我國油茶資源研究與開發利用現狀及展望

陳豐林,謝 海,游昌喬,蔣 帥,彭 果,周 蘋,郭新紅

(湖南大學生物學院植物功能基因組學與發育調控湖南省重點實驗室,中國湖南長沙410082)

油茶(Camellia oleifera)屬山茶科(Theaceae)山茶屬(Camellia),是我國最重要的木本油料植物之一。據報道,全國油茶種植面積從2013年的383.3萬公頃,增長到2019年的453.3萬公頃[1]。

茶油具有極高的營養價值,不飽和脂肪酸含量高,是優質的植物油。其中,油酸的含量高達80%[2]。油茶餅粕的提取物中還含有豐富的茶多酚,這些生物活性提取物具有顯著的抗氧化、清除自由基、保護細胞膜結構、抑制炎癥和抗腫瘤等多種生物學作用[3]。

目前,油茶的研究主要集中在油茶加工產品、油茶主要成分及質量評價體系、生物脅迫和非生物脅迫對油茶的影響及應對措施、品種選育及栽培、根際微生物群落、茶油生物合成途徑調控等方面。油茶的激素信號調控、組學研究、轉基因技術分子育種、生物菌肥的開發等將是今后油茶研究的重點方向。下文將對油茶資源研究與開發利用現狀和展望進行綜述。

1 油茶資源研究與開發利用現狀

1.1 茶油主要成分及質量評價體系

油茶種仁含油率為40%～60%,茶油主要成分包括不飽和脂肪酸(主要是油酸和亞油酸,含量占84%以上)、少量飽和脂肪酸(棕櫚酸、硬脂酸等,含量約為13%)以及維生素等,山茶物種間及油茶品種間的遺傳差異和茶油加工工藝的不同,導致了這些營養成分及其含量的差異[4]。目前,我國茶油產品質量良莠不齊,產業亟需規范化,建立穩定可靠、可操作性強的質量評價體系迫在眉睫。田瀟瀟[5]在測定不同植物油中的甘油三酯組成的基礎上,結合分析植物甾醇的分布情況來鑒別茶油和其他植物油,為茶油鑒別真偽提供了理論指導。

1.2 油茶品種選育及栽培

我國主要栽培的山茶物種有普通油茶(Camellia oleifera)、騰沖紅花油茶(C.reticulate)、浙江紅花油茶(C.chekiangoleosa)、攸縣油茶(C.yuhsienensis)、小果油茶(C.meiocarpa)、威寧短柱油茶(C.weiningensis)、越南油茶(C.vietnamensis)、栓殼紅山茶(C.phellocapsa)和廣寧紅山茶(C.semiserrata)等。油茶良種選育的研究工作開始于20世紀60年代,目前已選育出優良農家品種、優良家系、優良無性系和優良雜交組合等油茶良種,生產上應用的良種有200余個。油茶優良無性系已成為我國油茶生產上最重要的良種資源,如湖南省林業科學研究院的“湘林系列”、江西省的“贛州油系列”“贛無系列”、中國林業科學研究院亞熱帶林業研究所的“長林系列”、湖北省林業科學研究院的“鄂林系列”、廣西省林業科學研究院的“岑軟系列”“桂無系列”、浙江省的“浙林系列”等。云南省林業科學院研究所選育了“云油茶3號”“云油茶4號”“云油茶9號”“云油茶13號”“云油茶14號”等5個油茶優無性系品種[6]。黎曙光等[7]報道了油茶新品種“長林53號”。王晶[8]在河南本地的實生林中選育出了具有高產、抗病蟲、抗寒等優良性狀的“豫油茶1-7號”。吳鵬飛等[9]采用田間調查方法和病情指數法,篩選出10份抗炭疽病的無性系品種,為后續抗病育種提供了育種基礎材料和參考依據。

