叶利利,王树元,张永成,王玉玺,穆丹,吴娟

(安庆师范大学 生命科学学院,安徽 安庆 246133)

茶树(CameliasinensisL.)是山茶科、山茶属植物,为我国重要的经济作物,种植历史相当悠久。茶叶生产拥有良好的社会经济性和生态效益,是国民经济中不可或缺的重要组成部分。茶树品种决定茶叶品质,优良品种对提高作物产量、改进茶产品品质和增强茶树对自然条件的耐性限度等均有十分重要的作用[1]。品种是农业的核心组成部分,不断选育优良品种是保障农业生产持续发展的重要保障[2]。受制于自然条件,我国茶树品种南北差异大,主要产茶区品种单一,茶叶种类庞杂。推动茶产业发展,茶树引种是育种的关键环节[3]。引种可用筛选出的良种代替当地原有茶树品种,增加茶叶产量和品质,满足人们对不同茶叶品种的需求;也可以扩大茶树遗传资源,丰富育种物质基础和当地茶树种质资源。在自然选择和人工选择下,我国四大茶区的茶树生态型不同,储藏着大量的茶树种质资源,为茶树引种提供了极有利条件。笔者综述了我国南北茶区茶树遗传育种发展概况与遗传多样性研究的相关进展,以期为茶树遗传育种的进一步研究提供参考。

1 基于引种的我国茶树育种发展概况

我国茶区原分布在秦岭、准河以南、四川省的大雪山、云南省的怒江流域以东的广大地区,即北纬34°、东经97.5°,是我国茶区分布的最北和最西界线。引种(Introduction)是人工将茶树从现有分布区(野生茶树)或栽培区(栽培茶树)迁移到其他地区进行培育的过程[4]。引种是栽培茶树起源与演化的基础,是茶叶的遗传育种极为重要的一步。判断茶树生长状况的标准因茶叶而异,但发芽期、产量和存活率是茶树引进的一般标准,如果上述3个指标达到较高水平,则可称为引种成功[5]。1965年全国范围内推广的茶树良种包括福鼎大白茶、黄金桂、铁观音、湖南云台山大叶种、政和大白茶、水仙、大叶乌龙、贵州湄潭苔茶、毛蟹、广东凤凰水仙、乐昌白毛尖、安徽祁门槠叶种、云南大叶种、四川南江大叶种、崇庆枇杷茶、宁州大叶种、江西上梅州种、浙江坞坑大叶种、梅占、陕西紫阳种和广西凌乐白毛茶。这些首批国家级良种对我国茶树的育种研究具有深刻的现实意义。我国茶业发展历程依据发展目标和发展路径可分为4个发展阶段:(1)扩大茶园面积增加茶叶产量阶段(1949～1978年);(2)提高茶叶单产增加茶叶产量阶段(1979～1989年);(3)调整产品结构提高茶叶品质阶段(1990～2000年);(4)综合发展阶段(2001年以来)[6]。

1.1 扩大茶园面积增加茶叶产量阶段

国内茶树育种处于自发状态,只在小区域内进行,各地发展也不平衡。茶树大多是野茶,少数的人工茶园属于间作茶园,栽种方式落后,茶叶一直是严重短缺的产品。新中国成立以后,开始有组织有计划地开展茶树育种工作,系统的无性系茶树品种选育及育种基础理论研究逐渐开展,这一时期发展茶业的途径主要是依靠扩大种植面积,增加茶叶总产量,完善良种繁育体系,推进高效茶园建设。

南方茶区除一些用无性繁殖品种的茶园外,大部分种植园是群体品种,植株性状差异甚大。茶树品种优劣不齐,茶树大都年龄衰老,新梢伸育力弱,芽叶不良,影响制茶品质。茶树引种是改进和提高本地区茶叶品质的重要途径。上世纪五十年代初,安徽从国内引入包含适应性强、抗寒等诸多优点的祁门槠叶种,产量高,长势好。五十年代后期,通过引种试验,毛蟹、福鼎大白和云南大叶种等表现良好、性状优良的茶树在全国茶区大面积推广,丰富了各地茶树品种资源[7]。优良品种在较大地域范围的引种驯化,培育了拥有优良变异的天然杂种,这是我国近代发展起来的极其有价值的茶树育种基因库。

