我国油茶资源研究与开发利用现状及展望

陈丰林,谢 海,游昌乔,蒋 帅,彭 果,周 苹,郭新红

(湖南大学生物学院植物功能基因组学与发育调控湖南省重点实验室,中国湖南长沙410082)

油茶(Camellia oleifera)属山茶科(Theaceae)山茶属(Camellia),是我国最重要的木本油料植物之一。据报道,全国油茶种植面积从2013年的383.3万公顷,增长到2019年的453.3万公顷[1]。

茶油具有极高的营养价值,不饱和脂肪酸含量高,是优质的植物油。其中,油酸的含量高达80%[2]。油茶饼粕的提取物中还含有丰富的茶多酚,这些生物活性提取物具有显著的抗氧化、清除自由基、保护细胞膜结构、抑制炎症和抗肿瘤等多种生物学作用[3]。

目前,油茶的研究主要集中在油茶加工产品、油茶主要成分及质量评价体系、生物胁迫和非生物胁迫对油茶的影响及应对措施、品种选育及栽培、根际微生物群落、茶油生物合成途径调控等方面。油茶的激素信号调控、组学研究、转基因技术分子育种、生物菌肥的开发等将是今后油茶研究的重点方向。下文将对油茶资源研究与开发利用现状和展望进行综述。

1 油茶资源研究与开发利用现状

1.1 茶油主要成分及质量评价体系

油茶种仁含油率为40%～60%,茶油主要成分包括不饱和脂肪酸(主要是油酸和亚油酸,含量占84%以上)、少量饱和脂肪酸(棕榈酸、硬脂酸等,含量约为13%)以及维生素等,山茶物种间及油茶品种间的遗传差异和茶油加工工艺的不同,导致了这些营养成分及其含量的差异[4]。目前,我国茶油产品质量良莠不齐,产业亟需规范化,建立稳定可靠、可操作性强的质量评价体系迫在眉睫。田潇潇[5]在测定不同植物油中的甘油三酯组成的基础上,结合分析植物甾醇的分布情况来鉴别茶油和其他植物油,为茶油鉴别真伪提供了理论指导。

1.2 油茶品种选育及栽培

我国主要栽培的山茶物种有普通油茶(Camellia oleifera)、腾冲红花油茶(C.reticulate)、浙江红花油茶(C.chekiangoleosa)、攸县油茶(C.yuhsienensis)、小果油茶(C.meiocarpa)、威宁短柱油茶(C.weiningensis)、越南油茶(C.vietnamensis)、栓壳红山茶(C.phellocapsa)和广宁红山茶(C.semiserrata)等。油茶良种选育的研究工作开始于20世纪60年代,目前已选育出优良农家品种、优良家系、优良无性系和优良杂交组合等油茶良种,生产上应用的良种有200余个。油茶优良无性系已成为我国油茶生产上最重要的良种资源,如湖南省林业科学研究院的“湘林系列”、江西省的“赣州油系列”“赣无系列”、中国林业科学研究院亚热带林业研究所的“长林系列”、湖北省林业科学研究院的“鄂林系列”、广西省林业科学研究院的“岑软系列”“桂无系列”、浙江省的“浙林系列”等。云南省林业科学院研究所选育了“云油茶3号”“云油茶4号”“云油茶9号”“云油茶13号”“云油茶14号”等5个油茶优无性系品种[6]。黎曙光等[7]报道了油茶新品种“长林53号”。王晶[8]在河南本地的实生林中选育出了具有高产、抗病虫、抗寒等优良性状的“豫油茶1-7号”。吴鹏飞等[9]采用田间调查方法和病情指数法,筛选出10份抗炭疽病的无性系品种,为后续抗病育种提供了育种基础材料和参考依据。

