烏龍茶種質(zhì)資源礦質(zhì)元素含量特征分析與評價

鄭淑琳 石玉濤 王飛權 張渤 王涵 林立 石元值 葉乃興

摘要：[目的]探明不同烏龍茶種質(zhì)資源中礦質(zhì)元素含量特征，明確烏龍茶種質(zhì)資源的特征礦質(zhì)元素，篩選出礦質(zhì)營養(yǎng)高效的種質(zhì)，為烏龍茶品種創(chuàng)新提供科學依據(jù)。[方法]以34份烏龍茶種質(zhì)資源為試材，測定18種主要礦質(zhì)元素含量，運用因子分析和聚類分析對礦質(zhì)元素含量特征進行分析和評價。[結(jié)果]18種礦質(zhì)元素平均含量由高到低次序為K>P>S>Mg>Ca>Mn>AI>Fe>Na>Zn>Ba>Cu>B>Ti>Ni>Cr>Co>Se，變異系數(shù)在15.75%～69.43%，遺傳多樣性指數(shù)為1.27～2.21.Shapiro-Wilk檢驗表明B、K、Mg、Mn、Na、Nl、P、S、sc、Zn等10種元素含量呈正態(tài)分布，Al、Ba、Ca、Co、Cr、Cu、Fc、Ti等8種元素含量呈偏態(tài)分布。相關性分析表明各元素之間存在復雜的關聯(lián)性。通過主成分分析，將18種礦質(zhì)元素綜合為5個主成分，代表了18種礦質(zhì)元素77.40%的信息。聚類分析將34份烏龍茶種質(zhì)資源分為3類。[結(jié)論]34份烏龍茶種質(zhì)資源中18種礦質(zhì)元素的組成存在差異，烏龍茶種質(zhì)資源的特征元素是Mn、Ca、Mg、A1、K、P、S，可分為高P、Zn，低Al、Ca、Mn、Mg類型，高A1、Ca、Mn、Mg、K、S類型和低K、P、s、Zn類型3類。礦質(zhì)元素富集能力強、礦質(zhì)營養(yǎng)高效的5份烏龍茶種質(zhì)是芝蘭香、本山、瑞香、鐵觀音、黃旦，可作為推廣栽培、新品種選育和產(chǎn)品開發(fā)的優(yōu)良親本材料。

關鍵詞：烏龍茶;種質(zhì)資源;礦質(zhì)元素;聚類分析;主成分分析

中圖分類號：S 571.1文獻標志碼：A 文章編號：1008-0384（2020）02-0150-11

0 引言

（研究意義）烏龍茶是我國六大茶類之一，以其獨特的品質(zhì)和良好的降血糖、抗氧化、抗突變等保健功效而受到消費者的青睞，在國內(nèi)外市場享有很高聲譽。礦質(zhì)元素不僅是茶樹生長發(fā)育和品質(zhì)形成的物質(zhì)基礎，而且是茶葉營養(yǎng)價值的重要表現(xiàn)。礦質(zhì)元素在人體中具有重要的生理功能，對維護人體健康具有重要作用。研究表明，烏龍茶中含有豐富的礦質(zhì)元素，經(jīng)常飲用烏龍茶可補充人體所需的礦物質(zhì)和微量元素等。茶樹種質(zhì)資源是茶樹品種選育創(chuàng)新、產(chǎn)品開發(fā)的重要物質(zhì)基礎，優(yōu)異種質(zhì)資源的篩選利用一直是茶樹種質(zhì)資源研究領域的重點。開展烏龍茶種質(zhì)資源礦質(zhì)元素含量的分析和評價，篩選礦質(zhì)元素富集能力強的烏龍茶種質(zhì)，對烏龍茶新品種的選育、產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

