陳志輝,林鄭和,游小妹,鐘秋生,單睿陽(yáng),陳常頌*,余文權(quán)
(1.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所/國(guó)家茶樹改良中心福建分中心,福建 福州 350013;2.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,福建 福州 350002)
黃白化茶樹品種是近幾年茶樹良種推廣的熱點(diǎn)之一。黃白化茶樹品種由于葉色金黃,觀賞性強(qiáng),特別是制作綠茶外觀漂亮,沖泡后葉底金黃透亮,十分吸引消費(fèi)者。黃白化茶樹品種不僅外觀好看,且內(nèi)質(zhì)優(yōu)異,氨基酸含量較高而茶多酚含量較低[1-3],適合制作名優(yōu)綠茶。早期黃白化品種是一種自然突變經(jīng)人工單株無性扦插培育而成的一類品種[4-6],如‘白葉1號(hào)’(安吉白茶)[7]、‘黃金芽’[8-9]及‘千年雪’[10]等品種。后期部分育種者以自然突變品種為親本通過雜交技術(shù)選育出一批新的黃白化品種[4]。當(dāng)前推廣應(yīng)用較多的黃白化品種主要是浙江省選育的系列黃白化品種[4-6]。福建省在黃白化品種選育方面起步很早,90年代初就開始利用黃化品種‘白雞冠’(Camelliasinensiscv. Baijiguan)進(jìn)行雜交育種,也選育出了一系列黃白化品系,由于示范推廣力度不夠,種植面積都不大。白雞冠為武夷山四大名叢之一,葉色金黃,黃化持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),由于其葉色性狀可遺傳,成為茶樹遺傳育種的重要親本,也是研究茶樹葉色性狀調(diào)控機(jī)理的重要材料[11-12]。目前白雞冠葉色性狀的調(diào)控機(jī)制仍未清楚[11-12],相關(guān)的研究文獻(xiàn)也較少。本研究以白雞冠為材料,研究其葉色性狀的遺傳特性,為進(jìn)一步探索葉色調(diào)控機(jī)理提供研究基礎(chǔ)。
茶樹品種白雞冠及其自然雜交后代(F1、F2代)、安吉白茶及其自然雜交后代(F1代)、安吉黃茶(地方種質(zhì))及其自然雜交后代(F1代)。種植地點(diǎn):壽寧試驗(yàn)點(diǎn)(海拔890 m,北緯:27°24′49.53″,東經(jīng):119°33′13.76″)、福安試驗(yàn)點(diǎn)(海拔60 m,北緯:27°12′54.94″,東經(jīng):119°34′36.69″)、安溪試驗(yàn)點(diǎn)(海拔880 m,北緯:24°56′36.44″,東經(jīng):117°55′26.34″)。
1.2.1 葉色性狀觀察與數(shù)據(jù)分析 2010年秋季,在福安試驗(yàn)點(diǎn)分別從白雞冠、安吉白茶、安吉黃茶的茶樹上采收F1代自然雜交種子(茶樹為異花授粉植物),并于2011年春季在福安試驗(yàn)點(diǎn)分別播種,2012年春季在田間通過肉眼觀察茶苗的葉色性狀,統(tǒng)計(jì)不同葉色茶苗的數(shù)量。
2011年秋季從武夷山及福安試驗(yàn)點(diǎn)分別采摘白雞冠(母本)F1代自然雜交種子,2012年春季在福安試驗(yàn)點(diǎn)播種,2013年春季在田間觀察每個(gè)單株新梢的葉色性狀,試驗(yàn)對(duì)F1代群體葉色性狀的穩(wěn)定性進(jìn)行多年觀察。數(shù)據(jù)分析方法采用t檢驗(yàn)方法。