相较于无性系选育,油茶的杂交育种起步较晚。中南林业科技大学袁德义课题组以攸县油茶“攸杂2”为母本,以普通油茶“华硕”为父本进行种间杂交,获得了47株代杂交子代苗,并根据杂交F1代苗的适应性、早实性和抗病性等早期生长表现,从F1代杂交实生苗中初选出18个表现较好的优良单株[10]。李晓春等[11]选取长林4号、长林18号、长林 40号、长林 53号、赣 68、赣 70、赣无2、华硕、湘 210号、赣石84-8、赣兴48等11个油茶无性系材料,采用人工杂交控制授粉,分析了21个杂交组合的杂交亲和力,筛选出赣70(♂)×长林 53 号(♀)、赣 68(♂ )×长林 53 号(♀)、赣石84-8(♂ )×长林 53 号(♀)、长林 4 号(♂ )×长林 53号(♀)、赣 70×长林 4 号(♀)、赣无 2×长林 4 号(♀)等6个最佳配置组合。陈永忠等[12]通过油茶优良无性系杂交子代和亲本无性系的对比试验,在41个全同胞子代中选育出5个优良杂交组合,其平均每公顷的产油量比对照组增产30%～100.8%。

相对于传统的无性系选育和杂交育种,分子育种,特别是结合组学研究的分子育种,可以针对某一特定性状进行定向改良,具有巨大的发展潜力。Lin等[13]利用4个不同发育时期的油茶种子,结合油脂含量测定和转录组学分析,发现了许多与油脂合成相关的差异基因。Peng等[14]对不同发育阶段的油茶籽仁进行了全转录组分析,发现了大量潜在的关键调控因子,这些调控因子可以控制干仁含油量、油酸、亚油酸、亚麻酸、鲜籽率和粒籽比。Gong等[15]借助转录组学技术对油茶种子在5个不同发育阶段的油脂合成和积累过程进行了研究,发现有7个“基因模块”和每个模块的中心基因与含油量显著相关,并认为WRI1与编码石油合成关键酶的17个基因存在相互作用,转录因子MYB和ZIP也与油脂合成过程中的关键基因存在相互作用。油脂合成过程中的一些关键基因, 如 DGAT1[16]、CoFAD2-1[17]、CoFAD2-2[18]、CoP-DAT[19]等,均已被成功的克隆和分析。

不同栽培模式对油茶幼林土壤养分和茶油品质均有影响,套种大豆、花生时,土壤有机质含量极显著增加；套种大豆时,土壤全氮和碱解氮极显著增加；套种西瓜、玫瑰花时,全磷和有效磷含量极显著增加；套种西瓜、玫瑰花时,全钾和速效钾含量极显著增加；套种大豆、茶树能显著降低茶油酸值,提高茶油多酚含量,对油茶品质有积极的影响[20]。白玉娜等[21]在油茶有林下套种了6种豆科植物,实验结果表明,油茶幼林套种豆科作物能不同程度地提高土壤中有机质、全氮、全钾、全磷、速效氮、速效钾、速效磷的含量,从而促进油茶生长。

1.3 胁迫因子对油茶生长发育的影响及应对措施

植物生长过程中受到各种胁迫,包括生物胁迫和非生物胁迫,它们均可影响植株正常新陈代谢和生长发育。炭疽病是油茶常见的重要病害之一,已有很多研究人员对油茶果、叶进行菌株分离,研究致病菌的种类、菌落形态、生长特点等。王义勋[22]对油茶炭疽病进行了病原学、病菌遗传多样性研究,发现了CaCUT1基因在油茶感染炭疽病过程中扮演着重要的角色。黄健生[23]综述了油茶软腐病的鉴别方法及绿色防控措施。随着油茶产业规模的不断壮大,油茶虫害的报道也越来越多,常见的致病昆虫有油茶毒蛾、油茶尺蠖、油茶象甲、茶梢蛾等。