同时,北方陕西茶区采取以建立留种茶园为主、无性繁殖为辅的办法,使得紫阳种得到大面积的繁育推广。在上世纪五十年代,陕西安康地区从外地引进安徽祁门种,作为陕南地区引进外地品种的开始。在五十年代中期,北方一些适宜种植茶树的区域陆续引进了福鼎大白、湄潭苔茶、黄山种和湖南种等进行本地培育。我国开展的大规模茶树引种项目——“南茶北引”,将安徽南部与江浙地区的茶树引入山东[8]。直至1965年青岛茶苗种植试验成功后,在全国范围内掀起种茶热潮,茶园遍布全国。1972年,山东省“南茶北引”的成功,打破了长期以来茶树不能种植于北纬30°以北的历史。“南茶北引”后,我国秦岭、淮河以北地区以及甘肃省、西藏自治区的察隅、波密、林芝等都已初步引种成功。

1.2 提高茶叶单产增加茶叶产量阶段

这一阶段,茶树育种进程加速,茶园面积不断扩大,结构趋于完善,单产不断提高,标准体系建设更加完善,茶叶质量安全得以保障。茶园面积虽增长缓慢,但茶叶产量增长迅速。无性系良种筛选于丰富种质资源,具有高产、抗性好、制茶质量优良等特点,目前全球各产茶大国都将培育无性系良种作为茶树栽培的重点[9]。1987年全国茶树良种审定委员会将52个品种定为国家级茶树良种,其中无性系良种35个,有性系良种17个。这52个良种为各地茶叶生产的发展作出了重大贡献。

上世纪八十年代“锡茶11号”“锡茶5号”和“槠叶齐”等从云南大叶种选育出的无性品系以及“杨树林种”等地方群体品种在江南和江北的红、绿茶区推广。1981年发现紫阳种是抗逆性强、高产、优质、适应性强的优良品种,应繁殖推广。1986年研究人员通过品比试验得出适宜推广到各地的茶树良种是早白尖5号、蜀水307、906、其次是蜀水3号、401号、1号[10]。作为“南茶北引”的重点区域,山东茶园面积由于不重视综合管理和受到低温胁迫又大幅度回落,到1990年,全省茶园面积停留在1333.3 hm2左右[11]。

1.3 调整产品结构提高茶叶品质阶段

名优茶市场迅速崛起,茶树优良品种和先进技术在茶叶生产上得到推广应用,全国各茶区都在引进良种,或进行换种改植,或发展新茶园。茶叶生产开始由产品短缺步入供过于求,茶业发展越来越受到市场需求的制约,靠增加茶叶产量来提高茶业效益已失效,产品结构不合理的问题非常突出。此时,适应市场需求的变化,调整茶叶产品结构、提高茶叶质量成为此阶段茶产业发展的主要任务。

1995年,从早白尖群体中采用单株育种法育成性状优良的“早白尖5号”,随后在重庆、陕西、四川等茶区推广。1996年,云台山大叶种经单株选择繁育成“唐茶1号”,可在湖南省茶区引种推广。1996年江西农业技术推广站实施茶树良种引种试验,筛选出龙井43、乌牛早、碧云等适合引种到低丘红壤地区的茶树良种。1997 年,种子直播和移栽实生苗等落后的育种形式开始淘汰,原农业部明确提出做到发展新茶园和老茶园换种改植,采用无性系良种,实现茶树无性系良种化。1997年,“早白尖5号”在信阳引种后在信阳及江北茶区推广[12]。上世纪90年代,浙江千岛湖茶区引入品种长势良好,包括鸠坑群体种、中茶108、安吉白茶、乌牛早、迎霜、龙井43等品种[13]。

1.4 综合发展阶段

进入本世纪后,我国在茶树遗传育种多个领域取得了更多的成果,引领了世界相关领域的发展。在这一新阶段,茶园结构和区域布局趋于合理,推进机械化,降低茶叶生产成本,茶园单产进一步提高,茶叶质量水平显著提升,茶叶产业化进程显著加快,茶树育种开始向多样化的方向发展(包括低咖啡碱、低苦涩味、高氨基酸等),茶文化日益兴盛。为了提高育种目标的精准性和提高基因突变频率,以分子标记辅助育种和基因工程育种为代表的现代生物育种技术在21世纪成为推动茶树遗传育种前进的主要力量。2007年以后,中国茶园面积和产量世界第一,茶园单产进一步提高。直至2021年,全国茶叶内销总量突破230万吨[14]。在遗传育种方面,经过几十年的推动,我国种植园中克隆茶的比例已达30%左右[15]。我国无性系良种化比例由20世纪80年代初的10%左右提高到2020年的68%[16]。比较特殊的是甘肃在环境因素的影响下,70%山地茶园为有性茶园,茶树主根发达、发芽期迟,无性系茶树成活率低[17]。在引种鉴定方面,Jin 等[18-19]开发了相应的功能标记,可进行低咖啡碱和高二羟基儿茶素材料的快速筛选。