（前人研究進展）目前，關于烏龍茶種質(zhì)資源的農(nóng)藝性狀、主要生化成分、多糖提取工藝及活性、遺傳多樣性等方面已有較多研究，但在不同烏龍茶種質(zhì)資源礦質(zhì)元素富集特征、營養(yǎng)保健價值評價和篩選方面的系統(tǒng)研究還尚未見報道。研究顯示，茶樹新梢中的礦質(zhì)元素除了與土壤養(yǎng)分和灌溉、施肥、降水量等立地條件相關外，還受茶樹自身對礦質(zhì)元素的選擇性吸收、運轉(zhuǎn)和分配等因素的影響，即與茶樹的品種遺傳特性有關。如時鵬濤等研究了湘波綠等7個茶樹品種中Ca、Mg、Mn等9種礦質(zhì)元素的含量及富集特性，結(jié)果表明不同品種的茶樹對礦質(zhì)元素的富集能力存在較大差異;金孝芳等研究結(jié)果顯示湖北主栽茶樹品種中礦質(zhì)元素含量存在差異;李春華等研究發(fā)現(xiàn)9種元素在茶樹品種間差異顯著。因子分析是多指標綜合評價中一種常用的多元統(tǒng)計方法，通過降維過程，將多個指標轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個相互獨立的新指標，再根據(jù)各樣品的因子得分進行綜合評價，使得評價結(jié)果更加合理。近年來，因子分析已被廣泛運用于不同品種蘋果、錐栗、杧果等植物種質(zhì)資源的礦質(zhì)營養(yǎng)評價工作中。（本研究切入點）烏龍茶種質(zhì)資源豐富，武夷學院茶樹種質(zhì)資源圃已保存烏龍茶種質(zhì)100余份，礦質(zhì)元素分析評價工作亟待開展。本研究以34份烏龍茶種質(zhì)資源為試材，以18種主要礦質(zhì)元素為檢測指標，采用因子分析和聚類分析方法對烏龍茶種質(zhì)資源礦質(zhì)元素含量和富集特征進行分析和綜合評價。（擬解決的關鍵問題）旨在揭示烏龍茶種質(zhì)資源中礦質(zhì)元素的含量特征，明確烏龍茶種質(zhì)資源的特征礦質(zhì)元素，篩選出礦質(zhì)元素富集能力強、礦質(zhì)營養(yǎng)高效的材料，為烏龍茶育種目標性狀的選擇、烏龍茶種質(zhì)資源的開發(fā)利用提供參考。

1材料與方法

1.1 試驗材料

供試的34份烏龍茶種質(zhì)資源材料采集自武夷學院茶樹種質(zhì)資源圃（27°44'20”N，117°59'51”E），每份種質(zhì)資源種植小區(qū)長×寬為20m×1.8m，株數(shù)為150株，樹齡為5年生，基本情況見表1.武夷學院茶樹種質(zhì)資源圃位于福建省武夷山市，屬中亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，光照充足，雨量豐沛，溫濕度適宜，適合茶樹生長。年平均氣溫18.3℃，1月平均氣溫7.8℃，7月平均氣溫27.8℃，10℃以上的活動積溫在5000℃以上，年平均日照時數(shù)1629.5h，年平均降雨量1926.9mm，相對濕度在80%左右。圃內(nèi)種質(zhì)資源材料均由其來源地取無病蟲害的枝梢進行扦插繁育，之后按照茶樹種質(zhì)資源圃的建設標準移植、編號、保存于武夷學院茶樹種質(zhì)資源圃，以相同條件進行管理。試驗地立地條件和肥水管理一致。

1.2 主要儀器與試劑

iCAP 6000Series等離子體發(fā)射光譜儀，美國Thermo Scientific公司;DigiBlock ED54電熱消解儀，北京LabTech公司;Ca、Na等標準液，購自國家有色金屬及電子材料分析測試中心;硝酸，優(yōu)級純;高氯酸，優(yōu)級純。

1.3 試驗方法

1.3.1樣品采集 于2018年4月采摘參試的34份烏龍茶種質(zhì)資源春梢，采摘標準為一芽二葉。每份種質(zhì)資源材料從種植小區(qū)中隨機選擇60株以上茶樹，從樹冠外圍中部隨機采摘一芽二葉新梢，重復3次。新梢采摘后微波殺青固樣，烘干、粉碎后過40目篩，取篩下樣，置于-20℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2樣品預處理 準確稱取1.0000g樣品于消煮管中，加人防爆玻璃珠5個，加入V（硝酸）