此外,油茶也受到其他非生物因素的胁迫,如低温、干旱、土壤中的重金属等。其中,干旱会显著降低油茶鲜籽产量和产油量,而覆盖和松土措施可以在一定程度上缓解这种损失[24]。曹林青等[25]研究了不同程度干旱胁迫对油茶叶片结构的影响,结果表明,油茶单叶鲜质量、单叶干质量、单叶饱和质量、叶片厚度、叶片大小、叶片下表皮气孔面积、气孔周长、气孔开度、气孔器大小、栅栏组织厚度、栅海比均与干旱强度呈反比,叶上角质层厚度、下角质层厚度、主脉厚度与主脉突起度均与干旱强度呈正比。这些变化是油茶植株根据水分状况调整叶片结构以维持生存和生长,是油茶对干旱胁迫的适应特征。油茶有一定的抗旱、耐热能力[26]。在遭受低温胁迫前,喷施氯化钙溶液更有利于提高油茶的抗寒能力[27]。铅(Pb)胁迫显著降低油茶幼苗地径和根长,土壤中高浓度Pb会导致幼苗死亡[28]。在锰矿区,土壤中过高的锰含量会影响油茶生长。施加0.5%的石灰可以提高恢复区的油茶植株生物量,而施加1%的石灰可以显著提高采矿区的油茶株高[29]。

油茶种植过程中可能受到多种生物和非生物胁迫,受限于油茶全基因组未得到完全解析、遗传转化体系的不完善以及多年生木本植物的特点,油茶在遭受胁迫时,基因的调控与表达一直未能得到很好的研究。

1.4 植物激素信号对油茶生长发育的影响

植物激素是植物生长发育过程中必不可少的重要调节物质,它们直接或间接参与调控植物从种子萌发到成熟的各个发育阶段,以及植物对各类生物/非生物胁迫的响应。赤霉素(GA)信号途径调控植物开花,促进生长；脱落酸(ABA)信号途径调控蛋白质和脂质合成、植物干旱胁迫、种子萌发等；茉莉酸(JA)信号途径调控植物生长发育和防御反应；生长素(auxin/IAA)信号途径通过影响细胞的分裂、扩张和分化,全方位调控植物生长发育过程；乙烯(ET)信号途径调节不同的发育和生理过程,包括种子萌发、根的萌生、花和叶的衰老、脱落、果实成熟、伤害反应和疾病防御[30]；独脚金内酯(SL)信号途径调节植物分枝,能够促进丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)与植物的共生[31]。

目前,关于外源激素对油茶生长的影响研究,仅赤霉素和细胞分裂素有少量报道。蔡娅等[32]认为在香花油茶花芽分化的关键期喷施800～1600 mg/L的外源赤霉素,对香花油茶的花芽形成有显著的促进效果。外施赤霉素和多效唑不仅能显著促进油茶花芽分化率、饱满度,还能改善油茶大小年结实现象[33]。葛晓宁[34]探讨了外源6-苄氨基嘌呤、赤霉素处理下,油茶花芽分化率、坐果率的变化。结果表明,分别喷施400 mg/L外源6-苄氨基嘌呤和100 mg/L赤霉素,可显著提高油茶坐果率；分别喷施500 mg/L外源6-苄氨基嘌呤和100 mg/L赤霉素,可显著提高油茶花芽分化率。

1.5 油茶的根际微生物群落与生物菌肥研究

根际微生物和植物会形成特殊的互生关系。植物在生长过程中,凋落物和根系分泌物是土壤中根际微生物生长所需能源的重要来源。而根际微生物在同化土壤中有机质的同时,释放无机养分、植物所需维生素、生长激素等物质供植物吸收利用,促进植物生长。宋婷[35]对攸县油茶的根际微生物进行了群落结构分析,发现攸县油茶根际土壤细菌主要由绿弯菌门(Chloroflexi)、变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、浮霉菌门(Planctomycetes)和厚壁菌门(Firmicutes)组成；根际土壤真菌主要由子囊菌门(Ascomycota)和担子菌门(Basidiomycota)组成。黄程[36]在油茶根际土壤中共分离筛选了94株解磷菌。宋雨露[37]采用培养基分离纯化方法从油茶根际土壤中分离纯化出可培养固氮菌227个,可培养解磷菌187个,可培养解钾菌89个。李正昀[38]从油茶根际土壤中分离鉴定了12属AMF。

