茶树(Camellia sinensis)在我国栽种历史悠久，是我国南方传统的经济植物^[1]。我国茶树资源丰富，山茶科植物已经达到23 属380 多种^[2]，且种植区域不再局限于南方地区。茶树的最适生长温度范围为20—30 ℃左右，寒潮剧烈的降温会直接对茶树产生危害^[3]，严重影响了茶树正常的生长发育。

光合作用是植物体内重要的生理过程，可以作为判断植物生长和抗逆性强弱的指标。低温会造成植物光合速率的下降^{[4, 5]}，当温度降至引起冷害的临界温度时，光合作用就会受到抑制且低温会增加冷敏感植物和抗冷植物发生光抑制的可能性^[6]。叶绿体是细胞进行光合作用的细胞器^[7]，在发生低温危害时，叶绿素含量逐渐降低，叶绿素荧光动力参数发生改变，光系统活性减低，目前已经证实厚皮甜瓜^[8]、马铃薯^[9]、甜椒、黄瓜^{[10, 11]}、佛手^[12]叶绿素各成分随低温胁迫而降低，叶片的净光合速率也逐步降低。孔云海^[13]与和红云等^[14]研究发现低温会导致叶绿素荧光参数PSⅡ photochemical efficiency (Fv/Fm)比值下降，Non-photochemical quenching (qN)值升高，刘慧英等^[15]发现低温处理下嫁接西瓜苗的qN值逐渐降低。同时，前人研究表明，低温胁迫下植物体内的抗氧化酶活性发生改变^{[16, 17, 18]}，且抗寒性不同品种的变化存在差异^{[19, 20]}。黄华涛等^[21]的研究认为冬季低温使茶树叶片中过氧化物酶Peroxidase(POD)活性提高，POD同工酶谱带同时增加。武雁军等^[22]发现抗寒性强的品种在低温下抗氧化酶保护酶活性较高，且能产生更多的可溶性蛋白。刘伟等^[23]对葡萄枝条进行低温处理后，发现保护酶POD的活性呈现先降低再升高后降低的变化趋势，在低温胁迫下葡萄的枝条的保护酶活性变化与品种间的抗寒性存在相关性。

关于低温胁迫对茶树光合和保护酶活性的影响的研究，前人主要以人工环境控制实验进行研究，而针对一次寒潮降温过程对田间茶树叶片的光系统活性和保护酶的影响至今未见报道。本文在江苏省南京市发生的一次寒潮过程期间对4种茶树(龙井43号、乌牛早、鸠坑、福鼎大白茶)的光合特性和抗氧化酶活性进行了研究，研究结果为茶树种植布局和气象灾害防御提供依据。

按照《寒潮等级》国家标准(GB/T 21987—2008)，对局地而言，冷空气影响后，日最低气温下降幅度24h≥8 ℃，或48h≥10 ℃，或72h≥12 ℃，且最低气温≤4 ℃，即为一次寒潮天气过程。

试验于2013年11月23日至2013年12月6日在南京信息工程大学进行，以7 年生的4 个茶树品种龙井43号(Longjing No.43)、鸠坑(Jiukeng)、乌牛早(Wuniuzao)、福鼎大白茶(Fortin white tea)为试材，选取生长基本一致、健壮的茶树，采样时选取上部全展开功能叶片，每两天测定4 个品种茶树叶片叶绿素含量、光合作用特性、荧光动力参数、及保护性酶活性。各茶树品种植株基本情况见表 1。

(1)天气数据 来源于试验地附近50 m的南京信息工程大学大气观测场的数据，收集了2013年11月23日至2013年12月6日茶树受低温胁迫和恢复期间的天气数据，包括气温(℃)、相对湿度(%)和太阳总辐射(μmol m^-2 s^-1)，每隔10min读取1次测量值。

(2)叶绿素含量的测定 选取每棵植株上的成熟叶3—5 片，洗净擦干，剪碎，称取0.2 g，置于95%乙醇中48 h直至叶片中的叶绿素完全被提取出。取提取液在紫外分光光度计UV-1800(日本岛津)中采用比色法测定光密度(OD)值^[24]，每个处理重复3 次。

