的影響

圖2　寒潮過(guò)程中4種茶樹(shù)葉片葉綠素含量、最大光合速率、光量子效率、氣孔限制Fig.2　Changes of chlorophyll content, maximum photosynthetic rate, apparent quantum yield and stomatal limiting value in four Camellia sinensis leaves during the cold wave

葉綠素總含量的變化(圖2),可見(jiàn)福鼎大白茶的葉綠素總含量在11月29日下降到最低，而其他3種茶樹(shù)在12月1日達(dá)到最小值，4種茶樹(shù)葉綠素含量的變化步調(diào)不一致。最大光合速率(Pmax)是光達(dá)到飽和時(shí)的光合速率，反映了植物葉片的光合潛能。隨著寒潮的持續(xù)，4種茶樹(shù)的最大光合速率均呈下降趨勢(shì)，11月29日下降為最低，福鼎大白茶的初始最大光合速率最高，是龍井43號(hào)初始最大光合速率的1.93倍，而29日后4種茶樹(shù)的Pmax開(kāi)始緩慢上升。表觀量子效率(AQY)是光合作用中光能轉(zhuǎn)化效率的指標(biāo)之一，是凈光合速率與相應(yīng)光量子通量密度的比值，寒潮期間，4種茶樹(shù)表觀量子效率的變化呈現(xiàn)出明顯而且相似的規(guī)律(圖2)，從11月23日至11月29日，表觀量子效率呈下降趨勢(shì)(圖2)，11月29日4種茶樹(shù)葉片表觀量子效率較初始分別下降了龍井43號(hào)71.8%、烏牛早79.1%、鳩坑68.3%、福鼎大白茶77.2%，實(shí)驗(yàn)表明福鼎大白茶與烏牛早和龍井43號(hào)與鳩坑的種間差異不明顯。4種茶樹(shù)的氣孔限制值(Ls)自23日起逐漸增大，12月1日達(dá)到最大值，而后慢慢減小，稍延遲于Pmax和AQY的變化，4種茶樹(shù)中福鼎大白茶的氣孔限制值較其它3個(gè)品種最低(圖2)。

2.2.3寒潮過(guò)程對(duì)茶樹(shù)葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

本次寒潮過(guò)程中4種茶樹(shù)的葉綠素?zé)晒鈪?shù)如表3，由表3可知，4種茶樹(shù)在寒潮期間Fv/Fm的變化趨勢(shì)較一致，均為先降低后逐漸升高，11月29日4種茶樹(shù)的Fv/Fm的值下降到最低，除福鼎大白茶外其他3種茶樹(shù)Fv/Fm較11月23日分別降低了龍井43號(hào)19.2%，鳩坑20.7%，烏牛早4.7%，隨著寒潮日數(shù)的增加4種茶樹(shù)品種間差異逐漸加大。4種茶樹(shù)葉片的qN呈現(xiàn)出同步的變化趨勢(shì)，11月23日至29日，qN的值逐漸降低，11月29日較23日分別降低了福鼎大白茶0.08<鳩坑0.11<烏牛早0.16<龍井43號(hào)0.17。

表3　寒潮期間4種茶樹(shù)葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化

2.3寒潮過(guò)程對(duì)茶樹(shù)葉片保護(hù)酶活性的影響

抗氧化酶是保護(hù)性酶，在低溫條件下，它們與活體氧和自由基發(fā)生反應(yīng)，保護(hù)了細(xì)胞膜，過(guò)氧化物酶(POD)是用以清除逆境過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)氧化氫，減輕過(guò)氧化氫對(duì)細(xì)胞的傷害。寒潮期間茶樹(shù)葉片POD活性的變化情況(圖3)，表明11月23日至29日，4種茶樹(shù)葉片POD活性急劇上升，而后，葉片中POD活性持續(xù)緩慢增長(zhǎng)，最后趨于平穩(wěn)，12月5日4種茶樹(shù)葉片POD活性較11月23日分別提高了龍井43號(hào)2.35 U g-1Fw min-1、鳩坑2.68 U g-1Fw h-1、烏牛早2.70 U g-1Fw h-1、福鼎大白茶2.88 U g-1Fw h-1，4種茶樹(shù)葉片POD活性由大到小分別為福鼎大白茶>烏牛早>鳩坑>龍井43號(hào)(圖3)。

