郑淑琳, 石玉涛, 叶乃兴, 张群峰, 王飞权, 李远华, 张 渤, 吴邦强
(1.武夷学院茶与食品学院/茶叶福建省高校工程研究中心/武夷学院茶叶科学研究所,福建武夷山 354300;2.福建农林大学园艺学院,福建福州 350002; 3.中国农业科学院茶叶研究所,浙江杭州 310008;4.福建省武夷山生物研究所,福建武夷山 354300)
茶是世界上最受欢迎的三大天然饮料之一。茶叶因含有多种营养成分和具有抗氧化、降血糖、降血脂等保健功效,被誉为21世纪最具生命力的健康饮料。茶树是重要的经济作物之一,我国茶园面积和茶叶产量均居世界首位,茶产业已成为我国重要的扶贫和富民产业。茶树种质资源是茶树品种改良和新产品开发的物质基础,是保障种业安全的战略性资源。我国是茶树的起源地,茶树种植区域广阔,种质资源异常丰富。遗传多样性是决定物种发生、进化、选择、重组和创新的物质基础。开展植物种质资源遗传多样性研究,有助于把握植物种质资源收集和保存的方向,明确不同类型间的亲缘关系,构建核心种质库,开发利用种质的优良特性。相关学者从农艺性状、品质性状、分子标记等方面对茶树种质资源的遗传多样性进行了研究。牛素贞等对144份贵州省古茶树种质资源的树型、树姿、叶形等10个形态特征性状进行了变异系数、多样性指数、聚类分析和因子分析。王飞权等利用主成分分析和聚类分析,对42份武夷名丛茶树资源生化成分的多样性进行研究,筛选出一批高茶多酚、高咖啡碱等生化成分的特异种质。
矿质元素是人体正常生长发育必需的成分,人体缺乏矿质元素容易造成“隐性饥饿”。茶叶作为一种广受欢迎的健康饮料,是人体获取矿质营养的来源之一。矿质元素在茶树初级和次级代谢过程中发挥重要作用,对茶树生长和茶叶品质有重要影响。近年来,相关学者基于矿质元素对小麦、燕麦、水稻等作物的遗传多样性进行了研究和分析,但关于茶树种质资源矿质元素遗传多样性方面的研究较少。石玉涛等对武夷山茶区特色茶树资源武夷名丛矿质元素含量的研究发现,28份武夷名丛茶树种质资源中18种矿质元素含量存在较为丰富的遗传变异性。郑淑琳等对34份主要乌龙茶种质资源矿质元素含量特征的初步研究也发现34份乌龙茶种质资源中矿质元素含量变异丰富,平均变异系数为31.84%,平均遗传多样性指数为1.91。相关研究主要针对乌龙茶种质资源,绿茶、红茶、白茶类种质资源材料涉及较少,对茶树种质资源矿质元素多样性的分析尚不够系统全面。本研究采用等离子体发射光谱仪测定61份国内主要茶树种质资源矿质元素含量,分析不同茶树种质资源矿质元素含量的差异与多样性,以期为茶树种质资源的开发利用和茶树新品种的选育提供理论依据。
供试的61份茶树[(L.) O. Kuntze]种质种植于武夷学院茶树种质资源圃。基本信息见表1。
表1 茶树种质材料基本信息
试验地位于福建省武夷山市(27°44′20″N,117°59′51″E),该地属中亚热带季风湿润气候区,年平均气温为18.0 ℃左右,年平均降水量约2 000 mm,年平均相对湿度为80%左右。土壤类型为黄壤土,土壤有机质含量为9.21 g/kg,pH值为4.80,全氮含量为1.30 g/kg,全磷含量为0.90 g/kg,全钾含量为10.11 g/kg,速效氮含量为140.52 mg/kg, 速效磷含量为12.56 mg/kg,速效钾含量为 120.49 mg/kg。每份种质种植小区长20.0 m、宽1.8 m,株数为150株,树龄为5年生。试验地立地条件和肥水管理一致。
1.3.1 样品制备 2018年4月于武夷学院茶树种质资源圃采集供试的61份茶树种质鲜叶原料,每份种质从种植小区中随机选择60株以上茶树,随机采摘1芽2叶新梢,重复3次。微波杀青固样,烘干、粉碎后过40目筛,取筛下样,置于-20 ℃冰箱中保存备用。
1.3.2 样品处理 准确称取1.000 0 g样品置于消煮管中(每个样品平行取3份),参照石玉涛等的方法对样品进行消解处理。
1.3.3 矿质元素含量测定 参照王洁等的方法,采用等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定钾(K)、磷(P)、硫(S)、钙(Ca)、镁(Mg)、锰(Mn)、铝(Al)、铁(Fe)、钠(Na)、锌(Zn)、铜(Cu)、钡(Ba)、硼(B)、钛(Ti)、镍(Ni)、铬(Cr)、钴(Co)、硒(Se)等18种矿质元素的含量。