2000年后 “鄂茶1号”“早白尖5号”“陕茶1号”等无性系良种和宜昌大叶种等高EGCG且品质优良的茶树品种进行区域试验成功后,在适宜生长的茶区推广种植[20]。2010年,南茶北引的核心区域——山东省良种繁育研究取得进展,如“罗汉1号”是在山东引种的茶树中广泛筛选培育出的抗寒良种[21],西藏引进了福鼎大白、特早213、梅占、福云6号等茶树并推广种植,存活率达到50%以上。2022年,刘燕等[22]研究表明鸠坑小叶种、威宁老茶树、福鼎大白茶抗旱性较强,适合北方地区种植和推广;黄金芽、云南大叶茶抗旱性较弱,不适合在干旱地区种植。茶树的引进极大地丰富了当地茶区的种质资源,为当地适应性强的茶树新品种的选育和育种提供了充足的育种材料。

2 基于引种的茶树遗传多样性研究

茶树起源于我国云南省,在传播过程中,从形态水平到细胞水平再到分子水平,发生了一系列变异,形成了各茶区多样的种质资源[23]。茶树长时期内进行着天然杂交,属于异花授粉作物,致使目前的茶树群体都具有极端杂合的特点,为茶树丰富的遗传多样性奠定了基础。变异性是有机体的基本特性之一,育种上利用的变异性是遗传性的变异,即有机体本性的改变。为了扩大当地作物的种类和优良品种的种植面积,不同地区间相互引种。引种过程中,因不同纬度导致气候差异、生物差异与土壤差异,引入品种栽培在不同于原产地的环境下,经自然选择或人工选择,它的性状变异的范围决定于生存环境条件差异的大小和品种本身遗传性的稳定性。在引种驯化过程中,幼龄阶段植物的遗传变异性较大,实生苗对环境变化适应能力强,当引种种植区与茶树品种产地环境差异明显时,引种过程必须采取逐步迁移的办法完成驯化[24]。

2.1 引种后茶树的遗传性状变异

我国90%左右的山茶属植物分布在西南及南部[25]。茶树以贵州、云南、广西的生态过渡区为中心扩散而逐渐减少。南方因其气候条件适宜茶树栽培,可以为北方茶区提供茶树良种。茶树是多年生常绿木本植物,在夏季高温多雨、冬季低温少雨的南方气候条件下形成许多遗传特性,如乔木或小乔木树型、叶大色淡质薄、芽壮毫多、发芽早、生长期长、茶多酚和咖啡碱含量高、喜温等特点。茶树原始类型为乔木状,随着向北和海拔高的地区引种,逐渐变为灌木状,叶片由大变小,叶肉由薄变厚,并带有革质,这种茶树对低温有特殊的适应性。茶树在适应环境条件变化的过程中,外部形态发生了变化,并形成一些特殊的生物学性能。同时,茶浓度降低、香气提高[26]。

北方地区的茶树生长在降雨少、冬季干冷、积温小的气候条件下,形成了典型的灌木树型,生育期短,叶片小而厚,叶色黄绿,氨基酸含量高,抗寒性强。北种南下后,由于生活环境更适合茶树的栽培条件,更有利于茶树的生长发育,因此茶树的表现与南种北引相比有相反的趋势。

