61份茶樹種質(zhì)資源礦質(zhì)元素多樣性分析

鄭淑琳， 石玉濤， 葉乃興， 張群峰， 王飛權(quán)， 李遠(yuǎn)華， 張 渤， 吳邦強(qiáng)

(1.武夷學(xué)院茶與食品學(xué)院/茶葉福建省高校工程研究中心/武夷學(xué)院茶葉科學(xué)研究所，福建武夷山 354300；2.福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院，福建福州 350002； 3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所，浙江杭州 310008；4.福建省武夷山生物研究所，福建武夷山 354300)

茶是世界上最受歡迎的三大天然飲料之一。茶葉因含有多種營(yíng)養(yǎng)成分和具有抗氧化、降血糖、降血脂等保健功效，被譽(yù)為21世紀(jì)最具生命力的健康飲料。茶樹是重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，我國(guó)茶園面積和茶葉產(chǎn)量均居世界首位，茶產(chǎn)業(yè)已成為我國(guó)重要的扶貧和富民產(chǎn)業(yè)。茶樹種質(zhì)資源是茶樹品種改良和新產(chǎn)品開發(fā)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是保障種業(yè)安全的戰(zhàn)略性資源。我國(guó)是茶樹的起源地，茶樹種植區(qū)域廣闊，種質(zhì)資源異常豐富。遺傳多樣性是決定物種發(fā)生、進(jìn)化、選擇、重組和創(chuàng)新的物質(zhì)基礎(chǔ)。開展植物種質(zhì)資源遺傳多樣性研究，有助于把握植物種質(zhì)資源收集和保存的方向，明確不同類型間的親緣關(guān)系，構(gòu)建核心種質(zhì)庫(kù)，開發(fā)利用種質(zhì)的優(yōu)良特性。相關(guān)學(xué)者從農(nóng)藝性狀、品質(zhì)性狀、分子標(biāo)記等方面對(duì)茶樹種質(zhì)資源的遺傳多樣性進(jìn)行了研究。牛素貞等對(duì)144份貴州省古茶樹種質(zhì)資源的樹型、樹姿、葉形等10個(gè)形態(tài)特征性狀進(jìn)行了變異系數(shù)、多樣性指數(shù)、聚類分析和因子分析。王飛權(quán)等利用主成分分析和聚類分析，對(duì)42份武夷名叢茶樹資源生化成分的多樣性進(jìn)行研究，篩選出一批高茶多酚、高咖啡堿等生化成分的特異種質(zhì)。

礦質(zhì)元素是人體正常生長(zhǎng)發(fā)育必需的成分，人體缺乏礦質(zhì)元素容易造成“隱性饑餓”。茶葉作為一種廣受歡迎的健康飲料，是人體獲取礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的來(lái)源之一。礦質(zhì)元素在茶樹初級(jí)和次級(jí)代謝過(guò)程中發(fā)揮重要作用，對(duì)茶樹生長(zhǎng)和茶葉品質(zhì)有重要影響。近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者基于礦質(zhì)元素對(duì)小麥、燕麥、水稻等作物的遺傳多樣性進(jìn)行了研究和分析，但關(guān)于茶樹種質(zhì)資源礦質(zhì)元素遺傳多樣性方面的研究較少。石玉濤等對(duì)武夷山茶區(qū)特色茶樹資源武夷名叢礦質(zhì)元素含量的研究發(fā)現(xiàn)，28份武夷名叢茶樹種質(zhì)資源中18種礦質(zhì)元素含量存在較為豐富的遺傳變異性。鄭淑琳等對(duì)34份主要烏龍茶種質(zhì)資源礦質(zhì)元素含量特征的初步研究也發(fā)現(xiàn)34份烏龍茶種質(zhì)資源中礦質(zhì)元素含量變異豐富，平均變異系數(shù)為31.84%，平均遺傳多樣性指數(shù)為1.91。相關(guān)研究主要針對(duì)烏龍茶種質(zhì)資源，綠茶、紅茶、白茶類種質(zhì)資源材料涉及較少，對(duì)茶樹種質(zhì)資源礦質(zhì)元素多樣性的分析尚不夠系統(tǒng)全面。本研究采用等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)定61份國(guó)內(nèi)主要茶樹種質(zhì)資源礦質(zhì)元素含量，分析不同茶樹種質(zhì)資源礦質(zhì)元素含量的差異與多樣性，以期為茶樹種質(zhì)資源的開發(fā)利用和茶樹新品種的選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試的61份茶樹[(L.) O. Kuntze]種質(zhì)種植于武夷學(xué)院茶樹種質(zhì)資源圃?；拘畔⒁?jiàn)表1。

