对云南10个地区的830份茶树种质资源主要表型性状的遗传多样性分析和比较表明, 云南茶树种质资源具有丰富的表型遗传多样性, 13个描述型性状的遗传多样性指数在0.64~1.40之间, 平均为1.04, 以芽叶色泽较高, 叶基较低; 不同地区的茶树资源遗传多样性指数在0.76~0.99之间, 以红河地区较高, 其次是临沧和文山地区, 以昭通地区较低。14个数值型性状的变异系数在10.27%~48.14%之间, 平均为26.43%, 以酚氨比较大, 水浸出物含量较小; 不同地区的茶树资源变异系数在16.09%~25.75%之间, 以文山、红河地区较大, 昭通、大理地区较小。茶树资源表型性状的遗传多样性和变异水平显示东南部>西部>东北部的趋势。通过聚类分析, 10个地区的茶树资源划分为3个地理组, 东北部的昭通和东南部的红河各单独聚为一组, 其他8个地区聚为第3组, 显示云南茶树资源存在东南部、西部、东北部生态地理的分化, 初步推断东南部为云南茶树资源表型遗传多样性分布中心。
Yunnan province of China is regarded as the origin center of tea plant, where maintains rich genetic resources of tea plant and its relative species. This study was to understand the phenotypic diversity of these germplasm resources. A total of 830 accessions of
茶树[ Camellia sinensis (L.) O. Kuntze]属山茶科山茶属多年生常绿木本植物, 在长期的自然演化和人为选择过程中, 形成许多生态型, 其表型性状遗传变异非常大, 使得茶树分类研究仍无定论[1,2,3,4]。云南位于北纬20°8°32至29°15°8, 东经97°31′39″至106°11°47之间, 具有复杂的立体生态环境, 是茶树及其野生近缘物种比较丰富的地区, 被认为是茶树的起源地[5]。以大叶类茶树( C . sinensis var. assamica )为代表的云南茶树种质资源, 是在独特的地理气候条件下形成的, 具有独特的适应性和遗传基因多样性, 既是研究茶树起源及进化的活化石, 又是发展茶叶生产、开展茶树育种和科学研究的物质基础[6,7,8]。20世纪70年代以来, 我国开展了云南茶树种质资源的收集、保存及鉴定评价等研究工作, 至今, 国家种质勐海茶树分圃已收集保存了1200余份茶树种质资源, 成为我国宝贵的茶树种质资源基因库。近几年, 已对云南部分茶树资源的形态性状、生化成分及品质特征等做了鉴定评价[9,10,11], 茶树种质资源遗传多样性的研究已从表型标记深入到分子标记[12,13,14], 这些研究为云南茶树资源的有效利用奠定了基础, 但研究材料中仅选取了少量或部分茶树资源, 以至于不能全面了解云南茶树资源的遗传变异信息。云南西双版纳、普洱、临沧等地区都表示自己是茶树原产地的核心区, 以表明本地的资源最古老、最有利用开发价值, 因此, 有必要对各地区的茶树资源系统评价, 以利于种质资源的有效保护和利用。
自2003年以来, 在国家科技平台建设项目、国家科技基础工作专项和农业部种质资源保护项目的资助下, 已对资源圃内830余份茶树资源作了表型鉴定和评价, 并进行了标准化整理整合, 获得了大量的数据资料, 本文以多年来获得的表型性状数据为依据, 分析了云南茶树种质资源的表型遗传多样性及不同地区茶树资源间的遗传差异, 旨在为加强云南茶树种质资源的保护和有效利用提供依据。