MDA含量的高低可以反映植物遭受逆境傷害的程度，寒潮期間MDA含量的變化(圖3)，表明在寒潮過(guò)程中，4種茶樹(shù)葉片中MDA含量的呈現(xiàn)較明顯且相似的變化規(guī)律，11月23日至12月1日期間，MDA含量顯著升高，12月3日至12月5日，MDA含量下降，表明膜脂過(guò)氧化反應(yīng)在減少，12月5日值稍低于11月23日的值，說(shuō)明這4種茶樹(shù)可以較好的適應(yīng)此次寒潮過(guò)程，并且基本能夠自我調(diào)節(jié)恢復(fù)，初步表明此次寒潮的過(guò)程沒(méi)有對(duì)茶樹(shù)葉片產(chǎn)生不可恢復(fù)的傷害。研究發(fā)現(xiàn)龍井43號(hào)和鳩坑葉片中MDA含量顯著高于烏牛早和福鼎大白茶。

圖3　寒潮過(guò)程中4種茶樹(shù)葉片POD活性和MDA含量Fig.3　Changes of POD activities and MDA content in four Camellia sinensis leaves during the cold wave

2.4寒潮過(guò)程中4種茶樹(shù)葉片光合和保護(hù)酶指標(biāo)與氣象因子的相關(guān)性分析

寒潮過(guò)程中4種茶樹(shù)葉片光合和保護(hù)酶指標(biāo)與日平均氣溫、日平均相對(duì)濕度、日最低、最高氣溫、日最低、最高相對(duì)濕度的相關(guān)性系數(shù)(表4)，可知，各茶樹(shù)品種的葉綠素總量、Pmax、AQY、Fv/Fm、qN與日最低氣溫呈正相關(guān)且相關(guān)系數(shù)最大，而Ls、POD與日最低氣溫呈負(fù)相關(guān)且相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最大，鳩坑的MDA含量與日平均氣溫相關(guān)系數(shù)最大。表明此次寒潮過(guò)程中對(duì)4種茶樹(shù)光合和抗氧化酶活性影響最大的因子為日最低氣溫。不同品種的茶樹(shù)與各氣象因子相關(guān)系數(shù)不同。除日最低氣溫外，日最低相對(duì)濕度與Pmax和AQY的相關(guān)性較好。

2.5茶樹(shù)抗寒性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

前人用主成分分析的方法確定植物抗性[29- 31]，本文對(duì)4種茶樹(shù)在此次寒潮過(guò)程中葉片的光合參數(shù)和抗氧化酶的指標(biāo)進(jìn)行主成分分析(表5)，可知，前兩種成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了89.69%，表明前兩個(gè)主成分已經(jīng)把全部指標(biāo)提供信息的89%以上反映了出來(lái)，可認(rèn)為前兩種成分即為所有指標(biāo)中的主成分，由于低溫為寒潮對(duì)茶樹(shù)影響的主要因素，因此這兩個(gè)主成分能夠充分的反映4種茶樹(shù)的抗寒性，第一主成分中MDA和Fv/Fm特征系數(shù)較大，第二主成分中POD特征系數(shù)較大，說(shuō)明MDA、Fv/Fm和POD是影響茶樹(shù)生命活動(dòng)的主要因子。

表4　4種茶樹(shù)葉片光合和保護(hù)酶指標(biāo)與氣象要素的相關(guān)系數(shù)

*表示在0.05水平上顯著，**表示在0.01水平上顯著; Chl: 葉綠素含量Chlorophyll content；Pmax:最大凈光合速率Maximum photosynthetic rate；AQY:表觀量子效率Apparent Quantum Yield；Ls:氣孔限制值Stomatal limiting value；Fv/Fm:PSⅡ的最大光化學(xué)效率Maximal photochemical efficiency；qN:非光化學(xué)淬滅系數(shù)Non-photochemical quenching；POD:代表過(guò)氧化物酶Peroxidase；MDA:代表丙二醛Malondialdehyde

