茶树种质资源亲缘关系与分类的研究概况_黎星辉

茶树种质资源亲缘关系与分类的研究概况 黎星辉 施兆鹏 唐和平 李觅路 (湖南农业大学 长沙 410128) 茶树种质资源亲缘关系与分类的研究是茶树种 质资源研究最重要的组成部分, 是茶树育种的基础 理论工作。本文拟对此方面的研究成果作一综述, 为进一步深入研究提供参考。 1753年林奈氏 ( C1Linnaeus) 将茶树命名为 Thea sinensis, 并以此为模式建立了茶属 Genus Thea L1 1881 年孔茨氏 ( O1 Kuntze) 给出了茶树的拉丁 学名 Camellia Sinensis ( L1) O1 Kuntze. 1874 年戴尔 氏 ( W1Dyer) 将茶属并入山茶科山茶属, 建立了茶 组 Sect1 Thea ( L1 ) Dyer11758 年席勒氏 ( J1 R1 Sealy) 在 / A Revision of the Genus Camellia0 一书中 记载了 5种 1 变种[ 1]。至此, 根据植物形态学特征 所进行的茶组植物分类体系的基本框架已经形成。 茶树分类与茶树种质资源的亲缘关系、起源、 进化等诸多问题密不可分。二十世纪八十年代以 来, 大规模的茶树种质资源调查为深化茶树种质资 源研究提供了条件。人们以遗传比较稳定的花部器 官的形态特征为主, 兼顾考虑树型、叶片特征和地 理分布等多种因素, 结合数值分类等数学方法来研 究茶树种质资源的亲缘关系、起源、进化和分类, 取得了大量的成果[2- 21]。尤以张宏达和闵天禄有 关茶组植物分类的卓越工作, 使新发现的大量的茶 组植物的分类摆脱了混乱状况而建立起一个正规的 渐趋合理的体系。张宏达将茶组植物的分成五室茶 系 ( Ser1 Quinquelocularis Chang)、五柱茶系 ( Ser1 Pentastylae Chang )、秃 房茶 系 ( Ser1 Gymnogynae Chang) 和茶系 ( Ser1 Sinenses Chang) 4 系 32 种 3变 种[3]。闵天禄对张宏达分类系统所涉及的 47 种 3 变种进行归并, 取消系 ( Ser1 ) 的分类阶元, 将茶 组植 物 订 正 为 大 厂 茶 C1tachangsis, 广 西 茶 C1 kwangsiensis var1kwangsiensis, 毛 萼 广 西 茶 C1 kwangsiensis var1kwangnanica, 宽 叶 秃 房 茶 C1 gymnogyna var1 remotiserrata, 大 苞 茶 C1 grandibracteata, 大 理 茶 C1taliensis, 厚 轴 茶 C1 crassicolumna var1 crassicolumna, 光 萼 厚 轴 茶 C1 crassicolumna var1 multiplex, 秃房茶 C1gymnogyna var1 gymnogyna, 突 肋 茶 C1 costata, 膜 叶 茶 C1 leptophylla, 德宏茶 C1sinensis var1 dehungensis, 毛 叶茶 C1 ptilophylla, 防城茶 C1fangchengensis, 紫果茶 C1purpurea, 茶 C1 sinensis var1 sinensis, 普 洱 茶 C1sinensis var1 assamica, 毛萼茶 C1 sinensis var1 pubi-l limba等 12 种 6 变种, 分类进一步明晰[4]。陈亮根 据对茶树种质资源多年的系统研究和对茶树原产地 茶树特征特性的全面考察, 以子房室数, 花柱裂数 和子房茸毛有无为主要依据, 结合花冠大小、树型 和枝叶 性状, 提 出将茶 组植物 分成 大厂 茶 C1tachangsis F1S1Zhang, 大理茶 C1taliensis ( W1 W1 Smith) Melchior, 厚轴茶 C1 crassicolumna Chang, 秃 房茶 C1gymnogyna Chang, 茶 C1sinensis ( L1) O Kuntze 等 5 种, 在茶种下分茶C1 sinensis var1 sinensis, 普洱 茶 C1sinensis var1assamica ( Masters) Kitamura 和白毛 茶 C1sinensis var1 pubillimba Chang等 3 变种[5] , 这种 分类思路代了茶组植物分类的趋同归并的方向。 