2013年秋季花期在福安試驗(yàn)點(diǎn),對(duì)‘鐵觀音’(母本)和白雞冠(父本)進(jìn)行人工授粉,2014年秋季獲得人工雜交種子(F1代),2015年春季在福安試驗(yàn)點(diǎn)播種后獲得人工雜交群體,2016年春季觀察葉色性狀,數(shù)據(jù)分析方法采用t檢驗(yàn)方法。
2015年秋季,福安試驗(yàn)點(diǎn),從白雞冠自然雜交F1代黃化單株中,選出3株顏色最黃的單株,和3株最不黃的單株,分別與其他綠色品種自然雜交,采摘各自的雜交種子(F2代),分別種植并觀察葉色性狀。
1.2.2 溫度對(duì)葉色性狀的影響 2017~2018年,分別在壽寧試驗(yàn)點(diǎn)、福安試驗(yàn)點(diǎn)和安溪試驗(yàn)點(diǎn)觀察白雞冠葉色性狀,通過采摘不同試驗(yàn)點(diǎn)新鮮枝條或拍照記錄,對(duì)比觀察葉色差異。壽寧試驗(yàn)點(diǎn)建于2013年10月,種植有白雞冠及其后代選育的新品系,種植方式為雙行雙株,3次重復(fù)。安溪區(qū)試點(diǎn)建于2013年3月,種植有白雞冠及其后代選育的新品系,種植方式為雙行雙株種植,3次重復(fù)。
2017~2018年,在福安試驗(yàn)點(diǎn)觀察白雞冠不同季節(jié)葉色性狀,拍照記錄每個(gè)季節(jié)葉色狀況,通過比對(duì)照片發(fā)現(xiàn)不同季節(jié)的葉色差異,由于不同季節(jié)葉色差異很明顯,通過經(jīng)驗(yàn)也可判斷。
1.2.3 葉色返綠觀察 2016~2017年,福安試驗(yàn)點(diǎn),從春季白雞冠萌芽開始觀察,直到成長(zhǎng)為成熟的長(zhǎng)枝條。選取5個(gè)健壯的芽頭作為觀察對(duì)象,每4天觀察一次,并拍照記錄葉色變化過程。
2016~2017年,福安試驗(yàn)點(diǎn),春季白雞冠新芽萌發(fā)時(shí),在試驗(yàn)地中選3行(每行6 m長(zhǎng))5年生白雞冠茶樹作為試驗(yàn)材料,每行從中間分成兩段,一半進(jìn)行遮陰處理,采用遮陽(yáng)率為70%的遮陽(yáng)網(wǎng)遮蓋,另一半作為對(duì)照,露天生長(zhǎng)。試驗(yàn)進(jìn)行15 d后,觀察處理與對(duì)照葉色的差異。
1.2.4 凍害觀察 2016-2017年,福安試驗(yàn)點(diǎn)和壽寧試驗(yàn)點(diǎn),在春季萌芽后觀察白雞冠及黃化新品系新梢葉片凍害情況。在同一茶園中觀察黃化品種與綠色品種受凍害情況,及在不同海拔高度試驗(yàn)點(diǎn)對(duì)比黃化品種受凍害情況。
白雞冠、安吉白茶、安吉黃茶為母本的F1代自然雜交種子,分別播種后葉色性狀出現(xiàn)分離(表1)。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),在85個(gè)安吉白茶F1代單株中出現(xiàn)1株葉色與安吉白茶相似的單株,在48個(gè)安吉黃茶F1代單株中也出現(xiàn)1株葉色與母本安吉黃茶相似的單株,而在50個(gè)白雞冠F1代單株中出現(xiàn)23株葉色與母本白雞冠相似的單株。從以上結(jié)果可以判斷白雞冠的葉色性狀容易遺傳給下一代,而安吉白茶和安吉黃茶很難遺傳給下一代。
2013年春季,在福安試驗(yàn)點(diǎn)觀察采自福安及武夷山的白雞冠F1代自然雜交后代的葉色遺傳規(guī)律。種子發(fā)芽后可明顯觀察到茶苗之間葉色的差異,但萌發(fā)期葉色不穩(wěn)定,容易隨著生長(zhǎng)階段的變化而改變。第2年觀察春梢葉色性狀(表2),發(fā)現(xiàn)來自武夷山的白雞冠自然雜交F1代,黃色:綠色為0.92∶1,福安試驗(yàn)點(diǎn)的白雞冠F1代,黃色:綠色為0.94∶1,通過t檢驗(yàn),p<0.01,符合1∶1分離。試驗(yàn)繼續(xù)對(duì)F1代群體葉色性狀的穩(wěn)定性進(jìn)行多年觀察,發(fā)現(xiàn)葉色性狀表現(xiàn)穩(wěn)定,每年春季新梢葉色不會(huì)隨著樹齡的增長(zhǎng)而改變。
