鈣過量對茶樹新梢品質成分及根系生長的動態影響

申加枝+張新富+胡建輝

摘要：以平陽特早一年生茶樹幼苗為試驗材料，設置90、150、210、270 mg/L Ca2+濃度進行鈣過量水培培養，研究其對茶樹幼苗、新梢主要品質成分的動態影響，同時測定了根系形態的動態變化。結果表明，鈣過量處理前2周，茶多酚含量在較低鈣過量（90、150 mg/L）條件下增加，這可能是茶多酚作為抗氧化劑對鈣過量脅迫的抗性；氨基酸含量從第三周開始表現出下降，且隨著處理時間的增加，下降幅度越大；咖啡堿含量處理第一周即出現下降，隨著處理時間的增加，下降幅度增大。鈣過量對根系的傷害主要表現在根尖數減少和較高Ca2+濃度（210、270 mg/L）條件下，根系表面會附著一層白色黏膜抑制新根的生長。鈣過量處理可直接造成茶樹根系吸收根的衰亡，進而逐步影響到茶樹新梢品質成分的合成。

關鍵詞：茶樹；鈣過量；新稍；品質成分；根系

中圖分類號：S571.1；Q493 文獻標識碼：A 文章編號：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

對鈣的存在不適應的植物稱為嫌鈣植物，土壤中過多的鈣質（特別是碳酸鈣）會妨礙其生長發育[1]。茶樹是一種嫌鈣植物，對鈣的需求比一般作物低得多，過多的鈣會造成“鈣害”[2]。山東省是江北茶區產茶大省，是我國有名的優質綠茶產區。青島市地理緯度較高，晝夜溫差大，所產綠茶具有葉片厚、滋味濃、香氣高、耐沖泡等特點。近年來，青島市茶產業發展迅速，嶗山、膠南、即墨等地茶園種植區域不斷擴大，但我省土壤中活性鈣含量普遍較高，如青島市土壤交換性鈣含量平均為4.08 g/kg[3]。王躍華等[4]研究表明，鈣過量可引起光合系統膜結構的破壞，導致電子傳遞鏈受阻，茶樹葉片光能利用效率降低，從而影響茶樹新梢的生長，成為制約高鈣土壤茶區無性系茶樹種植規模擴大的關鍵因素。有關茶樹主要品質成分在鈣過量條件下的代謝情況鮮見研究。平陽特早茶樹屬中葉類、灌木型、特早生種，扦插繁殖成活率高，抗逆性和抗寒性強，目前在青島及周邊茶區表現良好。本試驗以一年生無性系平陽特早茶樹幼苗為材料，采用水培研究鈣過量對其主要品質成分的動態影響，旨在探討鈣過量條件下茶樹主要生化成分的代謝情況，為高鈣土壤茶區發展新建茶園提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

采用水培法對一年生平陽特早茶樹幼苗進行培養，培養液采用茶樹水培的標準營養液配方[5]，水培裝置見圖1。水培槽用增氧泵通氣，每天通風通氣8～10 h，每7 d換一次營養液。緩苗培養10 d后，分別設置標準培養液鈣濃度（30 mg/L）及4個鈣過量鈣濃度（90、150、210、270 mg/L）的培養液對試驗茶苗進行處理。5個鈣濃度處理分別編號為CK、T1、T2、T3、T4，試驗選用乙酸鈣替代硝酸鈣進行鈣處理。每個水培槽設置一個處理，水培槽為藍色不透光的長方形聚乙烯塑料箱（70 cm×45 cm×20 cm），每個水培槽定植茶苗60株（分為5組，每周采樣12株），5個處理300株，3次重復，共計用苗900株。茶苗由青島農業大學即墨茶葉基地提供，水培試驗于2013年在青島農業大學校內試驗基地日光溫室內進行。

茶樣制備：鈣過量處理7 d后開始采樣，每周采樣一次，連續采樣5周，茶樹新梢采摘標準為一芽二葉，蒸鍋蒸汽殺青120 s，烘箱烘干，樣品裝入自封袋，于-10 ℃冰柜中保存，用于比較相同處理時間（1～5周）后，鈣過量處理相對于標準營養液處理對茶苗生化成分的影響。

茶苗根系分析取樣：每個處理隨機挑選5株茶苗并分別標記。處理開始后，每周測定一次，連續測定5周，測定前將茶樹幼苗根系洗凈后進行根系形態特征分析，每次測定完成后，將分析數據分類保存，并將上述標記茶樹幼苗分別置于相應的水培槽中繼續培育，以供下次根系分析。