(3)光合参数的测定 试验期间，取茶树从上往下数第3节位成熟叶，用LI-6400便携式光合作用测定系统在9:00—11:00间测定4种茶树的叶片光合特性，每个处理重复测定3 次。同时测定光响应曲线，测定时设计CO₂ 浓度为(400±10) μmol/mol，光强梯度设计：2000、1600、1400、1200、1000、800、600、400、200、100、50、0 μmol m^-2 s^-1等12 个水平，根据模型模拟得到光响应曲线，求得光合参数P_max与表观量子效率Apparent Quantum Yield(AQY)。选取光强为1000 μmol m^-2 s^-1，计算得到胞间CO₂浓度(Ci)(μmol/mol)，从而得到气孔限制值Ls，Ls=1-Ci/Ca，Ca为环境中CO₂浓度(μmol/mol)。

(4)荧光参数的测定 选取与测光合参数相同部位的叶片，用FMS-2型便携式荧光仪(英国Hansatech)测定叶片PSⅡ的光化学效率和PSⅡ的光合电子传递量子效率，测定前暗适应30 min，然后依次测定叶绿素荧光动力学参数。包括PSⅡ的最大光化学效率(Fv/Fm)和非光化学猝灭系数(qN)^[25]。每个参数的测定进行3 次重复。

(5)酶活性参数的测定 选取植株顶端从上到下的第5—8 位叶片，采集后迅速置于液氮中冷却，然后保存于冰箱中冷冻，称取0.5 g左右样品放入研体中，加入5 mL pH7.8的磷酸缓冲液(0.2 mol/L的KH₂PO₄和0.2 mol/L的K₂HPO₄配制)和少量石英砂，冰浴研磨，匀浆倒入离心管中，于0 ℃，4000 r/min冷冻离心20 min，上清液(酶液)倒入试管中，置于0—4 ℃下保存，用于POD活性和MDA含量的测定，每次测定重复3次。过氧化物酶(POD)活性测定用愈创木酚法^[26]，以每分钟内OD₄₇₀的增加量表示其活性。丙二醛Malondialdehyde(MDA)含量测定采用硫代巴比妥酸比色法^[27]。

试验数据运用DPS软件、SPSS18.0软件进行相关统计计算和多重分析，Excel软件作图。用Duncan检验(α=0.05)进行多重比较。

对光响应测定结果采用刘建锋等的^[28]方法，构建非直角双曲线方程估算光响应参数。

茶树抗寒性采用主成分分析方法。在计算时先将数据进行标准化，以累积贡献率达85%以上为参考值，确定主成分个数^[29]。

由图 1中寒潮期间每日平均、最高和最低温度变化的曲线图可知，11月23日与26日的日最低气温分别为：14.59 ℃和2.49 ℃，符合日最低气温下降幅度72 h≥12 ℃，且最低气温≤4 ℃，判断此为一次寒潮过程。而后，11月28—29日还有一次强冷空气过程，气温持续下降。从11月23日到25日，日平均气温显著降低，25日到26日稍有回升，28日日平均气温到达最低值，为-1.70 ℃，随后至11月30日，气温明显升高，12月3日以后，气温较平稳，围绕8 ℃上下波动，认为是此次寒潮过程的恢复期。11月23日到28日，日最低气温持续下降，28日达到最小值，而后日最低气温的值逐渐升高，12月3日后日最低气温保持在4 ℃以上。日最高气温与日平均气温存在相似的变化。

图 1 寒潮期间的气温、相对湿度、日总太阳辐射 Fig.1 Changes of daily temperature, daily related humidity and daily global solar radiation during the cold wave

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寒潮期间每日平均、最高和最低相对湿度的变化曲线(图 1)，从11月24日至29日，日平均相对湿度一直呈现下降趋势。29日的日平均相对湿度值最小，仅为34.0%，29日后日平均相对湿度逐渐增加，在12月1日存在一个较大值，随后的变化趋势为先降低再升高。寒潮期间的日最低相对湿度的变化趋势与日平均相对湿度的变化趋势相似。

寒潮期间每日太阳总辐射的变化(图 1)，11月23、24、25日太阳总辐射值较小，25日以后，日太阳总辐射有明显的上升趋势，而后又开始呈下降趋势。可见日太阳总辐射的变化与日平均温度和日平均相对湿度的变化步调不一致。