采用Microsoft Excel 2019和 IBM SPSS Statistics 26.0软件进行数据处理和统计分析;采用TBtools软件绘制热图并进行层次聚类(HCA)分析,聚类方法采用完全连接(complete-linkage)法,距离为欧氏距离;多样性指数(′)为Shannon-Wiener指数,计算公式为多样性指数(′)=-∑ln,其中为某性状第个代码出现的频率;改良潜力=(-)/×100%,式中:为测定指标最高含量,为测定指标平均含量。
从表2可以看出,供试的61份茶树种质均含有丰富的矿质元素,不同矿质元素含量具有显著差异。5种大量矿质元素中,以K的平均含量最高,为 9 772.61 mg/kg,Mg的平均含量最低,为 899.94 mg/kg;13种微量矿质元素中,以Mn的平均含量最高,为550.78 mg/kg,Se的平均含量最低,为0.27 mg/kg。18种矿质元素含量的平均遗传多样性指数为1.98,表明供试的61份茶树种质各矿质元素含量遗传差异大,具有较为丰富的遗传多样性。18种矿质元素含量平均变异系数为30.79%,表明供试的61份茶树种质的18种矿质元素含量存在丰富的变异类型,具有较大的选择范围。不同茶树种质矿质元素含量具有不同程度的改良潜力,Ti含量改良潜力最大,为262.40%,S含量改良潜力最低,为36.30%,Fe、Co、Al、Ni含量的改良潜力较高,分别为228.54%、175.81%、133.26%、102.76%。对18种矿质元素含量进行正态分布检验(Shapiro-Wilk检验),结果显示,P、S、Ca、Mg、Mn、Zn、Cu、Ba、B、Se等10种元素含量呈正态分布(>0.05),表明这10种元素含量在61份茶树种质的大部分材料中处于平均水平;K、Al、Fe、Na、Ti、Ni、Cr、Co等8种元素含量呈正偏态分布(<0.05),表明这8种元素含量在61份茶树种质的大部分材料中低于平均水平。
表2 61份茶树种质资源18种矿质元素含量差异与改良潜力
对18种矿质元素含量的相关性分析(图1)可知,K含量与P、S、Mg、Cu含量呈极显著正相关;P含量与S、Mg、Zn、Cu、B、Cr含量呈极显著正相关;S含量与Mg、Al、Fe、Cu、B、Ti、Cr含量呈极显著正相关;Ca含量与Mn、Al、B含量呈极显著正相关;Mg含量与Na、Cu含量呈极显著正相关;Mn含量与Al、Fe、B、Co、Se含量呈极显著正相关;Al含量与Fe、Cu、B、Ti、Cr含量呈极显著正相关;Fe含量与Cu、Ti、Cr含量呈极显著正相关;Zn含量与Cu含量呈极显著正相关;Cu含量与B、Ti、Ni、Cr含量呈极显著正相关;Ti含量与Cr含量呈极显著正相关,表明不同茶树种质中各矿质元素之间存在着复杂的相关性。
对茶树种质资源矿质元素含量进行主成分分析,结果(表3)表明,可将18个矿质元素指标简化为6个主成分,累积方差贡献率达77.722%,能够代表18个指标的绝大部分信息。第1主成分(PC)起作用的指标是矿质元素S、Al、Fe、Cu、Ti、Cr,称为S、Al、Fe、Cu、Ti、Cr因子,贡献率为31.506%;第2主成分(PC)起作用的指标是矿质元素P、Mn、Zn,称为P、Mn、Zn因子,贡献率为13.582%;第3主成分(PC)主要受Co、Se元素的影响,称为Co、Se因子,贡献率为11.285%;第4主成分(PC)主要受Ni、Mg和Zn元素的影响,其中Mg的影响为负,称为Ni、Mg、Zn因子,贡献率为8.099%;第5主成分(PC)起作用的指标是矿质元素Ca,称为Ca因子,贡献率为7.145%;第6主成分(PC)起作用的指标是矿质元素Ba和Na,称为Ba、Na因子,贡献率最小,为6.305%。
表3 茶叶种质资源中18种矿质元素含量主成分分析结果
以各个主成分的方差贡献率占累积方差贡献率的比值为权重,建立综合得分模型:
=0405(,1)+0175(,2)+0143(,3)+0104(,4)+0092(,5)+0081(,6)。
(1)
式中:为综合得分;(,1)、(,2)、(,3)、(,4、(,5)、(,6)为6个主成分的得分;为1,2,3,…,61。
