茶園花薊馬種群數(shù)量與茶葉中生化物質(zhì)關(guān)系的數(shù)學(xué)分析

程鴻浩 陳詩燕 吳筱萌， 徐 悅 張 淋， 孫佳照 周夏芝 鄒運(yùn)鼎 畢守東*

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，合肥 230036；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與園林學(xué)院，合肥 230036)

茶樹害蟲是影響茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)的主要原因之一，花薊馬(Frankliniellaintonsa(Trybon))是茶樹的主要害蟲，危害茶花和茶樹芽葉主脈兩側(cè)，使葉質(zhì)變差，危害嚴(yán)重時(shí)整葉變黃焦枯[1]。Yue[2]研究發(fā)現(xiàn)在25 ℃恒溫下花薊馬平均每世代產(chǎn)卵量最高可達(dá)1 232頭，如不加以控制，會(huì)對(duì)茶葉產(chǎn)量造成巨大損害。目前，花薊馬的防治可通過傳統(tǒng)的農(nóng)藥試劑等進(jìn)行化學(xué)防治，也可以通過天敵來進(jìn)行生物防治。張魯民等[3]研究發(fā)現(xiàn)天敵南方小花蝽(OriusSimilisZhang)對(duì)花薊馬的日最大捕食量為15.79頭；王建盼等[4]報(bào)道在數(shù)量、時(shí)間和空間關(guān)系上與花薊馬跟隨關(guān)系密切的前5位天敵是草間小黑蛛、黑色跳蛛、粽管巢蛛、斜紋貓蛛和鱗紋肖蛸。但化學(xué)防治與生物防治存在危害環(huán)境或效率低下等問題，所以對(duì)于花薊馬的防治需要進(jìn)一步創(chuàng)新。

馬新華等[5]研究了福建地區(qū)茶樹害螨的發(fā)生特點(diǎn)，得出葉片厚度、葉片中咖啡因、GC含量與害螨螨情指數(shù)呈負(fù)相關(guān)；葛超美等[6]通過分析茶尺蠖對(duì)不同茶葉品種的取食選擇性，得出茶樹生化物質(zhì)影響茶尺蠖趨勢選擇的結(jié)論；扈克明等[7]報(bào)道不同無性系茶樹品種中小綠葉蟬類群數(shù)量與抗蟲性強(qiáng)弱存在明顯差異；毛迎新等[8]通過比較福建地區(qū)6個(gè)主要茶樹品種間假眼小綠葉蟬的種群數(shù)量動(dòng)態(tài)，得出GC和咖啡堿是茶樹抗假眼小綠葉蟬的重要物質(zhì)；金珊等[9]利用氨基酸分析儀和超高效液相色譜法分析8個(gè)茶樹品種的氨基酸及其組分，得出γ-氨基丁酸可能是茶樹抗蟲物質(zhì)之一；鄒武等[10]比較分析福建4個(gè)主要茶樹品種的理化特性與假眼小綠葉蟬數(shù)量間的相關(guān)關(guān)系，從物理結(jié)構(gòu)和生化指標(biāo)2方面得出了不同特性與假眼小綠葉蟬的相關(guān)性；曾麗等[11]總結(jié)了茶樹抗性對(duì)假眼小綠葉蟬的綜合評(píng)估，得出不同生化成分含量對(duì)假眼小綠葉蟬的數(shù)量均有不同影響。上述研究發(fā)現(xiàn)，茶葉中不同生化物質(zhì)含量與害蟲數(shù)量間存在一定的關(guān)聯(lián)性，這為花薊馬防治工作提供了新方向，但關(guān)于茶樹各生化物質(zhì)含量與花薊馬種群數(shù)量關(guān)系的報(bào)道極少。本研究選取了茶園中的9種茶葉，擬利用幾種常用的數(shù)學(xué)方法如Pearson相關(guān)性分析、通經(jīng)分析和回歸分析，對(duì)花薊馬種群數(shù)量與茶葉中生化成分含量的相關(guān)性進(jìn)行計(jì)算并綜合比較，以期為花薊馬的農(nóng)業(yè)防治和抗蟲育種提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查地點(diǎn)與時(shí)間

調(diào)查地點(diǎn)為安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)科技示范基地茶園(31°94′ N,117°21′ E)，茶園面積均為0.2 hm2，選取‘黃山大葉種’‘安吉白茶’‘平陽特早’‘白毫早’‘烏牛早’‘龍井43’‘龍井長葉’‘農(nóng)抗早’‘舒茶早’這9個(gè)品種的茶葉為樣本?；ㄋE馬一年發(fā)生多代，本研究調(diào)查時(shí)間為花薊馬發(fā)生1～2世代的2021-05-23、3～4世代的2021-06-20和花薊馬盛發(fā)期的2021-07-08。茶園均按常規(guī)措施管理，不施用農(nóng)藥。