寒潮过程中，4 种茶树叶片中叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量的变化(表 2)，表明，此次寒潮过程中，4 种茶树叶片中叶绿素的含量虽然差异较大，但总体的变化趋势一致，11月23日至12月1日，叶绿素a、叶绿素b含量逐渐降低，12月1日后叶绿素a、b含量缓慢上升，4种茶树在试验结束时叶绿素a含量较初始时稍有降低，叶绿素b下降幅度稍大，各品种分别下降了龙井43号21.5%、鸠坑4.3%、乌牛早18.3%、福鼎大白茶11.6%，表明寒潮对叶绿素b的影响大于叶绿素a。类胡萝卜素的变化因茶树品种不同而不同，寒潮前6d，4个品种的类胡萝卜素含量均降低，而后随时间的持续增加，寒潮恢复后茶树叶片中类胡萝卜素含量高于初始值。

叶绿素总含量的变化(图 2),可见福鼎大白茶的叶绿素总含量在11月29日下降到最低，而其他3种茶树在12月1日达到最小值，4种茶树叶绿素含量的变化步调不一致。最大光合速率(P_max)是光达到饱和时的光合速率，反映了植物叶片的光合潜能。随着寒潮的持续，4种茶树的最大光合速率均呈下降趋势，11月29日下降为最低，福鼎大白茶的初始最大光合速率最高，是龙井43号初始最大光合速率的1.93倍，而29日后4种茶树的P_max开始缓慢上升。表观量子效率(AQY)是光合作用中光能转化效率的指标之一，是净光合速率与相应光量子通量密度的比值，寒潮期间，4种茶树表观量子效率的变化呈现出明显而且相似的规律(图 2)，从11月23日至11月29日，表观量子效率呈下降趋势(图 2)，11月29日4种茶树叶片表观量子效率较初始分别下降了龙井43号71.8%、乌牛早79.1%、鸠坑68.3%、福鼎大白茶77.2%，实验表明福鼎大白茶与乌牛早和龙井43号与鸠坑的种间差异不明显。4种茶树的气孔限制值(Ls)自23日起逐渐增大，12月1日达到最大值，而后慢慢减小，稍延迟于P_max和AQY的变化，4种茶树中福鼎大白茶的气孔限制值较其它3个品种最低(图 2)。

图 2 寒潮过程中4种茶树叶片叶绿素含量、最大光合速率、光量子效率、气孔限制 Fig.2 Changes of chlorophyll content, maximum photosynthetic rate, apparent quantum yield and stomatal limiting value in four Camellia sinensis leaves during the cold wave

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本次寒潮过程中4种茶树的叶绿素荧光参数如表 3，由表 3可知，4种茶树在寒潮期间Fv/Fm的变化趋势较一致，均为先降低后逐渐升高，11月29日4种茶树的Fv/Fm的值下降到最低，除福鼎大白茶外其他3种茶树Fv/Fm较11月23日分别降低了龙井43号19.2%，鸠坑20.7%，乌牛早4.7%，随着寒潮日数的增加4种茶树品种间差异逐渐加大。4种茶树叶片的qN呈现出同步的变化趋势，11月23日至29日，qN的值逐渐降低，11月29日较23日分别降低了福鼎大白茶0.08<鸠坑0.11<乌牛早0.16<龙井43号0.17。

抗氧化酶是保护性酶，在低温条件下，它们与活体氧和自由基发生反应，保护了细胞膜，过氧化物酶(POD)是用以清除逆境过程中产生的过氧化氢，减轻过氧化氢对细胞的伤害。寒潮期间茶树叶片POD活性的变化情况(图 3)，表明11月23日至29日，4种茶树叶片POD活性急剧上升，而后，叶片中POD活性持续缓慢增长，最后趋于平稳，12月5日4种茶树叶片POD活性较11月23日分别提高了龙井43号2.35 U g^-1Fw min^-1、鸠坑2.68 U g^-1Fw h^-1、乌牛早2.70 U g^-1Fw h^-1、福鼎大白茶2.88 U g^-1Fw h^-1，4种茶树叶片POD活性由大到小分别为福鼎大白茶>乌牛早>鸠坑>龙井43号(图 3)。