表1 安吉白茶、安吉黃茶、白雞冠葉色性狀F1代遺傳率
表2 白雞冠(♀)自然雜交F1代葉色性狀分離規(guī)律
白雞冠為父本與鐵觀音為母本人工雜交F1代群體葉色性狀出現(xiàn)分離情況(表3),在18個(gè)單株中8個(gè)單株葉色為黃色,10個(gè)單株為綠色,黃綠比為0.8∶1,葉色符合1∶1分離。同時(shí)經(jīng)過多年觀察發(fā)現(xiàn),每年春季新梢葉色性狀不會(huì)隨著樹齡的增長(zhǎng)而改變。
表3 白雞冠(♂)與鐵觀音(♀)人工雜交F1代葉色性狀分離規(guī)律
從以上試驗(yàn)結(jié)果判斷,白雞冠不管作為母本或者父本,與其它綠色品種雜交F1代都出現(xiàn)1∶1分離,說明白雞冠葉色性狀受顯性單基因控制,該黃化性狀為顯性突變,基因位點(diǎn)為雜合型(aA)。
白雞冠F1代黃化單株間出現(xiàn)不同程度的黃化差異(圖1),有些單株葉色比母本更黃,而有些比母本弱。上面試驗(yàn)已知黃色性狀受顯性單基因控制,出現(xiàn)不同的黃化差異可能與不同單株的遺傳背景有關(guān)。為了證實(shí)該推測(cè),試驗(yàn)從F1代黃化單株中,選出3株顏色最黃的單株,和3株最不黃的單株,分別與其他綠色品種自然雜交(F2代),觀察F2代葉色性狀的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn),6個(gè)單株的后代都出現(xiàn)1∶1的葉色分離,同時(shí)3個(gè)顏色最黃的單株和3個(gè)最不黃的單株后代中都出現(xiàn)不同黃化程度的單株。其中顏色最黃的單株后代中也出現(xiàn)不很黃的后代,最不黃的單株后代中也出現(xiàn)了顏色很黃的單株,兩組間并沒有明顯差別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明只要基因組中攜帶有黃化基因,植株就展現(xiàn)出黃化表型,而植株的遺傳背景對(duì)黃化程度有一定影響,同時(shí)黃化性狀能夠在世代間穩(wěn)定遺傳。
圖1 白雞冠F1代黃化單株中出現(xiàn)不同程度的黃化差異Fig.1 Variations of leaf yellowing on individual F1 Baijiguan注:a為綠色品種,b-d為白雞冠F1代中不同黃化程度的單株。
白雞冠葉色隨著海拔的提高而改變(圖2)。以距離很近但海拔差異很大的兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)(壽寧試驗(yàn)點(diǎn)和福安試驗(yàn)點(diǎn))為觀察對(duì)象,壽寧試驗(yàn)點(diǎn)3~4月日均溫度比福安試驗(yàn)點(diǎn)低6℃左右(溫度數(shù)據(jù)來源于當(dāng)?shù)貧庀嗑郑峦?。以春季新稍為例,種植在壽寧試驗(yàn)點(diǎn)的白雞冠,新梢葉色比種植在福安試驗(yàn)點(diǎn)的要更加的金黃(圖2)。其它季節(jié)也是高海拔的比低海拔的更黃。而種植在更南部的安溪試驗(yàn)點(diǎn)(海拔880 m),也出現(xiàn)相同的現(xiàn)象,葉色比靠北部的福安試驗(yàn)點(diǎn)(海拔60 m)顏色更黃(圖2),安溪試驗(yàn)點(diǎn)3~4月日均溫度比福安試驗(yàn)點(diǎn)低4℃左右。