云南省10个地区(州、市)的野生茶树、地方品种和选育品种(系)共830份茶树种质资源, 均来自国家种质勐海茶树分圃(表1)。其中西双版纳94份, 保山85份, 楚雄73份, 大理70份, 德宏84份, 红河90份, 临沧97份, 普洱112份, 文山67份, 昭通58份。
试验地位于东经100°25°, 北纬21°55°, 海拔1150 m, 年平均温度18℃, 年均降雨量1400 mm以上, 相对湿度82%。茶树种质圃行距1.5 m, 株距0.33 m, 以有性繁殖, 单株种植, 每份材料种10株, 按常规管理。
选用13个描述型性状(叶色、叶面、叶身、叶缘、叶质、叶形、叶基、叶尖、叶片大小、芽叶色泽、芽叶茸毛、花瓣色泽、花瓣质地)和14个数值型性状(叶长、叶宽、长宽比、叶面积、一芽三叶长、一芽三叶百芽重、花瓣数、花冠直径、柱头开裂数、水浸出物、咖啡碱、茶多酚、氨基酸、酚氨比)分析茶树资源的表型遗传多样性。所有描述型和数值型 性状均按照陈亮等[15]编著的《茶树种质资源描述规范和数据标准》观测和测定。对每份材料顶芽、叶部和花部的描述型性状重复观测10次, 并按其标准分级赋值(表2); 对数值型性状重复测量3次, 取平均值。
春季采摘第一轮新梢一芽二叶平展, 制作烘青绿茶样品, 由农业部茶叶质量监督检测中心按农业行业标准《农作物种质资源鉴定技术规程茶树(NY/T 1312-2007)》[16]测定。用GB/T8305-2002法测定水浸出物, GB/T8313-2008法测定茶多酚, GB/T8314-2002法测定氨基酸, HPLC法测咖啡碱。各生化成分的含量均为2次重复的平均值。
取2003年至2012年间测定数据, 用Excel软件统计描述型性状的变异情况, 并计算Shannon- Wiener多样性指数。用SPSS 16.0软件计算数值型性状的最大值(maximum, Max)、最小值(minimum, Min)、平均值(mean)、标准差(standard deviation, SD)和变异系数(variation coefficient)。用NTSYSpc-Ver 2.10e软件按UPGMA (非加权配对算术平均法)对不同地区的茶树资源进行聚类分析。
830份云南茶树资源的表型性状各指标变异范围较大(表2), 13个描述型性状的统计分析表明(表3), 各性状在其描述级别上均有分布, 但不均匀, 叶色有4种表型, 以绿色所占比例较高; 叶面有3种表型, 以隆起所占比例较高; 叶身有3种表型, 以内折所占比例较高; 叶缘有3种表型, 以微波所占比例较高; 叶质有3种表型, 以柔软所占比例较高; 叶形有5种表型, 以椭圆形和长椭圆形所占比例较高, 其他3种频率分布分散; 叶基有2种表型, 以楔形所占比例较高; 叶尖有4种表型, 以渐尖所占比例较高, 其他3种频率分布分散; 叶片大小有4种表型, 以大叶所占比例较高, 其他3种频率分布分散; 芽叶色泽有5种表型, 以黄绿色所占比例较高, 其他4种频率分布分散; 芽叶茸毛有5种表型, 以芽叶多茸毛所占比例较高, 其他4种频率分布较平均; 花瓣色泽有3种表型, 以白色所占比例较高; 花瓣质地有3种表型, 以花瓣薄所占比例较高。可见茶树资源13个描述型性状均表现出一定的集中性, 不同性状遗传多样性水平不同, 其遗传多样性指数在0.64~1.40之间, 平均为1.04, 并以芽叶色泽较大, 叶基较小, 其他性状的遗传多样性指数为芽叶茸毛(1.37)>叶片大小(1.11)>叶形(1.10)>叶色(1.07)>叶缘(1.05)>花瓣质地(1.04)>叶尖(1.00)>叶面(0.97)>叶质(0.94)>叶身(0.93)>花瓣色泽(0.91)。
