不同光配比對福鼎大白茶葉片生理和主要氨基酸積累的影響

王加真，劉義富, ，肖 堯，周玲艷，曾一霞，宋世霞，趙 蛾，秦 中

（1.遵義師范學院生物與農業科技學院，貴州遵義 563000；2.遵義師范學院茶葉研究所，貴州遵義 563000；3.遵義師范學院信息工程學院，貴州遵義 563000）

中國是茶樹栽培和茶葉飲用的起源地，有豐富的茶樹野生資源和栽培品種，其中福鼎大白茶（Camellia sinensiscv.，Fuding-dabaicha）作為國家級良種，種植區域廣布全國，且是貴州的主栽茶樹品種之一[1]，也是多總量種品牌茶葉的生產原料，含有較高的游離氨基酸[2]。茶葉中游離氨基酸通過影響葉底、茶湯滋味、香氣及湯色而影響茶葉品質[3?6]，同時還具有多種保健功能[7]。其中茶氨酸被認為是茶樹的特征性氨基酸[8]，在嫩葉中約占游離氨基酸總量的40%～70%[9]，具有一定的降壓、安神、改善記憶和增強學習能力、抗腫瘤和預防血管疾病等功能[10?13]。Dias 等[14]研究結果顯示L-茶氨酸與人體細胞增殖和調節葡萄糖代謝有關。茶氨酸還與茶湯鮮爽味高度相關[15]。與茶湯鮮爽味有關的氨基酸還有谷氨酸和天冬氨酸等[16]，這兩種氨基酸是細胞中多種氨基酸代謝的原料[17]。谷氨酸為其他氨基酸的合成提供氨基和碳骨架，可合成γ-氨基丁酸、精氨酸和脯氨酸，并且是葉綠素合成的前體物質[18]。天冬氨酸是合成賴氨酸、蘇氨酸、甲硫氨酸和異亮氨酸的前體物質[19]，這些氨基酸均為有益于人體的氨基酸[20]。這三種氨基酸含量不僅直接關系到茶葉的品質，還通過代謝途徑關聯其他氨基酸的合成，從而間接影響茶葉的品質和茶樹生理，提高它們的含量，有利于茶葉品質的改善和調節茶樹生長。游離氨基酸含量是由多基因控制的數量性狀，受光照、溫度及土壤養分等環境影響較大[21?23]。因此可通過選育高含量品種或改善栽培環境來提高茶樹葉片中氨基酸含量。但利用育種方法選育高氨基酸含量品種耗時長、成本高，且需要相應的資源，而通過調控環境促進氨基酸含量增長見效快、成本低。

光照通過控制光合作用而影響茶樹生理和氨基酸的合成與分解代謝，從而影響茶樹生長和氨基酸的含量。光質對植物的新陳代謝和基因表達等有廣泛的調節作用，造成植物的多種化學組分含量發生變化，進而影響品質形成[24]。因此控制光質可以調控作物化學成分的含量和作物品質。茶葉的品質對光質較敏感，藍紫光影響茶葉中氨基酸及部分香氣物質的含量[25]，紅光可以降低鮮葉中兒茶素含量，藍光可以提高鮮葉中氨基酸含量，從而使萎凋后茶葉中兒茶素降低，氨基酸升高[26]。綠光則參與植物光合作用，影響光合能力[27?29]。茶樹栽培環境研究中以綠光為背景研究不同比例紅藍光對茶樹生長動態及主要氨基酸的影響目前尚未有相關報道。近年來隨著光電技術的革新，人工光源被廣泛用于植物種植及智慧農業領域，其中發光二極管（light emitting diode，LED）因其具有節能、環保、壽命長等特點而成為綠色光源，在植物生長照明應用中具有較好的前景[30?33]。