根據(jù)上述指標(biāo)與抗寒性關(guān)系，由主成分的特征向量計(jì)算每個(gè)茶樹(shù)品種的主成分得分，由于主成分之間是相互獨(dú)立且有著不同貢獻(xiàn)率，因此，主成分的得分就是加權(quán)值，權(quán)重就是主成分對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)率[30- 31]，表6為此次寒潮過(guò)程中茶樹(shù)的各指標(biāo)得分，由分值得到4種茶樹(shù)的抗寒性為：福鼎大白茶>烏牛早>鳩坑>龍井43號(hào)。

表5　寒潮過(guò)程中4種茶樹(shù)光合和抗氧化指標(biāo)主成分分析

表6　寒潮過(guò)程中4種茶樹(shù)的抗寒性得分

3討論與結(jié)論

研究認(rèn)為此次寒潮過(guò)程中對(duì)茶樹(shù)影響最大的因子為日最低氣溫，即日最低氣溫是影響茶樹(shù)的光合和生理生化的主要因子。研究表明4個(gè)品種茶樹(shù)葉片中葉綠素含量隨氣溫的降低而減小，隨氣溫的升高而增加。低溫不僅影響了葉綠體功能的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，也對(duì)合成葉綠素色素的酶的活性產(chǎn)生了抑制，也有人認(rèn)為低溫加速了葉綠素的分解且低溫使植物體代謝減慢，合成葉綠素的底料缺乏，從而使植物葉片中的葉綠素含量降低[32- 33]，類(lèi)胡蘿卜素的變化與葉綠素a、b相反，葉綠素的變化與凈光合速率的變化一致，這與前人結(jié)果一致[29]。此次寒潮過(guò)程中，隨著日最低氣溫的下降，4種茶樹(shù)的最大光合效率(Pmax)、表觀光量子效率(AQY)都呈下降趨勢(shì)，當(dāng)溫度緩慢回升時(shí)，最大光合效率(Pmax)、表觀光量子效率(AQY)值又逐漸升高。低溫脅迫對(duì)光合作用的影響不僅僅是造成光合機(jī)構(gòu)的損傷，同時(shí)也影響光合電子傳遞和光合磷酸化以及暗反應(yīng)有關(guān)的酶系[34]。吳雪霞等[35]認(rèn)為低溫降低了葉綠素b的含量，葉綠素b與葉片的光能捕獲能力密切相關(guān)，進(jìn)而影響葉片固定CO2的能力，造成AQY的降低。4種茶樹(shù)葉片的氣孔限制值隨溫度的降低而升高，表明此時(shí)導(dǎo)致茶樹(shù)光合速率下降的原因主要為氣孔限制，此外，空氣濕度也對(duì)氣孔限制值的變化有一定影響[36]。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)是研究低溫逆境對(duì)植物光系統(tǒng)活性影響的主要探針[37]，低溫脅迫可能引起Fv/Fm的下降[38]。本研究證實(shí)4種茶樹(shù)葉片的Fv/Fm隨著日最低氣溫的降低而降低，由于Fv/Fm在非脅迫條件下變化很小，只有在脅迫發(fā)生時(shí)才發(fā)生明顯改變，因而表明此次寒潮低溫對(duì)茶樹(shù)葉片產(chǎn)生光抑制，可能的原因是低溫降低了Rubisco活性，使Fv/Fm值降低，這與孔海云[13]、劉慧英[15]等的研究結(jié)果一致。qN在此次寒潮過(guò)程中呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，qN是指由非光輻射能量耗散等引起的熒光淬滅，它反映了PSⅡ中色素吸收的光能不能被用于光合電子傳遞而以熱能形式耗散的部分[39-41]，它在一定程度上可以保護(hù)光合作用，低溫使qN降低，這與和紅云[14]的研究結(jié)果不一致，可能是不同物種對(duì)qN存在一定影響所致，福鼎大白茶下降幅度最小，表明它能通過(guò)耗散更多的剩余能量來(lái)抵御低溫的傷害。