1.2 茶樹品種介紹

‘黃山大葉種’(‘黃山早芽’)，由安徽省農(nóng)業(yè)研究院茶葉研究所培育，屬灌木型大葉類，葉形橢圓，葉色黃綠[12]；‘安吉白茶’，由其階段性返白現(xiàn)象得名，屬灌木型，樹冠矮小，每年春季芽葉會(huì)轉(zhuǎn)為白色[13]；‘平陽特早’，屬灌木型中葉類，特早生種，葉形橢圓，葉色深綠[14]；‘白毫早’，屬灌木型，樹姿半展開狀，葉形長橢圓，芽葉黃綠，多白毫[15]；‘烏牛早’，由湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所從安化群體中單株育種而成,茶樹芽葉生育力強(qiáng)，產(chǎn)量高[16]；‘龍井43’，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所重要科研成果之一，葉形扁平，芽葉淺綠[17]；‘龍井長葉’，屬無性系，灌木型中葉類，早生種，由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所育成[18]；‘農(nóng)抗早’，屬灌木與小喬木型之間類型，中葉類，特早生種[19]；‘舒茶早’，屬灌木型，葉形長橢圓，幼嫩芽葉為淡綠色，成葉為深綠色[20]。

1.3 花薊馬調(diào)查取樣

采用平行跳躍法隨機(jī)在茶園選取3行，每行間隔1 m。取2 m長的樣方，每行10個(gè)樣方，共30個(gè)樣方。先目測調(diào)查，每樣方隨機(jī)選取10片葉片，調(diào)查花薊馬所有蟲態(tài)的個(gè)體數(shù)，然后用沾有洗衣粉溶液的搪瓷盤對(duì)樣方中所有枝葉進(jìn)行盤拍(搪瓷盤長40 cm，寬30 cm)，記載花薊馬個(gè)體數(shù)。

1.4 茶葉生化物質(zhì)含量分析

在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)科技示范園區(qū)內(nèi)，對(duì)9個(gè)不同品種的茶樹進(jìn)行采樣，采樣時(shí)間在上午8點(diǎn)至10點(diǎn)，采摘“一芽二葉”部分。為了防止茶葉蒸騰作用對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，采摘后立即用干冰保存。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，將葉片粉碎后過濾去雜質(zhì)，放入-20 ℃的冰箱中保存[21-22]。將樣品分別溶于50%的乙腈溶液和4%的磺基水楊酸溶液中，使用超聲波振蕩機(jī)和旋渦混合器XW-80A進(jìn)行精細(xì)混合，得到測試樣本。糖類和各離子化合物類物質(zhì)利用HPLC-ELSD法進(jìn)行處理，氨基酸類物質(zhì)采用蛋白質(zhì)檢測器Waters2475(高效液相色譜泵Waters600、蒸發(fā)光散射檢測器Waters242和Agilent碳水化合物分析柱(4.6 mm×250 mm))進(jìn)行分析[23-24]。分析柱配有保護(hù)柱，柱溫30 ℃，進(jìn)樣量10 μL，流動(dòng)相為V(乙腈)∶V(水)=3∶1，流速1 mL/min；高效液相色譜泵Waters600與蒸發(fā)光散射檢測器Waters242使用高純氮?dú)庾鳛檩d氣，氣壓241 325 Pa；漂移管溫度為85 ℃，霧化器溫度36 ℃。采用軟件Agilent Masshunter(8.06.00)處理得到的數(shù)據(jù)，通過比對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果顯示的峰值比例，計(jì)算不同茶葉中的糖類、氨基酸類和各離子化合物類含量的具體數(shù)據(jù)，共測量49種生化物質(zhì)含量。

1.5 數(shù)學(xué)分析方法

1.5.1相關(guān)系數(shù)法

相關(guān)系數(shù)是普遍被用于表示兩組數(shù)據(jù)間相關(guān)性的統(tǒng)計(jì)量，常用的相關(guān)系數(shù)有Pearson相關(guān)系數(shù)[25]，對(duì)于2個(gè)分類單位i與j之間的相關(guān)系數(shù)可定義為：

(1)