本研究以福鼎大白茶一年生幼苗為材料，研究了不同光照下茶葉葉綠素指數、氮平衡指數、類黃酮指數、花青素指數的變化規律及主要氨基酸積累量的差異，揭示不同紅藍光配比光源對茶樹葉片主要氨基酸積累的差異與生理適應機制，以期為深入開發基于增加茶葉茶氨酸積累的光質調控技術提供理論依據，為工廠化栽培優質茶樹提供技術支撐，促進綠色智慧茶產業的發展。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

試驗茶苗 由貴州省湄潭縣國家農業科技園區茶樹良種繁育中心繁育，選取高度一致的盆栽福鼎大白茶樹一年生幼苗（株高（20.0±0.5）cm）;沒食子酸、茶氨酸、谷氨酸、天冬氨酸標樣 Sigma 公司；硫酸亞鐵、酒石酸鉀鈉、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀、三氯化鋁、氯化亞錫、茚三酮 均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

AKF-ZWG-V0 高精準光譜可調型人工氣候箱安徽昂科豐光電科技公司；HAAS-2000 高精度快速光譜輻射計 杭州遠方光電公司；Dualex4 氮平衡指數測量儀 法國FORCE-A 公司；LAM-A 葉面積掃描儀 北京恒奧德儀器儀表有限公司；S433D 氨基酸自動分析儀 德國sykam 公司；Eppendorf MiniSpin 高速離心機 德國艾本德公司；UV-9000S紫外可見光光度計 上海元析儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 光譜參數測定 將HAAS-2000 高精度快速光譜輻射計的光纖出光口接入儀器前面板光纖接口處，并將旋鈕旋緊，將光纖出光口為圓形的一端連接到積分球，分別將四種試驗光源放入積分球中，選擇自動積分進行測量后使用SPIC-200 V1.00 315 軟件分析光譜數據，獲得光源峰值波長、藍光占比、綠光占比、紅光占比數據。

1.2.2 生長指數測定 采用Dualex 4 氮平衡指數測量儀分別于光照處理后0、7、14、21 d 原位測定茶苗第一片葉的葉綠素指數（chlorophyl index，CHI）、氮平衡指數（nitrigenblance index，NBI）、花青素指數（anthocyanin index，Anth）、類黃酮指數（flavonoids index，Flav），每個光處理選取6 片葉，每片葉選取分布均勻的8 個測定點。分別在光照處理開始（0 d）、結束（21 d）時用葉面積掃描儀（LAM-A）原位測量上述對應葉的面積，計算不同光處理下的茶樹葉面積增加量。

1.2.3 葉片生化成分測定 于處理后21 d，每個處理摘取1.2.2 實驗中的對應葉片，稱其鮮重，蒸汽殺青3 min，于80 ℃條件下烘干至恒重并稱重，計算葉片含水量，磨碎樣品。采用酒石酸鐵比色法（GB/T 8313-2008 茶葉中茶多酚和兒茶素類含量的檢測方法）測定茶多酚含量；采用茚三酮顯色法（GB/T 8314-2002 茶游離氨基酸總量測定）測定總游離氨基酸含量；混合氨基酸標準溶液和樣品測定液分別注入S433D 氨基酸自動分析儀，測定條件：磺酸型陽離子樹脂色譜柱（4.6 mm×60.0 mm）,柱溫57.0 ℃；反應器溫度130 ℃；泵A（洗脫溶液）流速為0.40 mL/min，泵B（茚三酮溶液）流速為0.35 mL/min，進樣量為20 μL；檢測波長為570 nm 和 440 nm，以外標法通過峰面積計算樣品測定液中茶氨酸、谷氨酸、天冬氨酸的濃度。