圖2 不同海拔高度對(duì)白雞冠葉色性狀的影響Fig.2 Effect of altitude on leaf color of Baijiguan注:a為安溪試驗(yàn)點(diǎn),b為壽寧試驗(yàn)點(diǎn),c為福安試驗(yàn)點(diǎn)
白雞冠新梢葉色黃化程度隨季節(jié)的變化而變化(圖3)。以每個(gè)季節(jié)萌發(fā)的新梢為觀察對(duì)象,春季新梢葉色是四季中最鮮黃的季節(jié),然后隨著溫度的提高,后續(xù)新發(fā)的芽梢葉色逐漸往黃綠色發(fā)展,溫度越高葉色越不黃,到夏季時(shí)達(dá)到頂點(diǎn),而后隨著溫度下降,新梢葉色又從黃綠色往金黃色發(fā)展,到深秋時(shí)新萌發(fā)的芽梢葉色基本與春季一樣鮮黃,入冬后茶樹停止生長(zhǎng),由于沒有新葉長(zhǎng)出,上一輪的秋梢葉片逐步成熟,葉色也慢慢轉(zhuǎn)綠,但轉(zhuǎn)綠的速度比其它季節(jié)更緩慢(圖3)。
圖3 不同季節(jié)白雞冠新梢葉色變化Fig.3 Seasonal changes on color of new shoots of Baijiguan注:a為春梢,b為夏梢,c為秋梢,d為冬梢
從以上對(duì)白雞冠在不同海拔和不同季節(jié)葉色性狀的觀察,發(fā)現(xiàn)白雞冠葉色黃化程度主要受溫度的影響,生長(zhǎng)環(huán)境的溫度越低葉色越黃。
黃、白化變異的茶樹品種,隨著葉齡的增長(zhǎng)葉色都會(huì)逐漸返綠,否則這種變異由于不能進(jìn)行光合作用在自然界中無法生存。不僅黃、白化品種如此,發(fā)現(xiàn)‘紫娟’等紫色品種也會(huì)出現(xiàn)返綠現(xiàn)象。白雞冠也一樣,以春季為例,新梢剛萌芽時(shí),芽色金黃,隨著芽梢的生長(zhǎng),從頂芽往下,葉色逐漸地轉(zhuǎn)綠,越往下葉色越綠(圖4),而老葉的顏色接近其它綠色品種,呈淺綠色。白雞冠葉色返綠過程不是整片葉子同時(shí)轉(zhuǎn)綠,而是隨著葉齡的增加,葉色從葉子中部往兩邊及從葉柄往葉尖逐漸變綠,當(dāng)綠色蔓延至葉齒時(shí)停止,所以絕大部分老葉的葉齒(特別是葉尖部分的葉齒)仍為黃白色。
圖4 白雞冠枝條葉色返綠變化過程Fig.4 Returning to green of Baijiguan tea leaves
遮陰處理對(duì)白雞冠葉色轉(zhuǎn)綠有較大的影響,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不管是春季還是夏秋季,用遮陽(yáng)網(wǎng)遮陰之后,芽梢葉色明顯比沒有遮陰的對(duì)照顯得更綠,但仍比綠色品種黃,說明光照強(qiáng)弱會(huì)影響白雞冠葉色性狀,弱光照有助于葉色返綠。但遮陰轉(zhuǎn)綠并不是白雞冠特有的現(xiàn)象,在一般綠色品種中也是普遍存在,所以制作抹茶的鮮葉原料,在采摘前都要通過遮陰處理。
雖然溫度越低白雞冠葉色越黃,鮮葉外觀越漂亮,但低溫易造成葉子凍害,主要是新梢的黃化葉子邊緣出現(xiàn)凍傷(圖5),而返綠葉片不受影響。在相同的茶園里,白雞冠比一般綠色品種更容易受凍害。同緯度地區(qū),種在高海拔位置比低海拔位置的白雞冠受凍害更嚴(yán)重,甚至影響成活率(表4)。壽寧試驗(yàn)點(diǎn)海拔890 m,種植后第1年成活率比對(duì)照種‘福鼎大白茶’低將近一半甚至更多(表4),即使種植成活后,還會(huì)陸續(xù)出現(xiàn)死亡,有些品系到第3年后成活率甚至低至10%(表4)。所以在引種白雞冠系列品種(系)時(shí)必須考慮到當(dāng)?shù)貧夂蚴欠襁m合種植。同時(shí)白雞冠系列品種整體的抗逆性比一般品種差,新梢越黃抗逆性越弱,容易發(fā)生光損傷及熱、旱害。
