不同濃度鎂對茶樹光合及光保護能力的影響

唐 磊，肖羅丹，黃伊凡，孟 陽，肖 斌，楊亞軍,2

(1.西北農林科技大學 園藝學院，陜西楊凌 712100；2.中國農業科學院 茶葉研究所，杭州 310008)

茶樹[Camelliasinensis(L.)O.Kuntze] 屬于山茶科山茶屬木本植物，起源于中國西南地區，栽培廣泛，種類豐富，是全世界重要的經濟作物之一[1]。氮、磷、鉀、鎂是茶樹正常生長的主要大量元素，被稱之為茶樹生長的“四要素”，是茶園平衡施肥的基本保證[2]。據調查，中國南方部分茶園由于氣候、成土母質等原因土壤有效鎂含量大多為10～70mg/kg，其中有70%的茶園土壤有效鎂含量低于40mg/kg，這些茶園普遍存在有效鎂含量缺乏的現象，被認為是缺鎂茶園；而福建鐵觀音茶園土壤交換性鎂含量的平均值僅為9.63mg/kg,土壤有效鎂含量非常低[3-6]。鎂作為植物正常生長發育的營養元素之一，與K+、Ca2+等其他離子相互作用，調節細胞中陰陽離子平衡，作為滲透活性離子調節細胞膨壓[7]；同時鎂也是酶活化的輔因子之一，激活H+-ATP酶、激酶、聚合酶和RUBP羧化酶等酶活性，合成核酸和糖類并維持結構穩定[7-9]；鎂還是核糖體的組成部分，起到穩定蛋白質合成所必需的核糖體構型、維持核蛋白體穩定的作用[10]；最重要的是Mg2+作為葉綠素分子的中心組分，通過形成更多有吸收、傳遞和轉換光能的葉綠素、參與內囊體膜垛疊形成基粒、調節葉綠體PSⅡ和PSⅠ之間激發能的分配，從而促進光合碳同化，提高光合效率[9,11]。缺鎂導致光合電子傳遞鏈過度還原引發光氧化損傷[7,12]，并降低葉片光合作用而減緩植物生長，影響作物產量和品質[10,13-15]。已有的研究更關注鎂在茶樹生長發育過程中對生長狀況和次生代謝產物的影響從而影響茶葉產量及品質，認為缺鎂土壤施鎂有利于茶樹生長早發、產量增加、氨基酸和咖啡堿含量的提高[16-17]；葉片施鎂和根部施鎂降低安溪鐵觀音的節間長度，增加葉片厚度，有助于提高‘水仙’品種的水浸出物、茶多酚、氨基酸、咖啡堿和黃酮等[18]；適宜的鎂濃度處理也有利于游離態及酸解態低萜類成分與兒茶素含量的增加[19]。但是茶樹生長發育與次生代謝產物之間的關系卻沒有得到深究，既然次生代謝是初生代謝的延伸，初生代謝又為次生代謝產物合成提供前體，那么鎂作為葉綠素中心組分對茶樹光合生長這一初生代謝的作用，及促進生長發育的研究卻鮮見報道，這是形成茶葉高產優質的基礎，理應受到廣泛重視。

本研究從缺鎂茶園急需提高產量和品質的實際需求出發，側重從適宜濃度的鎂素能提高光合能力和光保護作用的角度探討施鎂對茶樹產量和品質的意義。植物通過光合電子傳遞、葉綠素熒光發射和熱耗散3種途徑消耗葉綠素吸收的光能，利用氣體交換參數和葉綠素熒光參數可以探究光合作用和熱耗散的情況[20]，同時葉綠素熒光參數作為光合作用的有效探針，在探測植物體內光合器官轉運、光電子傳遞及植物響應環境脅迫等各方面敏銳突出[21]。因此，本研究考慮不同茶區茶園的Mg2+含量有較大差別，而設置Mg2+梯度，通過分析不同濃度鎂處理下茶樹葉片光合氣體交換參數和葉綠素熒光參數等的變化趨勢，探討作為葉綠素關鍵成分鎂的不同濃度對茶樹光合作用及生長發育的影響，為缺鎂茶園鎂素施用提供一定的試驗依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料培養