植物在受到低溫脅迫時(shí)，體內(nèi)會(huì)積累活性氧自由基，使細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能遭到破壞，葉片中的保護(hù)酶系統(tǒng)控制著活性氧自由基的產(chǎn)生和消除[42]。本研究表明寒潮期間POD活性在此次寒潮及恢復(fù)過(guò)程中始終呈升高趨勢(shì)，說(shuō)明低溫環(huán)境下，茶樹(shù)產(chǎn)生了更多的POD來(lái)清除低溫產(chǎn)生的活性氧。在氣溫恢復(fù)期間POD活性繼續(xù)升高，這與前人研究結(jié)果不一致[23]，可能是由于POD的多功能性，POD跟植物的生長(zhǎng)、發(fā)育和抗性等均有關(guān)[21]。已有研究認(rèn)為抗寒性強(qiáng)的品種體內(nèi)保護(hù)酶類(lèi)活性較高是其抗寒性強(qiáng)的原因之一[22,43]。因此可以初步判斷4種茶樹(shù)的抗寒性強(qiáng)弱為福鼎大白茶>烏牛早>鳩坑>龍井43號(hào)。這與黃海濤等[44]的研究認(rèn)為抗寒性烏牛早>龍井43號(hào)結(jié)果相一致。MDA含量隨著氣溫降低而升高，這是由于脅迫加劇，過(guò)多的自由基與膜脂發(fā)生過(guò)氧化反應(yīng)，產(chǎn)生更多的MDA，而MDA又引起蛋白質(zhì)與核算等大分子物質(zhì)的交聯(lián)聚合反應(yīng)，阻塞細(xì)胞膜物質(zhì)運(yùn)輸通道，對(duì)細(xì)胞膜產(chǎn)生更深的毒害作用[45]。MDA的含量直接反映了植物體內(nèi)脂質(zhì)過(guò)氧化程度，間接反映細(xì)胞受傷害程度，因此，茶樹(shù)體內(nèi)的MDA含量越高，茶樹(shù)受到的毒害越大，該茶樹(shù)的抗寒性越差[46]，這說(shuō)明烏牛早與福鼎大白茶的抗寒性要高于龍井43號(hào)和鳩坑。在恢復(fù)期間，MDA含量逐漸下降，表明細(xì)胞受傷害程度減輕，其含量最終可以恢復(fù)到初始水平，表明此次寒潮過(guò)程對(duì)茶樹(shù)未產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的傷害。這與前人研究結(jié)果相一致[47- 48]。

通過(guò)對(duì)寒潮過(guò)程中光合特征量和抗氧化酶活性進(jìn)行主成分分析，各主成分抗寒得分順序?yàn)椋焊６Υ蟀撞?烏牛早>鳩坑>龍井43號(hào)，結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)際觀測(cè)結(jié)果一致，表明福鼎大白茶的抗寒性最強(qiáng)，龍井43號(hào)最弱，該結(jié)果與蔣國(guó)慶[49]的研究認(rèn)為抗寒性烏牛早>福鼎大白茶不符，可能是由于本實(shí)驗(yàn)是自然條件下一次短期的室外的寒潮過(guò)程，溫度、相對(duì)濕度和太陽(yáng)輻射、風(fēng)等綜合作用對(duì)茶樹(shù)光合和保護(hù)酶活性產(chǎn)生影響。

本文首次研究了寒潮過(guò)程對(duì)田間茶樹(shù)的光合特性和抗氧化酶活性的影響，分析茶樹(shù)各指標(biāo)與天氣要素間的相關(guān)性，確定寒潮期間對(duì)茶樹(shù)影響最大的氣象要素，并利用主成分分析方法對(duì)茶樹(shù)進(jìn)行抗寒性評(píng)價(jià)，得到不同茶樹(shù)品種的抗寒性強(qiáng)弱。但是本研究?jī)H對(duì)一次短暫的寒潮過(guò)程對(duì)茶樹(shù)的影響進(jìn)行了研究，且寒潮恢復(fù)期間溫度未恢復(fù)至最開(kāi)始水平，因此溫度對(duì)茶樹(shù)還存在一定影響，得出的4種茶樹(shù)抗寒性也有待進(jìn)一步驗(yàn)證，今后可進(jìn)一步進(jìn)行人工控制試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證茶樹(shù)不同品種的抗寒性。