圖5 白雞冠枝梢葉片受凍害情況Fig.5 Freeze injury on Baijiguan tea leaves注:a、b為春季受凍害葉片,c為冬季受凍害葉片
表4 黃化品種不同海拔高度種植存活率
已有研究認(rèn)為白雞冠葉色性狀受多基因調(diào)控,屬于數(shù)量性狀[11],且葉色性狀和氨基酸性狀高度關(guān)聯(lián),都定位到多個(gè)QTLs,且有同一個(gè)主效QTL位點(diǎn)[11]。但本研究發(fā)現(xiàn)白雞冠葉色受顯性單基因控制,與已有研究結(jié)論不同[11],這可能與葉色性狀的統(tǒng)計(jì)方式不同有關(guān)。本研究葉色只分為黃色和綠色兩種,通過多年的田間觀察發(fā)現(xiàn)兩種葉色在田間差異明顯,我們認(rèn)為這種統(tǒng)計(jì)方式更為合理。對(duì)比王琳[11]的研究結(jié)果,推斷其定位的主效QTL位點(diǎn)很可能就是調(diào)控白雞冠葉色性狀的顯性單基因位點(diǎn)。
本研究發(fā)現(xiàn)安吉白茶和安吉黃茶的遺傳機(jī)理與白雞冠不同。安吉白茶、安吉黃茶的葉色性狀在F1代中有極低的遺傳率(1.18%、2.08%)(表1),初步判斷其葉色性狀可能受隱性單基因控制或者多基因控制。假設(shè)安吉白茶、安吉黃茶葉色性狀受隱性單基因調(diào)控(aa),則F1代雜交種子基因型為aA,顯示綠色。已有研究表明茶樹存在很低的自交結(jié)實(shí)率,如果出現(xiàn)1%~2%的自交率,那么自交種子的基因型均為aa,呈現(xiàn)母本的顏色,這與安吉白茶、安吉黃茶F1代中分別出現(xiàn)1株白化和1株黃化(表1)的情況相吻合,說明安吉白茶和安吉黃茶的葉色性狀極有可能受隱性單基因控制。該推斷可進(jìn)一步在后續(xù)的F2代中進(jìn)行驗(yàn)證,即讓F1代單株互相雜交(aA×aA),在F2代中產(chǎn)生1/4的aa基因型,如果F2代中出現(xiàn)1/4的單株為白色或黃色,說明推斷正確。
白雞冠葉色隨著葉齡增長(zhǎng)逐漸轉(zhuǎn)綠,最后葉色接近其它綠色品種,說明葉綠素的合成途徑并沒有破壞,只是合成的速度變慢、轉(zhuǎn)綠時(shí)間拉長(zhǎng)。本研究發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度對(duì)白雞冠葉綠素合成速度有影響,溫度越低合成越慢,葉色越黃,反之溫度越高合成越快,返綠的越快,所以夏季葉色最綠。而在秋季觀察葉色返綠現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn),持續(xù)低溫甚至造成葉色無法返綠,葉綠素合成被完全抑制,如早秋黃化新梢會(huì)逐漸的返綠,而晚秋萌發(fā)的新梢轉(zhuǎn)綠速度極其緩慢,隨著后期溫度持續(xù)下降,葉綠素合成停止,少數(shù)葉片整個(gè)冬季呈黃白色,直到第二年春季也不返綠(圖5)。當(dāng)然還有另一種可能是白雞冠葉綠體結(jié)構(gòu)發(fā)育不完整而影響葉綠素合成,需要在葉片發(fā)育過程中逐漸修復(fù)葉綠體結(jié)構(gòu),而溫度影響修復(fù)速度。這個(gè)現(xiàn)象在其它黃白化茶樹品種中已有發(fā)現(xiàn),李素芳等用透射電鏡觀察安吉白茶發(fā)現(xiàn),在白化過程中,葉綠體不斷退化,內(nèi)部出現(xiàn)大量囊狀空泡, 直至葉綠體徹底解體,而在轉(zhuǎn)綠過程中,葉綠體結(jié)構(gòu)迅速重建[13-14]。