近几十年来, 利用细胞学和生物化学方法开展 茶树种质资源的研究, 取得了一系列进展。染色体 是基因工程的载体, 茶树染色体的基础研究始于 20世纪初[ 22] , 兴于 20 世纪 80 年代前后。李懋学 等研究表明野生茶树核型的对称性较高[ 23]。梁国 鲁等对茶树染色体核型的研究表明, 茶组植物染色 体核型的对称性, 以子房五室的为高, 子房 3室的 较低[ 24, 25]。李斌等的研究表明, 乔木型、大叶种 茶树的对称性较高, 龙门毛叶茶染色体核型的对称 性较低[ 26- 28]。李光涛对云南巴达野生茶、南糯山 / 茶树王0、云南大叶种及小叶种栽培茶树的核型分 析结果表明巴达野生茶染色体核型的对称性较高, 在进化上比较原始[ 29]。屈文琦对 32 个品种的体细 胞染色体组型及变异的分析表明: 无性系品种间或 品种内都存在着核型差异, 但有性品种间的差异更 大, 乔木型大叶类型茶树的染色体核型对称性较 高[ 30]。按 G1 L1 Stebbins 有关植物染色体核型从对 称性向不对称性进化的核型演化理论[31] , 这些研 究在探讨茶树染色体变异与进化的关系方面作出了 有益的尝试。 儿茶素、茶氨酸、哌啶-2-羧酸、生物碱等茶 叶的表征性化学成分使得从化学角度研究茶树种质 资源成为可能。杰姆哈捷通过儿茶素来分析野生大 10 福 建 茶 叶 茶树的进化[ 32] , 竹尾忠一、游小清等通过萜烯指 数指标来探讨茶树分类[33, 34]。唐和平等的研究表 明, 茶氨酸随茶树进化层次的提高呈累积趋势, 而 苯丙氨酸则恰好相反[ 35, 36]。刘维华等利用茶多酚 总量、儿茶素组分、咖啡碱/总氮和茶氨酸等指标, 以化学分类和统计学方法来判别茶树大、中、小叶 种种群, 准确率在 90% 以上[ 37]。杜琪珍等对张宏 达茶树分类系统的 21种茶组植物新梢中的咖啡碱、 可可碱、儿茶素组成、茶氨酸、游离氨基酸总量及 幼果中的哌啶-2-羧酸进行了测定, 综合化学、形 态学及植物的地理分布等方面的证据, 采取化学分 类和数值分类学方法探讨了茶组植物种群的归属和 分类, 提出将茶组分为五室茶 C1 quinquelocularea Du et Li和三室茶 C1trilocularea Du et Li两个种, 在 三室茶下分中小叶种 C1 var1 micro- midphyllaea Du et Li1 , 大叶种 C1 var1 macrophyllaea Du et Li1 和苦茶 C1 var1 kuiea Du et Li1 [ 38] , 茶组植物这种分类尝试 同样具有趋同归并的新意。 蛋白质, 特别是同工酶作为基因表达的直接产 物, 在 20 世纪 80 年代前后引起了人们的广泛关注 和探索研究。彭英用数值分类方法分析张宏达分类 系统中的 6个种的酯酶、多酚氧化酶、过氧化物酶 同工酶酶谱, 证明茶树是由五室茶系向三室茶系进 化的[ 39]。鲁成银等对茶树酯酶同工酶进行分析, 结果表明茶树酯酶同工酶存在基本谱带, 平均的谱 带数呈现出小叶种> 中叶种> 大叶种、灌木> 小乔 木> 乔木型茶树的趋势, 野生型茶树的酶带比栽培 型的丰富[40, 41]。还有许多有关用同工酶技术研究 茶树起源、分析亲缘关系、作为品种标记与分类特 征的报道[ 42- 46]。也有以蛋白质亚基指标来探索茶 组植物分类的报道[ 39]。同工酶作为遗传的一种重 要生化标记在茶树种质资源研究中发挥了积极的作 用。 DNA是生物最基本的遗传物质, 应用 DNA 分 子标记技术对揭示茶树遗传变异规律、茶树种质资 源的亲缘关系、起源、进化和分类等都有非常重要 的意义。DNA 分子标记技术所涉及的是既易于识 别又可遗传的 DNA 片段[ 47, 48]。