钙过量对茶树新梢品质成分及根系生长的动态影响

申加枝+张新富+胡建辉

摘要：以平阳特早一年生茶树幼苗为试验材料，设置90、150、210、270 mg/L Ca2+浓度进行钙过量水培培养，研究其对茶树幼苗、新梢主要品质成分的动态影响，同时测定了根系形态的动态变化。结果表明，钙过量处理前2周，茶多酚含量在较低钙过量（90、150 mg/L）条件下增加，这可能是茶多酚作为抗氧化剂对钙过量胁迫的抗性；氨基酸含量从第三周开始表现出下降，且随着处理时间的增加，下降幅度越大；咖啡碱含量处理第一周即出现下降，随着处理时间的增加，下降幅度增大。钙过量对根系的伤害主要表现在根尖数减少和较高Ca2+浓度（210、270 mg/L）条件下，根系表面会附着一层白色黏膜抑制新根的生长。钙过量处理可直接造成茶树根系吸收根的衰亡，进而逐步影响到茶树新梢品质成分的合成。

关键词：茶树；钙过量；新稍；品质成分；根系

中图分类号：S571.1；Q493 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）17-4108-04

Dynamic Effects of Excessive Calcium on Biochemical Components in Young

Shoots and Root Growth of Tea

SHEN Jia-zhi，ZHANG Xin-fu，HU Jian-hui

（College of Horticulture， Qingdao Agricultural University， Qingdao 266109， Shandong， China）

Abstract： Ca2+ concentration was applied at 90，150，210， 270 mg/L with hydroponic method to study the effects of excessive calcium treatment on the main biochemical components in young shoots of annual Pingyangtezao tea seedlings. Dynamic changes of morphological growth of tea root were determined. The results showed that content of tea polyphenols increased at 90 mg/L and 150 mg/L of Ca2+ concentration in the first two weeks， which might be one of resistance mechanisms of tea polyphenols as antioxidant to excessive calcium stress. Contents of amino acids had a downward trend from the third week. Caffeine content appeared to decrease from the first week. The decreasing trend of content of amino acids and caffeine increased with the time extension of excessive calcium treatment. The effects of excessive calcium on roots damage were mainly focused on the decrease of root tip number. The root surface was covered with white mucosa at higher Ca2+ concentration （210，270 mg/L）， which would restrain the growth of the new root. Excessive calcium treatment can directly cause the decline of tea tree absorb root， and then affect the synthesis of biochemical components in young shoots.

Key words： tea tree； excessive calcium； young shoots； biochemical components； roots

对钙的存在不适应的植物称为嫌钙植物，土壤中过多的钙质（特别是碳酸钙）会妨碍其生长发育[1]。茶树是一种嫌钙植物，对钙的需求比一般作物低得多，过多的钙会造成“钙害”[2]。山东省是江北茶区产茶大省，是我国有名的优质绿茶产区。青岛市地理纬度较高，昼夜温差大，所产绿茶具有叶片厚、滋味浓、香气高、耐冲泡等特点。近年来，青岛市茶产业发展迅速，崂山、胶南、即墨等地茶园种植区域不断扩大，但我省土壤中活性钙含量普遍较高，如青岛市土壤交换性钙含量平均为4.08 g/kg[3]。王跃华等[4]研究表明，钙过量可引起光合系统膜结构的破坏，导致电子传递链受阻，茶树叶片光能利用效率降低，从而影响茶树新梢的生长，成为制约高钙土壤茶区无性系茶树种植规模扩大的关键因素。有关茶树主要品质成分在钙过量条件下的代谢情况鲜见研究。平阳特早茶树属中叶类、灌木型、特早生种，扦插繁殖成活率高，抗逆性和抗寒性强，目前在青岛及周边茶区表现良好。本试验以一年生无性系平阳特早茶树幼苗为材料，采用水培研究钙过量对其主要品质成分的动态影响，旨在探讨钙过量条件下茶树主要生化成分的代谢情况，为高钙土壤茶区发展新建茶园提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