图 3 寒潮过程中4种茶树叶片POD活性和MDA含量 Fig.3 Changes of POD activities and MDA content in four Camellia sinensis leaves during the cold wave

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MDA含量的高低可以反映植物遭受逆境伤害的程度，寒潮期间MDA含量的变化(图 3)，表明在寒潮过程中，4种茶树叶片中MDA含量的呈现较明显且相似的变化规律，11月23日至12月1日期间，MDA含量显著升高，12月3日至12月5日，MDA含量下降，表明膜脂过氧化反应在减少，12月5日值稍低于11月23日的值，说明这4种茶树可以较好的适应此次寒潮过程，并且基本能够自我调节恢复，初步表明此次寒潮的过程没有对茶树叶片产生不可恢复的伤害。研究发现龙井43号和鸠坑叶片中MDA含量显著高于乌牛早和福鼎大白茶。

寒潮过程中4种茶树叶片光合和保护酶指标与日平均气温、日平均相对湿度、日最低、最高气温、日最低、最高相对湿度的相关性系数(表 4)，可知，各茶树品种的叶绿素总量、P_max、AQY、Fv/Fm、qN与日最低气温呈正相关且相关系数最大，而Ls、POD与日最低气温呈负相关且相关系数绝对值最大，鸠坑的MDA含量与日平均气温相关系数最大。表明此次寒潮过程中对4种茶树光合和抗氧化酶活性影响最大的因子为日最低气温。不同品种的茶树与各气象因子相关系数不同。除日最低气温外，日最低相对湿度与P_max和AQY的相关性较好。

前人用主成分分析的方法确定植物抗性^{[29, 30, 31]}，本文对4种茶树在此次寒潮过程中叶片的光合参数和抗氧化酶的指标进行主成分分析(表 5)，可知，前两种成分累计贡献率达到了89.69%，表明前两个主成分已经把全部指标提供信息的89%以上反映了出来，可认为前两种成分即为所有指标中的主成分，由于低温为寒潮对茶树影响的主要因素，因此这两个主成分能够充分的反映4种茶树的抗寒性，第一主成分中MDA和Fv/Fm特征系数较大，第二主成分中POD特征系数较大，说明MDA、Fv/Fm和POD是影响茶树生命活动的主要因子。

根据上述指标与抗寒性关系，由主成分的特征向量计算每个茶树品种的主成分得分，由于主成分之间是相互独立且有着不同贡献率，因此，主成分的得分就是加权值，权重就是主成分对应的贡献率^{[30, 31]}，表 6为此次寒潮过程中茶树的各指标得分，由分值得到4种茶树的抗寒性为：福鼎大白茶>乌牛早>鸠坑>龙井43号。

研究认为此次寒潮过程中对茶树影响最大的因子为日最低气温，即日最低气温是影响茶树的光合和生理生化的主要因子。研究表明4个品种茶树叶片中叶绿素含量随气温的降低而减小，随气温的升高而增加。低温不仅影响了叶绿体功能的正常运转，也对合成叶绿素色素的酶的活性产生了抑制，也有人认为低温加速了叶绿素的分解且低温使植物体代谢减慢，合成叶绿素的底料缺乏，从而使植物叶片中的叶绿素含量降低^{[32, 33]}，类胡萝卜素的变化与叶绿素a、b相反，叶绿素的变化与净光合速率的变化一致，这与前人结果一致^[29]。此次寒潮过程中，随着日最低气温的下降，4种茶树的最大光合效率(P_max)、表观光量子效率(AQY)都呈下降趋势，当温度缓慢回升时，最大光合效率(P_max)、表观光量子效率(AQY)值又逐渐升高。低温胁迫对光合作用的影响不仅仅是造成光合机构的损伤，同时也影响光合电子传递和光合磷酸化以及暗反应有关的酶系^[34]。吴雪霞等^[35]认为低温降低了叶绿素b的含量，叶绿素b与叶片的光能捕获能力密切相关，进而影响叶片固定CO₂的能力，造成AQY的降低。4种茶树叶片的气孔限制值随温度的降低而升高，表明此时导致茶树光合速率下降的原因主要为气孔限制，此外，空气湿度也对气孔限制值的变化有一定影响^[36]。

