茶園花薊馬種群數量與茶葉中生化物質關系的數學分析

程鴻浩 陳詩燕 吳筱萌， 徐 悅 張 淋， 孫佳照 周夏芝 鄒運鼎 畢守東*

(1.安徽農業大學 理學院，合肥 230036；2.安徽農業大學 林學與園林學院，合肥 230036)

茶樹害蟲是影響茶葉產量和品質的主要原因之一，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，使葉質變差，危害嚴重時整葉變黃焦枯[1]。Yue[2]研究發現在25 ℃恒溫下花薊馬平均每世代產卵量最高可達1 232頭，如不加以控制，會對茶葉產量造成巨大損害。目前，花薊馬的防治可通過傳統的農藥試劑等進行化學防治，也可以通過天敵來進行生物防治。張魯民等[3]研究發現天敵南方小花蝽(OriusSimilisZhang)對花薊馬的日最大捕食量為15.79頭；王建盼等[4]報道在數量、時間和空間關系上與花薊馬跟隨關系密切的前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。但化學防治與生物防治存在危害環境或效率低下等問題，所以對于花薊馬的防治需要進一步創新。

馬新華等[5]研究了福建地區茶樹害螨的發生特點，得出葉片厚度、葉片中咖啡因、GC含量與害螨螨情指數呈負相關；葛超美等[6]通過分析茶尺蠖對不同茶葉品種的取食選擇性，得出茶樹生化物質影響茶尺蠖趨勢選擇的結論；扈克明等[7]報道不同無性系茶樹品種中小綠葉蟬類群數量與抗蟲性強弱存在明顯差異；毛迎新等[8]通過比較福建地區6個主要茶樹品種間假眼小綠葉蟬的種群數量動態，得出GC和咖啡堿是茶樹抗假眼小綠葉蟬的重要物質；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之一；鄒武等[10]比較分析福建4個主要茶樹品種的理化特性與假眼小綠葉蟬數量間的相關關系，從物理結構和生化指標2方面得出了不同特性與假眼小綠葉蟬的相關性；曾麗等[11]總結了茶樹抗性對假眼小綠葉蟬的綜合評估，得出不同生化成分含量對假眼小綠葉蟬的數量均有不同影響。上述研究發現，茶葉中不同生化物質含量與害蟲數量間存在一定的關聯性，這為花薊馬防治工作提供了新方向，但關于茶樹各生化物質含量與花薊馬種群數量關系的報道極少。本研究選取了茶園中的9種茶葉，擬利用幾種常用的數學方法如Pearson相關性分析、通經分析和回歸分析，對花薊馬種群數量與茶葉中生化成分含量的相關性進行計算并綜合比較，以期為花薊馬的農業防治和抗蟲育種提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 調查地點與時間

調查地點為安徽農業大學農業科技示范基地茶園(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’‘農抗早’‘舒茶早’這9個品種的茶葉為樣本。花薊馬一年發生多代，本研究調查時間為花薊馬發生1～2世代的2021-05-23、3～4世代的2021-06-20和花薊馬盛發期的2021-07-08。茶園均按常規措施管理，不施用農藥。

1.2 茶樹品種介紹

‘黃山大葉種’(‘黃山早芽’)，由安徽省農業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’，由其階段性返白現象得名，屬灌木型，樹冠矮小，每年春季芽葉會轉為白色[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’，由湖南省農業科學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，產量高[16]；‘龍井43’，中國農業科學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，由中國農業科學院茶葉研究所育成[18]；‘農抗早’，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 花薊馬調查取樣

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

1.4 茶葉生化物質含量分析

在安徽農業大學科技示范園區內，對9個不同品種的茶樹進行采樣，采樣時間在上午8點至10點，采摘“一芽二葉”部分。為了防止茶葉蒸騰作用對實驗結果產生影響，采摘后立即用干冰保存。樣品帶回實驗室后，將葉片粉碎后過濾去雜質，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，使用超聲波振蕩機和旋渦混合器XW-80A進行精細混合，得到測試樣本。糖類和各離子化合物類物質利用HPLC-ELSD法進行處理，氨基酸類物質采用蛋白質檢測器Waters2475(高效液相色譜泵Waters600、蒸發光散射檢測器Waters242和Agilent碳水化合物分析柱(4.6 mm×250 mm))進行分析[23-24]。分析柱配有保護柱，柱溫30 ℃，進樣量10 μL，流動相為V(乙腈)∶V(水)=3∶1，流速1 mL/min；高效液相色譜泵Waters600與蒸發光散射檢測器Waters242使用高純氮氣作為載氣，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)處理得到的數據，通過比對實驗結果與標準結果顯示的峰值比例，計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據，共測量49種生化物質含量。