从表4可以看出, 云南茶树种质资源数值型性状具一系列差异, 14个数值型性状的变异系数在10.27%~48.14%之间, 平均为26.43%, 并以酚氨比较大, 水浸出物较小。所有数值型性状的变异系数均大于10%, 其中叶长、叶宽、叶面积、一芽三叶长、一芽三叶百芽重、花瓣数、花冠直径、柱头开裂数、咖啡碱含量、氨基酸含量、酚氨比值等性状的变异系数超过20%。14个数值型性状的变异程度为酚氨比>叶面积>氨基酸>花瓣数>花冠直径>一芽三叶百芽重>柱头开裂数>叶长>咖啡碱>叶宽>一芽三叶长>茶多酚>叶片长宽比>水浸出物。从变异幅度来看, 叶长为5.91~28.34 cm, 叶宽为2.74~9.50 cm, 叶面积为13.77~188.46 cm2, 一芽三叶长为4.67~ 17.31 cm, 一芽三叶百芽重为38.25~195.55 g, 花瓣数为5~14枚, 花冠直径为2.13~8.12 cm, 柱头开裂数为2~7个, 水浸出物含量为19.38%~54.34%, 咖啡碱含量为0.06%~5.88%, 茶多酚含量为12.85%~ 47.16%, 氨基酸含量为0.40%~6.50%。由此可见, 云南茶树种质资源数值型性状的变化幅度和变异系数均较大, 茶树资源性状差异明显, 变异范围大, 遗传多样性丰富, 优异资源筛选潜力大。
2.3.1 描述型性状的遗传差异 根据13个描述型性状计算不同地区茶树资源的遗传多样性指数(表5)表明, 同一性状在不同地区之间的遗传多样性指数存在差异。西双版纳地区茶树资源叶片大小的多样性指数较大, 为1.12, 保山地区茶树资源叶面的多样性指数较大, 为1.13, 红河地区茶树资源叶色、叶身、叶形、叶基、叶尖、芽叶茸毛、花瓣色泽、花瓣质地的多样性指数较大, 分别为1.04、1.14、1.09、0.78、1.02、1.15、0.89和1.01, 临沧地区茶树资源叶缘、叶质和芽叶色泽的多样性指数较大, 分别为1.18、1.09和1.09。采用各性状多样性指数的平均值评价不同地区茶树资源的遗传多样性, 10个地区的茶树资源多样性指数在0.76~0.99之间, 且红河(0.99)>临沧(0.93)>文山(0.91)>普洱(0.88)>保山(0.85)>西双版纳(0.83)>德宏(0.82)>楚雄(0.81)>大理(0.80)>昭通(0.76)。红河地区茶树资源的多样性指数较大, 其次是临沧、文山地区, 这3个地区的茶树资源表现出丰富的遗传多样性, 红河地区的茶树资源与临沧、文山之间差异不显著, 与普洱、西双版纳、保山、楚雄、大理、德宏、昭通7个地区间存在显著差异; 普洱、保山、西双版纳、德宏、楚雄和大理6个地区的茶树资源多样性指数相接近, 表现为遗传多样性较丰富; 昭通地区的茶树资源多样性指数较小, 遗传多样性较低, 与文山、临沧、红河3个地区间存在显著差异。
2.3.2 数值型性状的遗传差异 由表6可知, 各性状平均值在10个地区茶树资源间存在显著差异, 红河地区的茶树资源在叶长、叶宽、叶面积、一芽三叶长、一芽三叶百芽重、花瓣数、花冠直径、柱头开裂数8个性状上具有较大值, 分别为14.75 cm、6.07 cm、63.10 cm2、10.02 cm、123.19 g、8.02枚、4.43 cm、3.71个, 昭通地区的茶树资源在水浸出物、咖啡碱和氨基酸含量3个性状上具有较大值, 分别为47.57%、4.56%和2.95%, 保山地区的茶树资源茶多酚含量、酚氨比值较大, 分别为34.52%、18.11。