AMF可以提高植物的光合作用,促进植物生长[39]。油茶是菌根植物,AMF可以改善根系的形态结构,帮助油茶加强对土壤中矿质元素的吸收,提高光合作用,促进油茶的生长[40]。林宇岚等[41]分析了江西5个油茶品种的根际AMF群落结构特征,共鉴定AMF 12属。其中,球囊霉属(Glomus)、类球囊霉属(Paraglomus)、巨孢囊霉属(Gigaspora)和近明球囊霉属(Claroideoglomus)的相对丰度在5个油茶品种间存在显著差异。另外,虽然油茶品种改变了根际AMF的群落结构,但并不影响其多样性,而硝态氮才是影响油茶根际AMF群落组成和分布的主要土壤因子。李正昀[38]通过盆栽试验探究了不同有机磷水平下,接种AMF对油茶生长的影响,为集约化油茶高产稳产中应用AMF解决低磷胁迫的现象提供了科学理论依据。

微生物肥料可以改良土壤理化性质,调节植物生长,增加作物产量,且对生态环境友好。左明雪等[42]通过AMF与有机肥配施,证明了AMF可显著驱动土壤氮元素循环向植物氮高效利用的途径转化。李芳等[43]将玉米幼苗接种AMF后再移栽,发现玉米根部和地上部分对磷、锌、锰、镁等元素的吸收能力都得到了加强。蔡开朗等[44]对4种油茶施用光合菌,显著提高了油茶的光合作用和叶片中氮、磷、钾元素的含量。黄程[36]在油茶根际土壤中分离、筛选及鉴定了一批高效根际解磷菌,并通过盆栽实验发现,在添加难溶性磷的条件下,与不接菌对照相比,接菌处理均对玉米植株生物量表现出促生效果,混合接菌对植物促生效果更显著。

1.6 油茶的综合利用

油茶籽榨油是最传统、最直接的利用方式,除此之外,油茶籽榨油之后剩下的油茶籽饼粕和油茶果壳都有很高的利用价值。油茶饼粕的基本成分为蛋白质、茶皂素、茶多酚、多糖、残留油脂、灰分、水分等[45]。

1.6.1 茶皂素

茶皂素是一类三萜皂苷混合物,微溶于温水、乙酸乙酯、二硫化碳,易溶于碱性热水、含水甲醇、含水乙醇、正丁醇、冰醋酸、醋酸、吡啶等,不溶于丙酮、乙醚、石油醚等有机溶剂。鉴于这些特性,目前茶皂素的主要提取手段有水提法[46]、水提醇沉法和有机溶剂法,也有超声波[47]、微波[48]、超临界CO2[49]等辅助法。但是,水提法和水提醇沉法的得率较低,有机溶剂提取的安全性一般且耗时较长,辅助法存在设备投资大、实验条件要求高等缺点,工业生产仍然在期待更高性价比的提取工艺。茶皂素提取之后的纯化方法也很多,如重结晶法、醇萃取法、吸附分离法、膜富集法等。

1.6.2 蛋白质

油茶饼粕中蛋白质含量丰富,其氨基酸组成有17种,其中7种为人体必需氨基酸。油茶饼粕蛋白质的常用提取方法有传统碱溶酸沉法、水酶法、酶前处理辅助法、超声辅助法、蒸汽爆破辅助法等。何玮等[50]采用的优化条件后的碱溶酸沉法,蛋白质的得率达到了6.56%。张善英等[51]将油茶籽经过蒸汽爆破后,采用碱溶酸沉法,使得蛋白质的提取率较未经蒸汽爆破处理时提高了12.27%。碱溶的过程中,过高的pH值容易使得蛋白质变性,而较低的pH值又会降低蛋白质的提取率。相较于碱溶酸沉法,水酶法和酶前处理辅助法可以在保证蛋白质质量的前提下,提高提取率,但是酶的反应条件苛刻,成本也高。超声辅助法和蒸汽爆破辅助法则是在碱溶酸沉法和水酶法的基础上加以辅助,来提高提取率。蒸汽爆破辅助法是在高温高压的环境下进行,改变了蛋白质结构[51],会影响蛋白质活性。虽然超声辅助法不会出现这种情况,但是超声辅助法高昂的成本是产业化推广的致命短板。油茶饼粕中蛋白质的工业化提取与利用,仍然需要不断探索。