1.5 數學分析方法

1.5.1相關系數法

相關系數是普遍被用于表示兩組數據間相關性的統計量，常用的相關系數有Pearson相關系數[25]，對于2個分類單位i與j之間的相關系數可定義為：

(1)

1.5.2灰色系統分析

灰色系統分析的基本思想是通過確定參考數據列和若干個比較數據列的幾何形狀相似程度來判斷其聯系是否緊密，反映了曲線間的關聯程度[26]。本研究將花薊馬數量與茶葉中各種生化物質含量分別作為參考數據列與若干個比較數據列，首先對數據進行無量綱化處理，即采用均值化法將不同量綱的數據都統一歸化到1這個量級附近，其次利用公式計算關聯系數ξi(k)，最后計算關聯度ri。

關聯系數公式為：

(2)

關聯度公式為：

(3)

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

1.5.3通徑分析

通徑分析是對簡單回歸分析進行分解，不僅可以得出多個自變量x1、x2、…、xn對因變量y的影響程度，即直接通徑系數，還可以得出自變量之間對因變量y的影響的間接作用，即間接通徑系數。對于一般的多元線性回歸分析，設因變量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)

上式兩邊同時除以因變量y的標準差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的求解模型，整理后可得到各簡單相關系數的分解方程：

(8)

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

這種方法可以有效的得到自變量對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上將相關系數分解成直接通徑系數和間接通徑系數，間接通徑系數=相關系數×通徑系數，其中通徑系數即線性回歸計算得出的線性回歸方程的系數。本研究的通徑分析通過SPSS軟件實現。

1.5.4回歸分析

回歸分析是將多個自變量與因變量建立回歸關系，得出回歸方程的一種統計方法，從大量隨機的不確定的現象中尋求事物的統計規律，是一種具有較高實際應用價值的隨機數學模型[25]。本研究通過SV26|IBM SPSS Statistics 26軟件進行回歸分析。

2 結果與分析

2.1 茶園花薊馬數量的動態變化

不同品種茶樹上花薊馬數量和茶葉中各生化物質含量的動態變化如表1所示。前兩次調查的花薊馬數量明顯少于最后一次，花薊馬盛發期的數量才能真正反映茶樹內含物含量與花薊馬數量的關系，因此本研究以3次調查中花薊馬盛發期2021-07-08的種群數量參與分析，茶葉內含物的含量也在2021-07-08進行測量。

表1 9個品種茶樹上花薊馬的種群數量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量與茶葉生化物質的相關性分析

對9個品種茶樹上的花薊馬種群數量與茶葉中生化物質含量進行相關性分析，結果見表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量呈正相關，即含量越大，花薊馬數量就越多。其中糖類含量與花薊馬數量關系最密切，Pearson相關系數為0.721 0；氨基酸類、兒茶素類和酚酸類含量與花薊馬種群數量呈負相關，即含量越大，花薊馬數量越少，其中兒茶素類含量與花薊馬數量關系最密切。

表2 茶樹內含物與花薊馬數量的相關系數Table 2 Correlation coefficient between tea plant contents and the number of F. intonsa

對花薊馬與各生化物質進行進一步的相關性分析得出，糖類中與花薊馬數量關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量關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)、結氨酸(-0.507 3)和羥脯氨酸(0.510 9)，兒茶素類中與花薊馬數量關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量關系較為密切的是4-咖啡?？鼘幩?-0.442 2)，低聚原花青素類中與花薊馬數量關系較為密切的是B2(EC-EC)(0.360 2)，黃酮醇糖苷類中與花薊馬數量關系較為密切的有K-3-0-G(-0.628 2)和Q-7-O-G(0.599 8)。

