探究“東方神奇茶樹葉”的奧秘

“琴棋書畫詩酒茶”“寧可三日無食,不可一日無茶”……自古以來,茶葉這種神奇的東方樹葉,就和國人日常生活緊密相連。茶是世界三大飲料之一,而我國是世界上最大的茶葉生產國、消費國,也是第二大茶葉出口國。


安徽農業大學茶樹生物學與資源利用國家重點實驗室。劉廣金攝

喝茶有益健康,品茶可以修身養性,茶的香氣能夠愉悅身心,種茶可以增收致富……這小小的葉子為何如此神奇?坐落在安徽農業大學內的茶樹生物學與資源利用國家重點實驗室,一步步向我們揭示出其中的奧秘。

破解最關鍵基因組信息

中華文明幾千年來的文化沉淀,讓茶在老百姓心中樹立起健康飲料的符號。實驗室主任宛曉春表示,當代中國理應在茶葉基礎科學和應用技術研究領域作出更加突出的貢獻,才無愧于茶故鄉和最大產茶國的地位。

作為全國園藝學學科中唯一一個國家級重點實驗室,從茶葉代謝產物到茶與健康,從茶樹品種培育到茶葉生產加工,從推進茶產業振興到服務鄉村振興,科研工作者們在這里不斷探索。8月3日,宛曉春團隊研究發現,綠茶可以預防和延緩5XFAD轉基因小鼠腦內β淀粉樣蛋白(Aβ)形成,減少神經突觸損傷,改善學習記憶能力,進而得出結論,飲用綠茶或能預防和延緩老年癡呆。這項成果又一次把茶的健康功能推向一個研究新高度。


實驗室學生進行蛋白純化實驗。曹雷攝

當前,國際上茶葉特征性成分及其健康功效能的研究已日益深入,但相比于糧棉油等主要農作物,茶葉科學研究的深度和廣度還有一定差距,尤其在茶樹基因組的解析、茶樹次生代謝網絡的揭示、茶的健康功效及作用機理的闡明、茶樹次生代謝物與茶葉品質形成的關系等很多關鍵科學問題上尚待進一步闡明。

2018年4月21日,歷經十年攻關,實驗室發布最新研究成果:成功破解世界上分布最廣的中國種茶樹全基因組信息——基因組大小為3.1Gb,包含33932個基因,重復序列含量為64%。

在成功破解茶樹基因組的基礎上,實驗室又通過與其他十個物種的基因組進化分析,發現茶樹祖先種大約在8000萬年前與親緣關系最近的獼猴桃物種發生分化,繼而在38萬年至154萬年前,又分化形成中國種和阿薩姆種,“這就弄清了茶的起源,知道了茶的老祖宗是誰?!蓖饡源盒蜗蟮亟榻B道。這項研究是一個重大突破,對茶樹的生物學研究、推動茶產業的發展起到至關重要作用。

實驗室以茶樹基因組圖譜為框架,整合了24種山茶屬植物共計97個轉錄組、代謝組、甲基化組、種質資源以及大量生物和非生物脅迫基因表達譜數據,通過基因表達和代謝物分布模式的相關性建立起各數據之間的聯系,系統構建迄今為止最全面的茶樹基因組學與生物信息學平臺,實現了茶樹組學大數據的整合與共享。



實驗室主任宛曉春(中)指導學生做實驗。曹雷攝

基因決定了茶的特質,掌握了這套密碼,進行適當調節,就可以改進某些特性。研究表明,酯型兒茶素是導致茶葉味苦的主要原因,但這一類型兒茶素是如何合成的?這一問題長期困擾著學界。實驗室教授、安徽農業大學校長夏濤帶領團隊經過攻關,證實有兩種酶在酯型兒茶素形成過程中起關鍵作用,這是學界首次發現酯型兒茶素合成的關鍵酶,證實了兒茶素合成途徑的存在。由此可通過調節基因表達和酶活性,影響酯型兒茶素的合成量,從而對茶葉苦澀味進行調控。

香氣是評價茶葉品質好壞的一個重要標準。與國外高香紅茶香氣品質相比,我國多種茶類香氣品質相對較低,影響了茶產業的發展。實驗室研究發現茶樹萜類合成酶基因在茶樹葉片和花中,通過轉錄過程中的再加工,生成了功能有別的兩個轉錄本,分別催化芳樟醇和橙化叔醇的生物合成??衫眠@一原理,通過應用不同逆境信號物質,調節芳樟醇和橙花叔醇的生物合成,從而達到改善茶葉香氣品質的目的。研究還揭示了β-葡萄糖苷酶在茶葉香氣形成中的重要作用,從理論層面揭示了茶葉香氣形成機理,這些研究都為生產環節提升茶葉香氣和口感提供了現實途徑。

一項項基礎研究成果,揭示了茶葉的謎團,讓具有千年歷史的中華茶香飄世界。

讓健康飲料真健康

近年來,美國、日本等發達國家,通過調整傳統茶產業結構,進行深加工和綜合利用,延伸茶產業鏈,產品已經滲透到食品、醫藥品、化妝品、有機農藥等多個領域。而我國茶資源綜合利用的基礎研究和產業發展還有很大空間?!拔覈磕昙庸さ牟枞~中,僅有4%至5%被用于深加工;出口茶產品中,90%以上屬于原料性初級產品,產品技術含量低,高附加值產品種類少?!睂嶒炇页崭敝魅雾f朝領介紹說。

既要讓老百姓喝得放心,又要適應國際通行的質量標準,這是茶產業發展的關鍵。從育種、栽培到產品,實驗室團隊探索建立了綠色防控、清潔化加工、品質控制、質量監控一體化的質量安全體系,提升了茶產業的核心競爭力。