它具有不受组织类 别、发育时期、环境条件的影响而直接以 DNA 的 形式表现, 所需实验材料用量少, 标记多态性高、 数量大、表达呈中性 (既不影响目标性状的表达, 与不良基因也无必然的连锁关系) 等优点, 近年来 发展非常迅速。RFLP ( Restriction Fragment Length Polymorphism, 限制性片段长度多态性) [ 49] , RAPD ( Randomly Amplified Ploymorphic DNA, 随机扩增多态 性 DNA) [ 50,51] , AFLP ( Amplified Fragment Length Poly- morphism, 扩增片段长度多态性 ) [ 52] , SSR ( Simple Sequence Repeats, 简单重复序列 ) [ 53, 54] , ISSR ( In- ter ) Simple Sequence Repeats, 简单重复序列间扩 增) [ 55] , STS ( Sequence Tagged Site, 序列标记位 点) [56] , SACR ( Sequence Characterized Amplified Re- g ions, 特征化序列扩增区域) [ 57]等分子标记技术的 应用非常广泛。在茶树种质资源研究中, RAPD 技 术应用得最为广泛。 RAPD标记技术是在 PCR ( Polymerase Chain Re- action, 聚合酶链式反应) 技术[ 58]的基础上发展起 来的。RAPD标记技术就是采用通常为 10个碱基的 寡聚核苷酸单链作为随机引物, 在一系列不同引物 的引发下, 利用 DNA聚合酶在体外反复复制 DNA, 使其扩增到易于检测的程度。如果引物和 DNA 模 板具有同源性, 引物就能和模板结合而退火, 就能 扩增足以检测出 DNA 谱带的大量 DNA, 反之, 就 检测不到 DNA 谱带。扩增产物通过聚丙烯酰胺或 琼脂糖凝胶电泳分离, 经 EB 染色或放射性自显影 进行检测, 扩增产物的多态性反映了基因组的 DNA多态性。RAPD技术操作简便、DNA 多态性检 出率高、实验成本较低, 现已广泛应用于植物种质 资源的亲缘关系、起源、进化、分类, 种质、品种 与体细胞鉴定, 遗传连锁图谱构建 与基因定位, 作物杂种优势预测与育种特征标记等领域。茶树在 这方面的研究起步较晚、困难较大, 但也取得了可 喜的进展。茶树基因组 DNA 的提取方法是茶树生 物学研究的基础, 朱旗、陈亮、高峻、罗军武等先 后就茶树基因组 DNA 的提取开展研究, 提取的茶 树基因组 DNA 符合 RAPD 等分子标记技术的质量 要求[ 59- 62]。陈亮等还对茶树 RAPD反应系统和扩 增程序进行了优化设计[ 63]。Wachira F1N 等应用 RAPD分子标记技术对分属茶 ( C1 sinensis)、普洱茶 ( C1 assamica ) 和尖萼茶 ( C1assamica1 ssp1lasiocalyx ) 等 38 个无性系的遗传多态性进行了研究。运用 27 个随机引物得到了 253 条 DNA 谱带, 多态性谱带 为 157 条, 多态性为62% , 其中平均70%的遗传多 态性来自于种群之内, 30%来自于种群之间; 来自 中国的茶和柬埔寨的尖萼茶类型内的变异要比印度 的普洱茶大; 茶、普洱茶和尖萼茶等 3 个种群的 RAPD谱带的分析结果与已知的植物分类结果相吻 合[ 64- 66]。Paul S 等, 应用 AFLP 分子标记对印度与 肯尼亚茶树种群的遗传多样性和遗传变异的研究表 明, 变异的 79%来自种群内, 21%来自种群间; 中 国类型在 PCO ( Principal Coordinate) 分析中更加弥 112002 第 1 期 散, 反映出的遗传变异最大[ 67]。罗军武通过对我 国不同生态型 31 份种质资源进行 RAPD 分析, 获 得了 31份资源的遗传多态性为 90143% , 遗传距离 为 01 2192~ 017077, 表明我国茶树种质资源丰富的 遗传多样性。