不同茶樹種質資源花器礦質元素含量分析與綜合評價

鄭淑琳， 石玉濤， 王飛權， 吳邦強， 李遠華， 張渤， 葉乃興

（1.武夷學院茶與食品學院，茶葉福建省高校工程研究中心，武夷學院茶葉科學研究所，福建 武夷山 354300；2.福建農林大學園藝學院，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]是一種重要的經濟作物，全球有超過58個國家種植茶樹。用茶樹嫩葉和芽制成的茶葉，因其獨特的風味和多種保健功效，已成為世界上最受歡迎的三大無酒精飲料之一[1]。種質資源是作物品種改良和產品創新的物質基礎，是作物生產的戰略性資源[2]。我國是世界茶樹的發源地，茶葉分布區域廣泛，茶樹種質資源異常豐富[3]。礦質元素不僅在植物生長發育、品質形成和抵抗逆境脅迫過程中發揮重要作用，而且是人體健康的重要調節因子[4]。目前，礦質元素已被作為一項重要指標，應用于植物種質資源評價、鑒定和品質研究[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[8]等多種營養和功能性成分，具有降血糖、抗氧化、增強免疫力、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]，已被應用于保健食品、日化、飲料等領域，具有廣闊的開發利用前景。我國茶樹花資源豐富，茶樹花的采摘和開發，不僅有利于茶樹的營養生長，為優質茶葉生產創造條件，而且有利于延伸產業鏈，提高茶產業附加值[11]。茶樹花中礦質元素的含量不僅可代表茶樹植株對土壤中無機養分的吸收利用狀況，而且可作為評價茶樹花營養價值的重要指標。已有對茶樹花的研究主要集中在發育過程轉錄組[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，關于不同茶樹種質資源花器礦質元素含量的研究未見報道。本課題組前期研究發現不同烏龍茶種質資源[17]和武夷名叢種質資源[18]新梢芽葉中礦質元素含量存在豐富的遺傳多樣性，但不同茶樹種質資源花器中礦質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份茶樹種質資源花器中18種礦質元素的含量，通過多元統計分析方法探明不同茶樹種質資源花器中礦質元素的含量特性及相互關系，篩選出高礦質營養品質的茶樹花器材料，以期為茶樹種質資源的評價和茶樹花的開發利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

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

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

1.2 試驗地概況

試驗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濕潤氣候區，年平均氣溫18.0 ℃，年平均降雨量約2 000 mm，年平均相對濕度80%[19]。土壤類型為黃壤土，土壤有機質含量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]。每份種質種植小區長×寬為20 m×1.8 m，株數為150株，樹齡為5年生。試驗地立地條件和肥水管理一致。

1.3 試驗設計

1.3.1 樣品制備 樣品采集時間為2018年10—12月，在各茶樹種質資源的盛花期采摘茶樹花器樣品，重復3次。每份種質隨機選擇60株以上茶樹，隨機采摘花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粉碎，過40目篩，置于-20 ℃冰箱中保存備用[22]。

1.3.2 樣品處理 準確稱取1.000 0 g樣品置于消煮管中（每個樣品平行取3份），參照石玉濤等[18]的方法對樣品進行消解處理。

1.3.3 礦質元素含量測定 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種礦質元素含量。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2021軟件進行數據整理和統計分析，遺傳多樣性指數（H′）=-ΣPilnPi，其中Pi為某性狀第i個代碼出現的頻率；正態分布檢驗采用Shapiro-Wilk檢驗法[24]；采用Origin Pro 2021繪制相關性熱圖；采用TBtools軟件進行聚類熱圖分析[25]；利用IBM SPSS Statistics 26.0軟件進行主成分分析，提取特征值大于1的因子作為主成分，利用主成分對不同茶樹種質資源花器進行綜合評價，將主成分得分（Fi）和相應權重相乘后求和得到綜合評價函數[26]。