表1 茶樹種質(zhì)材料基本信息

1.2 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于福建省武夷山市(27°44′20″N，117°59′51″E)，該地屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，年平均氣溫為18.0 ℃左右，年平均降水量約2 000 mm，年平均相對(duì)濕度為80%左右。土壤類型為黃壤土，土壤有機(jī)質(zhì)含量為9.21 g/kg，pH值為4.80，全氮含量為1.30 g/kg，全磷含量為0.90 g/kg，全鉀含量為10.11 g/kg，速效氮含量為140.52 mg/kg， 速效磷含量為12.56 mg/kg，速效鉀含量為 120.49 mg/kg。每份種質(zhì)種植小區(qū)長(zhǎng)20.0 m、寬1.8 m，株數(shù)為150株，樹齡為5年生。試驗(yàn)地立地條件和肥水管理一致。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品制備 2018年4月于武夷學(xué)院茶樹種質(zhì)資源圃采集供試的61份茶樹種質(zhì)鮮葉原料，每份種質(zhì)從種植小區(qū)中隨機(jī)選擇60株以上茶樹，隨機(jī)采摘1芽2葉新梢，重復(fù)3次。微波殺青固樣，烘干、粉碎后過(guò)40目篩，取篩下樣，置于-20 ℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 樣品處理 準(zhǔn)確稱取1.000 0 g樣品置于消煮管中(每個(gè)樣品平行取3份)，參照石玉濤等的方法對(duì)樣品進(jìn)行消解處理。

1.3.3 礦質(zhì)元素含量測(cè)定 參照王潔等的方法，采用等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測(cè)定鉀(K)、磷(P)、硫(S)、鈣(Ca)、鎂(Mg)、錳(Mn)、鋁(Al)、鐵(Fe)、鈉(Na)、鋅(Zn)、銅(Cu)、鋇(Ba)、硼(B)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鉻(Cr)、鈷(Co)、硒(Se)等18種礦質(zhì)元素的含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019和 IBM SPSS Statistics 26.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析；采用TBtools軟件繪制熱圖并進(jìn)行層次聚類(HCA)分析，聚類方法采用完全連接(complete-linkage)法，距離為歐氏距離；多樣性指數(shù)(′)為Shannon-Wiener指數(shù)，計(jì)算公式為多樣性指數(shù)(′)=-∑ln，其中為某性狀第個(gè)代碼出現(xiàn)的頻率；改良潛力=(-)/×100%，式中：為測(cè)定指標(biāo)最高含量，為測(cè)定指標(biāo)平均含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 茶樹種質(zhì)資源礦質(zhì)元素含量差異分析

從表2可以看出，供試的61份茶樹種質(zhì)均含有豐富的礦質(zhì)元素，不同礦質(zhì)元素含量具有顯著差異。5種大量礦質(zhì)元素中，以K的平均含量最高，為 9 772.61 mg/kg，Mg的平均含量最低，為 899.94 mg/kg；13種微量礦質(zhì)元素中，以Mn的平均含量最高，為550.78 mg/kg，Se的平均含量最低，為0.27 mg/kg。18種礦質(zhì)元素含量的平均遺傳多樣性指數(shù)為1.98，表明供試的61份茶樹種質(zhì)各礦質(zhì)元素含量遺傳差異大，具有較為豐富的遺傳多樣性。18種礦質(zhì)元素含量平均變異系數(shù)為30.79%，表明供試的61份茶樹種質(zhì)的18種礦質(zhì)元素含量存在豐富的變異類型，具有較大的選擇范圍。不同茶樹種質(zhì)礦質(zhì)元素含量具有不同程度的改良潛力，Ti含量改良潛力最大，為262.40%，S含量改良潛力最低，為36.30%，F(xiàn)e、Co、Al、Ni含量的改良潛力較高，分別為228.54%、175.81%、133.26%、102.76%。對(duì)18種礦質(zhì)元素含量進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)(Shapiro-Wilk檢驗(yàn))，結(jié)果顯示，P、S、Ca、Mg、Mn、Zn、Cu、Ba、B、Se等10種元素含量呈正態(tài)分布(>0.05)，表明這10種元素含量在61份茶樹種質(zhì)的大部分材料中處于平均水平；K、Al、Fe、Na、Ti、Ni、Cr、Co等8種元素含量呈正偏態(tài)分布(<0.05)，表明這8種元素含量在61份茶樹種質(zhì)的大部分材料中低于平均水平。

