不同茶樹種質(zhì)資源花器礦質(zhì)元素含量分析與綜合評(píng)價(jià)

鄭淑琳， 石玉濤， 王飛權(quán)， 吳邦強(qiáng)， 李遠(yuǎn)華， 張渤， 葉乃興

（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，福州 350002； 3.福建省武夷山生物研究所，福建 武夷山 354300）

茶樹[Camellia sinensis(L.) O. Kuntze]是一種重要的經(jīng)濟(jì)作物，全球有超過58個(gè)國家種植茶樹。用茶樹嫩葉和芽制成的茶葉，因其獨(dú)特的風(fēng)味和多種保健功效，已成為世界上最受歡迎的三大無酒精飲料之一[1]。種質(zhì)資源是作物品種改良和產(chǎn)品創(chuàng)新的物質(zhì)基礎(chǔ)，是作物生產(chǎn)的戰(zhàn)略性資源[2]。我國是世界茶樹的發(fā)源地，茶葉分布區(qū)域廣泛，茶樹種質(zhì)資源異常豐富[3]。礦質(zhì)元素不僅在植物生長發(fā)育、品質(zhì)形成和抵抗逆境脅迫過程中發(fā)揮重要作用，而且是人體健康的重要調(diào)節(jié)因子[4]。目前，礦質(zhì)元素已被作為一項(xiàng)重要指標(biāo)，應(yīng)用于植物種質(zhì)資源評(píng)價(jià)、鑒定和品質(zhì)研究[5]。

茶樹花是茶樹的生殖器官，富含皂甙[6]、多糖[7]、功能性蛋白質(zhì)[8]等多種營養(yǎng)和功能性成分，具有降血糖、抗氧化、增強(qiáng)免疫力、抗肥胖、降血脂等功效[9]。茶樹花作為一種安全的“新資源食品”材料[10]，已被應(yīng)用于保健食品、日化、飲料等領(lǐng)域，具有廣闊的開發(fā)利用前景。我國茶樹花資源豐富，茶樹花的采摘和開發(fā)，不僅有利于茶樹的營養(yǎng)生長，為優(yōu)質(zhì)茶葉生產(chǎn)創(chuàng)造條件，而且有利于延伸產(chǎn)業(yè)鏈，提高茶產(chǎn)業(yè)附加值[11]。茶樹花中礦質(zhì)元素的含量不僅可代表茶樹植株對(duì)土壤中無機(jī)養(yǎng)分的吸收利用狀況，而且可作為評(píng)價(jià)茶樹花營養(yǎng)價(jià)值的重要指標(biāo)。已有對(duì)茶樹花的研究主要集中在發(fā)育過程轉(zhuǎn)錄組[12]、生化成分[13]、加工工藝[14]、生物活性[15]和提取利用[16]等方面，關(guān)于不同茶樹種質(zhì)資源花器礦質(zhì)元素含量的研究未見報(bào)道。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)不同烏龍茶種質(zhì)資源[17]和武夷名叢種質(zhì)資源[18]新梢芽葉中礦質(zhì)元素含量存在豐富的遺傳多樣性，但不同茶樹種質(zhì)資源花器中礦質(zhì)元素的含量特征尚不明確。本研究測定同一生境下種植的23份茶樹種質(zhì)資源花器中18種礦質(zhì)元素的含量，通過多元統(tǒng)計(jì)分析方法探明不同茶樹種質(zhì)資源花器中礦質(zhì)元素的含量特性及相互關(guān)系，篩選出高礦質(zhì)營養(yǎng)品質(zhì)的茶樹花器材料，以期為茶樹種質(zhì)資源的評(píng)價(jià)和茶樹花的開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試的23份茶樹種質(zhì)資源花器樣品采集自武夷學(xué)院茶樹種質(zhì)資源圃，基本信息見表1。