1.2 測定項目與方法

茶湯制備：將烘干的茶樣，在磨碎機中磨成粉末過40目篩，分別稱取0.600 0 g粉碎茶樣置于100 mL錐形瓶中，加入約80 mL沸水，在恒溫水浴鍋中100 ℃水浴45 min，每隔10 min搖晃一次，使茶樣中的內含成分被充分浸提。浸提結束后，浸提液趁熱抽濾，殘渣用熱去離子水洗滌2～3次，濾液冷卻后定容至100 mL容量瓶中。

茶多酚總量的測定參照GB/T 8313—2002，采用酒石酸亞鐵比色法。游離氨基酸總量測定參照GB/T 8314—2002，采用茚三酮比色法。兒茶素、咖啡堿含量的測定采用高效液相色譜法，參考GB/T 8313—2008的檢測方法，并略作修改。流動相A：乙腈90 mL，乙酸20 mL，10 mg/mL EDTA溶液2 mL，去離子水定容到1 000 mL；流動相B：甲醇。色譜條件：檢測波長278 nm，柱溫35 ℃，流速1 mL/min，進樣量40 μL，運行時間45 min。梯度條件如表1所示。

茶葉中茶氨酸含量測定采用高效液相色譜法[6]。色譜儀為Agilent 1100 Series，色譜柱Symmetry-C18（4.6 mm×250 mm，5 μm），流動相為0.05%三氟乙酸水溶液，流速為1.0 mL/min，進樣量為10 μL，檢測波長為203 nm，柱溫30 ℃，檢測時間10 min。每次進樣結束后，用乙腈沖洗色譜柱10 min，然后用流動相平衡色譜柱約10 min，至基線平穩，再進行下一組樣品的測量。

茶樹幼苗根系形態分析，采用多功能根系掃描分析儀（EPSON Perfection Flatbed Scanner V700/V900）進行測定，分析總根長、總表面積、平均直徑、 根尖數等指標。

各處理均進行3次重復，試驗數據采用MS Excel 2003、SAS V8.0統計軟件進行統計分析，利用LSD法檢驗差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 鈣過量對茶多酚含量及兒茶素組成的動態影響

前2周鈣過量處理與對照茶葉茶多酚含量差異顯著，之后差異不顯著（表2）。鈣過量處理前2周，隨著鈣離子濃度的增加，茶多酚含量均表現出先增加后降低的趨勢，T2處理茶多酚含量最高，分別達到27.51%和27.15%；鈣過量處理3～5周，這種趨勢發生改變，處理間茶多酚含量差異均不顯著。兒茶素總量的變化趨勢與茶多酚一致，經過前2周鈣過量處理，茶苗新梢兒茶素的組成如圖2所示，鈣過量條件下表沒食子兒茶素沒食子酸酯（EGCG）和表兒茶素沒食子酸酯（ECG）的變化比較大，其他兒茶素變化較小，因此，鈣過量處理條件下兒茶素總量的變化主要是EGCG和ECG引起的。

2.2 鈣過量對游離氨基酸、茶氨酸含量的動態影響

鈣過量處理前2周各處理間茶葉游離氨基酸和茶氨酸含量差異不顯著，處理3周后二者含量均開始表現出差異（表3）。處理前2周，游離氨基酸和茶氨酸含量一直比較穩定，變化幅度很小；從第三周至第五周，與對照相比，游離氨基酸和茶氨酸含量隨著鈣離子濃度的增加顯著降低；處理第三周，150 mg/L鈣離子濃度（T2）處理條件下開始顯著下降；而處理第四周和第五周，90 mg/L鈣離子濃度（T1）處理條件下即開始顯著下降。

2.3 鈣過量對咖啡堿含量的動態影響

與對照相比，茶葉中咖啡堿含量在鈣過量處理條件下存在明顯差異（表4）。從第一周至第五周，隨著鈣離子濃度的增加，咖啡堿含量均出現不同程度的下降。其中前3周咖啡堿含量下降幅度較小；而處理第四周后，咖啡堿含量出現大幅度下降，與對照相比，T1處理條件下即開始出現顯著下降，T4處理條件下咖啡堿含量下降0.43個百分點。