根据公式(1)计算61份茶树种质中矿质元素的综合得分(表4),根据综合得分排序对61份茶树种质矿质元素含量进行综合评价。综合得分排前10位的茶树种质分别为TG24(黄山种)、TG45(湘妃翠)、TG53(早白尖5号)、TG15(鄂茶5号)、TG52(云抗10号)、TG26(江华苦茶)、TG55(浙农121)、TG54(浙农113)、TG49(渝茶一号)、TG60(紫鹃),表明这10份茶树种质对矿质元素的吸收和累积能力较强;排后5位的茶树种质为TG11(大叶龙)、TG35(千年雪)、TG38(蜀永2号)、TG03(巴渝特早)、TG09(崇枇71-1),表明这5份材料对矿质元素的吸收和累积能力较弱。
表4 61份茶树种质资源的主成分得分
表4(续)
基于18种矿质元素含量对61份茶树种质进行聚类分析(图2),按照各元素含量的高低,可将61份茶树种质划分为5类,第1类(Ⅰ)包括TG52、TG20、TG54、TG15、TG53、TG24、TG45等7份资源;第2类(Ⅱ)只包含TG11;第3类(Ⅲ)包含TG01、TG16、TG29、TG35、TG38、TG51、TG56、TG09、TG23等9份资源;第4类(Ⅳ)包含TG02、TG32、TG06、TG41、TG36、TG08、TG31、TG33、TG40、TG03、TG04、TG22、TG28、TG43、TG19、TG17、TG47等17份资源;第5类(Ⅴ)包括TG05、TG25、TG60、 TG37、TG39、TG27、TG12、TG13、TG46、TG58、TG07、TG59、TG30、TG50、TG18、TG21、TG14、TG10、TG44、TG61、TG48、TG34、TG57、TG26、TG49、TG42、TG55等27份资源。
从表5可以看出,第 Ⅰ 类群7份种质的K、P、S、Ca、Mg、Mn、Al、Fe、Na、Cu、Ba、B、Ti、Cr、Se含量在5个类群中最高,Zn、Ni、Co等3种元素的含量中等;第 Ⅱ 类群1份种质除Ti和Cr含量中等外,其余16种元素含量在5个类群中均最低;第 Ⅲ 类群9份种质的Co含量在5个类群中最高,Cr含量最低,其余元素的含量中等;第 Ⅳ 类群17份种质的Zn含量在5个类群中最高,Ti含量最低,其余元素含量中等;第 Ⅴ 类群27份种质的Ni含量在5个类群中最高,其余元素含量中等。结合主成分分析结果可知,主成分得分排前5位的5份种质位于聚类分析的第 Ⅰ 类群,主成分得分排最末位的种质与聚类分析的第 Ⅱ 类群的1份材料一致,说明聚类分析可获得与主成分分析较为一致的评价结果。
表5 茶树种质资源各类群矿质元素平均含量
茶树是我国重要的特色经济作物,茶树种质资源是培育茶树优良品种和发展茶叶生产最重要的基础材料。长期茶叶生产实践表明,优异种质资源对育种水平的提高具有重要意义。我国茶树种质资源丰富,遗传基础广泛,系统地对茶树种质资源进行鉴定、分析和遗传多样性研究,能为茶树的遗传改良提供更加丰富的亲本材料,对于茶树的遗传育种具有重大的推动意义。
本研究通过对61份茶树种质资源中18种矿质元素含量的测定和分析,发现18种矿质元素含量的平均遗传多样性指数为1.98,平均变异系数达30.79%,表明61份茶树种质在18种矿质元素上存在丰富的变异类型,具有较大的选择范围,可以从中选择改良潜力较大的种质材料,选育出不同矿质营养吸收和累积能力的茶树品种。相关性分析结果表明,茶树中不同矿质元素间存在较强的相关性,如K含量与P、S、Mg、Cu含量呈极显著正相关(<0.01),P含量与S、Mg、Zn、Cu、B、Cr含量呈极显著正相关(<0.01),因此在茶园生产管理中,可结合不同茶树种质对矿质元素的吸收和累积特点,做到因地制宜、因种施肥,从而实现茶园生产中化肥减量化施用的要求。通过主成分分析筛选出61份茶树种质资源的代表性元素为S、Al、Fe、Cu、Ti、Cr、P、Mn、Zn、Co、Se,可为茶树品种矿质营养性状筛选和鉴定提供参考。聚类分析可将61份茶树种质资源分为5类,各个类群在K、P、S、Ca、Mg、Mn、Co、Cr、Ni等元素含量上差异明显,今后可针对茶树种质资源矿质元素含量丰富的多态性,利用分子生物学手段和方法进行基因定位和有用基因挖掘,为茶树资源矿质元素的遗传改良提供更为深入的依据。本研究仅对茶树种质资源主要矿质元素含量进行了分析,而茶树中富含多种营养和功能成分,矿质元素与茶多酚、生物碱和游离氨基酸等主要品质成分的相关性,以及矿质元素与茶树生理特性、抗逆性的相互关系等都有待于进一步系统研究,从而为茶树种质资源的评价和鉴定提供更为全面的参考。