1.3 數據統計分析

采用SPSS18.0 軟件進行方差顯著性分析。圖表采用Excel2013 軟件進行制作，并采用Adobe Photoshop CS5 處理后輸出。

2 結果與分析

2.1 不同光源的光譜特征分析

為研究光質對茶葉生理及品質的影響，實驗選擇了不同顏色的LED 燈為光源，其光的組成如表1 所示，白光源（L0）的峰值波長為454 nm，其中藍光占比5.2%，綠光占比82.1%，紅光占比12.7%；高紅光占比光源（L1）的峰值波長為659 nm，紅光占比71.8%，藍光占比1.1%，綠光占比27.1%；高藍光占比光源（L2）的峰值波長為447 nm，藍光占比62.7%，紅光占比3.7%，綠光占比33.6%；紅藍組合光源（L3）的峰值波長為449 nm，紅光占比43.1%，藍光占比29%，綠光占比27.9%。四種光源中均有綠光背景，且綠光占比都在25%以上。白光源中由于紅光占比低，綠光占比高，所以峰值波長接近藍光和紅藍光的峰值波長；紅光與藍光峰值波長相差較大，白光中藍光和紅光的占比均較小，凸顯綠光背景，能滿足實驗對光質差異的要求，光譜見圖1。

圖1 四種LED 光譜圖Fig.1 Four kinds of LED spectra

表1 實驗用不同LED 光譜參數Table 1 Spectral parameters for different LEDs in this experiment

2.2 不同紅藍光配比對茶樹葉片生長指數的影響

Dulax4 氮平衡指數測量儀具有快速、非破壞性、多指數測定的特點，可在植株上同時測定茶葉氮平衡指數、葉綠素指數、類黃酮指數、花青素指數[34?35]。氮平衡指數（NBI）是葉綠素與類黃酮的比值，反映作物長勢，可用來評估葉片氮素營養狀況，NBI 低，說明葉片缺氮，NBI 過高，表明氮素過多[36?37]。

如圖2A 所示，所有光質處理下氮平衡指數均隨處理時間延長呈現增長的趨勢。與0 d 相比，L0、L1 和L3 處理在7 d 時NBI 均出現顯著增加（P<0.05），L2 處理在14 d 時出現顯著性增加（P<0.05）。處理14 d 時L1 和L3 處理的NBI 與對照有顯著性差異（P<0.05）。處理21 d 時，L1 處理下的NBI 與其他三種處理存在顯著差異（P<0.05），說明紅光可提高茶樹氮素的利用效率。如圖2B 所示，葉綠素指數同樣隨光照處理時間延長呈現增長的趨勢。L0、L2處理在7 d 時葉綠素指數出現顯著增加，L1、L3 處理在14 d 時葉綠素指數出現顯著性增加（P<0.05）。四種不同組合光處理下到14 d 時，L1 處理下葉綠素含量顯著低于其他處理（P<0.05），隨時間延長有升高而與其他處理間無顯著差異（P>0.05）。該結果與閆萌萌等[38]的研究結果不一致，可能是由于實驗中采用的光不是單一色光導致的。如圖2C 所示，所有光處理隨處理時間延長類黃酮指數變化均無顯著差異（P>0.05）。在處理14 d 時，L1 處理與其他三種處理對類黃酮指數的影響存在顯著差異（P<0.05），但在處理21 d 時，L1 處理與其他三種處理對類黃酮指數的影響無顯著差異（P>0.05）?？梢钥闯?，類黃酮指數對試驗光照時長不敏感，但在處理14 d 后，L1 處理下類黃酮指數顯著低于其他光照處理，說明在一定的時間范圍內，增加紅光比例，降低藍光比例有助于降低類黃酮含量。

圖2 不同光處理下茶樹葉生長指數的變化Fig.2 variations of tea leaf growth index under different light treatments

花青素是一類水溶性的類黃酮，不僅賦予植物葉、花和果的顏色，同時也與植物的逆境生理有關[39]，光質是影響其含量高低的因素之一。如圖2D 所示，本實驗中，與0 d 相比，L0 處理在14 d 時花青素指數顯著下降（P<0.05），L3 和L2 處理在21 d 顯著下降（P<0.05），處理14 d 時，L1 處理與L0 和L3 處理有顯著差異（P<0.05）。處理21 d 時，L1 處理顯著高于L0、L2 處理（P<0.05），但與L3 處理無顯著差異（P>0.05）。