从各性状变异系数来看下列值均较大, 临沧地区的茶树资源叶长为17.72%, 普洱地区的茶树资源氨基酸含量为48.70%, 保山地区的茶树资源茶多酚含量为15.64%, 楚雄地区的茶树资源一芽三叶百芽重、水浸出物含量分别为29.56%、13.45%, 红河地区的茶树资源叶宽、一芽三叶长、花瓣数、柱头开裂数分别为17.79%、19.26%、31.30%、20.49%, 文山地区的茶树资源叶面积、花冠直径、咖啡碱含量、酚氨比值分别为32.16%、24.90%、30.14%、86.56%; 采用各性状变异系数的平均值评价不同地区茶树资源的均度, 10个地区茶树资源数值型性状的变异系数在16.09%~25.75%之间, 且文山(25.75%)>红河(24.20%)>普洱(22.66%)>临沧(21.07%)>西双版纳(20.38%)>楚雄(20.30%)>德宏(19.79%)>保山(18.63%)>昭通(17.93%)>大理(16.09%)。
表型性状具有稳定性和变异性, 是植物基因型和所处生态环境的综合体现[17], 其表型变异是遗传多样性研究的重要内容, 特别是资源群体较大时, 能简便、 经济地对遗传资源做出评价, 因此在很多作物上得到充分利用[18,19,20]。本研究选用27个表型性状对830份云南茶树种质资源遗传多样性分析表明, 13个描述型性状均表现出不同程度的遗传分化, 叶面、叶身、叶缘、叶质、花瓣色泽、花瓣质地等性状均有3种表型, 叶基有2种表型, 叶片色泽、叶尖、叶片大小等性状均有4种表型, 叶形、芽叶色泽、芽叶茸毛等性状均有5种表型, 各性状在其所有描述特征上均有体现, 说明云南茶树资源形态特征变异丰富。进一步分析其Shannon-Wiener多样性指数表明, 所测定的描述型性状多样性指数在0.64~1.40之间, 以芽叶色泽和芽叶茸毛较高, 叶基较低, 平均多样性指数为1.04, 高于国内茶树资源平均值( H′= 0.96)[21], 说明云南茶树资源具有丰富的表型遗传多样性, 可能是因为在云南多样化的地理环境下, 茶树形成了多种生态类型[22]。14个数值型性状表现出连续性变异, 变异幅度和变异系数均较大, 具有很大的选择潜力, 其变异系数在10.27%~48.14%之间, 以酚氨比和叶面积较大, 水浸出物较小, 总体平均变异系数为26.43%。其中水浸出物、咖啡碱、茶多酚、氨基酸、酚氨比等生化成分平均变异系数为26.45%, 与广西(25.8%)[23]、四川(26.8%)[24]相近, 说明云南茶树资源的生化成分存在丰富的多样性。830份云南茶树资源的水浸出物含量平均值为45.37%、咖啡碱含量平均值为4.20%、茶多酚含量平均值为32.84%、氨基酸含量平均值为2.39%, 与相邻近的广西、四川、贵州[25]相比, 云南茶树资源的水浸出物含量、咖啡碱含量、茶多酚含量偏高, 氨基酸含量则偏低, 这与Chen和Zhou[26]的研究结果一致, 主要是因为云南茶树资源绝大部分是大叶类茶树资源。
云南茶树资源不仅性状间多样性存在较大差异, 而且不同市区的多样性也存在一定差异。本文首次报道了云南不同地区茶树资源表型性状的遗传多样性, 发现红河地区多样性指数最高(0.99), 其次是临沧(0.93)、文山(0.91), 这些地区的茶树资源表现为遗传多样性丰富度较高, 普洱、保山、西双版纳、德宏、楚雄和大理6个地区的遗传多样性居中等水平, 表现为遗传多样性丰富度不太高, 昭通(0.76)地区多样性指数最小, 遗传多样性丰富度较低; 数值型性状的变异系数以文山(25.75%)、红河(24.20%)地区较大, 以昭通(17.93%)、大理(16.09%)地区较小, 而普洱与临沧、西双版纳与楚雄、德宏与保山的变异系数分别相接近。