2.4 鈣過量對根系形態的動態影響

植物地上部分的生長發育與根系關系密切，本試驗在測定茶苗新梢品質成分的同時，利用根系分析儀對根系總根長、總表面積、平均直徑、根尖數進行了分析。鈣過量處理對根系的影響主要表現在根尖數的顯著減少，而總根長、總表面積及平均直徑的變化不顯著（表4）。根尖數的減少幅度隨著鈣離子濃度的增加而增加，T1處理條件下，經過5周培養，相對于第一周，根尖數減少了67.4，T4處理條件下根尖數減少量為99.80。隨著鈣過量處理時間的進一步延長，茶樹根系的吸收根不斷衰亡，直至根系失去吸收功能，同時茶樹新梢也逐步干枯。

3 討論和結論

Ca2+被認為參與促進細胞壁增厚、植物防御素合成及改變活性氧[7]。植物在正常的生長情況下，活性氧的產生和清除處于動態平衡狀態。鈣過量脅迫可引起茶樹光合系統膜結構的破壞，而葉綠體和線粒體是植物體內活性氧產生的主要部位[8]，脅迫處理增加了植物體內活性氧的產生。植物體內存在的負責清除活性氧產生的抗氧化系統由兩部分組成，即抗氧化酶類和抗氧化劑類，二者在植物體內都可清除活性氧。茶多酚是一類以兒茶素類為主體的類黃酮化合物，具有C6-C3-C6碳骨架結構，是重要的天然抗氧化性物質，可對活性氧起到一定的清除作用[9]。本試驗中，鈣過量脅迫處理初期，較低鈣濃度（90、150 mg/L）條件下，茶樹體內茶多酚含量的增加可在一定程度上降低脅迫造成的危害，而隨著鈣濃度的增加或脅迫時間的延長，茶多酚消耗量增加，含量逐步降低。

氨基酸是茶葉中的主要滋味物質，能緩解茶的苦澀味，增強甜味，還可以轉化成各種香氣物質，與茶葉品質呈正相關[10，11]。茶氨酸是茶樹中含量最高的游離氨基酸，占茶葉干重的1%～2%[12]。茶氨酸是由根系吸收無機態氮，在茶根部由乙胺與L-谷氨酸生物合成，再經由輸導組織運往地上部分，最終運往茶樹的各個組織[10]。高鈣土壤條件下，高濃度Ca2+會抑制嫌鈣植物對其他金屬離子的吸收、銨鹽的硝化，尤其是對有些嗜好氮肥的嫌鈣植物[13]。茶樹是典型的嫌鈣嗜氮植物，高濃度Ca2+勢必會抑制銨鹽的硝化；此外，鈣過量條件下，茶樹根系根尖數減少，且高Ca2+濃度下根系表面會附著一層白色黏膜，這些都會導致根系合成茶氨酸的能力下降。本試驗中，鈣過量處理2周后，游離氨基酸、茶氨酸含量的顯著降低證明了該觀點。咖啡堿是茶葉中的另一重要滋味物質，其與茶黃素以氫鍵締合后形成的復合物具有鮮爽味，是影響茶葉品質的重要組分[14]。茶葉中的嘌呤可能是在葉綠體中從先質直接合成，這些嘌呤又可以在這里轉化成咖啡堿[10]。王躍華等[4]研究表明，鈣過量脅迫導致葉綠體膜損傷，基質類囊體片層變得松散，類囊體膜也受到不同程度的破壞。這勢必會影響咖啡堿的合成。此外，鈣過量條件下，茶樹根系根尖數減少，影響根系對氮素的吸收，從而影響到茶樹新梢中咖啡堿的合成。本試驗中，鈣過量處理1周后，咖啡堿含量出現顯著降低。

茶樹根系中乳白色的吸收根是根中生命活動最活躍的部分。根的伸長、對水分和無機鹽的吸收、成熟組織的分化以及對重力與光線的反應都發生于這一區域。吸收根在生長發育過程中不斷衰亡更新[5]。嫌鈣植物的根細胞不能很好地控制過量胞質鈣離子濃度，高鈣濃度下，位于等離子體膜中的陰離子通道關閉。胞質鈣離子增加，而液泡中有機酸的釋放受到影響，液泡中有機酸的積累加劇，pH平衡遭到破壞[15]。這使得高鈣濃度對嫌鈣植物的傷害首先體現在根系上，根系分析中根尖數能夠反映吸收根的衰亡更新情況，本試驗中，隨著鈣過量處理時間的增加，茶苗根系的根尖數不斷減少，這表明鈣過量條件下吸收根的衰亡占主導。由此表明，鈣過量脅迫處理初期，較低鈣濃度（90、150 mg/L）條件下，茶多酚可對脅迫傷害起到一定的抵御作用，隨著脅迫對根系傷害程度的增加，氨基酸、咖啡堿的合成逐步受到影響。

