茶园花蓟马种群数量与茶叶中生化物质关系的数学分析

程鸿浩 陈诗燕 吴筱萌， 徐 悦 张 淋， 孙佳照 周夏芝 邹运鼎 毕守东*

(1.安徽农业大学 理学院，合肥 230036；2.安徽农业大学 林学与园林学院，合肥 230036)

茶树害虫是影响茶叶产量和品质的主要原因之一，花蓟马(Frankliniellaintonsa(Trybon))是茶树的主要害虫，危害茶花和茶树芽叶主脉两侧，使叶质变差，危害严重时整叶变黄焦枯[1]。Yue[2]研究发现在25 ℃恒温下花蓟马平均每世代产卵量最高可达1 232头，如不加以控制，会对茶叶产量造成巨大损害。目前，花蓟马的防治可通过传统的农药试剂等进行化学防治，也可以通过天敌来进行生物防治。张鲁民等[3]研究发现天敌南方小花蝽(OriusSimilisZhang)对花蓟马的日最大捕食量为15.79头；王建盼等[4]报道在数量、时间和空间关系上与花蓟马跟随关系密切的前5位天敌是草间小黑蛛、黑色跳蛛、粽管巢蛛、斜纹猫蛛和鳞纹肖蛸。但化学防治与生物防治存在危害环境或效率低下等问题，所以对于花蓟马的防治需要进一步创新。

马新华等[5]研究了福建地区茶树害螨的发生特点，得出叶片厚度、叶片中咖啡因、GC含量与害螨螨情指数呈负相关；葛超美等[6]通过分析茶尺蠖对不同茶叶品种的取食选择性，得出茶树生化物质影响茶尺蠖趋势选择的结论；扈克明等[7]报道不同无性系茶树品种中小绿叶蝉类群数量与抗虫性强弱存在明显差异；毛迎新等[8]通过比较福建地区6个主要茶树品种间假眼小绿叶蝉的种群数量动态，得出GC和咖啡碱是茶树抗假眼小绿叶蝉的重要物质；金珊等[9]利用氨基酸分析仪和超高效液相色谱法分析8个茶树品种的氨基酸及其组分，得出γ-氨基丁酸可能是茶树抗虫物质之一；邹武等[10]比较分析福建4个主要茶树品种的理化特性与假眼小绿叶蝉数量间的相关关系，从物理结构和生化指标2方面得出了不同特性与假眼小绿叶蝉的相关性；曾丽等[11]总结了茶树抗性对假眼小绿叶蝉的综合评估，得出不同生化成分含量对假眼小绿叶蝉的数量均有不同影响。上述研究发现，茶叶中不同生化物质含量与害虫数量间存在一定的关联性，这为花蓟马防治工作提供了新方向，但关于茶树各生化物质含量与花蓟马种群数量关系的报道极少。本研究选取了茶园中的9种茶叶，拟利用几种常用的数学方法如Pearson相关性分析、通经分析和回归分析，对花蓟马种群数量与茶叶中生化成分含量的相关性进行计算并综合比较，以期为花蓟马的农业防治和抗虫育种提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 调查地点与时间

调查地点为安徽农业大学农业科技示范基地茶园(31°94′ N,117°21′ E)，茶园面积均为0.2 hm2，选取‘黄山大叶种’‘安吉白茶’‘平阳特早’‘白毫早’‘乌牛早’‘龙井43’‘龙井长叶’‘农抗早’‘舒茶早’这9个品种的茶叶为样本。花蓟马一年发生多代，本研究调查时间为花蓟马发生1～2世代的2021-05-23、3～4世代的2021-06-20和花蓟马盛发期的2021-07-08。茶园均按常规措施管理，不施用农药。

1.2 茶树品种介绍

‘黄山大叶种’(‘黄山早芽’)，由安徽省农业研究院茶叶研究所培育，属灌木型大叶类，叶形椭圆，叶色黄绿[12]；‘安吉白茶’，由其阶段性返白现象得名，属灌木型，树冠矮小，每年春季芽叶会转为白色[13]；‘平阳特早’，属灌木型中叶类，特早生种，叶形椭圆，叶色深绿[14]；‘白毫早’，属灌木型，树姿半展开状，叶形长椭圆，芽叶黄绿，多白毫[15]；‘乌牛早’，由湖南省农业科学院茶叶研究所从安化群体中单株育种而成,茶树芽叶生育力强，产量高[16]；‘龙井43’，中国农业科学院茶叶研究所重要科研成果之一，叶形扁平，芽叶浅绿[17]；‘龙井长叶’，属无性系，灌木型中叶类，早生种，由中国农业科学院茶叶研究所育成[18]；‘农抗早’，属灌木与小乔木型之间类型，中叶类，特早生种[19]；‘舒茶早’，属灌木型，叶形长椭圆，幼嫩芽叶为淡绿色，成叶为深绿色[20]。