2 結果與分析

2.1 茶樹種質資源花器中礦質元素含量差異分析

根據礦質元素含量測定統計結果（表2），茶樹種質資源花器中各礦質元素平均含量表現為K＞Ca＞P＞Mg＞Mn＞S＞Al＞B＞Ba＞Fe＞Na＞Zn＞Cu＞Ti＞Ni＞Cr＞Se＞Co；18種礦質元素含量的平均遺傳多樣性指數為1.90，表明23份茶樹花器樣品中各礦質元素含量遺傳差異大，具有較為豐富的遺傳多樣性；平均變異系數為24.96%，可見茶樹花器在18種礦質元素含量上存在豐富的變異類型；變異系數最大的是Ni，變幅為0.27～1.73 mg·kg-1，變異系數最小的是S，變幅為132.26～208.41 mg·kg-1。對各礦質元素含量進行正態分布檢驗發現，K、Ca、Mg、P、S、Al、B、Ba、Cr、Cu、Fe、Mn、Ti 共13種元素含量呈正態分布（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含量表現為負偏態分布（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份茶樹種質資源花器18種礦質元素含量的差異Table 2 Characteristic statistic parameters of 18 mineral elements in 23 tea flower samples

2.2 茶樹種質資源中18種礦質元素含量的相關性分析

由18種礦質元素含量的相關性分析結果（圖1）可知，不同茶樹種質資源花器中各礦質元素之間存在著復雜的相關性，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（P＜0.01）；Ba與Ca、Se含量，Cu與P、S含量，Fe與Ni含量，K與S、Zn含量，Mg與S含量均呈顯著正相關（P＜0.05）；B與Na含量，Cr與S含量均呈顯著負相關（P＜0.05）。

圖1 茶樹種質資源花器中18種礦質元素含量相關性Fig. 1 Correlation among 18 mineral elements in tea flower samples

2.3 茶樹種質資源礦質元素的主成分分析

對茶樹種質資源花器中18種礦質元素進行主成分分析（表3），可將18個礦質元素指標簡化為7個主成分，累積方差貢獻率達86.179%，能夠代表18個礦質元素指標的絕大部分信息。第1主成分起作用的指標主要是礦質元素K、P、Mg、S，貢獻率為22.529%；第2主成分起作用的指標主要是B、Ba、Ti，貢獻率為19.002%；第3主成分主要受Zn、Ca、Na元素的影響，貢獻率為14.221%；第4主成分主要受Fe、Ni和Al元素的影響，貢獻率為9.429%；第5主成分起作用的指標主要是Fe和Mn，其中Mn元素的影響為負，貢獻率為9.101%；第6主成分主要受Co元素的影響，貢獻率為6.093%；第7主成分主要受Se元素的影響，貢獻率為5.805%。總方差的55.751%來自于前3個主成分，故K、P、Mg、S、B、Ba、Ti、Zn、Ca、Na是茶樹種質資源花器的特征元素，可作為茶樹種質資源花器礦質元素性狀評價的主要指標[27]。

表3 23份茶樹種質資源花器18種礦質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份茶樹種質花器對礦質元素的吸收和累積能力較強；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份材料對礦質元素的吸收和累積能力較弱。

表4 23份茶樹種質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種礦質元素含量的茶樹種質資源的聚類熱圖分析

基于18種礦質元素含量對23份茶樹花器進行聚類熱圖分析（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。

由礦質元素含量的方差分析結果可知（表5），3個類群中18種礦質元素的變異系數均較高，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個類群中最高，B、Ba、Cr、Se、Ti元素含量在3個類群中最低；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個類群中最高，Cu、K、P含量中等；3個類群間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元素含量普遍較高，開發利用潛力較大。結合主成分分析結果可知，主成分得分排名前5位的5份種質位于聚類分析的第Ⅲ類群，主成分得分排名后5位的種質位于聚類分析的第Ⅱ類群，可見聚類分析與主成分分析2種方法對供試茶樹種質資源花器礦質元素含量的評價結果較為一致。

