CO2浓度升高和高温胁迫对茶树生长发育的影响

摘要

目前大气中的CO2浓度已经由100年前的260~280μmol mol-1上升到现在的380μmol mol-1左右，而且还在以每年1~2μmol mol-1的速度上升。大气中的CO2升高会引起全球平均温度的上升，导致极端高温天气频繁发生。大气 CO2浓度的上升以及高温胁迫势必会对植物造成极为严重的影响，因此，研究 CO2浓度升高和高温胁迫对茶树生长发育和代谢的影响对茶叶生产有着极其重要的意义。为此，本论文以茶树品种龙井43为实验材料，通过设计CO2浓度升高、高温以及外源喷施 EBR等实验，利用气体交换测定、光合荧光测定、呼吸测定、相关性分析、高效液相色谱品质分析、抗氧化酶活性分析、基因表达分析等手段，研究了茶树初生代谢和次生代谢在CO2浓度升高和高温胁迫下的响应，结果如下：
　　1.研究了不同叶位下茶树叶片光合呼吸代谢及碳氮代谢的差异特征，明确了茶叶中主要含氮物质及品质成分在叶位下的变化趋势，探讨了光合呼吸代谢与品质代谢的关系。随着茶树叶片的成熟化，其叶绿素含量（TChl）逐渐增加，光合能力（ΦPSⅡ）增强。而呼吸速率（RR）和总氮（TN）含量却随之下降，总碳含量不变。对主要含氮物质进行分析发现，在成熟的茶树叶片中，总氮的减少主要归因于咖啡碱（CAF）和氨基酸（AA）含量的减少。此外，可溶性糖（SS）含量下降，但淀粉含量增加，表明在茶树叶片成熟过程中其源库关系发生了变化。相关性分析的结果显示，ΦPSⅡ与RR、SS、淀粉、茶多酚、儿茶素和TN负相关，但与TChl正相关；而RR与TN、SS、TP和咖啡碱正相关，与TChl和淀粉含量负相关。研究结果表明，不同叶位下，叶绿素、儿茶素和茶多酚的生物合成与光合呼吸代谢关系紧密。
　　2.研究了 CO2浓度升高环境下茶树光合代谢及品质代谢的响应，证实了光合适应现象，并从基因表达层面分析了品质代谢变化的机理。高浓度CO2处理后，茶树的生长受到了显著的促进，叶片的单位面积鲜重增加，根冠比也显著提高，茶树的叶片、茎和根的鲜重均有所增加；茶树叶片的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量均有所提升，但叶绿素a与叶绿素b之比却无显著变化。短期内，茶树的净光合速率提高，Vc,max和 Jmax提高，ΦPSⅡ显著提高；12天后出现光合适应现象，净光合速率不再上升。高浓度CO2处理后，茶树叶片的茶多酚、氨基酸含量显著上升；而咖啡碱含量显著降低；茶树叶片中的儿茶素总体上升增加。茶树叶片中的儿茶素合成相关基因普遍上调，咖啡碱合成相关基因（TIDH、sAMs、TCS1）显著下调，氨基酸合成相关基因有的上调有的下调。
　　3.研究了高温胁迫对茶树叶片光合系统的影响及其损伤机制。受到高温胁迫后：茶树会表现出一系列的热害症状；茶树叶片的光合速率持续下降，Rubisco最大羧化速率（Vc,max）以及RuBP的最大再生速率（Jmax）显著降低；Fv/Fm、Y(II)和Y(I)迅速降低，Y(NO)和Y(NA)上升，说明光系统II和光系统I的结构在高温胁迫下受到了伤害；茶树的ΦPSⅡ、ETR(II)和ETR(I)均显著下降，表明电子传递受到严重破坏；光系统I对高温胁迫的耐受性较高，抗强光损伤能力在高温胁迫下变强，而光系统II易受到高温伤害，抗强光损伤能力在高温胁迫下变弱。
　　4.研究了外源油菜素内酯对茶树中高温胁迫的缓解效应及其生理机制。叶面喷施EBR能显著提高高温胁迫下茶树叶片的Pn、Gs、Vc,max、Jmax和Fv/Fm；同时外源EBR处理后，高温胁迫下茶树叶片中的APX、CAT、SOD和POD活性显著提高，而MDA的含量则显著下降。结果表明，外源 EBR主要通过解除非气孔因素的限制、促进光合碳反应的进行来缓解高温胁迫对茶树叶片光合作用的抑制；同时 EBR能够有效利用多种抗氧化途径以清除其细胞内的自由基和活性氧，最终缓解了高温胁迫对茶树的伤害。

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英文缩略表

第一章 绪 论

1.1 前言

1.2 大气C O 2浓度升高对植物的影响

1.3 高温胁迫对植物生理生化的影响

1.4 研究目标、技术路线和内容

第二章 不同叶位茶树叶片光合呼吸代谢及碳氮代谢差异特征

2.1 材料与方法

2.2 结果

2.3 讨论

第三章 CO2浓度升高对茶树初生代谢和次生代谢的影响

3.1 材料与方法

3.2 结果

3.3 讨论

第四章 高温胁迫对茶树叶片光合系统的影响

4.1 材料与方法

4.2 结果

4.3 讨论

第五章 外源油菜素内酯诱导茶树耐热性的生理机制

5.1 材料与方法

5.2 结果

5.3 讨论

第六章 全文结论和研究展望

6.1 全文结论

6.2 本论文的特色和创新点

6.3 研究展望

参考文献

致谢

作者简历