1.5.2灰色系統(tǒng)分析

灰色系統(tǒng)分析的基本思想是通過確定參考數(shù)據(jù)列和若干個(gè)比較數(shù)據(jù)列的幾何形狀相似程度來判斷其聯(lián)系是否緊密，反映了曲線間的關(guān)聯(lián)程度[26]。本研究將花薊馬數(shù)量與茶葉中各種生化物質(zhì)含量分別作為參考數(shù)據(jù)列與若干個(gè)比較數(shù)據(jù)列，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，即采用均值化法將不同量綱的數(shù)據(jù)都統(tǒng)一歸化到1這個(gè)量級(jí)附近，其次利用公式計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi(k)，最后計(jì)算關(guān)聯(lián)度ri。

關(guān)聯(lián)系數(shù)公式為：

(2)

關(guān)聯(lián)度公式為：

(3)

式中：x0(k)為參考數(shù)據(jù)列；xi(k)為各比較數(shù)據(jù)列；ρ為分辨系數(shù)，一般取0到1之間，本研究取0.8。

1.5.3通徑分析

通徑分析是對(duì)簡單回歸分析進(jìn)行分解，不僅可以得出多個(gè)自變量x1、x2、…、xn對(duì)因變量y的影響程度，即直接通徑系數(shù)，還可以得出自變量之間對(duì)因變量y的影響的間接作用，即間接通徑系數(shù)。對(duì)于一般的多元線性回歸分析，設(shè)因變量y和自變量x1、x2、…、xn,存在方程：

y=β0+β1x1+β2x2+…+βkxk

(4)

(5)

上述兩式相減得：

(6)

上式兩邊同時(shí)除以因變量y的標(biāo)準(zhǔn)差σy得：

(7)

利用最小二乘法求出上式各自變量的線性回歸系數(shù)的求解模型，整理后可得到各簡單相關(guān)系數(shù)的分解方程：

(8)

式中：rij是Xi與Xj的簡單相關(guān)系數(shù)；PjY是Xj對(duì)Y的直接通徑系數(shù)；rijPjY是Xi通過Xj對(duì)Y的間接通徑系數(shù)。上述方程組就是將Xi與Y的簡單相關(guān)系數(shù)分解成Xi對(duì)Y的直接通徑系數(shù)與Xi通過各個(gè)Xj對(duì)Y的總間接通徑系數(shù)之和[22]。

這種方法可以有效的得到自變量對(duì)因變量起影響作用的最佳路徑[28]。通徑分析在多元回歸的基礎(chǔ)上將相關(guān)系數(shù)分解成直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù)，間接通徑系數(shù)=相關(guān)系數(shù)×通徑系數(shù)，其中通徑系數(shù)即線性回歸計(jì)算得出的線性回歸方程的系數(shù)。本研究的通徑分析通過SPSS軟件實(shí)現(xiàn)。

1.5.4回歸分析

回歸分析是將多個(gè)自變量與因變量建立回歸關(guān)系，得出回歸方程的一種統(tǒng)計(jì)方法，從大量隨機(jī)的不確定的現(xiàn)象中尋求事物的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，是一種具有較高實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的隨機(jī)數(shù)學(xué)模型[25]。本研究通過SV26|IBM SPSS Statistics 26軟件進(jìn)行回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 茶園花薊馬數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化

不同品種茶樹上花薊馬數(shù)量和茶葉中各生化物質(zhì)含量的動(dòng)態(tài)變化如表1所示。前兩次調(diào)查的花薊馬數(shù)量明顯少于最后一次，花薊馬盛發(fā)期的數(shù)量才能真正反映茶樹內(nèi)含物含量與花薊馬數(shù)量的關(guān)系，因此本研究以3次調(diào)查中花薊馬盛發(fā)期2021-07-08的種群數(shù)量參與分析，茶葉內(nèi)含物的含量也在2021-07-08進(jìn)行測量。

表1 9個(gè)品種茶樹上花薊馬的種群數(shù)量Table 1 Population number of Frankliniella intonsa in nine varieties of tea trees 頭/30樣方

2.2 不同品種茶樹上花薊馬數(shù)量與茶葉生化物質(zhì)的相關(guān)性分析

對(duì)9個(gè)品種茶樹上的花薊馬種群數(shù)量與茶葉中生化物質(zhì)含量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表2。糖類、低聚原花青素類和黃酮醇糖苷類含量與花薊馬種群數(shù)量呈正相關(guān)，即含量越大，花薊馬數(shù)量就越多。其中糖類含量與花薊馬數(shù)量關(guān)系最密切，Pearson相關(guān)系數(shù)為0.721 0；氨基酸類、兒茶素類和酚酸類含量與花薊馬種群數(shù)量呈負(fù)相關(guān)，即含量越大，花薊馬數(shù)量越少，其中兒茶素類含量與花薊馬數(shù)量關(guān)系最密切。