：V（高氯酸）：氫氟酸（2：1：1）=10mL，蓋上蓋子，放置12h后進行消化。消煮爐緩慢升溫（100℃30min以上，

130℃ 30min以上，150℃ 30min以上，190℃ 7h以上），待紅棕色氣體散盡繼續(xù)升溫到200℃～250℃，持續(xù)加熱至白煙散盡，此時溶液接近五色，蒸近干，稍冷卻，加約5.0mL去離子水，再加熱，蒸除余酸，冷卻。用去離子水沖洗三角瓶及漏斗，將消化好的樣品溶液轉(zhuǎn)至25mL容量瓶中，用2%硝酸定容至標線，搖勻，倒入到塑料方口瓶（50mL）保存，待測。

1.3.3儀器工作參數(shù)及標準曲線 將消解液稀釋10倍后，采用ICP-OES測定Al、B、Ba、Ca、Co、Cr、Cu、Fe、K、Mg、Mn、Na、Ni、P、S、Se、Ti、Zn等18種礦質(zhì)元素。ICP-OES工作參數(shù)為：射頻功率1150w，輔助氣流速0.5L·min^-1，霧化器流速0，7L·min^-1，采樣高度6.5mm，泵穩(wěn)定時間5s.

標準曲線繪制：用l%稀硝酸將Ca、Na標準貯備液逐級稀釋為0、5、50ug·mL^-1的混合標準溶液，其他元素用1%稀硝酸逐級稀釋為0、5、10ug·mL^-1的混合標準溶液。在ICP-OES的工作條件下采集空白溶液（1%HNO₃）和標準溶液系列，由儀器自動繪制標準曲線。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019軟件進行數(shù)據(jù)整理和表格繪制，應用IBM SPSS Statistics 20.0統(tǒng)計軟件進行單因素方差分析、聚類分析、主成分分析和相關性分析。組間多重比較采用Duncan法，聚類分析采用離差平方和法，遺傳距離為歐氏距離。主成分分析采用Factor過程的主成分分析法，因子提取特征值大于1的主成分。以每個性狀極差的1/10為間距將各性狀分為10個等級，采用Shannon-Wiener指數(shù)法計算各礦質(zhì)元素的遺傳多樣性指數(shù)（H'），計算公式為：多樣性指數(shù)（H'）=-∑PilnPi，其中Pi為某性狀第i個代碼出現(xiàn)的頻率。

2 結(jié)果與分析

2.1 烏龍茶種質(zhì)資源礦質(zhì)元素含量特征

34份烏龍茶種質(zhì)資源中18種主要礦質(zhì)元素含量的平均值、含量范圍、變異系數(shù)和遺傳多樣指數(shù)見表2.由表2可知，大量元素Ca、K、Mg、P、S及微量元素Mn的含量遠遠高于其他12種微量元素。方差分析結(jié)果表明，K、P、S、Mg、Ca、Mn之間存在顯著差異，大量元素除Ca與Mg外差異顯著，微量元素Mn含量顯著高于Al、B、Ba等其他12種微量元素。從大量元素看，5種大量元素含量由大到小順序為K>P>S>Mg>Ca，其中K、P、S的含量超過1000mg·kg^-1，Mg和Ca的含量低于1000mg·kg^-1。從微量元素看，13種微量元素含量由高到低順序為Mn>Al>Fe>Na>Zn>Ba>Cu>B>Ti>Ni>CrCo>Sc，其中Mn、Al的含量超過100mg·kg^-1，F(xiàn)e、Na、Zn、Ba、Cu、B、Ti、Ni、Cr、Co、Se的含量低于100mg·kg^-1，且Ba、Cu、B、Ti、Ni、Cr的含量低于10mg·kg^-1，Co、Sc的含量低于1.0mg·kg^-1。13種微量元素中，Cr是有害元素。國家農(nóng)業(yè)行業(yè)標準《茶葉中鉻、鎘、汞、砷及氟化物限量》（NY659-2003）規(guī)定，茶葉中鉻含量不超過5mg·kg^-1。從表2可看出供試的34份茶樹種質(zhì)資源材料中Cr元素含量均遠低于國家標準。