表1 供試茶樹種質(zhì)資源基本信息Table 1 Basic information of tea germplasms for testing

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)濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫18.0 ℃，年平均降雨量約2 000 mm，年平均相對(duì)濕度80%[19]。土壤類型為黃壤土，土壤有機(jī)質(zhì)含量9.21 g·kg-1，pH 4.80，全氮1.30 g·kg-1，全磷0.90 g·kg-1，全鉀10.11 g·kg-1，速效氮140.52 mg·kg-1，速效磷12.56 mg·kg-1，速效鉀120.49 mg·kg-1[20]，鋅含量147.16 mg·kg-1，銅含量46.56 mg·kg-1，硒含量0.46 mg·kg-1，鈷含量12.45 mg·kg-1[21]。每份種質(zhì)種植小區(qū)長×寬為20 m×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)設(shè)計(jì)

1.3.1 樣品制備 樣品采集時(shí)間為2018年10—12月，在各茶樹種質(zhì)資源的盛花期采摘茶樹花器樣品，重復(fù)3次。每份種質(zhì)隨機(jī)選擇60株以上茶樹，隨機(jī)采摘花150朵，用去離子水沖洗3次，瀝干后采用微波殺青固定，烘干后用植物粉碎機(jī)粉碎，過40目篩，置于-20 ℃冰箱中保存?zhèn)溆肹22]。

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[18]的方法對(duì)樣品進(jìn)行消解處理。

1.3.3 礦質(zhì)元素含量測定 參照王潔等[23]的方法，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（inductively coupled plasma optical emission spectroscopy，ICP-OES）測定鉀（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）共18種礦質(zhì)元素含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2021軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計(jì)分析，遺傳多樣性指數(shù)（H′）=-ΣPilnPi，其中Pi為某性狀第i個(gè)代碼出現(xiàn)的頻率；正態(tài)分布檢驗(yàn)采用Shapiro-Wilk檢驗(yàn)法[24]；采用Origin Pro 2021繪制相關(guān)性熱圖；采用TBtools軟件進(jìn)行聚類熱圖分析[25]；利用IBM SPSS Statistics 26.0軟件進(jìn)行主成分分析，提取特征值大于1的因子作為主成分，利用主成分對(duì)不同茶樹種質(zhì)資源花器進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，將主成分得分（Fi）和相應(yīng)權(quán)重相乘后求和得到綜合評(píng)價(jià)函數(shù)[26]。

2 結(jié)果與分析

2.1 茶樹種質(zhì)資源花器中礦質(zhì)元素含量差異分析

根據(jù)礦質(zhì)元素含量測定統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表2），茶樹種質(zhì)資源花器中各礦質(zhì)元素平均含量表現(xiàn)為K＞Ca＞P＞Mg＞Mn＞S＞Al＞B＞Ba＞Fe＞Na＞Zn＞Cu＞Ti＞Ni＞Cr＞Se＞Co；18種礦質(zhì)元素含量的平均遺傳多樣性指數(shù)為1.90，表明23份茶樹花器樣品中各礦質(zhì)元素含量遺傳差異大，具有較為豐富的遺傳多樣性；平均變異系數(shù)為24.96%，可見茶樹花器在18種礦質(zhì)元素含量上存在豐富的變異類型；變異系數(shù)最大的是Ni，變幅為0.27～1.73 mg·kg-1，變異系數(shù)最小的是S，變幅為132.26～208.41 mg·kg-1。對(duì)各礦質(zhì)元素含量進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，K、Ca、Mg、P、S、Al、B、Ba、Cr、Cu、Fe、Mn、Ti 共13種元素含量呈正態(tài)分布（P＞0.05），表明這13種元素含量在23份茶樹花器的大部分材料中處于平均水平；Na、Co、Ni、Zn呈正偏態(tài)分布（P＜0.05），說明這4種元素在23份茶樹花器的大部分材料中低于平均水平；而Se含量表現(xiàn)為負(fù)偏態(tài)分布（P＜0.05），有82.61%的茶樹花器樣品Se含量在0.35 mg·kg-1以上。

表2 23份茶樹種質(zhì)資源花器18種礦質(zhì)元素含量的差異Table 2 Characteristic statistic parameters of 18 mineral elements in 23 tea flower samples