采用水培法对一年生平阳特早茶树幼苗进行培养，培养液采用茶树水培的标准营养液配方[5]，水培装置见图1。水培槽用增氧泵通气，每天通风通气8～10 h，每7 d换一次营养液。缓苗培养10 d后，分别设置标准培养液钙浓度（30 mg/L）及4个钙过量钙浓度（90、150、210、270 mg/L）的培养液对试验茶苗进行处理。5个钙浓度处理分别编号为CK、T1、T2、T3、T4，试验选用乙酸钙替代硝酸钙进行钙处理。每个水培槽设置一个处理，水培槽为蓝色不透光的长方形聚乙烯塑料箱（70 cm×45 cm×20 cm），每个水培槽定植茶苗60株（分为5组，每周采样12株），5个处理300株，3次重复，共计用苗900株。茶苗由青岛农业大学即墨茶叶基地提供，水培试验于2013年在青岛农业大学校内试验基地日光温室内进行。

茶样制备：钙过量处理7 d后开始采样，每周采样一次，连续采样5周，茶树新梢采摘标准为一芽二叶，蒸锅蒸汽杀青120 s，烘箱烘干，样品装入自封袋，于-10 ℃冰柜中保存，用于比较相同处理时间（1～5周）后，钙过量处理相对于标准营养液处理对茶苗生化成分的影响。

茶苗根系分析取样：每个处理随机挑选5株茶苗并分别标记。处理开始后，每周测定一次，连续测定5周，测定前将茶树幼苗根系洗净后进行根系形态特征分析，每次测定完成后，将分析数据分类保存，并将上述标记茶树幼苗分别置于相应的水培槽中继续培育，以供下次根系分析。

1.2 测定项目与方法

茶汤制备：将烘干的茶样，在磨碎机中磨成粉末过40目筛，分别称取0.600 0 g粉碎茶样置于100 mL锥形瓶中，加入约80 mL沸水，在恒温水浴锅中100 ℃水浴45 min，每隔10 min摇晃一次，使茶样中的内含成分被充分浸提。浸提结束后，浸提液趁热抽滤，残渣用热去离子水洗涤2～3次，滤液冷却后定容至100 mL容量瓶中。

茶多酚总量的测定参照GB/T 8313—2002，采用酒石酸亚铁比色法。游离氨基酸总量测定参照GB/T 8314—2002，采用茚三酮比色法。儿茶素、咖啡碱含量的测定采用高效液相色谱法，参考GB/T 8313—2008的检测方法，并略作修改。流动相A：乙腈90 mL，乙酸20 mL，10 mg/mL EDTA溶液2 mL，去离子水定容到1 000 mL；流动相B：甲醇。色谱条件：检测波长278 nm，柱温35 ℃，流速1 mL/min，进样量40 μL，运行时间45 min。梯度条件如表1所示。

茶叶中茶氨酸含量测定采用高效液相色谱法[6]。色谱仪为Agilent 1100 Series，色谱柱Symmetry-C18（4.6 mm×250 mm，5 μm），流动相为0.05%三氟乙酸水溶液，流速为1.0 mL/min，进样量为10 μL，检测波长为203 nm，柱温30 ℃，检测时间10 min。每次进样结束后，用乙腈冲洗色谱柱10 min，然后用流动相平衡色谱柱约10 min，至基线平稳，再进行下一组样品的测量。

茶树幼苗根系形态分析，采用多功能根系扫描分析仪（EPSON Perfection Flatbed Scanner V700/V900）进行测定，分析总根长、总表面积、平均直径、 根尖数等指标。