參考文獻：

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3 討論和結論

Ca2+被認為參與促進細胞壁增厚、植物防御素合成及改變活性氧[7]。植物在正常的生長情況下，活性氧的產生和清除處于動態平衡狀態。鈣過量脅迫可引起茶樹光合系統膜結構的破壞，而葉綠體和線粒體是植物體內活性氧產生的主要部位[8]，脅迫處理增加了植物體內活性氧的產生。植物體內存在的負責清除活性氧產生的抗氧化系統由兩部分組成，即抗氧化酶類和抗氧化劑類，二者在植物體內都可清除活性氧。茶多酚是一類以兒茶素類為主體的類黃酮化合物，具有C6-C3-C6碳骨架結構，是重要的天然抗氧化性物質，可對活性氧起到一定的清除作用[9]。本試驗中，鈣過量脅迫處理初期，較低鈣濃度（90、150 mg/L）條件下，茶樹體內茶多酚含量的增加可在一定程度上降低脅迫造成的危害，而隨著鈣濃度的增加或脅迫時間的延長，茶多酚消耗量增加，含量逐步降低。

氨基酸是茶葉中的主要滋味物質，能緩解茶的苦澀味，增強甜味，還可以轉化成各種香氣物質，與茶葉品質呈正相關[10，11]。茶氨酸是茶樹中含量最高的游離氨基酸，占茶葉干重的1%～2%[12]。茶氨酸是由根系吸收無機態氮，在茶根部由乙胺與L-谷氨酸生物合成，再經由輸導組織運往地上部分，最終運往茶樹的各個組織[10]。高鈣土壤條件下，高濃度Ca2+會抑制嫌鈣植物對其他金屬離子的吸收、銨鹽的硝化，尤其是對有些嗜好氮肥的嫌鈣植物[13]。茶樹是典型的嫌鈣嗜氮植物，高濃度Ca2+勢必會抑制銨鹽的硝化；此外，鈣過量條件下，茶樹根系根尖數減少，且高Ca2+濃度下根系表面會附著一層白色黏膜，這些都會導致根系合成茶氨酸的能力下降。本試驗中，鈣過量處理2周后，游離氨基酸、茶氨酸含量的顯著降低證明了該觀點。咖啡堿是茶葉中的另一重要滋味物質，其與茶黃素以氫鍵締合后形成的復合物具有鮮爽味，是影響茶葉品質的重要組分[14]。茶葉中的嘌呤可能是在葉綠體中從先質直接合成，這些嘌呤又可以在這里轉化成咖啡堿[10]。王躍華等[4]研究表明，鈣過量脅迫導致葉綠體膜損傷，基質類囊體片層變得松散，類囊體膜也受到不同程度的破壞。這勢必會影響咖啡堿的合成。此外，鈣過量條件下，茶樹根系根尖數減少，影響根系對氮素的吸收，從而影響到茶樹新梢中咖啡堿的合成。本試驗中，鈣過量處理1周后，咖啡堿含量出現顯著降低。

茶樹根系中乳白色的吸收根是根中生命活動最活躍的部分。根的伸長、對水分和無機鹽的吸收、成熟組織的分化以及對重力與光線的反應都發生于這一區域。吸收根在生長發育過程中不斷衰亡更新[5]。嫌鈣植物的根細胞不能很好地控制過量胞質鈣離子濃度，高鈣濃度下，位于等離子體膜中的陰離子通道關閉。胞質鈣離子增加，而液泡中有機酸的釋放受到影響，液泡中有機酸的積累加劇，pH平衡遭到破壞[15]。這使得高鈣濃度對嫌鈣植物的傷害首先體現在根系上，根系分析中根尖數能夠反映吸收根的衰亡更新情況，本試驗中，隨著鈣過量處理時間的增加，茶苗根系的根尖數不斷減少，這表明鈣過量條件下吸收根的衰亡占主導。由此表明，鈣過量脅迫處理初期，較低鈣濃度（90、150 mg/L）條件下，茶多酚可對脅迫傷害起到一定的抵御作用，隨著脅迫對根系傷害程度的增加，氨基酸、咖啡堿的合成逐步受到影響。