2.3 不同紅藍光配比對茶樹葉片含水量、葉面積增加的影響

不同紅藍光配比處理茶樹葉片含水量和單葉葉面積增加量如表2 所示。L2 能促進茶葉含水量增加，但葉片面積顯著低于其他幾種處理，說明葉片的生長速率減緩，降低茶葉的產量。L2 處理21 d 后葉片含水量明顯高于L0 和L1 處理（P<0.05），但與L3 處理無顯著性差異（P>0.05）。L2 處理21 d 后葉面積增加量明顯低于L0、L1 和L3 處理（P>0.05）。L3 處理葉面積增加量最多，顯著增加了葉片生長速率，與其他處理存在顯著差異（P<0.05）。增加紅光比例葉片面積增加可能源于紅光有利于葉綠素總量的增加[40]，光合效率增強，所以葉面積增加明顯。但比L3 處理下低，說明紅光占比在一定的范圍內促進葉綠素總量的增加。

表2 不同光處理21 d 后福鼎大白茶葉片的生理指標的比較（平均值±標準差，n=6）Table 2 Comparison of the biochemical index of Fuding-dabaicha leaves after 21 d under different light treatments（mean±SD,n=6）

2.4 光質對茶樹葉片茶多酚、游離氨基酸含量和酚氨比的影響

茶多酚、氨基酸是決定茶葉品質的重要成分，其中茶多酚和氨基酸的比值（酚氨比）與綠茶茶湯的滋味鮮度、醇度呈負相關[41]。不同配比光源處理21 d后葉片茶多酚含量并無顯著差異（P>0.05）。圖2C中類黃酮指數也表現出相同的結果，類黃酮是茶多酚中最大的一類，說明試驗中的光質對茶多酚含量的影響不大。與L0 相比，L2 和L3 處理后葉片游離氨基酸含量顯著增加、酚氨比顯著下降（P<0.05），根據類黃酮類化合物的生物合成途徑[42]，可能是藍光能阻止氨基酸向多酚轉化的結果。L2 處理和L3 處理之間氨基酸含量無顯著差異（P>0.05）。L1 處理與L0 處理的葉片游離氨基酸含量之間無顯著差異（P>0.05）。

2.5 光質對茶樹葉片游離氨基酸組分的影響

茶葉中游離氨基酸多達28 種，其種類及含量對光質的響應存在較大的差異[21]。本實驗中對茶氨酸、谷氨酸、天冬氨酸三種氨基酸含量進行了測定。如表3 所示，將表3 中三種氨基酸含量的和除以表2 中游離氨基酸總量得3 種氨基酸含量占總游離氨基酸的比例，其次序為L3（78.64%）>L2（70.95%）>L0（67.43%）>L1（47.30%）；3 種氨基酸含量的次序為 L3（1.3921%）>L2（1.2062%）>L0（0.9171%）>L1（0.6669%）；茶氨酸是茶樹中特有游離氨基酸，其含量的次序為L3（0.6379%）>L2（0.5792%）>L0（0.4256%）>L1（0.2912%）；谷氨酸含量的次序為L3（0.4186%）>L2（0.4044%）>L0（0.3185%）>L1（0.2470%）；天冬氨酸含量的次序為L3（0.3354%）>L2（0.2226%）>L0（0.1730%）>L1（0.1287%）。結果表明，茶氨酸、谷氨酸、天冬氨酸3 種主要氨基酸的積累高度依賴藍光，與L1 相比，L2 更有利于茶樹葉片茶氨酸、谷氨酸、天冬氨酸的積累。紅藍復合光的效果更佳，復合光中藍光比例越高，越有利于3 種氨基酸的積累。盡管L0 與L1 處理總游離氨基酸無差異，但茶氨酸、谷氨酸、天冬氨酸三種氨基酸L1 處理下都要偏低。由于實驗中未測定0 d的葉片氨基酸含量，結合2.4的結果，可能藍光有利于三種主要氨基酸的積累。L2 和L3 處理對總游離氨基酸積累無差異，但L3 處理下三種主要氨基酸積累都要大于L2 處理下，說明復合光是有利于三種主要氨酸酸積累。