1.6.3 茶多酚

酚类化合物是高等植物的一类重要的次生代谢产物,主要由莽草酸、戊糖磷酸酯和苯丙烷类途径合成,至少有一个羟基和芳香环。酚类化合物的抗氧化性取决于羟基的数目及其排列方式。茶多酚是一类多羟基酚类化合物,具有很好的抗氧化性。

目前,油茶粕茶多酚的提取纯化方法较为多样,有微波辅助条件下的溶剂法、丙酮提取法、热回流以及超声辅助法等。Chen等[52]利用异丙醇、己烷和乙醚提取了油茶饼粕的酚类化合物,通过检测其对玉米油初级代谢产物和次级代谢产物的影响,证明了油茶饼粕的酚类化合物能保持玉米油的质量稳定,且由异丙醇提取得到的酚类化合物效果最好,利用HPLC-DAD方法鉴定提取到的酚类化合物主要为表儿茶素、儿茶素、柚皮苷。陈佩云等[53]比较了6种油茶花、叶、籽的多酚含量,结果表明油茶籽中多酚含量高于其他组织。罗凡等[54]研究了不同热处理后,油茶籽内部和茶粕中酚类物质含量及其抗氧化活性的变化规律,结果都表明低温加热时,油茶籽内部和油茶饼粕中酚类物质较未加热时变化不大,而高温加热一段时间后,总多酚的含量和抗氧化活性都开始升高。

油茶果壳占果实中生物量的一半以上,目前的研究多集中于油茶籽或油茶籽粕中酚类化合物的提取,却忽略了油茶果壳中酚类化合物的利用[55]。因此,加强对油茶果壳的功能性成分研究,才是提高油茶整体效益和实现废料的资源化利用的最好途径。

1.6.4 多糖

多糖是有醛糖或酮糖通过糖苷键连接在一起的多聚物,广泛存在于高等植物的细胞壁中。油茶多糖是一类具有生理活性的复合多糖,一般是由7个以上、1种或两种以上的单糖以特殊糖苷键缩合而成的单一聚糖、杂聚糖或粘多糖,能起到抗血栓、降血糖、抗氧化的作用,极具开发前景。油茶饼粕中多糖的提取纯化方法主要有超声酶辅助法、水提醇法、微波水提法、正丁醇萃取法、离子交换树脂柱层析分级纯化法等[56]。张盟雨等[57]优化了水提醇沉法提取油茶饼粕多糖。Zhang等[58]利用油茶壳制备糠醛,发现在温度为169℃、原料催化剂比为2、水解时间为30 min时,“γ-丁内酯+水”体系中糠醛的得率最好。周丽明等[59]在前期证明茶籽多糖对食用油脂具有一定抗氧化作用的基础上,进一步对茶籽多糖实施羧甲基化修饰,提高了茶籽多糖对油脂的抗氧化作用。

2 展望

油茶丰产、提质增效一直是研究者关注的重点,传统的育种方式对产业的促进作用已慢慢进入瓶颈期。分子育种作为一种精细的育种方式,具有定向、精准、快速、高效等特点,能够在短期内为油茶育种找到突破口。因此,构建油茶遗传转化体系,开展基于组学和转基因技术的分子育种,将会是油茶育种研究的重点方向。

植物激素是植物生长发育过程中不可缺少的物质。目前,基于激素或其类似物开发的刺激剂已经应用于安全高效的农业生产,如橡胶刺激剂乙烯利、生长素类除草剂等,这些产品在实际生产中潜力巨大。因此,进一步研究激素在油茶生长发育和油脂合成过程中的作用,开发安全高效的刺激剂,对油茶的抗病研究、丰产育种也具有重大的意义。

生物菌肥可以改良土壤的理化性质,提高土壤肥力,促进植物生长。在国内,生物菌肥的研究已有较好的基础。生物菌肥正在由单一菌种制剂向复合多菌种制剂发展。开发适合油茶生长发育要求的生物菌肥,也将是促进油茶丰产的又一重要途径。