对安化云台山种原产地的有性群体进 行RAPD分析表明, 其遗传多态性为 79133% , 遗 传距离为 011252~ 014616, 表明群体品种的有性后 代同样具有丰富的遗传多样性, 遗传变异度较大, 云台山种具有二个核心种质群和一些遗传变异的个 体[61]。陈亮等对中国 15 个无性系和其它 5 份茶树 优质资源的 RAPD 分析表明, 基因组 DNA 扩增谱 带的多态性高达 8419 ~ 9412% , 高于韩国自生茶 (基因组 DNA 扩增谱带的平均多态性为 8415% ) , 说明中国茶树具有丰富的遗传多样性, 与我国是茶 树的原产地和起源中心有密切关系[ 68- 70]。 梁月荣等运用 RAPD技术对茶树品种及其亲缘 种进行了分析, 结果表明 RAPD能有效地区分物种 间和茶树种内变异间的差异[ 71]。Wachira F1N1 等对 山茶属 红 山 茶 组 ( Sect1 Camellia )、短柱 茶 组 ( Sect1 Paracamellia)、油茶组 ( Sect1Oleifera)、糙果茶 组 ( Sect1furfuracea)、古茶组 ( Sect1Archecamellica)、 毛蕊茶组 ( Sect1Cameliopsis )、连 蕊茶组 ( Sect. Theopsis) 和茶组 ( Sect1Thea) 等 8 个组 21 个种和 变种应用 RAPD 和细胞器特异的 PCR 进行聚类分 析, 结果与以形态学、杂交孕性及类萜指数为依据 的分类结果相一致[ 72]。田中淳一等应用 RAPD 技 术对 / 丰绿0 和 /茗绿0 进行亲本分析, 认为 / 丰 绿0 不是由 / 朝露0 自交育成的品种, / 茗绿0 的 亲本 / 薮北0 和 / Z- 10 [ 73- 75] ; 对 / 开炉0 的分析 证明具有茶和山茶共同特征的 / 开炉0 是茶与山茶 的杂种[ 151]。梁月荣等应用 RAPD 分子标记分析了 / 晚绿0 品种的杂交亲本, 结果表明 / 晚绿0 的亲 本不是 / 静在 160, 也不是 / 大叶乌龙0 和 / 青心 乌龙0 [ 76]。李善河等应用 RAPD 分子标记鉴定区分 韩国野茶和日本栽培茶树品种[ 77]。田中淳一等以 狭山香、金- CK17、薮北等 11 个品种和 2 个杂交 组合 (狭山香 @ 金- CK17, 金- CK17 @ 狭山香 ) 的54 份材料进行 RAPD 分析, 发现 OpG- 3- C, OpG - 7 ( 900 ) , OpG - 13 ( 1800 ) , OpG - 13 ( 2500 ) , OpL - 7 ( 700 ) , OpM - 17 ( 320) , TA ( 270) 为狭山香的细胞质标记, OpG- 5 ( 500) , OpH- 9 ( 1600) 为金- CK17 的细胞质标记[ 78]。还 获得了茶树萌芽期、茶多酚含量、氨基酸含量、抗 寒性、炭疽病抗性等 RAPD标记[ 79- 84]。赵东根据 已经发表的多酚氧化酶基因中的保守序列, 设计兼 并引物, 利用 nest- PCR 技术, 克隆了茶树多酚氧 化酶基因。并发现茶多酚氧化酶与其他植物多酚氧 化酶有较高的相似性, 尤其在铜离子的结合部位, 所有植物基本一致[ 85]。Matsumoto S 等以水稻的 PAL cDNA为探针, 获得了苯丙氨酸解氨酶基因 ( PAL cDNA) 克隆[ 86]。Atsuko Takeuchi等获得了查尔酮合 成酶基因 ( CHS cDNA) 克隆[ 87]。茶树分子标记和 基因克隆技术的发展将为茶树种质资源的研究, 特 别是在种质资源鉴定和分子标记辅助育种等方面开 拓崭新的空间。 1 Sealy J R. A Revision of the Genus Camell ia. London: The Royal Hort icultural Society. 1958 2 陈兴琰主编. 茶树原产地云南. 云南人民出版社, 19946. 张宏达. 叶茶树的系统分类. 中山大学学报 (自然科学) , 1981, ( 1) : 87- 99 3 张宏达. 