相較于無性系選育,油茶的雜交育種起步較晚。中南林業科技大學袁德義課題組以攸縣油茶“攸雜2”為母本,以普通油茶“華碩”為父本進行種間雜交,獲得了47株代雜交子代苗,并根據雜交F1代苗的適應性、早實性和抗病性等早期生長表現,從F1代雜交實生苗中初選出18個表現較好的優良單株[10]。李曉春等[11]選取長林4號、長林18號、長林 40號、長林 53號、贛 68、贛 70、贛無2、華碩、湘 210號、贛石84-8、贛興48等11個油茶無性系材料,采用人工雜交控制授粉,分析了21個雜交組合的雜交親和力,篩選出贛70(♂)×長林 53 號(♀)、贛 68(♂ )×長林 53 號(♀)、贛石84-8(♂ )×長林 53 號(♀)、長林 4 號(♂ )×長林 53號(♀)、贛 70×長林 4 號(♀)、贛無 2×長林 4 號(♀)等6個最佳配置組合。陳永忠等[12]通過油茶優良無性系雜交子代和親本無性系的對比試驗,在41個全同胞子代中選育出5個優良雜交組合,其平均每公頃的產油量比對照組增產30%～100.8%。

相對于傳統的無性系選育和雜交育種,分子育種,特別是結合組學研究的分子育種,可以針對某一特定性狀進行定向改良,具有巨大的發展潛力。Lin等[13]利用4個不同發育時期的油茶種子,結合油脂含量測定和轉錄組學分析,發現了許多與油脂合成相關的差異基因。Peng等[14]對不同發育階段的油茶籽仁進行了全轉錄組分析,發現了大量潛在的關鍵調控因子,這些調控因子可以控制干仁含油量、油酸、亞油酸、亞麻酸、鮮籽率和粒籽比。Gong等[15]借助轉錄組學技術對油茶種子在5個不同發育階段的油脂合成和積累過程進行了研究,發現有7個“基因模塊”和每個模塊的中心基因與含油量顯著相關,并認為WRI1與編碼石油合成關鍵酶的17個基因存在相互作用,轉錄因子MYB和ZIP也與油脂合成過程中的關鍵基因存在相互作用。油脂合成過程中的一些關鍵基因, 如 DGAT1[16]、CoFAD2-1[17]、CoFAD2-2[18]、CoP-DAT[19]等,均已被成功的克隆和分析。

不同栽培模式對油茶幼林土壤養分和茶油品質均有影響,套種大豆、花生時,土壤有機質含量極顯著增加；套種大豆時,土壤全氮和堿解氮極顯著增加；套種西瓜、玫瑰花時,全磷和有效磷含量極顯著增加；套種西瓜、玫瑰花時,全鉀和速效鉀含量極顯著增加；套種大豆、茶樹能顯著降低茶油酸值,提高茶油多酚含量,對油茶品質有積極的影響[20]。白玉娜等[21]在油茶有林下套種了6種豆科植物,實驗結果表明,油茶幼林套種豆科作物能不同程度地提高土壤中有機質、全氮、全鉀、全磷、速效氮、速效鉀、速效磷的含量,從而促進油茶生長。

1.3 脅迫因子對油茶生長發育的影響及應對措施

植物生長過程中受到各種脅迫,包括生物脅迫和非生物脅迫,它們均可影響植株正常新陳代謝和生長發育。炭疽病是油茶常見的重要病害之一,已有很多研究人員對油茶果、葉進行菌株分離,研究致病菌的種類、菌落形態、生長特點等。王義勛[22]對油茶炭疽病進行了病原學、病菌遺傳多樣性研究,發現了CaCUT1基因在油茶感染炭疽病過程中扮演著重要的角色。黃健生[23]綜述了油茶軟腐病的鑒別方法及綠色防控措施。隨著油茶產業規模的不斷壯大,油茶蟲害的報道也越來越多,常見的致病昆蟲有油茶毒蛾、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脅迫,如低溫、干旱、土壤中的重金屬等。其中,干旱會顯著降低油茶鮮籽產量和產油量,而覆蓋和松土措施可以在一定程度上緩解這種損失[24]。曹林青等[25]研究了不同程度干旱脅迫對油茶葉片結構的影響,結果表明,油茶單葉鮮質量、單葉干質量、單葉飽和質量、葉片厚度、葉片大小、葉片下表皮氣孔面積、氣孔周長、氣孔開度、氣孔器大小、柵欄組織厚度、柵海比均與干旱強度呈反比,葉上角質層厚度、下角質層厚度、主脈厚度與主脈突起度均與干旱強度呈正比。這些變化是油茶植株根據水分狀況調整葉片結構以維持生存和生長,是油茶對干旱脅迫的適應特征。油茶有一定的抗旱、耐熱能力[26]。在遭受低溫脅迫前,噴施氯化鈣溶液更有利于提高油茶的抗寒能力[27]。鉛(Pb)脅迫顯著降低油茶幼苗地徑和根長,土壤中高濃度Pb會導致幼苗死亡[28]。在錳礦區,土壤中過高的錳含量會影響油茶生長。施加0.5%的石灰可以提高恢復區的油茶植株生物量,而施加1%的石灰可以顯著提高采礦區的油茶株高[29]。