2.1.1 形态变化 茶树遗传育种的表型多样性研究主要在生殖器官和营养器官,其中生殖器官主要包括花瓣数量、种子大小及形状等;营养器官主要包括叶片色泽、大小及形状等[27]。茶树的形态学遗传多样性研究主要在种间或种内花、果实、叶片和新梢等性状的遗传差异[45]。在树型方面,植株矮化,最低分枝部位降低。如刘树峰等[28]引入安吉白茶到西藏错那县,测得相较于生长在安徽的安吉白茶,所引茶树在西藏平均苗高变矮,根茎细小,生根速度缓慢,生长势弱。叶片上,云南大叶种北引后,叶片与原产地相比,颜色加深,叶面积变小。在解剖结构上,其上表皮增厚,栅状组织与海绵组织的比值增大,栅状组织数量增多。刘洋等[29]概述山东引种的茶树叶片厚度明显增加,海绵组织减少,栅栏组织细胞变厚变短,层数增加。茶树南移后,叶片变大变薄,栅栏组织增加至2～3层,海绵组织明显变薄。生长在四川的乐昌白毛茶叶片长度比生长在原产地的短且小,新梢芽叶重量显著减少。在昼夜节律方面,受日照和温度的影响,部分茶树花期缩短,结实率降低。南方地区的日照和气温条件,有利于茶树开花结果,北种南移后,一般花期延长,开花结实数增多。如鸠坑种引至南方茶区,花期长,结实率达开花数的20%以上,比原产地结实多,这对提高茶叶产量是不利的。茶树发芽期和年生长期会随着茶树种植区气温降低程度(与原产地相比)的不同相应地延后和缩短[30]。在北茶区,茶树物候期推迟。在山东泰安茶区观测到金萱品种萌芽期较主栽的绿茶早生品种迟25天。我国南方地区比北方地区春季气温回暖早、上升快。北种南移后,其茶萌发生长需要的温度易满足,因而比当地一般品种发芽较早,花期延长,结实率高,往往是属于早生品种,如紫阳种和信阳种分别从陕西紫阳、河南信阳引种到长沙栽培,春茶萌发期较原产地早。

引种茶树地生长情况与运输过程、气候环境、枝叶修剪、栽培过程、施肥浇灌都有关联,一旦某一因素出现异常,都会影响到茶树的生长繁殖[31]。因此,必须严格把控引种过程。

2.1.2 生化成分变化 茶树生化成分是在不同的基因调控下的代谢产物,具有很高的营养和药用价值[32],是鉴定和评价茶叶品质优劣、筛选优质茶树资源和茶树分类等的重要参考依据,是遗传特性的具体表现之一。茶树跨纬度、跨区域引种后,土壤与气候等环境要素的不同会影响茶叶中的生物成分与化学成分的含量[33]。引种后,茶叶的生化成分属于重要研究部分。

北引后,茶树新梢氨基酸含量增加、茶多酚含量减少,咖啡碱含量变化不明显[34]。李晓东等[35]对南方祁门褚叶种与日照绿茶的品质比较显示:南茶北引后,咖啡碱含量差别不明显,茶多酚略低,水浸出物和氨基酸含量北方高于南方。茶树南移后,氨基酸含量减少、酚类含量增加,苦涩味增加。刘义明等[36]在东兴市试种龙井43号,发现酚类物质含量增加。王治会[37]等在江西试种的鄂茶1号,茶树中总游离氨基酸含量相较于原产地较低。

2.1.3 抗性变化 引种茶树的抗性是茶树对环境适应能力的体现。抗性研究主要集中在茶树的抗寒、抗旱与抗虫方面。

2.1.3.1 抗寒方面 茶树是一种喜温植物,低温不仅使茶树生长缓慢,茶叶产量减少,也限制了茶树的分布范围。低温胁迫下,茶树发生一系列生理生化变化,包括叶片电导率增加、气孔闭合,植物体内叶绿素含量下降,光合作用强度降低,物质代谢失调,酶促反应失衡[38]。有研究表明,植物在自然冷驯化期间,植物体内会发生多种生理和生化变化,合成抗冻化合物和蛋白质,调控基因表达和代谢途径从而抵御冷胁迫[39]。南方茶区品种的抗逆性比北方茶区差,在耐寒性方面尤其显著,引进北方后茶树容易结冰,甚至遭受严重霜冻。罗雯等[40]研究表明,高耐寒性的茶树可作为茶叶远交、基因转移聚合等选育材料,是茶树良种突破性育种的不可替代的基因源。

2.1.3.2 抗旱方面 茶树属于喜湿植物,对水分需求较高,所处生长环境的年降水量至少需要达到1000 mm[38],否则,其生长发育和代谢会受到干旱胁迫的抑制。在缺水环境下,茶树叶片会萎蔫卷曲,表面存在焦斑,甚至有枯死现象产生,致使茶叶产量和质量显著下降[41];SanamSafaei Chaeikar等[42]发现茶多酚、氨基酸和咖啡碱等物质含量会随茶树所受的干旱胁迫程度而减少,导致茶产品品质下降。在干旱环境胁迫下,植物会积累渗透调节物质以增加体内细胞液浓度、降低细胞渗透压,维持水分。我国北方地区气候干燥,湿度低,在培育驯化南方茶树品种时研究不同茶叶品种的抗旱性极为重要。陕西茶区引入的湖南碧香早品种成活率高,表现出了较强的抗旱性。