為了探究適宜于茶樹生長的Mg2+濃度，選取長勢一致且質量基本一致的2 a生‘陜茶1號’扦插苗，用清水洗去根部泥土，將其培養在小西茂毅營養液[22]中1個月；選取長出白色幼根且長勢一致的茶苗，分別培養在含0、0.05、0.1、0.2、0.4、0.8、1.6、3.2和6.4 mmol/L Mg2+的小西茂毅營養液中，每個處理3次重復，試驗持續約3個月。營養液每周更換1次，24 h連續通氣。試驗在西北農林科技大學人工氣候室內進行，培養溫度為25 ℃(白天)/20 ℃(晚上)，空氣相對濕度保持在75%±5%，光周期為12 h(光照)/12 h(黑暗)。

1.2 光合作用相關指標測定

1.2.1 葉綠素含量的測定 葉綠素含量采用研磨醇提取法[23]測定。稱取茶樹葉片0.2 g，在95%乙醇中研磨過濾定容后，采用雙光束紫外可見分光光度計在665 nm、649 nm、470 nm處測定吸光值，依據有關公式[23]計算葉綠素含量，每個鎂濃度處理設置3株茶苗作為重復。

1.2.2 光合氣體交換參數測定 選取生長旺盛、長勢一致且光照良好的茶苗第3或第4片真葉，采用Li-6400便攜式光合儀(Li-Cor公司，美國)，于9:00-11:30以紅藍LED為光源，設定光照強度為1 200 μmol/(m2·s)測定凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr)，每個Mg2+濃度處理設置3株茶苗作為重復。根據測定結果計算瞬時水分利用效率(WUEi)，WUEi=凈光合速率/蒸騰速率。

1.2.3 葉綠素熒光參數測定 將茶苗第3或第4片真葉暗適應30 min后，采用脈沖振幅調制(PAM)葉綠素熒光儀(WALZ公司，德國)測定最小熒光Fo、最大熒光Fm、PSⅡ非調節性能量耗散量子產量Y(NO)和PSⅡ實際光化學量子產量Y(Ⅱ)等，每個鎂濃度處理設置3株茶苗重復。根據測定結果計算PSⅡ最大光化學效率，Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm和PSⅡ潛在光化學效率，Fv/Fo=(Fm-Fo)/Fo。

1.2.4 生物量的測定 用自來水將處理約3個月的植株沖洗干凈，分開測定地上部分和地下部分的鮮質量，每個鎂濃度處理設置3株茶苗重復。為了測定植株的干質量，將鮮樣在105 ℃下殺青30 min，然后在75 ℃下烘干至恒量，測定各部分的干質量。總鮮質量和總干質量分別為各自地上部分與地下部分的總和。

1.3 數據處理與分析

試驗數據的平均值、標準差使用Excel 2010分析完成；用SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析和相關性分析，多重比較使用最小顯著差異法(LSD)(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 鎂對茶樹葉綠素含量的影響

不同濃度Mg2+處理的茶樹地上部表型如圖1所示。葉綠素測量結果表明，葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)、類胡蘿卜素和總葉綠素[Chl (a+b)]的含量在不同Mg2+處理下的變化趨勢比較一致；隨著Mg2+濃度的增加，各色素含量均表現為先升高后下降的趨勢，在0.1 mmol/L處理下達到峰值，顯著高于缺鎂(0 mmol/L)和較高濃度的處理(0.8 mmol/L)(圖2)。0.1 mmol/L 處理下的葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素含量顯著高于0.4 mmol/L、0.8 mmol/L和0 mmol/L處理，而0.1 mmol/L和0.4 mmol/L處理的類胡蘿卜素含量差異不顯著，但0.1 mmol/L處理下類胡蘿卜素相比于缺鎂和0.8 mmol/L處理分別顯著增加 44.99%和9.78%。0.05 mmol/L、0.1 mmol/L和0.2 mmol/L處理的葉綠素a、類胡蘿卜素含量差異不顯著，但0.1 mmol/L處理的葉綠素b含量顯著高于0.05 mmol/L 和0.2 mmol/L處理，分別增加16.69%和13.78%；0.1 mmol/L處理的總葉綠素比0.05 mmol/L處理顯著增加10.91%，但與0.2 mmol/L無顯著性差異(圖2)。因此，后續試驗選擇0 mmol/L(缺鎂)、0.1 mmol/L、0.4 mmol/L和0.8 mmol/L 4個濃度處理進行研究。