叶绿素荧光参数是研究低温逆境对植物光系统活性影响的主要探针^[37]，低温胁迫可能引起Fv/Fm的下降^[38]。本研究证实4种茶树叶片的Fv/Fm随着日最低气温的降低而降低，由于Fv/Fm在非胁迫条件下变化很小，只有在胁迫发生时才发生明显改变，因而表明此次寒潮低温对茶树叶片产生光抑制，可能的原因是低温降低了Rubisco活性，使Fv/Fm值降低，这与孔海云^[13]、刘慧英^[15]等的研究结果一致。qN在此次寒潮过程中呈现先降低后升高的趋势，qN是指由非光辐射能量耗散等引起的荧光淬灭，它反映了PSⅡ中色素吸收的光能不能被用于光合电子传递而以热能形式耗散的部分^{[39, 40, 41]}，它在一定程度上可以保护光合作用，低温使qN降低，这与和红云^[14]的研究结果不一致，可能是不同物种对qN存在一定影响所致，福鼎大白茶下降幅度最小，表明它能通过耗散更多的剩余能量来抵御低温的伤害。

植物在受到低温胁迫时，体内会积累活性氧自由基，使细胞膜的结构和功能遭到破坏，叶片中的保护酶系统控制着活性氧自由基的产生和消除^[42]。本研究表明寒潮期间POD活性在此次寒潮及恢复过程中始终呈升高趋势，说明低温环境下，茶树产生了更多的POD来清除低温产生的活性氧。在气温恢复期间POD活性继续升高，这与前人研究结果不一致^[23]，可能是由于POD的多功能性，POD跟植物的生长、发育和抗性等均有关^[21]。已有研究认为抗寒性强的品种体内保护酶类活性较高是其抗寒性强的原因之一^{[22, 43]}。因此可以初步判断4种茶树的抗寒性强弱为福鼎大白茶>乌牛早>鸠坑>龙井43号。这与黄海涛等^[44]的研究认为抗寒性乌牛早>龙井43号结果相一致。MDA含量随着气温降低而升高，这是由于胁迫加剧，过多的自由基与膜脂发生过氧化反应，产生更多的MDA，而MDA又引起蛋白质与核算等大分子物质的交联聚合反应，阻塞细胞膜物质运输通道，对细胞膜产生更深的毒害作用^[45]。MDA的含量直接反映了植物体内脂质过氧化程度，间接反映细胞受伤害程度，因此，茶树体内的MDA含量越高，茶树受到的毒害越大，该茶树的抗寒性越差^[46]，这说明乌牛早与福鼎大白茶的抗寒性要高于龙井43号和鸠坑。在恢复期间，MDA含量逐渐下降，表明细胞受伤害程度减轻，其含量最终可以恢复到初始水平，表明此次寒潮过程对茶树未产生不可逆转的伤害。这与前人研究结果相一致^{[47, 48]}。

通过对寒潮过程中光合特征量和抗氧化酶活性进行主成分分析，各主成分抗寒得分顺序为：福鼎大白茶>乌牛早>鸠坑>龙井43号，结果与试验实际观测结果一致，表明福鼎大白茶的抗寒性最强，龙井43号最弱，该结果与蒋国庆^[49]的研究认为抗寒性乌牛早>福鼎大白茶不符，可能是由于本实验是自然条件下一次短期的室外的寒潮过程，温度、相对湿度和太阳辐射、风等综合作用对茶树光合和保护酶活性产生影响。

本文首次研究了寒潮过程对田间茶树的光合特性和抗氧化酶活性的影响，分析茶树各指标与天气要素间的相关性，确定寒潮期间对茶树影响最大的气象要素，并利用主成分分析方法对茶树进行抗寒性评价，得到不同茶树品种的抗寒性强弱。但是本研究仅对一次短暂的寒潮过程对茶树的影响进行了研究，且寒潮恢复期间温度未恢复至最开始水平，因此温度对茶树还存在一定影响，得出的4种茶树抗寒性也有待进一步验证，今后可进一步进行人工控制试验来验证茶树不同品种的抗寒性。