表2 茶樹內(nèi)含物與花薊馬數(shù)量的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficient between tea plant contents and the number of F. intonsa

對(duì)花薊馬與各生化物質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步的相關(guān)性分析得出，糖類中與花薊馬數(shù)量關(guān)系較為密切的有蔗糖(0.735 7)和果糖(0.500 0)，氨基酸類中與花薊馬數(shù)量關(guān)系較為密切的有苯丙氨酸(-0.704 4)、酪氨酸(-0.691 3)、乙醇胺(-0.639 6)、亮氨酸(-0.564 2)、結(jié)氨酸(-0.507 3)和羥脯氨酸(0.510 9)，兒茶素類中與花薊馬數(shù)量關(guān)系較為密切的有表沒食子兒茶素(-0.735 4)、沒食子兒茶素(-0.708 1)和表沒食子兒茶素沒食子酸酯(0.522 1)，酚酸類中與花薊馬數(shù)量關(guān)系較為密切的是4-咖啡?？鼘幩?-0.442 2)，低聚原花青素類中與花薊馬數(shù)量關(guān)系較為密切的是B2(EC-EC)(0.360 2)，黃酮醇糖苷類中與花薊馬數(shù)量關(guān)系較為密切的有K-3-0-G(-0.628 2)和Q-7-O-G(0.599 8)。

最后對(duì)選取的這15種與花薊馬數(shù)量關(guān)系較為密切的生化物質(zhì)含量與花薊馬數(shù)量進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，得出與花薊馬數(shù)量關(guān)系最密切的前5位生化物質(zhì)為蔗糖(0.899 3)、Q-7-O-G(0.894 3)、果糖(0.884 0)、B2(EC-EC)(0.881 4)和表沒食子兒茶素沒食子酸酯(0.871 6)。其中糖類物質(zhì)占比較大，可能與糖類能夠刺激害蟲取食、是重要的營養(yǎng)物質(zhì)和能量來源以及蔗糖能夠促進(jìn)某些薊馬品種產(chǎn)卵有關(guān)。

2.3 不同品種茶樹上花薊馬數(shù)量與茶葉生化物質(zhì)的通徑分析

對(duì)不同品種茶樹上花薊馬數(shù)量與茶葉生化物質(zhì)進(jìn)行通徑分析(表3)。通過比較通徑系數(shù)的絕對(duì)值，發(fā)現(xiàn)低聚原花青素類的通徑系數(shù)絕對(duì)值最大，為0.785 9，說明低聚原花青素類含量的變化對(duì)花薊馬種群數(shù)量的作用最為重要?？赡芘c低聚原花青素類抑制植物氧化的功能有關(guān)，低聚原花青素類含量越大，植物抗氧化性越強(qiáng)，從而蟲害越多。其次為兒茶素類和糖類，分別為0.471 8和0.452 5。

表3 茶葉內(nèi)6大類生化物質(zhì)含量對(duì)花薊馬數(shù)量的影響作用Table 3 The effect of the content of six major biochemicals in tea leaves on the number of F. intonsa

再對(duì)通徑系數(shù)大的低聚原花青素類、兒茶素類和糖類進(jìn)行進(jìn)一步的通徑分析(表4～6)。糖類中通徑系數(shù)絕對(duì)值最大的是蔗糖，麥芽糖通過蔗糖對(duì)花薊馬數(shù)量起作用的間接通徑系數(shù)最大。低聚原花青素類中通徑系數(shù)絕對(duì)值最大的是原花青素B2(EC-EC)，原花青素B4(C-EC)通過B2(EC-EC)對(duì)花薊馬數(shù)量起作用的間接通徑系數(shù)最大。兒茶素類中通徑系數(shù)絕對(duì)值最大的是咖啡因，表兒茶素通過咖啡因?qū)ㄋE馬數(shù)量起作用的間接通徑系數(shù)最大。

2.4 不同品種茶樹上花薊馬數(shù)量與茶葉生化物質(zhì)的回歸分析

對(duì)不同品種茶樹上花薊馬數(shù)量與茶葉生化物質(zhì)進(jìn)行回歸分析(表7)，糖類、氨基酸類、低聚原花青素類和黃酮醇糖苷類含量與花薊馬數(shù)量呈正相關(guān)，兒茶素類和酚酸類含量與花薊馬數(shù)量呈負(fù)相關(guān)。