2.2 鎂對茶樹光合氣體交換參數的影響

在4個Mg2+濃度處理下，0.1 mmol/L的凈光合速率高于其他3個濃度，顯著高于缺鎂和 0.8 mmol/L處理，但與0.4 mmol/L差異不顯著(圖3-A)。缺鎂、0.4 mmol/L和0.8 mmol/L處理的凈光合速率比0.1 mmol/L處理分別下降 49.96%、5.41%和27.45%。氣孔導度和蒸騰速率的變化趨勢比較一致，0.1 mmol/L和0.4 mmol/L處理下最高且差異不顯著；0.4 mmol/L處理的氣孔導度和蒸騰速率顯著高于0.8 mmol/L處理，分別增加 36.92%和39.30%，但缺鎂和 0.1 mmol/L處理下氣孔導度差異不顯著而蒸騰速率存在顯著性差異(圖3-B，3-C)。0.1 mmol/L處理的瞬時水分利用效率最高，比缺鎂處理的最低值增加40.09%，但4個Mg2+濃度處理的幼苗瞬時水分利用效率無顯著性差異(圖3-D)。

2.3 鎂對茶樹葉綠素熒光參數的影響

PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)和PSⅡ潛在光化學效率(Fv/Fo)在4個Mg2+濃度處理下表現出相似的趨勢，隨著Mg2+濃度的升高，Fv/Fm和Fv/Fo先增加后降低，0.1 mmol/L處理達到峰值，但與0.4 mmol/L處理沒有顯著性差異，缺鎂和0.8 mmol/L處理顯著低于0.1 mmol/L和0.4 mmol/L處理(圖4-A，4-B)。在0.1 mmol/L和0.4 mmol/L下，茶樹葉片的Fv/Fm比缺鎂處理分別增加 5.88%和4.55%，比0.8 mmol/L處理分別增加6.87%和5.52%。同時，0.1 mmol/L和 0.4 mmol/L處理的Fv/Fo比缺鎂處理分別增加25.00%和22.44%，比0.8 mmol/L處理分別增加29.51%和26.86%。PSⅡ非調節性能量耗散量子產量Y(NO)與Fv/Fm和Fv/Fo的趨勢相反；與0.1 mmol/L處理相比，缺鎂、0.4 mmol/L和0.8 mmol/L處理下Y(NO)分別增加15.12%、7.39%和26.56%。顯著性分析發現，0.1 mmol/L處理的Y(NO)顯著低于缺鎂和 0.8 mmol/L處理，0.4 mmol/L處理的Y(NO)也顯著低于 0.8 mmol/L處理，但與缺鎂和0.1 mmol/L處理沒有顯著性差異(圖4-C)。由圖4-D可知，PSⅡ實際光化學量子產量Y(Ⅱ)在4個Mg2+濃度下沒有顯著性差異，0.8 mmol/L處理下的最低值比0.1 mmol/L處理下的最高值下降13.75%。

2.4 不同鎂素水平下光合熒光相關各指標的 關系

對不同鎂素水平下茶樹各指標的相關分析(表1)表明，總鮮質量與Gs、Chl(a+b)與Pn、Pn與Tr、Gs與Tr以及Fv/Fm與Fv/Fo之間的關系密切，呈極顯著正相關，而Fv/Fm與Y(NO)、Fv/Fo與Y(NO)、Y(NO)與Y(Ⅱ)極顯著負相關。同時，Tr與Y(Ⅱ)、Pn與Gs、總鮮質量與Pn、Tr、Fv/Fm及Fv/Fo達顯著正相關水平，而Gs與Y(NO)、Tr與Y(NO)呈顯著負相關。以上結果證明，光合生長需要鎂的參與從而促進茶樹的生長。

表1 不同Mg2+水平下茶樹各指標的Pearson相關分析Table 1 Pearson correlation analysis of tea plant indicators under different magnesium levels