1.3 花蓟马调查取样

采用平行跳跃法随机在茶园选取3行，每行间隔1 m。取2 m长的样方，每行10个样方，共30个样方。先目测调查，每样方随机选取10片叶片，调查花蓟马所有虫态的个体数，然后用沾有洗衣粉溶液的搪瓷盘对样方中所有枝叶进行盘拍(搪瓷盘长40 cm，宽30 cm)，记载花蓟马个体数。

1.4 茶叶生化物质含量分析

在安徽农业大学科技示范园区内，对9个不同品种的茶树进行采样，采样时间在上午8点至10点，采摘“一芽二叶”部分。为了防止茶叶蒸腾作用对实验结果产生影响，采摘后立即用干冰保存。样品带回实验室后，将叶片粉碎后过滤去杂质，放入-20 ℃的冰箱中保存[21-22]。将样品分别溶于50%的乙腈溶液和4%的磺基水杨酸溶液中，使用超声波振荡机和旋涡混合器XW-80A进行精细混合，得到测试样本。糖类和各离子化合物类物质利用HPLC-ELSD法进行处理，氨基酸类物质采用蛋白质检测器Waters2475(高效液相色谱泵Waters600、蒸发光散射检测器Waters242和Agilent碳水化合物分析柱(4.6 mm×250 mm))进行分析[23-24]。分析柱配有保护柱，柱温30 ℃，进样量10 μL，流动相为V(乙腈)∶V(水)=3∶1，流速1 mL/min；高效液相色谱泵Waters600与蒸发光散射检测器Waters242使用高纯氮气作为载气，气压241 325 Pa；漂移管温度为85 ℃，雾化器温度36 ℃。采用软件Agilent Masshunter(8.06.00)处理得到的数据，通过比对实验结果与标准结果显示的峰值比例，计算不同茶叶中的糖类、氨基酸类和各离子化合物类含量的具体数据，共测量49种生化物质含量。

1.5 数学分析方法

1.5.1相关系数法

相关系数是普遍被用于表示两组数据间相关性的统计量，常用的相关系数有Pearson相关系数[25]，对于2个分类单位i与j之间的相关系数可定义为：

(1)

1.5.2灰色系统分析

灰色系统分析的基本思想是通过确定参考数据列和若干个比较数据列的几何形状相似程度来判断其联系是否紧密，反映了曲线间的关联程度[26]。本研究将花蓟马数量与茶叶中各种生化物质含量分别作为参考数据列与若干个比较数据列，首先对数据进行无量纲化处理，即采用均值化法将不同量纲的数据都统一归化到1这个量级附近，其次利用公式计算关联系数ξi(k)，最后计算关联度ri。

关联系数公式为：

(2)

关联度公式为：

(3)

式中：x0(k)为参考数据列；xi(k)为各比较数据列；ρ为分辨系数，一般取0到1之间，本研究取0.8。

1.5.3通径分析

通径分析是对简单回归分析进行分解，不仅可以得出多个自变量x1、x2、…、xn对因变量y的影响程度，即直接通径系数，还可以得出自变量之间对因变量y的影响的间接作用，即间接通径系数。对于一般的多元线性回归分析，设因变量y和自变量x1、x2、…、xn,存在方程：

y=β0+β1x1+β2x2+…+βkxk

(4)

(5)

上述两式相减得：

(6)

上式两边同时除以因变量y的标准差σy得：

(7)

利用最小二乘法求出上式各自变量的线性回归系数的求解模型，整理后可得到各简单相关系数的分解方程：

(8)

式中：rij是Xi与Xj的简单相关系数；PjY是Xj对Y的直接通径系数；rijPjY是Xi通过Xj对Y的间接通径系数。上述方程组就是将Xi与Y的简单相关系数分解成Xi对Y的直接通径系数与Xi通过各个Xj对Y的总间接通径系数之和[22]。

这种方法可以有效的得到自变量对因变量起影响作用的最佳路径[28]。通径分析在多元回归的基础上将相关系数分解成直接通径系数和间接通径系数，间接通径系数=相关系数×通径系数，其中通径系数即线性回归计算得出的线性回归方程的系数。本研究的通径分析通过SPSS软件实现。