茶植物资源的修订. 中山大学学报 (自然科 学) , 1984, (1) : 1- 12 4 闵天禄. 山茶属茶组植物的修订. 云南植物研究. 1992, ( 2) : 115- 132 5 陈亮, 虞富莲, 童启庆. 关于茶组植物分类与演化的 讨论. 茶叶科学, 2000, 20 (2) : 89~ 94 6 中国农业科学院茶叶研究所主编. 茶叶科学研究论文 集. 上海科学技术出版社, 1991 7 庄晚芳, 刘祖生, 陈文怀. 论茶树变种分类. 浙江农 业大学学报, 1981, 7 ( 1) : 41- 48 8 陈兴琰, 唐明德, 陈国本等, 湖南主要茶树群体种质 资源研究, 茶叶通讯, 1989, ( 1) : 34~ 39; ( 2) : 3~ 9 9 陈国本. 湖南茶树资源类型亲缘关系及其分类的探讨. 湖南农学学报, 1987, ( 3) : 71- 76 10 唐明德. 城步峒茶资源研究初报. 茶叶通讯, 1988, ( 3) : 43- 47 11 郭元超. 茶叶植物分类的演变与发展. 福建茶叶, 1993, ( 3) : 7- 10 12 陈亮. 茶组植物系统分类学研究现状. 茶叶, 1996, 22 (2) : 16- 19 13 大石贞男著. 李家光摘译. 茶树花器分类. 福建茶 叶, 1987, (4) : 30 14 陈亮, 童启庆, 高其康等. 山茶属 8种 1变种花粉形 态比较. 茶叶科学, 1997, 17 (2) : 183- 188 15 束际林, 陈亮, 王海思等. 茶树及其他山茶属植物花 粉形态超微结构及演化. 茶叶科学, 1998, 18 ( 1) : 6 - 15 16 束际林, 陈亮. 茶树花粉形态的演化趋势. 茶叶科 学, 1996, 16 ( 2) : 115- 118. 17 郭元超. 茶树花器形态分类研究. 茶叶科学简报, 1990, ( 4) : 8- 15 18 王立, 陈亮. 茶树花程式和花图式及其在茶树系统演 化中的反映. 中国茶叶, 1994, ( 5) : 2- 3 12 福 建 茶 叶 19 骆耀平, 童启庆, 庄晚芳. 茶树形态分类的聚类分析 方法研究. 茶叶, 1992, 18 ( 1) : 18- 23 20 陈亮, 童启庆, 庄晚芳. 茶树花粉形态及其模糊聚类 的研究. 浙江农业大学学报, 1992, 18 ( 2) : 1- 6 21 叶乃兴, 郭元超. 茶树种质资源形态特征的主分量分 析. 茶叶科学技术, 1996, ( 3) : 21- 25 22 志村乔. 茶树N细胞学研究 (豫报) . 日本作物学会纪 事, 1935, 7 (2) : 121- 128 23 李懋学, 严学成. 中国某些野生和栽培茶的核型研 究. 武汉植物学研究. 1985, 3 ( 4) : 319- 321 24 梁国鲁, 李晓林, 王守生等. 四川大茶树染色体核型 分析. 茶叶科学, 1993, 13 ( 2) : 121- 126 25 梁国鲁, 周才琼, 林蒙嘉等. 贵州大树茶核型变异和 进化. 植物分类学报, 1994, 32 ( 4) : 308- 315 26 李斌, 陈兴琰, 陈国本等. 茶树染色体组型分析. 茶 叶科学, 1986, 6 (2) : 7- 14 27 李斌, 陈国本, 郑永球. 邦威大茶树等 5个大叶茶的 染色体组型分析. 茶叶科学, 1996, 16 ( 2) : 119- 124 28 李斌. 广东南昆山毛叶茶染色体组型分析. 中国茶 叶, 1995, 5: 30- 31 29 李光涛. 茶树的核型及种的分类研究. 茶叶, 1983, ( 4) : 11- 16 30 屈文琦, 陈兴琰, 陈国本. 茶叶无性系品种的染色体 组型及其变异的研究. 福建茶叶, 1987, (3) : 7- 17 31 Stebbins G L (复旦大学遗传研究所译) : 植物的变异 与进化. 上海: 上海科学技术出版社, 1963 32 杰姆哈捷 K. 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