茶园广翅蜡蝉数量与茶叶中生化物质关系分析

徐 悦,吴筱萌,王国庆,邹运鼎,毕守东,*

(安徽农业大学,a. 理学院;b. 林学与园林学院,安徽 合肥 230036)

茶叶在世界范围内被消费,且对人体健康有益,茶对健康的好处可以追溯到其生物活性成分,主要是酚类化合物[1]。茶叶中,绿茶多酚的主要成分为表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG),是产生健康作用的主要成分[2]。典型的红茶或绿茶饮料含有大约6%的游离氨基酸,这些氨基酸为茶水带来了高品质、口感和独特的香气[3]。紫茶和红茶提取物中,最丰富的活性成分表没食子儿茶素没食子酸酯是抑制胰腺α-淀粉酶和淀粉消化的主要成分[4]。茶多酚和挥发物是决定茶叶质量和风味的主要功能成分,花青素、儿茶素和原花青素的总含量随着蔗糖的增加而增加[5]。Scharbert等[6]研究发现,与儿茶素和茶黄素相比,黄酮醇苷类物质是红茶中主要的涩味物质,且阈值很低。

广翅蜡蝉科昆虫是茶园、果园和园艺植物上的重要害虫之一,其中八点广翅蜡蝉和柿广翅蜡蝉已经成为茶园重要害虫[7-8]。广翅蜡蝉1年发生1～2代,越冬代成虫发生期为7月1日至8月10日[9-10]。植物挥发物可用于监测和控制害虫的引诱剂,茶树挥发物在吸引茶树害虫方面发挥作用[11]。Xu等[12]报道了茶叶内挥发性物质对茶树害虫的虫口密度有显著影响,对小贯小绿叶蝉密度反应最大的挥发物主要是萜类化合物,其浓度随虫口密度单调增加。Chen等[13]报道了一个萜类挥发物(E)-nerolidol作为挥发性信号可以引起植物中未受损害组织和邻近植物的防御反应,包括对茉莉酸和脱落酸信号传导的诱导。马新华等[14]报道了福建地区茶树的叶片厚度、叶片中咖啡因、表儿茶素(GC)含量与茶树害螨的螨情指数呈负相关;葛超美等[15]研究表明,茶树生化物质影响茶尺蠖趋势选择;毛迎新等[16]研究表明,GC和咖啡碱是茶树抗假眼小绿叶蝉的重要物质;邹武等[17]比较了福建4个主要茶树品种的理化特性与假眼小绿叶蝉数量间的相关关系,从物理结构和生化指标两方面得出了不同特性与假眼小绿叶蝉的相关性;曾莉等[18]研究表明,云南抗性茶树品种与咖啡碱含量呈负相关,但未达显著水平。截至目前,在国内外研究中,茶树各生化物质含量与广翅蜡蝉种群数量的关系未见系统报道。本文运用相关分析方法、灰色关联度分析法、通径分析和回归分析方法研究广翅蜡蝉数量与茶叶中不同生化物质含量的关系,以期为广翅蜡蝉抗虫育种和农业防治提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 调查时间与地点

调查地点为安徽农业大学农业科技示范基地茶园(31°94′N,117°21′E),茶园面积均为0.2 hm2,调查时间为2021年5月23日、6月20日和7月8日,茶园均按常规措施管理,不施农药。

1.2 调查茶树品种

黄山大叶种、安吉白茶、平阳特早、白毫早、乌牛早、龙井43、龙井长叶、农抗早和舒茶早共9个品种。

1.3 广翅蜡蝉调查取样

采用平行跳跃法随机在茶园选取3行,行距为1 m,每行间隔1 m取一个2 m长的样方,每行10个样方,共取30个样方。先目测调查,每样方随机选取10个叶片,调查广翅蜡蝉所有虫态的个体数;然后用沾有洗衣粉溶液的搪瓷盘对样方中所有枝叶进行盘拍(搪瓷盘长为40 cm,宽30 cm),调查记载广翅蜡蝉个体数。