1.5.4回归分析

回归分析是将多个自变量与因变量建立回归关系，得出回归方程的一种统计方法，从大量随机的不确定的现象中寻求事物的统计规律，是一种具有较高实际应用价值的随机数学模型[25]。本研究通过SV26|IBM SPSS Statistics 26软件进行回归分析。

2 结果与分析

2.1 茶园花蓟马数量的动态变化

不同品种茶树上花蓟马数量和茶叶中各生化物质含量的动态变化如表1所示。前两次调查的花蓟马数量明显少于最后一次，花蓟马盛发期的数量才能真正反映茶树内含物含量与花蓟马数量的关系，因此本研究以3次调查中花蓟马盛发期2021-07-08的种群数量参与分析，茶叶内含物的含量也在2021-07-08进行测量。

表1 9个品种茶树上花蓟马的种群数量Table 1 Population number of Frankliniella intonsa in nine varieties of tea trees 头/30样方

2.2 不同品种茶树上花蓟马数量与茶叶生化物质的相关性分析

对9个品种茶树上的花蓟马种群数量与茶叶中生化物质含量进行相关性分析，结果见表2。糖类、低聚原花青素类和黄酮醇糖苷类含量与花蓟马种群数量呈正相关，即含量越大，花蓟马数量就越多。其中糖类含量与花蓟马数量关系最密切，Pearson相关系数为0.721 0；氨基酸类、儿茶素类和酚酸类含量与花蓟马种群数量呈负相关，即含量越大，花蓟马数量越少，其中儿茶素类含量与花蓟马数量关系最密切。

表2 茶树内含物与花蓟马数量的相关系数Table 2 Correlation coefficient between tea plant contents and the number of F. intonsa

对花蓟马与各生化物质进行进一步的相关性分析得出，糖类中与花蓟马数量关系较为密切的有蔗糖(0.735 7)和果糖(0.500 0)，氨基酸类中与花蓟马数量关系较为密切的有苯丙氨酸(-0.704 4)、酪氨酸(-0.691 3)、乙醇胺(-0.639 6)、亮氨酸(-0.564 2)、结氨酸(-0.507 3)和羟脯氨酸(0.510 9)，儿茶素类中与花蓟马数量关系较为密切的有表没食子儿茶素(-0.735 4)、没食子儿茶素(-0.708 1)和表没食子儿茶素没食子酸酯(0.522 1)，酚酸类中与花蓟马数量关系较为密切的是4-咖啡酰奎宁酸(-0.442 2)，低聚原花青素类中与花蓟马数量关系较为密切的是B2(EC-EC)(0.360 2)，黄酮醇糖苷类中与花蓟马数量关系较为密切的有K-3-0-G(-0.628 2)和Q-7-O-G(0.599 8)。

最后对选取的这15种与花蓟马数量关系较为密切的生化物质含量与花蓟马数量进行灰色关联度分析，得出与花蓟马数量关系最密切的前5位生化物质为蔗糖(0.899 3)、Q-7-O-G(0.894 3)、果糖(0.884 0)、B2(EC-EC)(0.881 4)和表没食子儿茶素没食子酸酯(0.871 6)。其中糖类物质占比较大，可能与糖类能够刺激害虫取食、是重要的营养物质和能量来源以及蔗糖能够促进某些蓟马品种产卵有关。

2.3 不同品种茶树上花蓟马数量与茶叶生化物质的通径分析

对不同品种茶树上花蓟马数量与茶叶生化物质进行通径分析(表3)。通过比较通径系数的绝对值，发现低聚原花青素类的通径系数绝对值最大，为0.785 9，说明低聚原花青素类含量的变化对花蓟马种群数量的作用最为重要。可能与低聚原花青素类抑制植物氧化的功能有关，低聚原花青素类含量越大，植物抗氧化性越强，从而虫害越多。其次为儿茶素类和糖类，分别为0.471 8和0.452 5。

表3 茶叶内6大类生化物质含量对花蓟马数量的影响作用Table 3 The effect of the content of six major biochemicals in tea leaves on the number of F. intonsa

再对通径系数大的低聚原花青素类、儿茶素类和糖类进行进一步的通径分析(表4～6)。糖类中通径系数绝对值最大的是蔗糖，麦芽糖通过蔗糖对花蓟马数量起作用的间接通径系数最大。低聚原花青素类中通径系数绝对值最大的是原花青素B2(EC-EC)，原花青素B4(C-EC)通过B2(EC-EC)对花蓟马数量起作用的间接通径系数最大。儿茶素类中通径系数绝对值最大的是咖啡因，表儿茶素通过咖啡因对花蓟马数量起作用的间接通径系数最大。