油茶種植過程中可能受到多種生物和非生物脅迫,受限于油茶全基因組未得到完全解析、遺傳轉化體系的不完善以及多年生木本植物的特點,油茶在遭受脅迫時,基因的調控與表達一直未能得到很好的研究。

1.4 植物激素信號對油茶生長發育的影響

植物激素是植物生長發育過程中必不可少的重要調節物質,它們直接或間接參與調控植物從種子萌發到成熟的各個發育階段,以及植物對各類生物/非生物脅迫的響應。赤霉素(GA)信號途徑調控植物開花,促進生長；脫落酸(ABA)信號途徑調控蛋白質和脂質合成、植物干旱脅迫、種子萌發等；茉莉酸(JA)信號途徑調控植物生長發育和防御反應；生長素(auxin/IAA)信號途徑通過影響細胞的分裂、擴張和分化,全方位調控植物生長發育過程；乙烯(ET)信號途徑調節不同的發育和生理過程,包括種子萌發、根的萌生、花和葉的衰老、脫落、果實成熟、傷害反應和疾病防御[30]；獨腳金內酯(SL)信號途徑調節植物分枝,能夠促進叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)與植物的共生[31]。

目前,關于外源激素對油茶生長的影響研究,僅赤霉素和細胞分裂素有少量報道。蔡婭等[32]認為在香花油茶花芽分化的關鍵期噴施800～1600 mg/L的外源赤霉素,對香花油茶的花芽形成有顯著的促進效果。外施赤霉素和多效唑不僅能顯著促進油茶花芽分化率、飽滿度,還能改善油茶大小年結實現象[33]。葛曉寧[34]探討了外源6-芐氨基嘌呤、赤霉素處理下,油茶花芽分化率、坐果率的變化。結果表明,分別噴施400 mg/L外源6-芐氨基嘌呤和100 mg/L赤霉素,可顯著提高油茶坐果率；分別噴施500 mg/L外源6-芐氨基嘌呤和100 mg/L赤霉素,可顯著提高油茶花芽分化率。

1.5 油茶的根際微生物群落與生物菌肥研究

根際微生物和植物會形成特殊的互生關系。植物在生長過程中,凋落物和根系分泌物是土壤中根際微生物生長所需能源的重要來源。而根際微生物在同化土壤中有機質的同時,釋放無機養分、植物所需維生素、生長激素等物質供植物吸收利用,促進植物生長。宋婷[35]對攸縣油茶的根際微生物進行了群落結構分析,發現攸縣油茶根際土壤細菌主要由綠彎菌門(Chloroflexi)、變形菌門(Proteobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、浮霉菌門(Planctomycetes)和厚壁菌門(Firmicutes)組成；根際土壤真菌主要由子囊菌門(Ascomycota)和擔子菌門(Basidiomycota)組成。黃程[36]在油茶根際土壤中共分離篩選了94株解磷菌。宋雨露[37]采用培養基分離純化方法從油茶根際土壤中分離純化出可培養固氮菌227個,可培養解磷菌187個,可培養解鉀菌89個。李正昀[38]從油茶根際土壤中分離鑒定了12屬AMF。