2.5 鎂對茶樹生長的影響

由表2可知，0.1 mmol/L Mg2+處理下茶樹的地上部鮮質量和總鮮質量達到最大值，顯著高于缺鎂和0.8 mmol/L Mg2+處理，與0.4 mmol/L 處理差異不顯著；地下部鮮質量在缺鎂和0.8 mmol/L處理時最低，但4個濃度的處理無顯著性差異。缺鎂、0.4 mmol/L和0.8 mmol/L處理下總鮮質量與 0.1 mmol/L處理相比分別下降8.22%、1.14%和15.46%。缺鎂處理下，鮮質量的根冠比相對于0.8 mmol/L處理下降8.26%，但相對0.1 mmol/L和0.4 mmol/L處理分別增加11.00%和12.12%。顯著性分析顯示，0.8 mmol/L處理下鮮質量的根冠比顯著大于0.1 mmol/L和0.4 mmol/L的處理，與缺鎂處理差異不顯著；此外，缺鎂、0.1 mmol/L和0.4 mmol/L處理下鮮質量的根冠比也沒有顯著性差異。不同濃度Mg2+對茶樹干質量的影響與鮮質量的結果一致，僅在顯著性上存在差異。

表2 不同鎂素水平對茶樹生物量的影響Table 2 Biomass of tea plant under different magnesium levels

3 討 論

目前，中國南方茶園土壤普遍存在有效鎂含量缺乏的現象[3-6]，因此研究鎂肥促進茶樹高效生產具有重要意義。本試驗結果表明，適宜濃度的鎂(0.1 mmol/L)可能通過提高茶樹的葉綠素含量、光合作用和光保護作用而促進茶樹生長；缺鎂和較高濃度的鎂(0.8 mmol/L)均不利于茶樹 生長。

3.1 適宜濃度的鎂對光合生長的促進作用

有關研究證明，葉綠素作為植物進行光合作用的主要色素，其含量與光合作用之間一般呈正相關[24]。生物量是反映植物體有機物積累狀況的主要指標，常被用來表征植物的生長狀況[25]。研究表明，苦瓜在缺鎂和高鎂的條件下葉綠素和干質量顯著降低，說明鎂影響苦瓜的生長和葉綠體發育[9]。在本試驗中，隨著鎂濃度的增加，茶樹的葉綠素含量呈現先上升后降低的趨勢，適宜濃度的鎂(0.1 mmol/L)能夠提高茶樹的葉綠素，缺鎂和高鎂降低茶樹葉綠素含量；鎂對茶樹生物量的影響也呈現同葉綠素一致的趨勢。由此推測，鎂素通過影響茶樹葉綠素含量進而影響茶樹的生長。這與對葡萄[26]、銀杏[27]、水稻[10]等的相關研究結果一致。在對銀杏的研究中發現，隨著鎂噴施濃度的增加，銀杏的根冠比呈先下降后升高的趨勢[27]；對小麥的研究也發現在缺鎂和低鎂條件下其根冠比明顯增加[25]。本研究結果也表明缺鎂和0.8 mmol/L Mg2+處理下茶樹的根冠比增加。

光合作用是植物體內重要的代謝過程，是植物合成有機物質和獲得能量的根本源泉[28]。在缺鎂條件下，水稻葉片的Pn明顯降低[29]；而在柑橘中發現正常供鎂時Gs和Tr顯著高于缺鎂處理[30]。本試驗中，在缺鎂和較高的鎂濃度(0.8 mmol/L)處理下，茶樹的Pn、Gs和Tr都顯著降低，說明缺鎂和較高濃度的鎂可能造成茶樹光合器官的損傷，導致光合能力下降，而適宜濃度的鎂則對茶樹的光合作用具有促進作用。相似的研究結果在葡萄[26]和黃瓜[31]等植物中也得到進一步驗證。在對葡萄的研究中還發現，Chl(a+b)與Pn、Pn和Tr呈極顯著正相關，Pn與Gs呈顯著正相關關系[26]。在本試驗中，不同Mg2+濃度處理下茶樹葉片的Chl(a+b)、Pn、Gs和Tr也呈現同葡萄各參數一致的相關性，總鮮質量與Pn、Gs、Tr也存在顯著或極顯著的正相關性。這表明鎂可能通過提高茶樹的光合作用從而促進茶樹 生長。