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

由18種礦質(zhì)元素含量的相關(guān)性分析結(jié)果（圖1）可知，不同茶樹種質(zhì)資源花器中各礦質(zhì)元素之間存在著復(fù)雜的相關(guān)性，B與Ba、Ti含量，Ba與Ti含量，Ca與Mn、Zn含量，Cu與Mg含量，P與S、K、Mg含量均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；Ba與Ca、Se含量，Cu與P、S含量，F(xiàn)e與Ni含量，K與S、Zn含量，Mg與S含量均呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；B與Na含量，Cr與S含量均呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。

圖1 茶樹種質(zhì)資源花器中18種礦質(zhì)元素含量相關(guān)性Fig. 1 Correlation among 18 mineral elements in tea flower samples

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)資源花器中18種礦質(zhì)元素進(jìn)行主成分分析（表3），可將18個(gè)礦質(zhì)元素指標(biāo)簡化為7個(gè)主成分，累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)86.179%，能夠代表18個(gè)礦質(zhì)元素指標(biāo)的絕大部分信息。第1主成分起作用的指標(biāo)主要是礦質(zhì)元素K、P、Mg、S，貢獻(xiàn)率為22.529%；第2主成分起作用的指標(biāo)主要是B、Ba、Ti，貢獻(xiàn)率為19.002%；第3主成分主要受Zn、Ca、Na元素的影響，貢獻(xiàn)率為14.221%；第4主成分主要受Fe、Ni和Al元素的影響，貢獻(xiàn)率為9.429%；第5主成分起作用的指標(biāo)主要是Fe和Mn，其中Mn元素的影響為負(fù)，貢獻(xiàn)率為9.101%；第6主成分主要受Co元素的影響，貢獻(xiàn)率為6.093%；第7主成分主要受Se元素的影響，貢獻(xiàn)率為5.805%?？偡讲畹?5.751%來自于前3個(gè)主成分，故K、P、Mg、S、B、Ba、Ti、Zn、Ca、Na是茶樹種質(zhì)資源花器的特征元素，可作為茶樹種質(zhì)資源花器礦質(zhì)元素性狀評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)[27]。

表3 23份茶樹種質(zhì)資源花器18種礦質(zhì)元素含量的主成分分析Table 3 Principal component analysis of the content of 18 mineral elements in 23 tea flower samples

23份茶樹種質(zhì)資源花器主成分綜合得分見表4。綜合得分排名前5位的材料為TF15（‘平陽特早茶’）、TF01（‘巴渝特早’）、TF08（‘黃金芽’）、TF14（‘名山早311’）、TF06（‘大紅袍’），說明這5份茶樹種質(zhì)花器對(duì)礦質(zhì)元素的吸收和累積能力較強(qiáng)；排名后5位的為TF16（‘奇曲’）、TF07（‘丹桂’）、TF20（‘肉桂’）、TF22（‘紫紅袍’）和TF10（‘漣源奇曲’），說明這5份材料對(duì)礦質(zhì)元素的吸收和累積能力較弱。

表4 23份茶樹種質(zhì)資源花器主成分得分Table 4 Score of principal components of 23 tea flower samples

2.4 基于18種礦質(zhì)元素含量的茶樹種質(zhì)資源的聚類熱圖分析

基于18種礦質(zhì)元素含量對(duì)23份茶樹花器進(jìn)行聚類熱圖分析（圖2），按照各元素的含量高低，可將23份茶樹花器劃分為3類，第Ⅰ類包括TF05、TF02、TF11、TF21、TF13、TF12、TF20共7份材料；第Ⅱ類包含TF03、TF07、TF10、TF22、TF09、TF16共 6份材料；第Ⅲ類包含TF01、TF18、TF19、TF23、TF15、TF04、TF14、TF06、TF08、TF17共10份材料。