表2 61份茶樹種質(zhì)資源18種礦質(zhì)元素含量差異與改良潛力

2.2 茶樹種質(zhì)資源中18種礦質(zhì)元素含量的相關(guān)性分析

對(duì)18種礦質(zhì)元素含量的相關(guān)性分析(圖1)可知，K含量與P、S、Mg、Cu含量呈極顯著正相關(guān)；P含量與S、Mg、Zn、Cu、B、Cr含量呈極顯著正相關(guān)；S含量與Mg、Al、Fe、Cu、B、Ti、Cr含量呈極顯著正相關(guān)；Ca含量與Mn、Al、B含量呈極顯著正相關(guān)；Mg含量與Na、Cu含量呈極顯著正相關(guān)；Mn含量與Al、Fe、B、Co、Se含量呈極顯著正相關(guān)；Al含量與Fe、Cu、B、Ti、Cr含量呈極顯著正相關(guān)；Fe含量與Cu、Ti、Cr含量呈極顯著正相關(guān)；Zn含量與Cu含量呈極顯著正相關(guān)；Cu含量與B、Ti、Ni、Cr含量呈極顯著正相關(guān)；Ti含量與Cr含量呈極顯著正相關(guān)，表明不同茶樹種質(zhì)中各礦質(zhì)元素之間存在著復(fù)雜的相關(guān)性。

2.3 茶樹種質(zhì)資源礦質(zhì)元素的主成分分析

對(duì)茶樹種質(zhì)資源礦質(zhì)元素含量進(jìn)行主成分分析，結(jié)果(表3)表明，可將18個(gè)礦質(zhì)元素指標(biāo)簡(jiǎn)化為6個(gè)主成分，累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)77.722%，能夠代表18個(gè)指標(biāo)的絕大部分信息。第1主成分(PC)起作用的指標(biāo)是礦質(zhì)元素S、Al、Fe、Cu、Ti、Cr，稱為S、Al、Fe、Cu、Ti、Cr因子，貢獻(xiàn)率為31.506%；第2主成分(PC)起作用的指標(biāo)是礦質(zhì)元素P、Mn、Zn，稱為P、Mn、Zn因子，貢獻(xiàn)率為13.582%；第3主成分(PC)主要受Co、Se元素的影響，稱為Co、Se因子，貢獻(xiàn)率為11.285%；第4主成分(PC)主要受Ni、Mg和Zn元素的影響，其中Mg的影響為負(fù)，稱為Ni、Mg、Zn因子，貢獻(xiàn)率為8.099%；第5主成分(PC)起作用的指標(biāo)是礦質(zhì)元素Ca，稱為Ca因子，貢獻(xiàn)率為7.145%；第6主成分(PC)起作用的指標(biāo)是礦質(zhì)元素Ba和Na，稱為Ba、Na因子，貢獻(xiàn)率最小，為6.305%。

表3 茶葉種質(zhì)資源中18種礦質(zhì)元素含量主成分分析結(jié)果

以各個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率占累積方差貢獻(xiàn)率的比值為權(quán)重，建立綜合得分模型：

=0405(，1)+0175(，2)+0143(，3)+0104(，4)+0092(，5)+0081(，6)。

(1)

式中：為綜合得分；(，1)、(，2)、(，3)、(，4、(，5)、(，6)為6個(gè)主成分的得分；為1，2，3，…，61。

根據(jù)公式(1)計(jì)算61份茶樹種質(zhì)中礦質(zhì)元素的綜合得分(表4)，根據(jù)綜合得分排序?qū)?1份茶樹種質(zhì)礦質(zhì)元素含量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。綜合得分排前10位的茶樹種質(zhì)分別為TG24(黃山種)、TG45(湘妃翠)、TG53(早白尖5號(hào))、TG15(鄂茶5號(hào))、TG52(云抗10號(hào))、TG26(江華苦茶)、TG55(浙農(nóng)121)、TG54(浙農(nóng)113)、TG49(渝茶一號(hào))、TG60(紫鵑)，表明這10份茶樹種質(zhì)對(duì)礦質(zhì)元素的吸收和累積能力較強(qiáng)；排后5位的茶樹種質(zhì)為TG11(大葉龍)、TG35(千年雪)、TG38(蜀永2號(hào))、TG03(巴渝特早)、TG09(崇枇71-1)，表明這5份材料對(duì)礦質(zhì)元素的吸收和累積能力較弱。

表4 61份茶樹種質(zhì)資源的主成分得分

表4(續(xù))

2.4 基于18種礦質(zhì)元素含量的茶樹種質(zhì)資源的聚類分析

基于18種礦質(zhì)元素含量對(duì)61份茶樹種質(zhì)進(jìn)行聚類分析(圖2)，按照各元素含量的高低，可將61份茶樹種質(zhì)劃分為5類，第1類(Ⅰ)包括TG52、TG20、TG54、TG15、TG53、TG24、TG45等7份資源；第2類(Ⅱ)只包含TG11；第3類(Ⅲ)包含TG01、TG16、TG29、TG35、TG38、TG51、TG56、TG09、TG23等9份資源；第4類(Ⅳ)包含TG02、TG32、TG06、TG41、TG36、TG08、TG31、TG33、TG40、TG03、TG04、TG22、TG28、TG43、TG19、TG17、TG47等17份資源；第5類(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份資源。