各处理均进行3次重复，试验数据采用MS Excel 2003、SAS V8.0统计软件进行统计分析，利用LSD法检验差异显著性。

2 结果与分析

2.1 钙过量对茶多酚含量及儿茶素组成的动态影响

前2周钙过量处理与对照茶叶茶多酚含量差异显著，之后差异不显著（表2）。钙过量处理前2周，随着钙离子浓度的增加，茶多酚含量均表现出先增加后降低的趋势，T2处理茶多酚含量最高，分别达到27.51%和27.15%；钙过量处理3～5周，这种趋势发生改变，处理间茶多酚含量差异均不显著。儿茶素总量的变化趋势与茶多酚一致，经过前2周钙过量处理，茶苗新梢儿茶素的组成如图2所示，钙过量条件下表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）和表儿茶素没食子酸酯（ECG）的变化比较大，其他儿茶素变化较小，因此，钙过量处理条件下儿茶素总量的变化主要是EGCG和ECG引起的。

2.2 钙过量对游离氨基酸、茶氨酸含量的动态影响

钙过量处理前2周各处理间茶叶游离氨基酸和茶氨酸含量差异不显著，处理3周后二者含量均开始表现出差异（表3）。处理前2周，游离氨基酸和茶氨酸含量一直比较稳定，变化幅度很小；从第三周至第五周，与对照相比，游离氨基酸和茶氨酸含量随着钙离子浓度的增加显著降低；处理第三周，150 mg/L钙离子浓度（T2）处理条件下开始显著下降；而处理第四周和第五周，90 mg/L钙离子浓度（T1）处理条件下即开始显著下降。

2.3 钙过量对咖啡碱含量的动态影响

与对照相比，茶叶中咖啡碱含量在钙过量处理条件下存在明显差异（表4）。从第一周至第五周，随着钙离子浓度的增加，咖啡碱含量均出现不同程度的下降。其中前3周咖啡碱含量下降幅度较小；而处理第四周后，咖啡碱含量出现大幅度下降，与对照相比，T1处理条件下即开始出现显著下降，T4处理条件下咖啡碱含量下降0.43个百分点。

2.4 钙过量对根系形态的动态影响

植物地上部分的生长发育与根系关系密切，本试验在测定茶苗新梢品质成分的同时，利用根系分析仪对根系总根长、总表面积、平均直径、根尖数进行了分析。钙过量处理对根系的影响主要表现在根尖数的显著减少，而总根长、总表面积及平均直径的变化不显著（表4）。根尖数的减少幅度随着钙离子浓度的增加而增加，T1处理条件下，经过5周培养，相对于第一周，根尖数减少了67.4，T4处理条件下根尖数减少量为99.80。随着钙过量处理时间的进一步延长，茶树根系的吸收根不断衰亡，直至根系失去吸收功能，同时茶树新梢也逐步干枯。

3 讨论和结论

Ca2+被认为参与促进细胞壁增厚、植物防御素合成及改变活性氧[7]。植物在正常的生长情况下，活性氧的产生和清除处于动态平衡状态。钙过量胁迫可引起茶树光合系统膜结构的破坏，而叶绿体和线粒体是植物体内活性氧产生的主要部位[8]，胁迫处理增加了植物体内活性氧的产生。植物体内存在的负责清除活性氧产生的抗氧化系统由两部分组成，即抗氧化酶类和抗氧化剂类，二者在植物体内都可清除活性氧。茶多酚是一类以儿茶素类为主体的类黄酮化合物，具有C6-C3-C6碳骨架结构，是重要的天然抗氧化性物质，可对活性氧起到一定的清除作用[9]。本试验中，钙过量胁迫处理初期，较低钙浓度（90、150 mg/L）条件下，茶树体内茶多酚含量的增加可在一定程度上降低胁迫造成的危害，而随着钙浓度的增加或胁迫时间的延长，茶多酚消耗量增加，含量逐步降低。