結(jié)合相關(guān)性分析和通徑分析可知，與花薊馬數(shù)量關(guān)系最為密切的生化物質(zhì)為蔗糖、果糖、咖啡因、原花青素B2(EC-EC)、Q-7-O-G和4-咖啡?？鼘幩帷?duì)這幾種物質(zhì)與花薊馬數(shù)量進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見表8。幾種生化物質(zhì)與花薊馬的線性回歸方程Y=162.374 6X-333.383 4,所得方程中X為果糖含量，Y為花薊馬種群數(shù)量，其他自變量被該模型拒絕，被保留的自變量T1顯著性為0.023 9<0.050 0，這說明茶葉內(nèi)果糖含量與花薊馬種群數(shù)量間存在比較明顯的線性關(guān)系。

表4 茶葉內(nèi)糖類含量對(duì)花薊馬數(shù)量的影響作用Table 4 The effect of sugar content in tea leaves on the number of F. intonsa

表5 茶葉內(nèi)低聚原花青素類含量對(duì)花薊馬數(shù)量的影響作用Table 5 The effect of oligomeric proanthocyanidin content in tea leaves and on number of F. intonsa

3 討論與結(jié)論

本研究通過綜合相關(guān)性分析、通經(jīng)分析和回歸分析這3種分析方法發(fā)現(xiàn)，糖類是影響花薊馬數(shù)量較為顯著的一種生化物質(zhì)。這可能與糖類是花薊馬生存與繁殖的重要營養(yǎng)因素有關(guān)，其中蔗糖含量與花薊馬數(shù)量關(guān)系最為密切。蔗糖在昆蟲體內(nèi)轉(zhuǎn)化成脂肪和氨基酸，脂肪是昆蟲貯存能源的重要部位，氨基酸是昆蟲生命活動(dòng)的能源物質(zhì)，在昆蟲的生長發(fā)育中起協(xié)同作用，這與其他學(xué)者[29-31]的研究成果相吻合。王松曉等[29]用蔗糖和蜂蜜等飼喂斜紋夜蛾(ProdenialituraFabricius)幼蟲,發(fā)現(xiàn)糖類對(duì)延長成蟲的壽命十分有利,并且可以一定程度上增加雌蟲產(chǎn)卵量；陳海游等[30]發(fā)現(xiàn)蔗糖對(duì)胭脂蟲有明顯助食作用,適當(dāng)濃度的蔗糖有助于提高胭脂蟲的產(chǎn)量；Fadamiro等[31]對(duì)寄生蚤蠅(PseudacteontricuspisBorgmeier)的研究發(fā)現(xiàn),蔗糖對(duì)其壽命有延長作用,且25%與50%的蔗糖對(duì)其作用相似。

除了糖類以外，兒茶素類在影響花薊馬數(shù)量中也起一定的作用，兒茶素類與花薊馬數(shù)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即兒茶素含量越高，花薊馬數(shù)量越少，這可能與兒茶素本身具有的抑菌性[32]有關(guān)，且兒茶素類屬于酚類活性物質(zhì)，酚類可作為化學(xué)抵御物防御植食性害蟲[33]。鄭高云等[34]研究發(fā)現(xiàn)茶尺蠖歷期與兒茶素呈正相關(guān)，即兒茶素含量越高,茶尺蠖的幼期越長，兒茶素類物質(zhì)延遲了茶尺蠖的發(fā)育，因此兒茶素對(duì)茶尺蠖存在一定抗性；徐正浩等[35]發(fā)現(xiàn)兒茶素等植物次生代謝物質(zhì)可以阻止其他生物的侵害；陳巨蓮等[36]報(bào)道兒茶素是防御禾谷縊管蚜的重要次生物質(zhì)。以上皆表明兒茶素對(duì)害蟲具有抑制作用，與本研究結(jié)論一致。

表8 花薊馬數(shù)量與最密切的6種生化物質(zhì)含量回歸分析輸出結(jié)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相關(guān)系數(shù)、通經(jīng)系數(shù)和回歸系數(shù)對(duì)花薊馬種群數(shù)量與茶葉中生化物質(zhì)成分相關(guān)性進(jìn)行分析得出，茶葉中糖類含量與花薊馬數(shù)量呈現(xiàn)一定程度的正相關(guān)，表明在栽種時(shí)可以通過避免栽植糖含量高的茶種，或者已知該茶種含糖量高可以提前采取措施以預(yù)防花薊馬；茶葉中兒茶素類含量與花薊馬數(shù)量呈現(xiàn)一定程度的負(fù)相關(guān)，引種時(shí)可以多引進(jìn)兒茶素類含量高的茶種，或者在生產(chǎn)種植過程中注意兒茶素類含量的提升，利用兒茶素加強(qiáng)對(duì)花薊馬的防治。本研究結(jié)果為茶園中花薊馬的防治提供了有效的科學(xué)依據(jù)。