最后對選取的這15種與花薊馬數量關系較為密切的生化物質含量與花薊馬數量進行灰色關聯度分析，得出與花薊馬數量關系最密切的前5位生化物質為蔗糖(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)。其中糖類物質占比較大，可能與糖類能夠刺激害蟲取食、是重要的營養物質和能量來源以及蔗糖能夠促進某些薊馬品種產卵有關。

2.3 不同品種茶樹上花薊馬數量與茶葉生化物質的通徑分析

對不同品種茶樹上花薊馬數量與茶葉生化物質進行通徑分析(表3)。通過比較通徑系數的絕對值，發現低聚原花青素類的通徑系數絕對值最大，為0.785 9，說明低聚原花青素類含量的變化對花薊馬種群數量的作用最為重要。可能與低聚原花青素類抑制植物氧化的功能有關，低聚原花青素類含量越大，植物抗氧化性越強，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6大類生化物質含量對花薊馬數量的影響作用Table 3 The effect of the content of six major biochemicals in tea leaves on the number of F. intonsa

再對通徑系數大的低聚原花青素類、兒茶素類和糖類進行進一步的通徑分析(表4～6)。糖類中通徑系數絕對值最大的是蔗糖，麥芽糖通過蔗糖對花薊馬數量起作用的間接通徑系數最大。低聚原花青素類中通徑系數絕對值最大的是原花青素B2(EC-EC)，原花青素B4(C-EC)通過B2(EC-EC)對花薊馬數量起作用的間接通徑系數最大。兒茶素類中通徑系數絕對值最大的是咖啡因，表兒茶素通過咖啡因對花薊馬數量起作用的間接通徑系數最大。

2.4 不同品種茶樹上花薊馬數量與茶葉生化物質的回歸分析

對不同品種茶樹上花薊馬數量與茶葉生化物質進行回歸分析(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量呈正相關，兒茶素類和酚酸類含量與花薊馬數量呈負相關。

結合相關性分析和通徑分析可知，與花薊馬數量關系最為密切的生化物質為蔗糖、果糖、咖啡因、原花青素B2(EC-EC)、Q-7-O-G和4-咖啡酰奎寧酸。對這幾種物質與花薊馬數量進行回歸分析，結果見表8。幾種生化物質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，這說明茶葉內果糖含量與花薊馬種群數量間存在比較明顯的線性關系。

表4 茶葉內糖類含量對花薊馬數量的影響作用Table 4 The effect of sugar content in tea leaves on the number of F. intonsa

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

3 討論與結論

本研究通過綜合相關性分析、通經分析和回歸分析這3種分析方法發現，糖類是影響花薊馬數量較為顯著的一種生化物質。這可能與糖類是花薊馬生存與繁殖的重要營養因素有關，其中蔗糖含量與花薊馬數量關系最為密切。蔗糖在昆蟲體內轉化成脂肪和氨基酸，脂肪是昆蟲貯存能源的重要部位，氨基酸是昆蟲生命活動的能源物質，在昆蟲的生長發育中起協同作用，這與其他學者[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,發現糖類對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卵量；陳海游等[30]發現蔗糖對胭脂蟲有明顯助食作用,適當濃度的蔗糖有助于提高胭脂蟲的產量；Fadamiro等[31]對寄生蚤蠅(PseudacteontricuspisBorgmeier)的研究發現,蔗糖對其壽命有延長作用,且25%與50%的蔗糖對其作用相似。

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

表8 花薊馬數量與最密切的6種生化物質含量回歸分析輸出結果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相關系數、通經系數和回歸系數對花薊馬種群數量與茶葉中生化物質成分相關性進行分析得出，茶葉中糖類含量與花薊馬數量呈現一定程度的正相關，表明在栽種時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防花薊馬；茶葉中兒茶素類含量與花薊馬數量呈現一定程度的負相關，引種時可以多引進兒茶素類含量高的茶種，或者在生產種植過程中注意兒茶素類含量的提升，利用兒茶素加強對花薊馬的防治。本研究結果為茶園中花薊馬的防治提供了有效的科學依據。