采用IBM SPSS 20.0軟件計算34份烏龍茶種質(zhì)資源材料中18種礦質(zhì)元素含量的頻數(shù)分布，經(jīng)Shapko-Wilk檢驗，結(jié)果表明，B、K、Mg、Mn、Na、Ni、P、S、Sc、Zn等10種元素含量呈正態(tài)分布（經(jīng)Shapiro-Wilk檢驗，雙側(cè)檢驗的概率值P>0.05），說明這10種元素的含量在34份烏龍茶種質(zhì)資源的大部分材料中處于平均水平，低于或高于平均含量的材料較少;Al、Ba、Ca、Co、Cr、Cu、Fe、Ti等8種元素含量呈偏態(tài)分布（經(jīng)Shapko-Wilk檢驗，雙側(cè)檢驗的概率值P≤0.05），且均為正偏態(tài)函數(shù)，說明這8種元素的含量在34份烏龍茶種質(zhì)資源的大部分材料中處于較低水平，低于平均含量。

18種礦質(zhì)元素含量的變異系數(shù)在15.75%～69.43%之間，Ti的變異系數(shù)最大，達69.43%，表明不同烏龍茶種質(zhì)資源材料間Ti含量差異較大。Ti含量最高的材料為大葉烏龍，含量最低的為佛手，最大值是最小值的13倍;P的變異系數(shù)最小，為15.75%，表明不同烏龍茶種質(zhì)資源材料間P含量差異較小。變異系數(shù)較大的元素為Fc、Co、Al、Ba，變異系數(shù)分別為57.34%、46.22%、43.13%、41.75%，其中，大葉烏龍（OTG07）中Fc、Al元素含量最高，鐵觀音（OTG03）中Co元素含量最高，棕櫚香（OTG29）中Ba元素含量最高。由變異性分析得出，烏龍茶種質(zhì)資源中礦質(zhì)元素含量變異較為豐富，各種質(zhì)資源材料間礦質(zhì)元素含量具有差異性，有必要進行礦質(zhì)元素含量分析與綜合評價。

18種礦質(zhì)元素的遺傳多樣性指數(shù)為1.27～2.21，平均遺傳多樣性指數(shù)為1.91，表明34份烏龍茶種質(zhì)資源中礦質(zhì)元素含量的遺傳多樣性比較豐富。遺傳多樣性指數(shù)最大的是Zn，為2.21，最小的是Ti，為1.27.綜合來看，18種礦質(zhì)元素在烏龍茶種質(zhì)資源材料中存在較大的變異幅度和較為豐富的遺傳多樣性，可以從34份材料中篩選出較為理想的材料，并通過遺傳改良培育市場消費需求的茶樹品種材料。

2.2 烏龍茶種質(zhì)資源礦質(zhì)元素相關性分析

根據(jù)茶樹種質(zhì)資源材料中礦質(zhì)元素含量，對34份材料礦質(zhì)元素進行了相關性分析，結(jié)果如表3所示。Ca與Mg、Al、Ba、Cu、Mn、Sc呈極顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.738、0.498、0.736、0.438、0.692、0.439;K與P、S呈極顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.480、0.582;Mg與S、Al、Ba、Cu、Mn呈極顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.478、0.484、0.471、0.562、0.582;P與S、B、Zn呈極顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.493、0.474、0.508;S與B呈極顯著正相關，相關系數(shù)為0.481;Al與Cr、Fe、Mn、Ti呈極顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.542、0.829、0.671、0.769;B與Ca、Mn、Se呈極顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.621、0.479、0.556;Ba與Mn呈極顯著正相關，相關系數(shù)為0.479;Co與Zn呈顯著負相關，相關系數(shù)為-0.418;Cr與Fe、Ti呈極顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.590、0.622;Cu與Mn、Se呈極顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.454、0.504;Fe與Ti呈極顯著正相關，相關系數(shù)為0.948.相關性分析結(jié)果表明，34份烏龍茶種質(zhì)資源中各礦質(zhì)元素含量之間存在著復雜的相互作用關系，具有進行主成分分析的基礎。