2.1.3.3 抗虫方面 在遭受植食性昆虫为害后,植物通过改变自身挥发物组成相、提高挥发物释放量以及释放虫害诱导特异性挥发物等方式,与周围有机体进行化学信号交流,从而发挥其生态功能[43]。茶树受体感知来自植食性昆虫的相关信号后,启动早期信号通路如钙离子、活性氧和MAPK激酶,进而激活植物激素、转录因子和防御基因等信号网,最终以局部和系统的方式启动防御代谢物、蛋白、物理防御和耐受性等防御应答,保护自身免受昆虫攻击[44]。茶树的抗虫性随品种的不同而不同,其中,小绿叶蝉、茶尺蠖等为茶园常见的茶树害虫[45],这些害虫普遍存在于南方茶区,在高海拔地区和北方茶区数量较少。从浙江引种至四川的“中茶302”,在引种初期,有一半以上的茶树在无人为干扰的情况下被小叶绿蝉等害虫为害。

2.1.4 细胞学特征变化 茶树基因组大小为3.8～4.0 Gb,大多数(90.65%)山茶属物种为二倍体,染色体数目为15对,只有少数茶树为多倍体,有45～120条染色体[46]。染色体的变异主要是数目和结构变异,此外还有形态特征的变异,如着丝点位置等[47]。染色体作为遗传物质的载体,它的变异必然造成相应的遗传变异,是遗传多样性研究的重要方法[48]。细胞学标记是通过分析染色体的核型和带型来检测生物的遗传特征、探究生物起源和演化进程的重要方法。Zhen Jin[49]分析了“紫燕”及其自然杂交后代的细胞学参数和染色体核型差异,发现“紫燕”与其后代之间存在遗传多样性,同一母本不同后代的表型和细胞学差异明显。

2.2 引种后茶树的分子遗传多样性

随着分子生物学技术的不断发展,DNA 分子标记技术也应运产生,可以直接反映个体在DNA水平上的差异,能准确且全面地反映出物种遗传多样性的水平[50]。现阶段,在核酸水平上对遗传多样性研究的主要手段是DNA分子标记,以揭示茶树品种的遗传多样性和亲缘关系,指导茶树育种的发展。经40余年发展,DNA分子标记已有数十种[51]。目前,常用的分子标记类型包括随机扩增多态性DNA标记、限制性片段长度多态性、扩增片段长度多态性标记、单核苷酸多态性和简单序列重复标记[52]。

YiLin等[53]从福建、广东和台湾的茶园苗圃,共收集了100份乌龙茶材料,分析了茶树种质资源的SNP位点的多态性。鄢东海等[54]应用RAPD标记贵定鸟王茶、都匀毛尖茶、湄潭苔茶和石阡苔茶,对四个地区茶树种质资源间的遗传差异进行分析,结果表明种质资源内种间的遗传距离(GD)的变幅较大,遗传多样性丰富,遗传变异主要发生在种质资源内。YaoMingzhe[55]对来自中国14个产茶区的450份茶树材料进行了分析,开发了96个新的多态性EST-SSR标记,发现广西、云南和贵州等原始地区的遗传多样性水平较高。

3 结语和展望

从国内茶树引种的情况和表型性状多样性可以看出,国内的茶树种质资源较为丰富。对茶树种质资源的收集鉴定工作一定要引起重视,丰富的种质资源是进行育种工作的基础。国内的茶树育种工作已取得了一定的进展,种植技术与茶树引种的成功率呈正相关。引种后建立了多个新茶园,培育了一系列的新品种,茶叶的竞争力、产量与质量都得到了一定的提升,一定程度上满足了市场的需求,推动了茶产业的发展。

但国内茶树的引种工作还不够充分,今后可从以下几点着手。首先,注意种质资源的保护与收集,创建具有特征特性的茶树种质资源库,分析不同的表型性状与环境的关系,充分收集具有优异遗传性状的种质材料。其次,注意育种目标的选择,质量是茶树引种的首要指标。最后,在引种时,既要重视南茶北引,也要重视北茶南下。统筹兼顾,培育具有本地特色和高品质的茶树品种,使得茶叶质量有所保证,更好地满足市场需求,从而推动茶产业的蓬勃发展。