AMF可以提高植物的光合作用,促進植物生長[39]。油茶是菌根植物,AMF可以改善根系的形態結構,幫助油茶加強對土壤中礦質元素的吸收,提高光合作用,促進油茶的生長[40]。林宇嵐等[41]分析了江西5個油茶品種的根際AMF群落結構特征,共鑒定AMF 12屬。其中,球囊霉屬(Glomus)、類球囊霉屬(Paraglomus)、巨孢囊霉屬(Gigaspora)和近明球囊霉屬(Claroideoglomus)的相對豐度在5個油茶品種間存在顯著差異。另外,雖然油茶品種改變了根際AMF的群落結構,但并不影響其多樣性,而硝態氮才是影響油茶根際AMF群落組成和分布的主要土壤因子。李正昀[38]通過盆栽試驗探究了不同有機磷水平下,接種AMF對油茶生長的影響,為集約化油茶高產穩產中應用AMF解決低磷脅迫的現象提供了科學理論依據。

微生物肥料可以改良土壤理化性質,調節植物生長,增加作物產量,且對生態環境友好。左明雪等[42]通過AMF與有機肥配施,證明了AMF可顯著驅動土壤氮元素循環向植物氮高效利用的途徑轉化。李芳等[43]將玉米幼苗接種AMF后再移栽,發現玉米根部和地上部分對磷、鋅、錳、鎂等元素的吸收能力都得到了加強。蔡開朗等[44]對4種油茶施用光合菌,顯著提高了油茶的光合作用和葉片中氮、磷、鉀元素的含量。黃程[36]在油茶根際土壤中分離、篩選及鑒定了一批高效根際解磷菌,并通過盆栽實驗發現,在添加難溶性磷的條件下,與不接菌對照相比,接菌處理均對玉米植株生物量表現出促生效果,混合接菌對植物促生效果更顯著。

1.6 油茶的綜合利用

油茶籽榨油是最傳統、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餅粕和油茶果殼都有很高的利用價值。油茶餅粕的基本成分為蛋白質、茶皂素、茶多酚、多糖、殘留油脂、灰分、水分等[45]。

1.6.1 茶皂素

茶皂素是一類三萜皂苷混合物,微溶于溫水、乙酸乙酯、二硫化碳,易溶于堿性熱水、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、石油醚等有機溶劑。鑒于這些特性,目前茶皂素的主要提取手段有水提法[46]、水提醇沉法和有機溶劑法,也有超聲波[47]、微波[48]、超臨界CO2[49]等輔助法。但是,水提法和水提醇沉法的得率較低,有機溶劑提取的安全性一般且耗時較長,輔助法存在設備投資大、實驗條件要求高等缺點,工業生產仍然在期待更高性價比的提取工藝。茶皂素提取之后的純化方法也很多,如重結晶法、醇萃取法、吸附分離法、膜富集法等。

1.6.2 蛋白質

油茶餅粕中蛋白質含量豐富,其氨基酸組成有17種,其中7種為人體必需氨基酸。油茶餅粕蛋白質的常用提取方法有傳統堿溶酸沉法、水酶法、酶前處理輔助法、超聲輔助法、蒸汽爆破輔助法等。何瑋等[50]采用的優化條件后的堿溶酸沉法,蛋白質的得率達到了6.56%。張善英等[51]將油茶籽經過蒸汽爆破后,采用堿溶酸沉法,使得蛋白質的提取率較未經蒸汽爆破處理時提高了12.27%。堿溶的過程中,過高的pH值容易使得蛋白質變性,而較低的pH值又會降低蛋白質的提取率。相較于堿溶酸沉法,水酶法和酶前處理輔助法可以在保證蛋白質質量的前提下,提高提取率,但是酶的反應條件苛刻,成本也高。超聲輔助法和蒸汽爆破輔助法則是在堿溶酸沉法和水酶法的基礎上加以輔助,來提高提取率。蒸汽爆破輔助法是在高溫高壓的環境下進行,改變了蛋白質結構[51],會影響蛋白質活性。雖然超聲輔助法不會出現這種情況,但是超聲輔助法高昂的成本是產業化推廣的致命短板。油茶餅粕中蛋白質的工業化提取與利用,仍然需要不斷探索。