從表5可以看出，第 Ⅰ 類群7份種質(zhì)的K、P、S、Ca、Mg、Mn、Al、Fe、Na、Cu、Ba、B、Ti、Cr、Se含量在5個(gè)類群中最高，Zn、Ni、Co等3種元素的含量中等；第 Ⅱ 類群1份種質(zhì)除Ti和Cr含量中等外，其余16種元素含量在5個(gè)類群中均最低；第 Ⅲ 類群9份種質(zhì)的Co含量在5個(gè)類群中最高，Cr含量最低，其余元素的含量中等；第 Ⅳ 類群17份種質(zhì)的Zn含量在5個(gè)類群中最高，Ti含量最低，其余元素含量中等；第 Ⅴ 類群27份種質(zhì)的Ni含量在5個(gè)類群中最高，其余元素含量中等。結(jié)合主成分分析結(jié)果可知，主成分得分排前5位的5份種質(zhì)位于聚類分析的第 Ⅰ 類群，主成分得分排最末位的種質(zhì)與聚類分析的第 Ⅱ 類群的1份材料一致，說(shuō)明聚類分析可獲得與主成分分析較為一致的評(píng)價(jià)結(jié)果。

表5 茶樹種質(zhì)資源各類群礦質(zhì)元素平均含量

3 討論與結(jié)論

茶樹是我國(guó)重要的特色經(jīng)濟(jì)作物，茶樹種質(zhì)資源是培育茶樹優(yōu)良品種和發(fā)展茶葉生產(chǎn)最重要的基礎(chǔ)材料。長(zhǎng)期茶葉生產(chǎn)實(shí)踐表明，優(yōu)異種質(zhì)資源對(duì)育種水平的提高具有重要意義。我國(guó)茶樹種質(zhì)資源豐富，遺傳基礎(chǔ)廣泛，系統(tǒng)地對(duì)茶樹種質(zhì)資源進(jìn)行鑒定、分析和遺傳多樣性研究，能為茶樹的遺傳改良提供更加豐富的親本材料，對(duì)于茶樹的遺傳育種具有重大的推動(dòng)意義。

本研究通過(guò)對(duì)61份茶樹種質(zhì)資源中18種礦質(zhì)元素含量的測(cè)定和分析，發(fā)現(xiàn)18種礦質(zhì)元素含量的平均遺傳多樣性指數(shù)為1.98，平均變異系數(shù)達(dá)30.79%，表明61份茶樹種質(zhì)在18種礦質(zhì)元素上存在豐富的變異類型，具有較大的選擇范圍，可以從中選擇改良潛力較大的種質(zhì)材料，選育出不同礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)吸收和累積能力的茶樹品種。相關(guān)性分析結(jié)果表明，茶樹中不同礦質(zhì)元素間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，如K含量與P、S、Mg、Cu含量呈極顯著正相關(guān)(<0.01)，P含量與S、Mg、Zn、Cu、B、Cr含量呈極顯著正相關(guān)(<0.01)，因此在茶園生產(chǎn)管理中，可結(jié)合不同茶樹種質(zhì)對(duì)礦質(zhì)元素的吸收和累積特點(diǎn)，做到因地制宜、因種施肥，從而實(shí)現(xiàn)茶園生產(chǎn)中化肥減量化施用的要求。通過(guò)主成分分析篩選出61份茶樹種質(zhì)資源的代表性元素為S、Al、Fe、Cu、Ti、Cr、P、Mn、Zn、Co、Se，可為茶樹品種礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)性狀篩選和鑒定提供參考。聚類分析可將61份茶樹種質(zhì)資源分為5類，各個(gè)類群在K、P、S、Ca、Mg、Mn、Co、Cr、Ni等元素含量上差異明顯，今后可針對(duì)茶樹種質(zhì)資源礦質(zhì)元素含量豐富的多態(tài)性，利用分子生物學(xué)手段和方法進(jìn)行基因定位和有用基因挖掘，為茶樹資源礦質(zhì)元素的遺傳改良提供更為深入的依據(jù)。本研究?jī)H對(duì)茶樹種質(zhì)資源主要礦質(zhì)元素含量進(jìn)行了分析，而茶樹中富含多種營(yíng)養(yǎng)和功能成分，礦質(zhì)元素與茶多酚、生物堿和游離氨基酸等主要品質(zhì)成分的相關(guān)性，以及礦質(zhì)元素與茶樹生理特性、抗逆性的相互關(guān)系等都有待于進(jìn)一步系統(tǒng)研究，從而為茶樹種質(zhì)資源的評(píng)價(jià)和鑒定提供更為全面的參考。