各地区茶树资源描述型性状的遗传多样性与数值型性状的变异水平趋势一致, 说明红河、文山、临沧地区的茶树资源表现为丰富的遗传多样性和较高变异水平, 普洱、保山、西双版纳、德宏和楚雄地区的茶树资源遗传多样性和变异水平差异不大, 大理和昭通地区的茶树资源遗传多样性和变异水平都较低。基于表型性状聚类分析, 将10个地区的茶树资源划分为3组, 昭通群体处于滇东北, 与其他群体地理位置较远, 加之品种资源贫乏, 因此亲缘关系较远, 单独成为一组; 红河群体处于滇东南, 为茶树物种富集区, 遗传资源比较丰富, 单独聚为一组; 第3组为混合群体, 主要来自滇西、滇南地区, 可能是因为这一区域茶树品种群体交流频繁, 茶树资源相似性较大, 因此相应地聚在一起, 聚类结果基本上按地理距离聚类。表型性状的遗传多样性评价、聚类分析显示出云南茶树资源存在东南部、西部、东北部生态地理的分化。
以哀牢山和元江为自然地理分界线, 将云南分为滇东南高原区和滇西横断山谷区, 云南茶树资源可分为3个地理群体, 即以红河、文山为代表的东南部群体, 以西双版纳、普洱、临沧、保山、大理、德宏、楚雄为代表的西部群体和以昭通为代表的东北部群体。本研究中云南东南部茶树群体描述型性状遗传多样性指数和数值型性状变异系数的平均值分别为0.95和24.97%, 均高于西部的0.84和19.85%及东北部的0.76和17.93%, 表明云南茶树资源的表型遗传多样性趋势是东南部>西部>东北部, 初步推断茶树资源的表型遗传多样性以东南部的红河、文山为富集地。引起该区多样性丰富的原因主要是, (1)东南部茶树资源的顶芽和花部相关性状多样性较高。(2)东南部野生茶树资源较多, 试验材料来自红河、文山地区的野生资源占群体总数的18.47%, 大于西部的12.03%和东北部的8.62%, 已有报道表明野生茶树资源的表型变异和遗传多样性均高于地方品种和选育品种[21]。(3)与该区丰富的物种多样性有关, 东南部的红河、文山等地区具有茶组(Section Thea )植物种和变种的多样性, 又是茶组原始种类集中分布的地域[3,27]。(4)可能与滇东南高原区古老而稳定的地质历史、复杂的气候类型和生态环境有关, 该区茶树资源垂直分布跨度大(650~2500 m), 气候属亚热带高原季风气候。
根据云南茶组植物的生态地理分布特点和茶树群体表型遗传多样性的差异, 可将云南茶树种质资源的多样性大致划分为多样性中心区、多样性扩散区和多样性贫乏区3个地理分布区: 东南部的红河、文山等地区, 属于茶树资源多样性中心区, 茶种数量占全省总数的59.38%, 茶树资源描述型性状的遗传多样性指数在0.91~0.99之间, 数值型性状的变异系数在24.20%~25.75%之间, 这可能与该地区是茶树起源中心区有关[27]。滇西横断山谷区的西双版纳、普洱、临沧、保山、大理、德宏、楚雄等地区, 属于茶树多样性扩散区, 茶种数量占全省总数的40.63%, 茶树资源描述型性状的遗传多样性指数在0.80~0.93之间, 数值型性状的变异系数在16.09%~22.66%之间, 该区域分布着大片较完整的古茶树群落, 蕴藏着丰富的茶树种质资源[28], 另外, 可能还与这一区域选育、引进和利用的茶树品种数量多等因素有关。滇东北、滇西北的昭通、丽江、迪庆等地区是茶树资源多样性贫乏区, 这些地区对茶树品种资源的引进和利用都显著偏低, 因此这些地区茶树品种单一, 多样性低。
明确了云南茶树资源的遗传多样性程度及其地理分布, 初步推断云南东南部为茶树资源表型遗传多样性分布中心, 为云南茶树种质资源的利用和保护提供了依据。