1.6.3 茶多酚

酚類化合物是高等植物的一類重要的次生代謝產物,主要由莽草酸、戊糖磷酸酯和苯丙烷類途徑合成,至少有一個羥基和芳香環。酚類化合物的抗氧化性取決于羥基的數目及其排列方式。茶多酚是一類多羥基酚類化合物,具有很好的抗氧化性。

目前,油茶粕茶多酚的提取純化方法較為多樣,有微波輔助條件下的溶劑法、丙酮提取法、熱回流以及超聲輔助法等。Chen等[52]利用異丙醇、己烷和乙醚提取了油茶餅粕的酚類化合物,通過檢測其對玉米油初級代謝產物和次級代謝產物的影響,證明了油茶餅粕的酚類化合物能保持玉米油的質量穩定,且由異丙醇提取得到的酚類化合物效果最好,利用HPLC-DAD方法鑒定提取到的酚類化合物主要為表兒茶素、兒茶素、柚皮苷。陳佩云等[53]比較了6種油茶花、葉、籽的多酚含量,結果表明油茶籽中多酚含量高于其他組織。羅凡等[54]研究了不同熱處理后,油茶籽內部和茶粕中酚類物質含量及其抗氧化活性的變化規律,結果都表明低溫加熱時,油茶籽內部和油茶餅粕中酚類物質較未加熱時變化不大,而高溫加熱一段時間后,總多酚的含量和抗氧化活性都開始升高。

油茶果殼占果實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類化合物的提取,卻忽略了油茶果殼中酚類化合物的利用[55]。因此,加強對油茶果殼的功能性成分研究,才是提高油茶整體效益和實現廢料的資源化利用的最好途徑。

1.6.4 多糖

多糖是有醛糖或酮糖通過糖苷鍵連接在一起的多聚物,廣泛存在于高等植物的細胞壁中。油茶多糖是一類具有生理活性的復合多糖,一般是由7個以上、1種或兩種以上的單糖以特殊糖苷鍵縮合而成的單一聚糖、雜聚糖或粘多糖,能起到抗血栓、降血糖、抗氧化的作用,極具開發前景。油茶餅粕中多糖的提取純化方法主要有超聲酶輔助法、水提醇法、微波水提法、正丁醇萃取法、離子交換樹脂柱層析分級純化法等[56]。張盟雨等[57]優化了水提醇沉法提取油茶餅粕多糖。Zhang等[58]利用油茶殼制備糠醛,發現在溫度為169℃、原料催化劑比為2、水解時間為30 min時,“γ-丁內酯+水”體系中糠醛的得率最好。周麗明等[59]在前期證明茶籽多糖對食用油脂具有一定抗氧化作用的基礎上,進一步對茶籽多糖實施羧甲基化修飾,提高了茶籽多糖對油脂的抗氧化作用。

2 展望

油茶豐產、提質增效一直是研究者關注的重點,傳統的育種方式對產業的促進作用已慢慢進入瓶頸期。分子育種作為一種精細的育種方式,具有定向、精準、快速、高效等特點,能夠在短期內為油茶育種找到突破口。因此,構建油茶遺傳轉化體系,開展基于組學和轉基因技術的分子育種,將會是油茶育種研究的重點方向。

植物激素是植物生長發育過程中不可缺少的物質。目前,基于激素或其類似物開發的刺激劑已經應用于安全高效的農業生產,如橡膠刺激劑乙烯利、生長素類除草劑等,這些產品在實際生產中潛力巨大。因此,進一步研究激素在油茶生長發育和油脂合成過程中的作用,開發安全高效的刺激劑,對油茶的抗病研究、豐產育種也具有重大的意義。

生物菌肥可以改良土壤的理化性質,提高土壤肥力,促進植物生長。在國內,生物菌肥的研究已有較好的基礎。生物菌肥正在由單一菌種制劑向復合多菌種制劑發展。開發適合油茶生長發育要求的生物菌肥,也將是促進油茶豐產的又一重要途徑。