1.4 茶叶生化物质含量分析

在安徽农业大学科技示范园区内,对9个不同品种的茶树进行采样,采样时间在2021年7月8日08:00—10:00,采摘一芽二叶部分,为防止茶叶蒸腾作用对实验结果产生影响,采摘后装入保鲜袋并立即用干冰保存。样品带回实验室后,先采用液氮保存,将叶片粉碎后过滤杂质,然后放入-20 ℃冰箱中保存[19-20]。粉碎后的样品分别溶于50%乙腈溶液和4%磺基水杨酸溶液中,使用超声波振荡机和旋涡混合器XW-80A进行精细混合,得到测试样本。测试样本中的糖类和各离子化合物类物质利用高效液相色谱-蒸发光散射检测器(HPLC-ELSD)法进行处理,氨基酸类物质采用蛋白质检测器Waters2475进行分析[21-22]。实验所用仪器主要有高效液相色谱泵Waters600、蒸发光散射检测器Waters242、Agilent碳水化合物分析柱(4.6 mm×250 mm)等,其中分析柱配有保护柱,柱温30 ℃,进样量10 μL,流动相为乙腈∶水(体积比3∶1),流速1 mL·min-1;ELSD检测器参数:高纯氮气作为载气,气压35 psi;漂移管温度为85 ℃;雾化器温度36 ℃。采用Agilent masshunter(8.06.00)软件进行数据处理,分析实验结果与标准结果显示的峰值比例,计算得到不同茶叶中糖类、氨基酸类和离子化合物类含量的具体数据,共计测量47种生化物质含量。

1.5 数学分析方法

1.5.1 相关系数法

相关系数是一个普遍被用于表示2组数据间相关性的统计量,常用的相关系数有Pearson相关系数[23],对于2个分类单位i与j之间的相关系数rij可定义为

(1)

1.5.2 灰色系统分析

灰色系统分析的基本思想是通过确定参考数据列和若干个比较数据列的几何形状相似程度来判断其联系是否紧密,反映了曲线间的关联程度[24]。本文将广翅蜡蝉数量与茶叶中各种生化物质含量分别作为参考数据列和若干个比较数据列,首先对数据进行无量纲化处理,即采用均值化法将不同量纲的数据都统一归化到1这个量级附近,其次利用公式计算关联系数ξi(k),最后计算关联度ri。

关联系数公式为:

(2)

关联度公式为:

(3)

式(2)、(3)中:x0(k)为参考数据列;xi(k)为各比较数据列;ρ为分辨系数,一般取0到1之间,本文取0.8。

1.5.3 通径分析

通径分析是对简单回归分析进行分解,不仅可以得出多个自变量x1、x2…xn对因变量y的影响程度,即直接通径系数,还可以得出自变量之间对因变量y的影响的间接作用,即间接通径系数。对于一般的多元线性回归分析,设因变量y和自变量x1、x2…xn。

y=β0+β1x1+β2x2+…+βkxk;

(4)

(5)

上述两式相减得:

(6)

上式两边同时除以因变量y的标准差σy得:

(7)

利用最小二乘法求出上述各自变量线性回归系数的求解模型,整理后可得到各简单相关系数的分解方程:

(8)

式(8)中:rij是Xi与Xj的简单相关系数,PiY是Xi对Y的直接通径系数,rijPjY是Xi通过Xj对Y的间接通径系数。上述方程组就是将Xi与Y的简单相关系数分解成Xi对Y的直接通径系数与Xi通过各个Xj对Y的总间接通径系数之和[25]。

这种方法可以有效地得到自变量对因变量起影响作用的最佳路径。通径分析在多元回归的基础上将相关系数分解成直接通径系数和间接通径系数,间接通径系数=相关系数×通径系数,其中通径系数即线性回归计算得出的线性回归方程的系数。本文的通径分析通过SPSS软件实现。

1.5.4 回归分析

回归分析是将多个自变量与因变量建立回归关系,得出回归方程的一种统计方法,从大量随机的不确定的现象中寻求事物的统计规律,是一种具有较高实际应用价值的随机数学模型[26]。本文通过SV26|IBM SPSS Statistics 26软件进行回归分析。

