不同光配比对福鼎大白茶叶片生理和主要氨基酸积累的影响

王加真，刘义富, ，肖 尧，周玲艳，曾一霞，宋世霞，赵 蛾，秦 中

（1.遵义师范学院生物与农业科技学院，贵州遵义 563000；2.遵义师范学院茶叶研究所，贵州遵义 563000；3.遵义师范学院信息工程学院，贵州遵义 563000）

中国是茶树栽培和茶叶饮用的起源地，有丰富的茶树野生资源和栽培品种，其中福鼎大白茶（Camellia sinensiscv.，Fuding-dabaicha）作为国家级良种，种植区域广布全国，且是贵州的主栽茶树品种之一[1]，也是多总量种品牌茶叶的生产原料，含有较高的游离氨基酸[2]。茶叶中游离氨基酸通过影响叶底、茶汤滋味、香气及汤色而影响茶叶品质[3−6]，同时还具有多种保健功能[7]。其中茶氨酸被认为是茶树的特征性氨基酸[8]，在嫩叶中约占游离氨基酸总量的40%～70%[9]，具有一定的降压、安神、改善记忆和增强学习能力、抗肿瘤和预防血管疾病等功能[10−13]。Dias 等[14]研究结果显示L-茶氨酸与人体细胞增殖和调节葡萄糖代谢有关。茶氨酸还与茶汤鲜爽味高度相关[15]。与茶汤鲜爽味有关的氨基酸还有谷氨酸和天冬氨酸等[16]，这两种氨基酸是细胞中多种氨基酸代谢的原料[17]。谷氨酸为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，并且是叶绿素合成的前体物质[18]。天冬氨酸是合成赖氨酸、苏氨酸、甲硫氨酸和异亮氨酸的前体物质[19]，这些氨基酸均为有益于人体的氨基酸[20]。这三种氨基酸含量不仅直接关系到茶叶的品质，还通过代谢途径关联其他氨基酸的合成，从而间接影响茶叶的品质和茶树生理，提高它们的含量，有利于茶叶品质的改善和调节茶树生长。游离氨基酸含量是由多基因控制的数量性状，受光照、温度及土壤养分等环境影响较大[21−23]。因此可通过选育高含量品种或改善栽培环境来提高茶树叶片中氨基酸含量。但利用育种方法选育高氨基酸含量品种耗时长、成本高，且需要相应的资源，而通过调控环境促进氨基酸含量增长见效快、成本低。

光照通过控制光合作用而影响茶树生理和氨基酸的合成与分解代谢，从而影响茶树生长和氨基酸的含量。光质对植物的新陈代谢和基因表达等有广泛的调节作用，造成植物的多种化学组分含量发生变化，进而影响品质形成[24]。因此控制光质可以调控作物化学成分的含量和作物品质。茶叶的品质对光质较敏感，蓝紫光影响茶叶中氨基酸及部分香气物质的含量[25]，红光可以降低鲜叶中儿茶素含量，蓝光可以提高鲜叶中氨基酸含量，从而使萎凋后茶叶中儿茶素降低，氨基酸升高[26]。绿光则参与植物光合作用，影响光合能力[27−29]。茶树栽培环境研究中以绿光为背景研究不同比例红蓝光对茶树生长动态及主要氨基酸的影响目前尚未有相关报道。近年来随着光电技术的革新，人工光源被广泛用于植物种植及智慧农业领域，其中发光二极管（light emitting diode，LED）因其具有节能、环保、寿命长等特点而成为绿色光源，在植物生长照明应用中具有较好的前景[30−33]。

本研究以福鼎大白茶一年生幼苗为材料，研究了不同光照下茶叶叶绿素指数、氮平衡指数、类黄酮指数、花青素指数的变化规律及主要氨基酸积累量的差异，揭示不同红蓝光配比光源对茶树叶片主要氨基酸积累的差异与生理适应机制，以期为深入开发基于增加茶叶茶氨酸积累的光质调控技术提供理论依据，为工厂化栽培优质茶树提供技术支撑，促进绿色智慧茶产业的发展。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

试验茶苗 由贵州省湄潭县国家农业科技园区茶树良种繁育中心繁育，选取高度一致的盆栽福鼎大白茶树一年生幼苗（株高（20.0±0.5）cm）;没食子酸、茶氨酸、谷氨酸、天冬氨酸标样 Sigma 公司；硫酸亚铁、酒石酸钾钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、三氯化铝、氯化亚锡、茚三酮 均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