氨基酸是茶叶中的主要滋味物质，能缓解茶的苦涩味，增强甜味，还可以转化成各种香气物质，与茶叶品质呈正相关[10，11]。茶氨酸是茶树中含量最高的游离氨基酸，占茶叶干重的1%～2%[12]。茶氨酸是由根系吸收无机态氮，在茶根部由乙胺与L-谷氨酸生物合成，再经由输导组织运往地上部分，最终运往茶树的各个组织[10]。高钙土壤条件下，高浓度Ca2+会抑制嫌钙植物对其他金属离子的吸收、铵盐的硝化，尤其是对有些嗜好氮肥的嫌钙植物[13]。茶树是典型的嫌钙嗜氮植物，高浓度Ca2+势必会抑制铵盐的硝化；此外，钙过量条件下，茶树根系根尖数减少，且高Ca2+浓度下根系表面会附着一层白色黏膜，这些都会导致根系合成茶氨酸的能力下降。本试验中，钙过量处理2周后，游离氨基酸、茶氨酸含量的显著降低证明了该观点。咖啡碱是茶叶中的另一重要滋味物质，其与茶黄素以氢键缔合后形成的复合物具有鲜爽味，是影响茶叶品质的重要组分[14]。茶叶中的嘌呤可能是在叶绿体中从先质直接合成，这些嘌呤又可以在这里转化成咖啡碱[10]。王跃华等[4]研究表明，钙过量胁迫导致叶绿体膜损伤，基质类囊体片层变得松散，类囊体膜也受到不同程度的破坏。这势必会影响咖啡碱的合成。此外，钙过量条件下，茶树根系根尖数减少，影响根系对氮素的吸收，从而影响到茶树新梢中咖啡碱的合成。本试验中，钙过量处理1周后，咖啡碱含量出现显著降低。

茶树根系中乳白色的吸收根是根中生命活动最活跃的部分。根的伸长、对水分和无机盐的吸收、成熟组织的分化以及对重力与光线的反应都发生于这一区域。吸收根在生长发育过程中不断衰亡更新[5]。嫌钙植物的根细胞不能很好地控制过量胞质钙离子浓度，高钙浓度下，位于等离子体膜中的阴离子通道关闭。胞质钙离子增加，而液泡中有机酸的释放受到影响，液泡中有机酸的积累加剧，pH平衡遭到破坏[15]。这使得高钙浓度对嫌钙植物的伤害首先体现在根系上，根系分析中根尖数能够反映吸收根的衰亡更新情况，本试验中，随着钙过量处理时间的增加，茶苗根系的根尖数不断减少，这表明钙过量条件下吸收根的衰亡占主导。由此表明，钙过量胁迫处理初期，较低钙浓度（90、150 mg/L）条件下，茶多酚可对胁迫伤害起到一定的抵御作用，随着胁迫对根系伤害程度的增加，氨基酸、咖啡碱的合成逐步受到影响。

参考文献：

[1] ZOHLEN A， TYLER G. Immobilization of tissue iron on calcareous soil： Differences between calcicole and calcifuge plants[J]. Oikos，2000， 89（1）： 95-106.

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[3] 杨 力，刘光栋，宋国菡，等.山东省土壤交换性钙含量及分布[J].山东农业科学，1998（4）：17-21.

[4] 王跃华，张丽霞，孙其远.钙过量对茶树光合特性及叶绿体超微结构的影响[J].植物营养与肥料学报，2010（2）：432-438.

[5] 童启庆.茶树栽培学[M].北京：中国农业出版社， 2000.

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[10] 苑晓春.茶叶生物化学[M].北京：中国农业出版社，2003.

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[13] TYLER G. Inability to solubilize phosphate in limestone soils—key factor controlling calcifuge habit of plants [J]. Plant and Soil，1992， 145（1）： 65-70.

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[15] LEE J A. The calcicole-calcifuge problem revisited[J]. Advances in Botanical Research，1999，29：1-30.