傳統的名優綠茶只能依靠手工配合單機加工,由于機械設備粗糙,人手頻繁觸摸茶葉,會帶來加工中的二次污染。2006年,實驗室研制成功國內第一條炒青綠茶初制清潔化生產線,綜合使用機械化、自動化、數字化等技術,實現了茶葉加工全過程自動化控制,茶葉從鮮葉到成品“不落地,不沾手”,配合清潔化能源、加工材料的選用,以及茶葉質量安全追溯系統、數字化品控技術和裝備的使用,實現了全方位全過程清潔化加工,由此開啟了我國綠茶大規模連續化、清潔化加工的先河。同時,大大提升了生產效率,制茶生產線只需要兩名工人用電腦操控,一小時的加工量就能抵上過去一個茶廠幾個月的生產量。以此為基礎相繼開發了黃山毛峰、太平猴魁、六安瓜片、祁門紅茶等四種茶清潔化生產線,研制了一批新型茶葉加工機械,獲得自動加壓茶葉揉捻機等近20項專利,成果推廣到全國15個產茶省廣泛使用,顯著提升我國茶產業的技術水平。

茶葉加工中要不斷揀梗去雜,這道工序費工費時,但卻是質量控制的“瓶頸”環節。特別是隨著機械采茶的增多,撿梗量大為增加。市場上有一種茶葉色選機,通過光電技術和計算機控制技術,能夠精確剔除茶梗等雜物,但這項色選技術被發達國家壟斷,進口設備成本很高。安農大團隊與合肥美亞光電公司合作,研制了國內首臺茶葉數字化智能色選機,通過光電系統分析茶物料表面的外觀色澤,快速區分茶、梗及非茶類夾雜物,并剔除異色物料。這項成果打破了發達國家色選技術壁壘,一臺成本僅相當于國外進口的1/4,在安徽、福建、湖北等15個產茶大省廣泛推廣,產品國內市場占有率達到60%,大大減少了企業的生產成本,提升了生產效率。

紅茶是世界上最受歡迎的飲料之一,約占全球茶葉貿易量的78%。但在生產加工中,紅茶發酵程度的判別完全依賴人工經驗,缺乏量化的評價標準,導致產品質量不統一,無法實現標準化生產。實驗室寧井銘教授研究團隊采用近紅外光譜技術監測茶葉在發酵過程中主要內含化學成分的變化,利用計算機視覺系統監控茶葉外觀顏色的變化。在信息融合的基礎上,結合化學計量學方法建立了一種紅茶發酵程度判別模型,該模型具有精準、量化的特點,能夠在1分鐘之內完成判別。這項技術的應用,將有力推動茶葉加工的智能化和標準化水平。

以產業需求為導向,團隊相繼攻破一項又一項困難,讓茶葉更安全、產業發展更健康。

“小葉子”做成“大產業”

茶產業是山區農民脫貧致富的扶貧產業。以我省為例,茶產業是全省農業產業化十大主導產業之一。全省有茶農300多萬人,茶葉收入在主要產區占當地農民收入40%以上。特別是大別山連片特困區,茶產業是主導和支柱產業,茶葉收入占當地茶農家庭收入的40%至50%。打好茶葉牌,唱好茶葉經,對老百姓脫貧致富至關重要。

黃大茶是皖西特產,采用夏秋季原料加工,因原料粗老、加工粗放、包裝簡陋,一直是上不了臺面的低檔大路貨。2016年,宛曉春課題組研究發現,黃大茶具有顯著的降血糖、降血脂等功效。這項研究成果成為很多“三高”病人的福音,消費需求的急速增加直接催生了黃茶熱,以前名不見經傳的茶葉成為搶手的“香餑餑”。該校和相關公司合作,開發了系列健康功能性茶葉產品,建設了自動化生產線并實現規?;a。如今,黃大茶的價格翻了10倍以上,包裝精美的黃大茶、黃小茶、黃芽茶和速溶黃大茶系列產品成為電商網店的熱銷品。

安徽雖是產茶大省,但茶產業發展相對滯后。2012年,宛曉春、夏濤向省政府提出“關于加快推進安徽省茶產業發展的建議”。針對制約安徽茶產業發展的關鍵問題,制定了“服務安徽省茶產業發展行動方案”,從茶樹品種選繁和茶園管理、夏秋茶資源綜合利用、名優茶加工技術和裝備推廣、茶葉健康功能發掘、茶產業經濟與茶文化建設等方面,提出了振興安徽茶產業的技術路線。

安徽省半數以上的茶園是上世紀七八十年代開墾的,多為低產老茶園,制約了茶葉產量、品質的提高和機械化采茶的推廣。團隊通過離子誘變結合雜交和系統選擇等傳統方法,先后選育了3個國家級品種,4個茶樹新品系,在重點茶園廣泛推廣應用。并通過研發的新茶樹扦插快繁技術,使得茶苗繁殖系數、苗圃利用率和經濟效益提高一倍。

實驗室團隊把技術與人才作為提升安徽茶產業發展的核心要素,深化同地方政府、企業的產學研合作關系,為多地茶產業戰略發展提供智力支撐。與20多家省內茶葉龍頭企業開展技術合作、新產品開發;對基層農技人員開展技術培訓,每年培訓1000人次以上,促進了茶產業的快速發展,推動了茶農增收、企業增效。為安徽黃山市、六安市、河南信陽市等地方政府制定茶產業中長期發展規劃并提供實施技術支撐,規劃實施后,黃山市茶葉農業產值由5.2億元增長到13.5億元,信陽市茶葉總產值由8.44億元增長到77.2億元,小小茶葉為地方帶來大希望。

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自強
#302470

寧可一日無食,不可一日無茶

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