2.3 烏龍茶種質(zhì)資源礦質(zhì)元素的主成分分析

34份烏龍茶種質(zhì)資源中18種礦質(zhì)元素含量經(jīng)標準化后進行因子分析，結(jié)果見表4.公因子提取采用主成分分析法，以特征值>1為標準提取主成分。前5個主成分累積方差貢獻率達77.399%，包含了34份烏龍茶種質(zhì)資源18種礦質(zhì)元素含量的主要信息。第l主成分方差貢獻率最大，為30.293%，主要受Mn、Ca、Mg、Al等4種元素的影響，其中Mn的影響最大，其次是Ca;第2主成分貢獻率為20.262%，主要受K、P、S等3種元素的影響，其中P的影響最大，其次是K;第3主成分貢獻率分別為11.247%，主要反映的是Co、Fe、Ti等3種元素的信息，其中Co的貢獻最大，其次是Ti，Co的影響為負;第4主成分貢獻率為8.107%，主要受Ba、Co 2種元素的影響，其中Co的貢獻最大，Co的影響為正，Ba的影響為負;第5主成分貢獻率為1.489%，主要反映的是Na、Ni2種元素的信息，其中Na的貢獻最大，其次是Ni，Ni的影響為負。PC₁和PC₂的累積方差貢獻率（50.555%）大于50%，因此認為Mn、Ca、Mg、Al、K、P、S是烏龍茶種質(zhì)資源的特征元素。

以主成分載荷系數(shù)與其特征值算術平方根的比值得出對應的特征向量e_i，進而建立各主成分與礦質(zhì)元素含量之間對應的函數(shù)關系。以5個主成分的方差貢獻率與累積方差貢獻率的比值為權重構(gòu)建烏龍茶種質(zhì)資源礦質(zhì)元素含量評價模型Fn，建立Fn與各主成分y_i（i=1～5）之間的線性組合，即Fn=0.391Y₁+0.262Y₂+0.145Y₃+0.105Y₄+0.097Y₅。運用Fn對34份烏龍茶種質(zhì)資源的礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量進行評價，如表5所示。綜合得分為-1.612～2.781，排名前五位的烏龍茶種質(zhì)依次為芝蘭香（OTG28）、本山（OTG06）、瑞香（OTG12）、鐵觀音（OTG03）、黃旦（OTG04）。

2.4 基于礦質(zhì)元素含量的烏龍茶種質(zhì)資源聚類分析

34份烏龍茶種質(zhì)資源聚類分析結(jié)果（圖1）顯示，在歐氏距離15處，將34份烏龍茶種質(zhì)資源分為3類。第一類群包括21份材料，OTG30、OTG32、OTGl5、OTG01、OTG31、OTG04、OTGl2、OTGll、OTGl4、OTG20、OTGl3、OTG05、OTG34等13份材料為一個亞群，另一個亞群包括OTG08、OTGl7、OTG23、OTGl0、OTG09、OTG21、OTGl8、OTGl6等8份材料;第二類群包括OTG02、OTG24、OTG06、OTG28、OTG03等5份材料;第三類群包括8份材料，也可以分為兩個亞群：07G22、OTG33、OTGl9、OTG26、OTG27、OTG29、OTG25等7份材料為一個亞群，OTG07為另一個亞群。根據(jù)類群間礦質(zhì)元素含量方差分析結(jié)果可知（表6），3個類群之間除了Na元素含量無顯著差異之外，其余17種元素含量均存在顯著差異。其中，第一類群P、Zn含量最高，并顯著高于第三類群，與第二類群之間的差異不顯著;第二類群Al、Ca、Mn、Mg含量最高，并顯著高于第一類群，與第三類群之間無顯著差異;第二類群K、S含量最高，并顯著高于第三類群，與第一類群之間無顯著差異。綜合來看，第一類群P、Zn含量高，Al、Ca、Mn、Mg含量低，K、S含量中等，此類第二亞群包含的8份材料在主成分綜合得分中排名24～34位，礦質(zhì)元素富集能力弱、礦質(zhì)營養(yǎng)價值低。第二類群Al、Ca、Mn、Mg、K、S含量高，P、Zn含量中等，此類中包含的5份材料在主成分綜合得分的前7位，礦質(zhì)元素富集能力強、礦質(zhì)營養(yǎng)元素綜合品質(zhì)高;第三類群K、P、S、Zn含量低，Al、Ca、Mn、Mg含量中等。