2.4 不同品种茶树上花蓟马数量与茶叶生化物质的回归分析

对不同品种茶树上花蓟马数量与茶叶生化物质进行回归分析(表7)，糖类、氨基酸类、低聚原花青素类和黄酮醇糖苷类含量与花蓟马数量呈正相关，儿茶素类和酚酸类含量与花蓟马数量呈负相关。

结合相关性分析和通径分析可知，与花蓟马数量关系最为密切的生化物质为蔗糖、果糖、咖啡因、原花青素B2(EC-EC)、Q-7-O-G和4-咖啡酰奎宁酸。对这几种物质与花蓟马数量进行回归分析，结果见表8。几种生化物质与花蓟马的线性回归方程Y=162.374 6X-333.383 4,所得方程中X为果糖含量，Y为花蓟马种群数量，其他自变量被该模型拒绝，被保留的自变量T1显著性为0.023 9<0.050 0，这说明茶叶内果糖含量与花蓟马种群数量间存在比较明显的线性关系。

表4 茶叶内糖类含量对花蓟马数量的影响作用Table 4 The effect of sugar content in tea leaves on the number of F. intonsa

表5 茶叶内低聚原花青素类含量对花蓟马数量的影响作用Table 5 The effect of oligomeric proanthocyanidin content in tea leaves and on number of F. intonsa

3 讨论与结论

本研究通过综合相关性分析、通经分析和回归分析这3种分析方法发现，糖类是影响花蓟马数量较为显著的一种生化物质。这可能与糖类是花蓟马生存与繁殖的重要营养因素有关，其中蔗糖含量与花蓟马数量关系最为密切。蔗糖在昆虫体内转化成脂肪和氨基酸，脂肪是昆虫贮存能源的重要部位，氨基酸是昆虫生命活动的能源物质，在昆虫的生长发育中起协同作用，这与其他学者[29-31]的研究成果相吻合。王松晓等[29]用蔗糖和蜂蜜等饲喂斜纹夜蛾(ProdenialituraFabricius)幼虫,发现糖类对延长成虫的寿命十分有利,并且可以一定程度上增加雌虫产卵量；陈海游等[30]发现蔗糖对胭脂虫有明显助食作用,适当浓度的蔗糖有助于提高胭脂虫的产量；Fadamiro等[31]对寄生蚤蝇(PseudacteontricuspisBorgmeier)的研究发现,蔗糖对其寿命有延长作用,且25%与50%的蔗糖对其作用相似。

除了糖类以外，儿茶素类在影响花蓟马数量中也起一定的作用，儿茶素类与花蓟马数量呈负相关关系，即儿茶素含量越高，花蓟马数量越少，这可能与儿茶素本身具有的抑菌性[32]有关，且儿茶素类属于酚类活性物质，酚类可作为化学抵御物防御植食性害虫[33]。郑高云等[34]研究发现茶尺蠖历期与儿茶素呈正相关，即儿茶素含量越高,茶尺蠖的幼期越长，儿茶素类物质延迟了茶尺蠖的发育，因此儿茶素对茶尺蠖存在一定抗性；徐正浩等[35]发现儿茶素等植物次生代谢物质可以阻止其他生物的侵害；陈巨莲等[36]报道儿茶素是防御禾谷缢管蚜的重要次生物质。以上皆表明儿茶素对害虫具有抑制作用，与本研究结论一致。

表8 花蓟马数量与最密切的6种生化物质含量回归分析输出结果Table 8 Regression analysis output results between the number of F. intonsa and the content of the six closest biochemical substances

本研究利用Pearson相关系数、通经系数和回归系数对花蓟马种群数量与茶叶中生化物质成分相关性进行分析得出，茶叶中糖类含量与花蓟马数量呈现一定程度的正相关，表明在栽种时可以通过避免栽植糖含量高的茶种，或者已知该茶种含糖量高可以提前采取措施以预防花蓟马；茶叶中儿茶素类含量与花蓟马数量呈现一定程度的负相关，引种时可以多引进儿茶素类含量高的茶种，或者在生产种植过程中注意儿茶素类含量的提升，利用儿茶素加强对花蓟马的防治。本研究结果为茶园中花蓟马的防治提供了有效的科学依据。