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探究“东方神奇树叶”的奥秘

2021-09-14 09:38:19来源:安徽日报

  安徽农业大学茶树生物学与资源利用国家重点实验室。 刘广金 摄

  实验室学生进行蛋白纯化实验。 曹雷 摄

  实验室主任宛晓春(中)指导学生做实验。 曹雷 摄

“琴棋书画诗酒茶”“宁可三日无食,不可一日无茶”……自古以来,茶叶这种神奇的东方树叶,就和国人日常生活紧密相连。茶是世界三大饮料之一,而我国是世界上最大的茶叶生产国、消费国,也是第二大茶叶出口国。

喝茶有益健康,品茶可以修身养性,茶的香气能够愉悦身心,种茶可以增收致富……这小小的叶子为何如此神奇?坐落在安徽农业大学内的茶树生物学与资源利用国家重点实验室,一步步向我们揭示出其中的奥秘。

破解最关键基因组信息

中华文明几千年来的文化沉淀,让茶在老百姓心中树立起健康饮料的符号。实验室主任宛晓春表示,当代中国理应在茶叶基础科学和应用技术研究领域作出更加突出的贡献,才无愧于茶故乡和最大产茶国的地位。

作为全国园艺学学科中唯一一个国家级重点实验室,从茶叶代谢产物到茶与健康,从茶树品种培育到茶叶生产加工,从推进茶产业振兴到服务乡村振兴,科研工作者们在这里不断探索。 8月3日,宛晓春团队研究发现,绿茶可以预防和延缓5XFAD转基因小鼠脑内β淀粉样蛋白(Aβ)形成,减少神经突触损伤,改善学习记忆能力,进而得出结论,饮用绿茶或能预防和延缓老年痴呆。这项成果又一次把茶的健康功能推向一个研究新高度。

当前,国际上茶叶特征性成分及其健康功效能的研究已日益深入,但相比于粮棉油等主要农作物,茶叶科学研究的深度和广度还有一定差距,尤其在茶树基因组的解析、茶树次生代谢网络的揭示、茶的健康功效及作用机理的阐明、茶树次生代谢物与茶叶品质形成的关系等很多关键科学问题上尚待进一步阐明。

2018年4月21日,历经十年攻关,实验室发布最新研究成果:成功破解世界上分布最广的中国种茶树全基因组信息——基因组大小为3.1Gb,包含33932个基因,重复序列含量为64%。

在成功破解茶树基因组的基础上,实验室又通过与其他十个物种的基因组进化分析,发现茶树祖先种大约在8000万年前与亲缘关系最近的猕猴桃物种发生分化,继而在38万年至154万年前,又分化形成中国种和阿萨姆种,“这就弄清了茶的起源,知道了茶的老祖宗是谁。 ”宛晓春形象地介绍道。这项研究是一个重大突破,对茶树的生物学研究、推动茶产业的发展起到至关重要作用。

实验室以茶树基因组图谱为框架,整合了24种山茶属植物共计97个转录组、代谢组、甲基化组、种质资源以及大量生物和非生物胁迫基因表达谱数据,通过基因表达和代谢物分布模式的相关性建立起各数据之间的联系,系统构建迄今为止最全面的茶树基因组学与生物信息学平台,实现了茶树组学大数据的整合与共享。

基因决定了茶的特质,掌握了这套密码,进行适当调节,就可以改进某些特性。研究表明,酯型儿茶素是导致茶叶味苦的主要原因,但这一类型儿茶素是如何合成的?这一问题长期困扰着学界。实验室教授、安徽农业大学校长夏涛带领团队经过攻关,证实有两种酶在酯型儿茶素形成过程中起关键作用,这是学界首次发现酯型儿茶素合成的关键酶,证实了儿茶素合成途径的存在。由此可通过调节基因表达和酶活性,影响酯型儿茶素的合成量,从而对茶叶苦涩味进行调控。

香气是评价茶叶品质好坏的一个重要标准。与国外高香红茶香气品质相比,我国多种茶类香气品质相对较低,影响了茶产业的发展。实验室研究发现茶树萜类合成酶基因在茶树叶片和花中,通过转录过程中的再加工,生成了功能有别的两个转录本,分别催化芳樟醇和橙化叔醇的生物合成。可利用这一原理,通过应用不同逆境信号物质,调节芳樟醇和橙花叔醇的生物合成,从而达到改善茶叶香气品质的目的。研究还揭示了β-葡萄糖苷酶在茶叶香气形成中的重要作用,从理论层面揭示了茶叶香气形成机理,这些研究都为生产环节提升茶叶香气和口感提供了现实途径。

一项项基础研究成果,揭示了茶叶的谜团,让具有千年历史的中华茶香飘世界。

让健康饮料真健康

近年来,美国、日本等发达国家,通过调整传统茶产业结构,进行深加工和综合利用,延伸茶产业链,产品已经渗透到食品、医药品、化妆品、有机农药等多个领域。而我国茶资源综合利用的基础研究和产业发展还有很大空间。“我国每年加工的茶叶中,仅有4%至5%被用于深加工;出口茶产品中,90%以上属于原料性初级产品,产品技术含量低,高附加值产品种类少。 ”实验室常务副主任韦朝领介绍说。

既要让老百姓喝得放心,又要适应国际通行的质量标准,这是茶产业发展的关键。从育种、栽培到产品,实验室团队探索建立了绿色防控、清洁化加工、品质控制、质量监控一体化的质量安全体系,提升了茶产业的核心竞争力。