成浩等發(fā)現(xiàn)安吉白茶白化期葉綠體膜結(jié)構(gòu)發(fā)育發(fā)生障礙,葉綠體結(jié)構(gòu)解體,及色素蛋白復(fù)合體消失[15]。黃金芽黃化期葉片,葉綠體內(nèi)類囊體和基粒形成受阻[16]。低溫抑制‘小雪芽’葉片白色體向葉綠體發(fā)育,白色體內(nèi)無類囊體和基粒的堆疊,從而影響葉綠素和類胡蘿卜素等色素的生物合成,進(jìn)而導(dǎo)致葉片白化[17]?!悬S1號(hào)’黃化期葉綠體發(fā)育出現(xiàn)障礙,存在類囊體但沒有基粒片層結(jié)構(gòu)[18]。透射電鏡觀察白雞冠黃化葉片細(xì)胞結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)葉綠體內(nèi)也出現(xiàn)大量囊狀空泡,類囊體和基粒發(fā)育不全,轉(zhuǎn)綠后葉綠體基本恢復(fù)正常,而環(huán)境溫度影響恢復(fù)速度。以上情況說明白雞冠黃化性狀受溫度影響,屬于溫度敏感型。
黃白化茶樹品種主要分為光照敏感型和溫度敏感型[4-6],代表性品種有安吉白茶(溫度敏感型)[7]和黃金芽(光照敏感型)[8-9]。已有研究認(rèn)為白雞冠屬于光照敏感型[11-12],光照越強(qiáng)葉色越黃。白雞冠葉色性狀到底屬于光照敏感型還是溫度敏感型?通過我們多年的觀察,白雞冠葉色在春秋兩季都比夏季更黃,而夏季的光照強(qiáng)度是最強(qiáng)的,葉色卻是最綠,所以與已有的研究結(jié)論正好相反[11-12]。本研究從白雞冠葉色一年四季的變化,及海拔高度對(duì)葉色的影響,得出溫度越低葉色越黃,所以認(rèn)為白雞冠屬于溫度敏感型。遮陰能促進(jìn)茶樹葉片轉(zhuǎn)綠,是所有茶樹品種共有的特性。弱光照能促進(jìn)茶樹葉綠素合成,這可能是植物進(jìn)化過程中的一種補(bǔ)償現(xiàn)象,在弱光條件下,通過提高葉綠素的含量,增強(qiáng)光合效率,有利于植物在逆境條件下生長(zhǎng)。白雞冠在遮陰和不遮陰條件下葉色差異極為明顯[11-12],說明光照強(qiáng)度對(duì)白雞冠葉色有顯著影響,屬于光照敏感型,但卻無法解釋白雞冠夏季新梢葉色比春、秋兩季綠,所以推斷白雞冠葉色可能是受溫度和光照共同調(diào)控。夏季光照強(qiáng)度是一年中最強(qiáng),但溫度也最高,而溫度的上升有助于提高白雞冠葉綠素的合成速度,使葉片中的葉綠素含量提高。由此推測(cè)白雞冠屬于溫敏和光敏復(fù)合型,而其它黃色品種,如黃金芽、中黃1號(hào)等也有類似現(xiàn)象,可能也屬于溫敏和光敏復(fù)合型品種。
白雞冠與安吉白茶對(duì)溫度的敏感度不同。安吉白茶的突變性狀對(duì)溫度更為敏感,春季新梢萌發(fā)期環(huán)境溫度超過20~22℃就不顯白[14-15],是一個(gè)質(zhì)變的過程,推斷突變基因在20~22℃以上能恢復(fù)正常表達(dá),所以安吉白茶在福建種植很難出現(xiàn)白化性狀,且安吉白茶的溫度效應(yīng)僅僅發(fā)生在春季新梢一芽二葉期前后,約兩周白化期后,當(dāng)環(huán)境溫度高于16~18℃時(shí),葉片開始復(fù)綠[14-15]。而白雞冠黃化性狀隨溫度變化而變化,是一個(gè)量變過程,在茶樹生長(zhǎng)溫度范圍內(nèi),溫度越低葉色越接近白色(高海拔低溫茶區(qū)),溫度升高后,逐漸向黃白色、黃色、黃綠色改變,溫度達(dá)到最高時(shí)逐漸接近綠色(夏季高溫時(shí)期)。