由礦質(zhì)元素含量的方差分析結(jié)果可知（表5），3個(gè)類群中18種礦質(zhì)元素的變異系數(shù)均較高，分別為23.05%、20.35%和20.30%。第Ⅰ類群7份材料的Cu、K、P、S元素含量在3個(gè)類群中最高，B、Ba、Cr、Se、Ti元素含量在3個(gè)類群中最低；第Ⅱ類群6份花器材料中Se元素含量較高，Al、Cu、K、Mg、Mn、P、S和Zn等元素含量在3個(gè)類群中最低；第Ⅲ類群的10份材料中Al、B、Ba、Ca、Cr、Mg、Mn、Se、Ti、Zn 10種元素在3個(gè)類群中最高，Cu、K、P含量中等；3個(gè)類群間Co、Fe、Na、Ni 這4種元素含量無明顯差異。綜合來看，第Ⅲ類群的茶樹花器樣品中礦質(zhì)元素含量普遍較高，開發(fā)利用潛力較大。結(jié)合主成分分析結(jié)果可知，主成分得分排名前5位的5份種質(zhì)位于聚類分析的第Ⅲ類群，主成分得分排名后5位的種質(zhì)位于聚類分析的第Ⅱ類群，可見聚類分析與主成分分析2種方法對(duì)供試茶樹種質(zhì)資源花器礦質(zhì)元素含量的評(píng)價(jià)結(jié)果較為一致。

表5 3個(gè)類群間礦質(zhì)元素含量差異Table 5 Comparison of mineral element content among three clusters

3 討論

3.1 茶樹種質(zhì)資源花器中礦質(zhì)元素含量具有遺傳多樣性

植物體內(nèi)礦質(zhì)元素的累積不僅受外界環(huán)境條件的影響，而且與植物本身的基因型有關(guān)[28]。楊雪梅等[29]研究發(fā)現(xiàn)不同石榴品種籽粒中9種礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量差異明顯；陳昌婕等[30]的研究也表明不同艾種質(zhì)葉片中10種礦質(zhì)元素的含量差異顯著。本研究顯示，同一生境條件下采集的23份茶樹花器樣品中，18種礦質(zhì)元素含量存在明顯差異，變異系數(shù)為11.86% ～ 48.96%，遺傳多樣性指數(shù)為1.19 ～ 2.19，表明茶樹種質(zhì)資源花器礦質(zhì)元素含量的遺傳背景和變異類型較為豐富，可通過育種手段，篩選出花器富集礦質(zhì)元素能力強(qiáng)的功能型茶樹種質(zhì)，為高礦質(zhì)營養(yǎng)價(jià)值茶樹花產(chǎn)品開發(fā)提供豐富的材料。

3.2 茶樹種質(zhì)資源花器對(duì)K、Ca、P、Mg、Mn的富集能力較強(qiáng)

本研究對(duì)茶樹種質(zhì)資源花器中18種礦質(zhì)元素含量測定結(jié)果顯示，K、Ca、P、Mg、Mn 5種元素的平均含量均在700 mg·kg-1以上，其余13種礦質(zhì)元素的平均含量均低于200 mg·kg-1，說明茶樹種質(zhì)資源花器對(duì)K、Ca、P、Mg、Mn 5種元素具有較強(qiáng)的富集能力；其中，K元素含量最高，達(dá)8 139.44 mg·kg-1，分別是Ca、P、Mg、Mn元素平均含量的4.7、8.1、10.2、11.6倍，可見K是茶樹種質(zhì)資源花器中主要的礦質(zhì)元素。茶樹種質(zhì)資源花器中各礦質(zhì)元素平均含量表現(xiàn)為K＞Ca＞P＞Mg＞Mn＞S＞Al＞B＞Ba＞Fe＞Na＞Zn＞Cu＞Ti＞Ni＞Cr＞Se＞Co，18種礦質(zhì)元素含量排序與烏龍茶[17]和武夷名叢[18]茶樹種質(zhì)資源新梢芽葉中元素含量排序均不一致，這可能是因?yàn)椴煌V質(zhì)元素在茶樹的生長發(fā)育過程中所起的作用不同[31]。K是植物體內(nèi)多種酶的活化劑和輔助因子，參與滲透調(diào)節(jié)、能量代謝等生理過程，故植物積累大量的K元素來維持正常的生長發(fā)育[32]。茶樹種質(zhì)資源花器中K元素含量遠(yuǎn)高于其他17種礦質(zhì)元素含量，這與K元素在茶樹體內(nèi)的重要生理作用密切相關(guān)；茶樹種質(zhì)資源花器中含有較高的Ca和Mn，推測這2種元素可能與茶樹花器官的發(fā)育和開花結(jié)果密切相關(guān)[33]。