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Changes in photosynthetic parameters and antioxidant enzymatic activity of four tea varieties during a cold wave

YANG Zaiqiang1,2,*, HAN Dong1, WANG Xuelin1, JIN Zhifeng3

1CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China2JiangsuKeyLaboratoryofAgriculturalMeteorology,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China3ZhejiangMeteorologicalServiceCenter,Hangzhou310017,China

Abstract：Tea plant (Camellia sinensis) cultivation has a long history in China. The range of optimum growth temperature of tea is considered to be between 20℃ and 30℃. Significant decrease in temperature during a cold wave can harm tea plantations. Cold stress is a major abiotic factor that affects photosynthesis, respiration, transpiration, and some other physiological processes such as antioxidant enzymatic activity. Previous studies have evaluated stress tolerance of plants using photosynthetic parameters, chlorophyll fluorescence parameters, and antioxidant enzymatic activity. Effects of cold stress on physiological and biochemical indices, as well as on photosynthetic parameters have been studied under environmentally controlled conditions. The objective of this study was to investigate the effect of cold wave on the photosynthetic parameters and antioxidant enzymatic activity in four green tea varieties, Longjing No.43, Jiukeng, Wuniuzao, and Fortin white tea under field conditions in 2013. Data on the daily temperature (minimum, maximum, and mean), daily relative humidity (minimum, maximum, and mean), and daily solar radiation were collected to identify the most important factor that affects the tea plant during the cold wave. The mean daily temperature was significantly reduced from November 23 to 25, reached the lowest value on Nov 28, and then began to rise. The total chlorophyll content, photosynthetic rate (Pmax), apparent quantum yield (AQY), PSⅡ photochemical efficiency (Fv/Fm), and non-photochemical quenching (qN) of all four tea varieties were initially decreased and then increased from November 23 to December 5. Fotin had the maximum values of chlorophyll content, Pmax, AQY, and Fv/Fm. Wuniuzao had the minimum mean value of qN. Jiukeng had the maximum mean value of peroxidase (POD) activity that increased continuously from November 23 to December 5, while Longjing No.43 and Fortin had the minimum values of POD activity. Stomatal limiting value (Ls) and malondialdehyde (MDA) contents increased initially and then decreased from November 23 to December 5; Longjing No.43 had the maximum mean value of MDA, while Fortin had the minimum mean value. The total chlorophyll content, Pmax, AQY, Fv/Fm, and qN were positively correlated with the minimum daily temperature, while Ls and POD activity were negatively correlated with the minimum daily mean temperature. The minimum daily mean temperature was the abiotic factor that had the most significant effect on the photosynthetic parameters and antioxidant enzymatic activity in all four tea varieties. Principal component analysis (PCA) provided a quantitative evaluation of photosynthetic parameters, fluorescence parameters, and antioxidant enzymatic activity under cold stress conditions. PCA showed that MDA content, Fv/Fm, and POD activity were the main factors that affected the biological activity in all four tea varieties. Cold tolerance evaluation index of Fortin and Longjing No.43 was the highest (8.38) and the lowest (-6.88), respectively. Both Wuniuzao and Jiukeng had moderate cold tolerance evaluation indices and the latter was less cold tolerant that the former. In response to cold stress, plants, including tea, have diverse mechanisms that allow them to mitigate and adjust to cold environmental conditions.

Key Words:Camellia sinensis; cold wave; photosynthetic parameters; protective enzyme activities; principal component analysis

DOI:10.5846/stxb201405130981

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: yzq@nuist.edu.cn

收稿日期:2014- 05- 13; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 06- 12

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