3 讨论和结论

Ca2+被认为参与促进细胞壁增厚、植物防御素合成及改变活性氧[7]。植物在正常的生长情况下，活性氧的产生和清除处于动态平衡状态。钙过量胁迫可引起茶树光合系统膜结构的破坏，而叶绿体和线粒体是植物体内活性氧产生的主要部位[8]，胁迫处理增加了植物体内活性氧的产生。植物体内存在的负责清除活性氧产生的抗氧化系统由两部分组成，即抗氧化酶类和抗氧化剂类，二者在植物体内都可清除活性氧。茶多酚是一类以儿茶素类为主体的类黄酮化合物，具有C6-C3-C6碳骨架结构，是重要的天然抗氧化性物质，可对活性氧起到一定的清除作用[9]。本试验中，钙过量胁迫处理初期，较低钙浓度（90、150 mg/L）条件下，茶树体内茶多酚含量的增加可在一定程度上降低胁迫造成的危害，而随着钙浓度的增加或胁迫时间的延长，茶多酚消耗量增加，含量逐步降低。

氨基酸是茶叶中的主要滋味物质，能缓解茶的苦涩味，增强甜味，还可以转化成各种香气物质，与茶叶品质呈正相关[10，11]。茶氨酸是茶树中含量最高的游离氨基酸，占茶叶干重的1%～2%[12]。茶氨酸是由根系吸收无机态氮，在茶根部由乙胺与L-谷氨酸生物合成，再经由输导组织运往地上部分，最终运往茶树的各个组织[10]。高钙土壤条件下，高浓度Ca2+会抑制嫌钙植物对其他金属离子的吸收、铵盐的硝化，尤其是对有些嗜好氮肥的嫌钙植物[13]。茶树是典型的嫌钙嗜氮植物，高浓度Ca2+势必会抑制铵盐的硝化；此外，钙过量条件下，茶树根系根尖数减少，且高Ca2+浓度下根系表面会附着一层白色黏膜，这些都会导致根系合成茶氨酸的能力下降。本试验中，钙过量处理2周后，游离氨基酸、茶氨酸含量的显著降低证明了该观点。咖啡碱是茶叶中的另一重要滋味物质，其与茶黄素以氢键缔合后形成的复合物具有鲜爽味，是影响茶叶品质的重要组分[14]。茶叶中的嘌呤可能是在叶绿体中从先质直接合成，这些嘌呤又可以在这里转化成咖啡碱[10]。王跃华等[4]研究表明，钙过量胁迫导致叶绿体膜损伤，基质类囊体片层变得松散，类囊体膜也受到不同程度的破坏。这势必会影响咖啡碱的合成。此外，钙过量条件下，茶树根系根尖数减少，影响根系对氮素的吸收，从而影响到茶树新梢中咖啡碱的合成。本试验中，钙过量处理1周后，咖啡碱含量出现显著降低。

茶树根系中乳白色的吸收根是根中生命活动最活跃的部分。根的伸长、对水分和无机盐的吸收、成熟组织的分化以及对重力与光线的反应都发生于这一区域。吸收根在生长发育过程中不断衰亡更新[5]。嫌钙植物的根细胞不能很好地控制过量胞质钙离子浓度，高钙浓度下，位于等离子体膜中的阴离子通道关闭。胞质钙离子增加，而液泡中有机酸的释放受到影响，液泡中有机酸的积累加剧，pH平衡遭到破坏[15]。这使得高钙浓度对嫌钙植物的伤害首先体现在根系上，根系分析中根尖数能够反映吸收根的衰亡更新情况，本试验中，随着钙过量处理时间的增加，茶苗根系的根尖数不断减少，这表明钙过量条件下吸收根的衰亡占主导。由此表明，钙过量胁迫处理初期，较低钙浓度（90、150 mg/L）条件下，茶多酚可对胁迫伤害起到一定的抵御作用，随着胁迫对根系伤害程度的增加，氨基酸、咖啡碱的合成逐步受到影响。

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[15] LEE J A. The calcicole-calcifuge problem revisited[J]. Advances in Botanical Research，1999，29：1-30.