传统的名优绿茶只能依靠手工配合单机加工,由于机械设备粗糙,人手频繁触摸茶叶,会带来加工中的二次污染。2006年,实验室研制成功国内第一条炒青绿茶初制清洁化生产线,综合使用机械化、自动化、数字化等技术,实现了茶叶加工全过程自动化控制,茶叶从鲜叶到成品“不落地,不沾手”,配合清洁化能源、加工材料的选用,以及茶叶质量安全追溯系统、数字化品控技术和装备的使用,实现了全方位全过程清洁化加工,由此开启了我国绿茶大规模连续化、清洁化加工的先河。同时,大大提升了生产效率,制茶生产线只需要两名工人用电脑操控,一小时的加工量就能抵上过去一个茶厂几个月的生产量。以此为基础相继开发了黄山毛峰、太平猴魁、六安瓜片、祁门红茶等四种茶清洁化生产线,研制了一批新型茶叶加工机械,获得自动加压茶叶揉捻机等近20项专利,成果推广到全国15个产茶省广泛使用,显著提升我国茶产业的技术水平。

茶叶加工中要不断拣梗去杂,这道工序费工费时,但却是质量控制的 “瓶颈”环节。特别是随着机械采茶的增多,捡梗量大为增加。市场上有一种茶叶色选机,通过光电技术和计算机控制技术,能够精确剔除茶梗等杂物,但这项色选技术被发达国家垄断,进口设备成本很高。安农大团队与合肥美亚光电公司合作,研制了国内首台茶叶数字化智能色选机,通过光电系统分析茶物料表面的外观色泽,快速区分茶、梗及非茶类夹杂物,并剔除异色物料。这项成果打破了发达国家色选技术壁垒,一台成本仅相当于国外进口的1/4,在安徽、福建、湖北等15个产茶大省广泛推广,产品国内市场占有率达到60%,大大减少了企业的生产成本,提升了生产效率。

红茶是世界上最受欢迎的饮料之一,约占全球茶叶贸易量的78%。但在生产加工中,红茶发酵程度的判别完全依赖人工经验,缺乏量化的评价标准,导致产品质量不统一,无法实现标准化生产。实验室宁井铭教授研究团队采用近红外光谱技术监测茶叶在发酵过程中主要内含化学成分的变化,利用计算机视觉系统监控茶叶外观颜色的变化。在信息融合的基础上,结合化学计量学方法建立了一种红茶发酵程度判别模型,该模型具有精准、量化的特点,能够在1分钟之内完成判别。这项技术的应用,将有力推动茶叶加工的智能化和标准化水平。

以产业需求为导向,团队相继攻破一项又一项困难,让茶叶更安全、产业发展更健康。

“小叶子”做成“大产业”

茶产业是山区农民脱贫致富的扶贫产业。以我省为例,茶产业是全省农业产业化十大主导产业之一。全省有茶农300多万人,茶叶收入在主要产区占当地农民收入40%以上。特别是大别山连片特困区,茶产业是主导和支柱产业,茶叶收入占当地茶农家庭收入的40%至50%。打好茶叶牌,唱好茶叶经,对老百姓脱贫致富至关重要。

黄大茶是皖西特产,采用夏秋季原料加工,因原料粗老、加工粗放、包装简陋,一直是上不了台面的低档大路货。 2016年,宛晓春课题组研究发现,黄大茶具有 显著的降血糖、降血脂等功效。这项研究成果成为很多“三高”病人的福音,消费需求的急速增加直接催生了黄茶热,以前名不见经传的茶叶成为抢手的“香饽饽”。该校和相关公司合作,开发了系列健康功能性茶叶产品,建设了自动化生产线并实现规模化生产。如今,黄大茶的价格翻了10倍以上,包装精美的黄大茶、黄小茶、黄芽茶和速溶黄大茶系列产品成为电商网店的热销品。

安徽虽是产茶大省,但茶产业发展相对滞后。 2012年,宛晓春、夏涛向省政府提出 “关于加快推进安徽省茶产业发展的建议”。针对制约安徽茶产业发展的关键问题,制定了“服务安徽省茶产业发展行动方案”,从茶树品种选繁和茶园管理、夏秋茶资源综合利用、名优茶加工技术和装备推广、茶叶健康功能发掘、茶产业经济与茶文化建设等方面,提出了振兴安徽茶产业的技术路线。

安徽省半数以上的茶园是上世纪七八十年代开垦的,多为低产老茶园,制约了茶叶产量、品质的提高和机械化采茶的推广。团队通过离子诱变结合杂交和系统选择等传统方法,先后选育了3个国家级品种,4个茶树新品系,在重点茶园广泛推广应用。并通过研发的新茶树扦插快繁技术,使得茶苗繁殖系数、苗圃利用率和经济效益提高一倍。

实验室团队把技术与人才作为提升安徽茶产业发展的核心要素,深化同地方政府、企业的产学研合作关系,为多地茶产业战略发展提供智力支撑。与20多家省内茶叶龙头企业开展技术合作、新产品开发;对基层农技人员开展技术培训,每年培训1000人次以上,促进了茶产业的快速发展,推动了茶农增收、企业增效。为安徽黄山市、六安市、河南信阳市等地方政府制定茶产业中长期发展规划并提供实施技术支撑,规划实施后,黄山市茶叶农业产值由5.2亿元增长到13.5亿元,信阳市茶叶总产值由8.44亿元增长到77.2亿元,小小茶叶为地方带来大希望。