表3 不同光質處理21 d 后對福鼎大白茶葉片主要氨基酸積累的影響（%）Table 3 Amino acid contents of leaves under 4 different artifical lights for 21 days(%)

3 結果與討論

植物葉綠素主要存在于葉片中，所以茶樹葉是接受光照的主要部位，葉片的面積及葉綠素含量直接影響植物的光合能力，進而影響茶葉的品質。植物體內不同的光敏色素和隱花色素吸收的光譜波長不同，因此不同光質的光對植物的生長發育的影響不同[43]。光合色素吸收的光譜波長主要在紅光區和藍光區，這兩種光對植物的光合作用影響最大[44]。本研究中，高紅光占比光源比高藍光占比光源更有利于提高茶樹葉片光合能力，增加葉面積，但紅藍組合光的促進作用更強，在組合光作用下葉面積增加量、游離氨基酸積累量均顯著高于高紅光占比。這表明對于茶樹的光合作用及生長發育僅有紅光是不能滿足的。與吳慶東[45]研究的結果紅色膜濾光利于茶葉中茶多酚的積累不同，本試驗中紅光對茶樹葉片茶多酚含量并無顯著性影響。不僅如此，其他光源對茶多酚含量均無影響，可能原因是本試驗中的光質并非單色光，每種光處理都含有一定比例的綠光。

本實驗在相同的光合有效的光子通量密度（100 μmol·m?2·s?1）條件下進行。當降低綠光比例，增加紅光比例游離氨基酸含量比對照（白光）顯著降低（P<0.05），增加藍光比例游離氨基酸含量顯著增加（P<0.05），同時增加紅光和藍光比例，能顯著增加葉面積和游離氨基酸含量，顯著降低酚氨比。藍光占比高明顯促進茶葉氨基酸含量，盡管高藍光占比光源處理與紅藍光處理對茶葉游離氨基酸含量并無顯著性差異（P>0.05），但紅藍光處理下三種主要氨基酸的量占總游離氨基酸的比例（78.64%）較高藍光占比光源處理下（67.43%）更高。這與Sander 等[46]的研究結果一致，其研究表明紅藍組合光中葉片光合能力隨著藍光比例從0 到50%增加而提高，而藍光超過50%后光合能力降低。

綠光在生菜的研究中表明能降低葉片中葉綠素的分解，促進生長，提高品質[27,47]。Kevin 等[48]研究認為綠光超過50%時抑制植物生長，而在綠光比例低于24%時則加強植物生長。本實驗中的光照處理綠光比例均大于24%，白光中的綠光比例高達82.1%，并未出現抑制茶樹生長的現象，且白光發揮了與高紅光占比光源同樣的效應，對茶葉生長及品質形成而言，高紅光占比光源與白光之間無顯著性差異，可能歸因于白光中有一定比例的紅光（5.2%）和藍光（12.7%），產生紅藍光雙光增益效應。紅藍光中紅光占比43.1%、藍光占比29%、綠光占比27.9%，紅藍雙光增益效應更為顯著，明顯促進了茶葉葉面積增加及氨基素積累。光合輔助色素類胡蘿卜素可以吸收綠光并且傳遞給葉綠素，用于光合作用。綠光對藍光促進的氣孔開放有影響，但對紅光促進的氣孔開放沒有影響[49]。實際生產中，綠光有潛力作為茶樹光環境優化的光因子之一，本研究結果可為茶樹供光策略優化和供光模型的建立提供一定的理論依據。