3.2 適宜濃度的鎂對逆境植物的光保護作用

鎂促進茶樹光合作用還體現在葉綠素熒光參數的變化上。Fv/Fm反映光系統Ⅱ的最大光能轉化效率，常被用來作為環境脅迫程度的指標和探針[32]。當植物受到光抑制時，Fv/Fm將會降低，進而引起PSⅡ受體側QA的過度還原、三線葉綠素的形成和單線氧的產生，導致PSⅡ反應中心D1蛋白降解[33]。本試驗結果表明，茶樹的Fv/Fm和Fv/Fo在0.1 mmol/L Mg2+處理下最高，而在缺鎂和較高的鎂濃度(0.8 mmol/L)處理下均顯著降低；相關分析表明Fv/Fm和Fv/Fo與總鮮質量呈顯著正相關性。Fv/Fo反映PSⅡ的潛在光化學效率，Fv/Fo降低表明類囊體結構受到損傷，從而抑制光合電子傳遞[30]。說明缺鎂和較高的鎂濃度(0.8 mmol/L)處理可能導致 PSⅡ反應中心受到損傷，電子傳遞速率受到抑制，降低茶樹PSⅡ反應中心利用光能的效率，茶樹遭受到光抑制或光破壞；而適宜濃度的鎂素處理可能促進茶樹的光能利用效率，提高茶樹的光保護作用。在柑橘中的研究也發現缺鎂時柑橘的Fv/Fm和Fv/Fo顯著降低[30,34]。因此，在光照充足的中午和夏季，鎂元素可能通過光保護作用使茶樹免受光破壞。前期研究表明，當植物遭受不利的生長條件如營養缺乏或干旱時光抑制可能會發生[33]。適量鎂還可以通過光保護作用緩解植物受到的重金屬脅迫和病害影響[35-37]。由此推測，當茶樹遭受到各種各樣的生物脅迫和非生物脅迫(干旱、鹽堿等)時，鎂元素的施用可能在一定程度上通過提高茶樹的Fv/Fm值使茶樹減輕或免受傷害。

植物葉片PSⅡ反應中心通過PSⅡ實際光量子產量Y(Ⅱ)、PSⅡ調節性能量耗散的量子產量Y(NPQ)和PSⅡ非調節性能量耗散的量子產量Y(NO)進行光能的轉化和耗散，且三者總和為1或接近1[38]。Y(NO)表示PSⅡ非調節性能量耗散的量子效率，是光損傷的重要指標，高Y(NO)值表示PSⅡ光化學反應和保護性調節機制沒有發揮作用，過量的激發能將對PSⅡ產生光破壞[39-40]。在本試驗中，隨著Mg2+濃度的升高，Y(NO)先下降后上升，缺鎂和0.8 mmol/L Mg2+處理均顯著升高，而Y(Ⅱ)表現出與Y(NO)相反的趨勢，但4個濃度之間無顯著差異，由此推測在缺鎂和高鎂濃度下，碳水化合物的大量積累和光合CO2固定的損傷導致光合電子傳遞鏈的過度還原[7,12]，葉片的熱耗散等保護性調節機制和光化學反應不足以將葉片吸收的所有光能完全消耗[41]，即入射光強可能超過植物能接受的程度[39]，產生嚴重的光抑制，從而影響茶樹生長。這些結果表明，鎂可能通過提高茶樹的環境適應能力而促進茶樹的生長。由此可見，茶園缺鎂時會降低茶樹葉片的葉綠素含量，可能導致光合作用下降及光抑制現象的發生，降低茶樹的生物量，抑制茶葉產量和品質的提升。

綜上所述，茶樹生長需要的最適Mg2+濃度為0.1 mmol/L，這一濃度可能通過提高茶樹的葉綠素含量進而加強光合生長和光保護作用，促進茶樹生長發育；當Mg2+濃度達到0.8 mmol/L時，茶樹生長受到抑制。因此，在缺鎂茶園可以優先考慮適宜濃度的鎂素施用以減少產量損失和品質下降，另外對季節性干旱或鹽堿等逆境也可通過施鎂得到緩解。具體鎂肥用量需綜合考慮缺鎂茶園土壤有效鎂含量、茶樹品種及樹齡等因素 確定。