3 讨论和结论

Ca2+被认为参与促进细胞壁增厚、植物防御素合成及改变活性氧[7]。植物在正常的生长情况下，活性氧的产生和清除处于动态平衡状态。钙过量胁迫可引起茶树光合系统膜结构的破坏，而叶绿体和线粒体是植物体内活性氧产生的主要部位[8]，胁迫处理增加了植物体内活性氧的产生。植物体内存在的负责清除活性氧产生的抗氧化系统由两部分组成，即抗氧化酶类和抗氧化剂类，二者在植物体内都可清除活性氧。茶多酚是一类以儿茶素类为主体的类黄酮化合物，具有C6-C3-C6碳骨架结构，是重要的天然抗氧化性物质，可对活性氧起到一定的清除作用[9]。本试验中，钙过量胁迫处理初期，较低钙浓度（90、150 mg/L）条件下，茶树体内茶多酚含量的增加可在一定程度上降低胁迫造成的危害，而随着钙浓度的增加或胁迫时间的延长，茶多酚消耗量增加，含量逐步降低。

氨基酸是茶叶中的主要滋味物质，能缓解茶的苦涩味，增强甜味，还可以转化成各种香气物质，与茶叶品质呈正相关[10，11]。茶氨酸是茶树中含量最高的游离氨基酸，占茶叶干重的1%～2%[12]。茶氨酸是由根系吸收无机态氮，在茶根部由乙胺与L-谷氨酸生物合成，再经由输导组织运往地上部分，最终运往茶树的各个组织[10]。高钙土壤条件下，高浓度Ca2+会抑制嫌钙植物对其他金属离子的吸收、铵盐的硝化，尤其是对有些嗜好氮肥的嫌钙植物[13]。茶树是典型的嫌钙嗜氮植物，高浓度Ca2+势必会抑制铵盐的硝化；此外，钙过量条件下，茶树根系根尖数减少，且高Ca2+浓度下根系表面会附着一层白色黏膜，这些都会导致根系合成茶氨酸的能力下降。本试验中，钙过量处理2周后，游离氨基酸、茶氨酸含量的显著降低证明了该观点。咖啡碱是茶叶中的另一重要滋味物质，其与茶黄素以氢键缔合后形成的复合物具有鲜爽味，是影响茶叶品质的重要组分[14]。茶叶中的嘌呤可能是在叶绿体中从先质直接合成，这些嘌呤又可以在这里转化成咖啡碱[10]。王跃华等[4]研究表明，钙过量胁迫导致叶绿体膜损伤，基质类囊体片层变得松散，类囊体膜也受到不同程度的破坏。这势必会影响咖啡碱的合成。此外，钙过量条件下，茶树根系根尖数减少，影响根系对氮素的吸收，从而影响到茶树新梢中咖啡碱的合成。本试验中，钙过量处理1周后，咖啡碱含量出现显著降低。

茶树根系中乳白色的吸收根是根中生命活动最活跃的部分。根的伸长、对水分和无机盐的吸收、成熟组织的分化以及对重力与光线的反应都发生于这一区域。吸收根在生长发育过程中不断衰亡更新[5]。嫌钙植物的根细胞不能很好地控制过量胞质钙离子浓度，高钙浓度下，位于等离子体膜中的阴离子通道关闭。胞质钙离子增加，而液泡中有机酸的释放受到影响，液泡中有机酸的积累加剧，pH平衡遭到破坏[15]。这使得高钙浓度对嫌钙植物的伤害首先体现在根系上，根系分析中根尖数能够反映吸收根的衰亡更新情况，本试验中，随着钙过量处理时间的增加，茶苗根系的根尖数不断减少，这表明钙过量条件下吸收根的衰亡占主导。由此表明，钙过量胁迫处理初期，较低钙浓度（90、150 mg/L）条件下，茶多酚可对胁迫伤害起到一定的抵御作用，随着胁迫对根系伤害程度的增加，氨基酸、咖啡碱的合成逐步受到影响。

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