3 討論與結(jié)論

不同礦質(zhì)元素在烏龍茶種質(zhì)資源中的含量存在差異。大量元素除Ca與Mg外含量差異顯著，微量元素中除Mn以外含量差異不顯著。大量元素Ca、K、Mg、P、S及微量元素Mn的含量遠遠大于其他12種微量元素。不同烏龍茶種質(zhì)資源材料中礦質(zhì)元素變異系數(shù)范圍為15.75%～69.43%，礦質(zhì)元素含量變異豐富，不同種質(zhì)資源間礦質(zhì)元素含量具有差異性，這與時鵬濤、金孝芳、李春華等的研究結(jié)果一致。由于本研究所采集的烏龍茶種質(zhì)資源樣品均來自于同一資源圃，其土壤質(zhì)地、立地條件、管理水平等均一致，因此，不同烏龍茶種質(zhì)資源中礦質(zhì)元素含量的差異與其遺傳特性相關。遺傳多樣性指數(shù)是衡量物種種類的多少和物種之間分布是否均勻的一個綜合指標，多樣性指數(shù)越高，表明該物種的遺傳多樣性水平越高。本研究結(jié)果顯示，18種礦質(zhì)元素的遺傳多樣性指數(shù)均達到1.27以上，表明烏龍茶種質(zhì)資源中礦質(zhì)元素含量存在較為顯著的遺傳變異，具有較大的遺傳改良潛力。

因子分析的基本思想是根據(jù)相關性的大小把變量進行分組，使同一組內(nèi)的變量具有較高的相關性。故變量之間是否存在相關性是進行因子分析的前提。本研究中，Ca與Mg、Al、Ba、Cu、Mn、Sc之間，K與P、S之間，P與S、B、Zn之間，S與B之間，Al與Cr、Fc、Mn、Ti之間，Ba與Mn之間，Cr與Fe、Ti之間，Cu與Mn、Se之間，F(xiàn)e與Ti之間分別呈極顯著正相關關系，Co與Zn呈顯著負相關，表明烏龍茶種質(zhì)資源中礦質(zhì)元素之間存在復雜的關聯(lián)性。

聚類分析是應用多元統(tǒng)計分析原理研究分類問題的一種數(shù)學方法，可同時對大量性狀進行綜合考察，已廣泛應用于多樣品、多指標的植物種質(zhì)資源綜合評價。本研究采用系統(tǒng)聚類法對34份烏龍茶種質(zhì)資源進行分類，結(jié)果顯示，不同類群間存在顯著差異，表明對34份烏龍茶種質(zhì)資源的分類結(jié)果科學有效。

綜上所述，烏龍茶種質(zhì)資源中18種礦質(zhì)元素平均含量順序為K>P>S>Mg>Ca>Mn>AI>Fe>Na>Zn>Ba>Cu>B>Ti>Ni>Cr>Co>Se，Mn、Ca、Mg、Al、K、P、S是烏龍茶種質(zhì)資源的特征元素，礦質(zhì)元素綜合評價得分前五位的種質(zhì)依次為芝蘭香、本山、瑞香、鐵觀音、黃旦，烏龍茶種質(zhì)資源中18種礦質(zhì)元素組成存在差異，可分為3類。研究結(jié)果可為進一步開展烏龍茶育種親本選擇和烏龍茶產(chǎn)品開發(fā)提供參考依據(jù)。