2 结果与分析

2.1 茶园广翅蜡蝉数量与茶叶生化物质含量的关系

将广翅蜡蝉种群数量动态列于表1,前2次广翅蜡蝉调查数量明显少于7月8日的数量,故本研究选取7月8日的广翅蜡蝉数量进行分析。害虫数量越多越能较好反映茶树内含物与害虫数量的关系,为提高二者关系的准确性,茶树内含物含量也选取7月8日采摘的茶叶进行测量。将茶叶中47种生物物质含量列于表2。

表1 广翅蜡蝉种群数量动态Table 1 Population dynamics of Ricanidae

表2 茶叶中生化物质含量Table 2 Content of biochemical substances in tea leaves

续表2 Continued Table 2

2.2 不同茶园中广翅蜡蝉数量与茶叶生物物质的相关分析

对9个茶园的广翅蜡蝉种群数量与茶叶中生化物质含量进行相关分析,将结果列于表3～表5。自由度为7,r0.05=0.666,当Pearson相关系数绝对值接近或大于0.666时,茶叶内生化组分与广翅蜡蝉数量相关性强。研究得出:黄酮醇糖苷类与广翅蜡蝉数量关系最密切,其中,黄酮醇糖苷K3(G1)含量与广翅蜡蝉数量的Pearson相关系数为0.741 4。对广翅蜡蝉数量与各生化物质进一步做相关性分析,得出氨基酸类与广翅蜡蝉数量关系较为密切的有天冬氨酸(S1)(-0.656 3)、瓜氨酸(S8)(-0.697 9)、脱落酸(S19)(0.694 1)和鸟氨基酸(S21)(-0.728 3),其中鸟氨基酸含量与广翅蜡蝉数量相关系数绝对值最大;酚酸类与广翅蜡蝉数量关系较为密切的是3-咖啡酰奎宁酸(F3)(0.654 8)。

表3 各氨基酸含量与广翅蜡蝉数量的相关系数Table 3 Correlation coefficients between the content of each amino acid and the number of Ricanidae

表4 糖类、低聚原花青素类和黄酮醇苷类各含量与广翅蜡蝉数量的相关系数Table 4 Correlation coefficients of each content of sugars, oligomeric proanthocyanidins and flavonol glycosides with the number of Ricanidae

表5 酚酸类、儿茶素类含量与广翅蜡蝉数量的相关系数Table 5 Correlation coefficients between each content of phenolic acids, catechins and the number of Ricanidae

2.3 不同茶园广翅蜡蝉数量与强相关性组分的灰色关联度分析

对以上6种生化物质含量与广翅蜡蝉数量进行灰色关联度分析,结果显示,与广翅蜡蝉数量关系最密切的前3位生化物质为3-咖啡酰奎宁酸(F3)(0.849 7)、黄酮醇糖苷K3(G1)(0.821 1)和鸟氨基酸(S21)(0.756 2)。6种生化物质中,氨基酸类物质所占比重较大,可能与氨基酸类能够刺激害虫取食,并且是重要的营养物质和能量来源有关。

2.4 茶园广翅蜡蝉数量与茶叶生化物质的通径分析

对茶园广翅蜡蝉数量与茶叶生化物质进行通径分析,通过比较通径系数的绝对值,发现黄酮醇糖苷类的通径系数绝对值最大,为0.805,说明黄酮醇糖苷类含量的变化对广翅蜡蝉种群数量的作用最为重要;其次为氨基酸类,绝对值为0.681(表6)。儿茶素类通过酚酸类对广翅蜡蝉数量起作用的间接通径系数最大(0.531 0)。对通径系数大的黄酮醇糖苷类和氨基酸类进一步做通径分析。氨基酸类中通径系数绝对值最大的是鸟氨基酸(表7);黄酮醇糖苷类中通径系数绝对值最大的是黄酮醇糖苷K3(表8),与灰色关联度分析结果一致。

表6 广翅蜡蝉数量与茶树内含物6大类的通径系数Table 6 Path coefficients of the number of Ricanidae and the 6 major classes of tea tree inclusions

表7 广翅蜡蝉数量与25种氨基酸的通径系数Table 7 Path coefficient between the number of Ricanidae and 25 amino acids