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3 討論和結論

Ca2+被認為參與促進細胞壁增厚、植物防御素合成及改變活性氧[7]。植物在正常的生長情況下，活性氧的產生和清除處于動態平衡狀態。鈣過量脅迫可引起茶樹光合系統膜結構的破壞，而葉綠體和線粒體是植物體內活性氧產生的主要部位[8]，脅迫處理增加了植物體內活性氧的產生。植物體內存在的負責清除活性氧產生的抗氧化系統由兩部分組成，即抗氧化酶類和抗氧化劑類，二者在植物體內都可清除活性氧。茶多酚是一類以兒茶素類為主體的類黃酮化合物，具有C6-C3-C6碳骨架結構，是重要的天然抗氧化性物質，可對活性氧起到一定的清除作用[9]。本試驗中，鈣過量脅迫處理初期，較低鈣濃度（90、150 mg/L）條件下，茶樹體內茶多酚含量的增加可在一定程度上降低脅迫造成的危害，而隨著鈣濃度的增加或脅迫時間的延長，茶多酚消耗量增加，含量逐步降低。

氨基酸是茶葉中的主要滋味物質，能緩解茶的苦澀味，增強甜味，還可以轉化成各種香氣物質，與茶葉品質呈正相關[10，11]。茶氨酸是茶樹中含量最高的游離氨基酸，占茶葉干重的1%～2%[12]。茶氨酸是由根系吸收無機態氮，在茶根部由乙胺與L-谷氨酸生物合成，再經由輸導組織運往地上部分，最終運往茶樹的各個組織[10]。高鈣土壤條件下，高濃度Ca2+會抑制嫌鈣植物對其他金屬離子的吸收、銨鹽的硝化，尤其是對有些嗜好氮肥的嫌鈣植物[13]。茶樹是典型的嫌鈣嗜氮植物，高濃度Ca2+勢必會抑制銨鹽的硝化；此外，鈣過量條件下，茶樹根系根尖數減少，且高Ca2+濃度下根系表面會附著一層白色黏膜，這些都會導致根系合成茶氨酸的能力下降。本試驗中，鈣過量處理2周后，游離氨基酸、茶氨酸含量的顯著降低證明了該觀點。咖啡堿是茶葉中的另一重要滋味物質，其與茶黃素以氫鍵締合后形成的復合物具有鮮爽味，是影響茶葉品質的重要組分[14]。茶葉中的嘌呤可能是在葉綠體中從先質直接合成，這些嘌呤又可以在這里轉化成咖啡堿[10]。王躍華等[4]研究表明，鈣過量脅迫導致葉綠體膜損傷，基質類囊體片層變得松散，類囊體膜也受到不同程度的破壞。這勢必會影響咖啡堿的合成。此外，鈣過量條件下，茶樹根系根尖數減少，影響根系對氮素的吸收，從而影響到茶樹新梢中咖啡堿的合成。本試驗中，鈣過量處理1周后，咖啡堿含量出現顯著降低。

茶樹根系中乳白色的吸收根是根中生命活動最活躍的部分。根的伸長、對水分和無機鹽的吸收、成熟組織的分化以及對重力與光線的反應都發生于這一區域。吸收根在生長發育過程中不斷衰亡更新[5]。嫌鈣植物的根細胞不能很好地控制過量胞質鈣離子濃度，高鈣濃度下，位于等離子體膜中的陰離子通道關閉。胞質鈣離子增加，而液泡中有機酸的釋放受到影響，液泡中有機酸的積累加劇，pH平衡遭到破壞[15]。這使得高鈣濃度對嫌鈣植物的傷害首先體現在根系上，根系分析中根尖數能夠反映吸收根的衰亡更新情況，本試驗中，隨著鈣過量處理時間的增加，茶苗根系的根尖數不斷減少，這表明鈣過量條件下吸收根的衰亡占主導。由此表明，鈣過量脅迫處理初期，較低鈣濃度（90、150 mg/L）條件下，茶多酚可對脅迫傷害起到一定的抵御作用，隨著脅迫對根系傷害程度的增加，氨基酸、咖啡堿的合成逐步受到影響。

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