AKF-ZWG-V0 高精准光谱可调型人工气候箱安徽昂科丰光电科技公司；HAAS-2000 高精度快速光谱辐射计 杭州远方光电公司；Dualex4 氮平衡指数测量仪 法国FORCE-A 公司；LAM-A 叶面积扫描仪 北京恒奥德仪器仪表有限公司；S433D 氨基酸自动分析仪 德国sykam 公司；Eppendorf MiniSpin 高速离心机 德国艾本德公司；UV-9000S紫外可见光光度计 上海元析仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 光谱参数测定 将HAAS-2000 高精度快速光谱辐射计的光纤出光口接入仪器前面板光纤接口处，并将旋钮旋紧，将光纤出光口为圆形的一端连接到积分球，分别将四种试验光源放入积分球中，选择自动积分进行测量后使用SPIC-200 V1.00 315 软件分析光谱数据，获得光源峰值波长、蓝光占比、绿光占比、红光占比数据。

1.2.2 生长指数测定 采用Dualex 4 氮平衡指数测量仪分别于光照处理后0、7、14、21 d 原位测定茶苗第一片叶的叶绿素指数（chlorophyl index，CHI）、氮平衡指数（nitrigenblance index，NBI）、花青素指数（anthocyanin index，Anth）、类黄酮指数（flavonoids index，Flav），每个光处理选取6 片叶，每片叶选取分布均匀的8 个测定点。分别在光照处理开始（0 d）、结束（21 d）时用叶面积扫描仪（LAM-A）原位测量上述对应叶的面积，计算不同光处理下的茶树叶面积增加量。

1.2.3 叶片生化成分测定 于处理后21 d，每个处理摘取1.2.2 实验中的对应叶片，称其鲜重，蒸汽杀青3 min，于80 ℃条件下烘干至恒重并称重，计算叶片含水量，磨碎样品。采用酒石酸铁比色法（GB/T 8313-2008 茶叶中茶多酚和儿茶素类含量的检测方法）测定茶多酚含量；采用茚三酮显色法（GB/T 8314-2002 茶游离氨基酸总量测定）测定总游离氨基酸含量；混合氨基酸标准溶液和样品测定液分别注入S433D 氨基酸自动分析仪，测定条件：磺酸型阳离子树脂色谱柱（4.6 mm×60.0 mm）,柱温57.0 ℃；反应器温度130 ℃；泵A（洗脱溶液）流速为0.40 mL/min，泵B（茚三酮溶液）流速为0.35 mL/min，进样量为20 μL；检测波长为570 nm 和 440 nm，以外标法通过峰面积计算样品测定液中茶氨酸、谷氨酸、天冬氨酸的浓度。

1.3 数据统计分析

采用SPSS18.0 软件进行方差显著性分析。图表采用Excel2013 软件进行制作，并采用Adobe Photoshop CS5 处理后输出。

2 结果与分析

2.1 不同光源的光谱特征分析

为研究光质对茶叶生理及品质的影响，实验选择了不同颜色的LED 灯为光源，其光的组成如表1 所示，白光源（L0）的峰值波长为454 nm，其中蓝光占比5.2%，绿光占比82.1%，红光占比12.7%；高红光占比光源（L1）的峰值波长为659 nm，红光占比71.8%，蓝光占比1.1%，绿光占比27.1%；高蓝光占比光源（L2）的峰值波长为447 nm，蓝光占比62.7%，红光占比3.7%，绿光占比33.6%；红蓝组合光源（L3）的峰值波长为449 nm，红光占比43.1%，蓝光占比29%，绿光占比27.9%。四种光源中均有绿光背景，且绿光占比都在25%以上。白光源中由于红光占比低，绿光占比高，所以峰值波长接近蓝光和红蓝光的峰值波长；红光与蓝光峰值波长相差较大，白光中蓝光和红光的占比均较小，凸显绿光背景，能满足实验对光质差异的要求，光谱见图1。

图1 四种LED 光谱图Fig.1 Four kinds of LED spectra

表1 实验用不同LED 光谱参数Table 1 Spectral parameters for different LEDs in this experiment

2.2 不同红蓝光配比对茶树叶片生长指数的影响

Dulax4 氮平衡指数测量仪具有快速、非破坏性、多指数测定的特点，可在植株上同时测定茶叶氮平衡指数、叶绿素指数、类黄酮指数、花青素指数[34−35]。氮平衡指数（NBI）是叶绿素与类黄酮的比值，反映作物长势，可用来评估叶片氮素营养状况，NBI 低，说明叶片缺氮，NBI 过高，表明氮素过多[36−37]。