3.3 茶樹種質(zhì)資源花器中礦質(zhì)元素之間存在交互效應(yīng)

18種礦質(zhì)元素的相關(guān)性分析表明，多數(shù)礦質(zhì)元素之間具有協(xié)同作用，少數(shù)礦質(zhì)元素之間表現(xiàn)出拮抗作用，說明茶樹花器對(duì)礦質(zhì)元素的吸收和累積存在交互效應(yīng)[34]，與課題組前期關(guān)于茶樹芽葉中礦質(zhì)元素相關(guān)性分析結(jié)果一致[17-18]，關(guān)于艾種質(zhì)資源礦質(zhì)元素含量的研究也有類似的結(jié)果[30]，這可能與礦質(zhì)元素在茶樹體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，同一轉(zhuǎn)運(yùn)子對(duì)不同離子的協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)作用有關(guān)。因此，在茶園生產(chǎn)中，為獲得高礦質(zhì)營養(yǎng)價(jià)值的茶樹花原料，可根據(jù)礦質(zhì)元素間的協(xié)同累積或拮抗作用，科學(xué)開展養(yǎng)分管理和調(diào)控工作。

3.4 茶樹種質(zhì)資源花器中有害元素Cr、Cu累積量較低，有益元素Se累積量較高

礦質(zhì)元素對(duì)維持人體生理機(jī)能具有重要作用，但部分重金屬會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生毒害作用[4]。茶樹花作為一種新資源食品材料，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)其進(jìn)行礦質(zhì)元素安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。在本研究所測18種礦質(zhì)元素中，Cr的限量要求為≤5.0 mg·kg-1[35]；NY/T 288—2018《綠色食品 茶葉》規(guī)定茶葉中Cu的限量要求為≤30 mg·kg-1[36]。本研究顯示，23份茶樹花樣品中Cr含量為0.24～0.92 mg·kg-1，平均含量為0.51 mg·kg-1，Cu含量為2.19～5.39 mg·kg-1，平均含量為3.53 mg·kg-1，Cr和Cu含量均遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限量值，表明23份茶樹種質(zhì)資源花器對(duì)Cr、Cu元素累積能力較弱，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)限量要求。

硒是人體必需的微量元素，具有抗氧化、提高免疫和保護(hù)修復(fù)細(xì)胞等生理功能[37]。當(dāng)前，富硒保健食品的開發(fā)已成為食品工業(yè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部NY/T 600—2002《富硒茶》規(guī)定茶葉中Se含量在0.25～4.00 mg·kg-1為富硒茶[38]。本研究結(jié)果顯示，23份茶樹種質(zhì)資源花器中Se含量為0.22～0.53 mg·kg-1，平均含量為0.40 mg·kg-1。對(duì)Se含量的正態(tài)分布檢驗(yàn)結(jié)果顯示，Se含量呈負(fù)偏態(tài)分布（P＜0.05），表明Se元素含量在23份茶樹種質(zhì)資源花器的大部分材料中高于平均水平，有82.61%的茶樹花器樣品Se含量在0.35 mg·kg-1以上，達(dá)到富硒茶標(biāo)準(zhǔn)。由此可見，茶樹種質(zhì)資源花器對(duì)Se元素的富集能力較強(qiáng)，可作為富硒茶樹花器飲料和富硒茶樹花器保健食品開發(fā)的良好材料。