表5 3個類群間礦質元素含量差異Table 5 Comparison of mineral element content among three clusters

3 討論

3.1 茶樹種質資源花器中礦質元素含量具有遺傳多樣性

植物體內礦質元素的累積不僅受外界環境條件的影響，而且與植物本身的基因型有關[28]。楊雪梅等[29]研究發現不同石榴品種籽粒中9種礦質營養元素含量差異明顯；陳昌婕等[30]的研究也表明不同艾種質葉片中10種礦質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種礦質元素含量存在明顯差異，變異系數為11.86% ～ 48.96%，遺傳多樣性指數為1.19 ～ 2.19，表明茶樹種質資源花器礦質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元素能力強的功能型茶樹種質，為高礦質營養價值茶樹花產品開發提供豐富的材料。

3.2 茶樹種質資源花器對K、Ca、P、Mg、Mn的富集能力較強

本研究對茶樹種質資源花器中18種礦質元素含量測定結果顯示，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種礦質元素的平均含量均低于200 mg·kg-1，說明茶樹種質資源花器對K、Ca、P、Mg、Mn 5種元素具有較強的富集能力；其中，K元素含量最高，達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是茶樹種質資源花器中主要的礦質元素。茶樹種質資源花器中各礦質元素平均含量表現為K＞Ca＞P＞Mg＞Mn＞S＞Al＞B＞Ba＞Fe＞Na＞Zn＞Cu＞Ti＞Ni＞Cr＞Se＞Co，18種礦質元素含量排序與烏龍茶[17]和武夷名叢[18]茶樹種質資源新梢芽葉中元素含量排序均不一致，這可能是因為不同礦質元素在茶樹的生長發育過程中所起的作用不同[31]。K是植物體內多種酶的活化劑和輔助因子，參與滲透調節、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育[32]。茶樹種質資源花器中K元素含量遠高于其他17種礦質元素含量，這與K元素在茶樹體內的重要生理作用密切相關；茶樹種質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育和開花結果密切相關[33]。

3.3 茶樹種質資源花器中礦質元素之間存在交互效應

18種礦質元素的相關性分析表明，多數礦質元素之間具有協同作用，少數礦質元素之間表現出拮抗作用，說明茶樹花器對礦質元素的吸收和累積存在交互效應[34]，與課題組前期關于茶樹芽葉中礦質元素相關性分析結果一致[17-18]，關于艾種質資源礦質元素含量的研究也有類似的結果[30]，這可能與礦質元素在茶樹體內轉運過程中，同一轉運子對不同離子的協同轉運作用有關。因此，在茶園生產中，為獲得高礦質營養價值的茶樹花原料，可根據礦質元素間的協同累積或拮抗作用，科學開展養分管理和調控工作。

3.4 茶樹種質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

礦質元素對維持人體生理機能具有重要作用，但部分重金屬會對人體產生毒害作用[4]。茶樹花作為一種新資源食品材料，應加強對其進行礦質元素安全風險評估。在本研究所測18種礦質元素中，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含量均遠低于標準限量值，表明23份茶樹種質資源花器對Cr、Cu元素累積能力較弱，符合行業標準限量要求。

硒是人體必需的微量元素，具有抗氧化、提高免疫和保護修復細胞等生理功能[37]。當前，富硒保健食品的開發已成為食品工業領域的熱點。農業農村部NY/T 600—2002《富硒茶》規定茶葉中Se含量在0.25～4.00 mg·kg-1為富硒茶[38]。本研究結果顯示，23份茶樹種質資源花器中Se含量為0.22～0.53 mg·kg-1，平均含量為0.40 mg·kg-1。對Se含量的正態分布檢驗結果顯示，Se含量呈負偏態分布（P＜0.05），表明Se元素含量在23份茶樹種質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，達到富硒茶標準。由此可見，茶樹種質資源花器對Se元素的富集能力較強，可作為富硒茶樹花器飲料和富硒茶樹花器保健食品開發的良好材料。