如图2A 所示，所有光质处理下氮平衡指数均随处理时间延长呈现增长的趋势。与0 d 相比，L0、L1 和L3 处理在7 d 时NBI 均出现显著增加（P<0.05），L2 处理在14 d 时出现显著性增加（P<0.05）。处理14 d 时L1 和L3 处理的NBI 与对照有显著性差异（P<0.05）。处理21 d 时，L1 处理下的NBI 与其他三种处理存在显著差异（P<0.05），说明红光可提高茶树氮素的利用效率。如图2B 所示，叶绿素指数同样随光照处理时间延长呈现增长的趋势。L0、L2处理在7 d 时叶绿素指数出现显著增加，L1、L3 处理在14 d 时叶绿素指数出现显著性增加（P<0.05）。四种不同组合光处理下到14 d 时，L1 处理下叶绿素含量显著低于其他处理（P<0.05），随时间延长有升高而与其他处理间无显著差异（P>0.05）。该结果与闫萌萌等[38]的研究结果不一致，可能是由于实验中采用的光不是单一色光导致的。如图2C 所示，所有光处理随处理时间延长类黄酮指数变化均无显著差异（P>0.05）。在处理14 d 时，L1 处理与其他三种处理对类黄酮指数的影响存在显著差异（P<0.05），但在处理21 d 时，L1 处理与其他三种处理对类黄酮指数的影响无显著差异（P>0.05）。可以看出，类黄酮指数对试验光照时长不敏感，但在处理14 d 后，L1 处理下类黄酮指数显著低于其他光照处理，说明在一定的时间范围内，增加红光比例，降低蓝光比例有助于降低类黄酮含量。

图2 不同光处理下茶树叶生长指数的变化Fig.2 variations of tea leaf growth index under different light treatments

花青素是一类水溶性的类黄酮，不仅赋予植物叶、花和果的颜色，同时也与植物的逆境生理有关[39]，光质是影响其含量高低的因素之一。如图2D 所示，本实验中，与0 d 相比，L0 处理在14 d 时花青素指数显著下降（P<0.05），L3 和L2 处理在21 d 显著下降（P<0.05），处理14 d 时，L1 处理与L0 和L3 处理有显著差异（P<0.05）。处理21 d 时，L1 处理显著高于L0、L2 处理（P<0.05），但与L3 处理无显著差异（P>0.05）。

2.3 不同红蓝光配比对茶树叶片含水量、叶面积增加的影响

不同红蓝光配比处理茶树叶片含水量和单叶叶面积增加量如表2 所示。L2 能促进茶叶含水量增加，但叶片面积显著低于其他几种处理，说明叶片的生长速率减缓，降低茶叶的产量。L2 处理21 d 后叶片含水量明显高于L0 和L1 处理（P<0.05），但与L3 处理无显著性差异（P>0.05）。L2 处理21 d 后叶面积增加量明显低于L0、L1 和L3 处理（P>0.05）。L3 处理叶面积增加量最多，显著增加了叶片生长速率，与其他处理存在显著差异（P<0.05）。增加红光比例叶片面积增加可能源于红光有利于叶绿素总量的增加[40]，光合效率增强，所以叶面积增加明显。但比L3 处理下低，说明红光占比在一定的范围内促进叶绿素总量的增加。

表2 不同光处理21 d 后福鼎大白茶叶片的生理指标的比较（平均值±标准差，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 光质对茶树叶片茶多酚、游离氨基酸含量和酚氨比的影响

茶多酚、氨基酸是决定茶叶品质的重要成分，其中茶多酚和氨基酸的比值（酚氨比）与绿茶茶汤的滋味鲜度、醇度呈负相关[41]。不同配比光源处理21 d后叶片茶多酚含量并无显著差异（P>0.05）。图2C中类黄酮指数也表现出相同的结果，类黄酮是茶多酚中最大的一类，说明试验中的光质对茶多酚含量的影响不大。与L0 相比，L2 和L3 处理后叶片游离氨基酸含量显著增加、酚氨比显著下降（P<0.05），根据类黄酮类化合物的生物合成途径[42]，可能是蓝光能阻止氨基酸向多酚转化的结果。L2 处理和L3 处理之间氨基酸含量无显著差异（P>0.05）。L1 处理与L0 处理的叶片游离氨基酸含量之间无显著差异（P>0.05）。