表8 广翅蜡蝉数量与4种黄酮醇糖苷的通径系数Table 8 Path coefficient between the number of Ricanidae and 4 flavone glycosides

2.5 茶园广翅蜡蝉数量与茶叶生化物质的回归分析

对不同茶园中广翅蜡蝉数量与茶叶生化物质进行总类回归分析,将结果列于表9。结合相关分析和通径分析,得出与广翅蜡蝉数量关系较为密切的几种生化物质为天冬氨酸、瓜氨酸、脱落酸、鸟氨基酸、黄酮醇糖苷K3、3-咖啡奎宁酸。对以上6种物质进行回归分析,得出几种生化物质与广翅蜡蝉数量的线性回归方程Y=875.808X1+3 771.138X2-70.446,所得方程中X1、X2依次为黄酮醇糖苷K3、3-咖啡奎宁酸,Y为广翅蜡蝉种群数量,其他自变量被该模型拒绝,被保留的自变量G1和F3显著性为0.022和0.048,均小于0.050,这说明茶叶内黄酮醇糖苷K3和3-咖啡奎宁酸含量与广翅蜡蝉种群数量间存在比较明显的线性关系。

表9 回归分析输出结果Table 9 Output regression analysis

3 结论与讨论

我国是世界上第一茶叶生产国,茶叶种植者面临的最大挑战是如何防治病虫害,除了化学防治与物理防治,农业防治是一种更有利的选择。对茶叶中生化物质的研究有利于开展对害虫的防治工作,对利用茶叶中的抗虫物质对害虫进行拒食作用起着潜在的重要作用。利用非化学干预措施进行农林业害虫防治具有可持续性、兼容性和生态友好特性,可以逐渐取代有毒化学品的使用。Roy等[27]研究了67种植物作为植物性杀虫剂防治茶叶害虫的潜力;Tian等[28]研究发现,小贯小绿叶蝉为害后的新型叶绿素缺乏的白化栽培品种黄金芽叶片中自由氨基酸、茶多酚、咖啡因和儿茶素的含量改变;Li等[29]报道了β-氨基丁酸在诱导茶树对茶尺蠖的抗性方面发挥作用;Wang等[30]研究表明,果糖和茶氨酸可以作为茶尺蠖的采食刺激物;王富花[31]研究表明,HPLC方法能有效分离测定茶叶中的17种氨基酸,绿茶中的氨基酸含量比发酵茶高,尤其是天冬氨酸、谷氨酸,而茶氨酸在3种茶叶中的含量显著不同。

本文运用相关分析方法、灰色关联度分析法、通径分析和回归分析方法研究广翅蜡蝉数量与茶叶中不同生化物质的关系,综合4种分析方法发现,与广翅蜡蝉数量关系密切的前3位的离子组分为3-咖啡酰奎宁酸、黄酮醇糖苷K3、鸟氨基酸;酚酸类和黄酮醇糖苷类是影响广翅蜡蝉数量较为显著的2种生化物质。前人研究发现,儿茶素类对一些害虫具有抑制作用,儿茶素属于酚类活性物质,酚类可作为化学抵御物防御植食性害虫[32]。郑高云[33]研究发现,儿茶素含量越高,茶尺蠖的幼期越长,儿茶素类物质延迟了茶尺蠖的发育;徐正浩等[34]研究发现,儿茶素等植物次生代谢物质可以阻止其他生物的侵害;陈巨莲等[35]报道,儿茶素是防御禾谷缢管蚜的重要次生物质。本文中黄酮醇糖苷类和酚酸类与广翅蜡蝉数量间存在着显著的相关关系,而茶叶中黄酮醇糖苷类是除儿茶素外较为重要的多酚类物质之一[36],黄酮醇糖苷对茶汤中咖啡碱的苦味有增强作用,且效果明显[37]。故黄酮醇糖苷类和酚酸类对广翅蜡蝉数量具有一定的抑制作用。

本文从整体上研究广翅蜡蝉数量与47种茶叶生化物质的关系,不同茶树品种对广翅蜡蝉的抗性需进一步探讨,未来将针对不同茶树品种对广翅蜡蝉的抗性进行研究,以期为广翅蜡蝉的农业防治和茶树抗虫育种提供参考。