2.5 光质对茶树叶片游离氨基酸组分的影响

茶叶中游离氨基酸多达28 种，其种类及含量对光质的响应存在较大的差异[21]。本实验中对茶氨酸、谷氨酸、天冬氨酸三种氨基酸含量进行了测定。如表3 所示，将表3 中三种氨基酸含量的和除以表2 中游离氨基酸总量得3 种氨基酸含量占总游离氨基酸的比例，其次序为L3（78.64%）>L2（70.95%）>L0（67.43%）>L1（47.30%）；3 种氨基酸含量的次序为 L3（1.3921%）>L2（1.2062%）>L0（0.9171%）>L1（0.6669%）；茶氨酸是茶树中特有游离氨基酸，其含量的次序为L3（0.6379%）>L2（0.5792%）>L0（0.4256%）>L1（0.2912%）；谷氨酸含量的次序为L3（0.4186%）>L2（0.4044%）>L0（0.3185%）>L1（0.2470%）；天冬氨酸含量的次序为L3（0.3354%）>L2（0.2226%）>L0（0.1730%）>L1（0.1287%）。结果表明，茶氨酸、谷氨酸、天冬氨酸3 种主要氨基酸的积累高度依赖蓝光，与L1 相比，L2 更有利于茶树叶片茶氨酸、谷氨酸、天冬氨酸的积累。红蓝复合光的效果更佳，复合光中蓝光比例越高，越有利于3 种氨基酸的积累。尽管L0 与L1 处理总游离氨基酸无差异，但茶氨酸、谷氨酸、天冬氨酸三种氨基酸L1 处理下都要偏低。由于实验中未测定0 d的叶片氨基酸含量，结合2.4的结果，可能蓝光有利于三种主要氨基酸的积累。L2 和L3 处理对总游离氨基酸积累无差异，但L3 处理下三种主要氨基酸积累都要大于L2 处理下，说明复合光是有利于三种主要氨酸酸积累。

表3 不同光质处理21 d 后对福鼎大白茶叶片主要氨基酸积累的影响（%）Table 3 Amino acid contents of leaves under 4 different artifical lights for 21 days(%)

3 结果与讨论

植物叶绿素主要存在于叶片中，所以茶树叶是接受光照的主要部位，叶片的面积及叶绿素含量直接影响植物的光合能力，进而影响茶叶的品质。植物体内不同的光敏色素和隐花色素吸收的光谱波长不同，因此不同光质的光对植物的生长发育的影响不同[43]。光合色素吸收的光谱波长主要在红光区和蓝光区，这两种光对植物的光合作用影响最大[44]。本研究中，高红光占比光源比高蓝光占比光源更有利于提高茶树叶片光合能力，增加叶面积，但红蓝组合光的促进作用更强，在组合光作用下叶面积增加量、游离氨基酸积累量均显著高于高红光占比。这表明对于茶树的光合作用及生长发育仅有红光是不能满足的。与吴庆东[45]研究的结果红色膜滤光利于茶叶中茶多酚的积累不同，本试验中红光对茶树叶片茶多酚含量并无显著性影响。不仅如此，其他光源对茶多酚含量均无影响，可能原因是本试验中的光质并非单色光，每种光处理都含有一定比例的绿光。

本实验在相同的光合有效的光子通量密度（100 μmol·m−2·s−1）条件下进行。当降低绿光比例，增加红光比例游离氨基酸含量比对照（白光）显著降低（P<0.05），增加蓝光比例游离氨基酸含量显著增加（P<0.05），同时增加红光和蓝光比例，能显著增加叶面积和游离氨基酸含量，显著降低酚氨比。蓝光占比高明显促进茶叶氨基酸含量，尽管高蓝光占比光源处理与红蓝光处理对茶叶游离氨基酸含量并无显著性差异（P>0.05），但红蓝光处理下三种主要氨基酸的量占总游离氨基酸的比例（78.64%）较高蓝光占比光源处理下（67.43%）更高。这与Sander 等[46]的研究结果一致，其研究表明红蓝组合光中叶片光合能力随着蓝光比例从0 到50%增加而提高，而蓝光超过50%后光合能力降低。

绿光在生菜的研究中表明能降低叶片中叶绿素的分解，促进生长，提高品质[27,47]。Kevin 等[48]研究认为绿光超过50%时抑制植物生长，而在绿光比例低于24%时则加强植物生长。本实验中的光照处理绿光比例均大于24%，白光中的绿光比例高达82.1%，并未出现抑制茶树生长的现象，且白光发挥了与高红光占比光源同样的效应，对茶叶生长及品质形成而言，高红光占比光源与白光之间无显著性差异，可能归因于白光中有一定比例的红光（5.2%）和蓝光（12.7%），产生红蓝光双光增益效应。红蓝光中红光占比43.1%、蓝光占比29%、绿光占比27.9%，红蓝双光增益效应更为显著，明显促进了茶叶叶面积增加及氨基素积累。光合辅助色素类胡萝卜素可以吸收绿光并且传递给叶绿素，用于光合作用。绿光对蓝光促进的气孔开放有影响，但对红光促进的气孔开放没有影响[49]。实际生产中，绿光有潜力作为茶树光环境优化的光因子之一，本研究结果可为茶树供光策略优化和供光模型的建立提供一定的理论依据。