探究“東方神奇茶樹葉”的奧秘

安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶樹生物學(xué)與資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。劉廣金攝

喝茶有益健康，品茶可以修身養(yǎng)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(nóng)業(yè)大學(xué)內(nèi)的茶樹生物學(xué)與資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，一步步向我們揭示出其中的奧秘。

破解最關(guān)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(hào)。實(shí)驗(yàn)室主任宛曉春表示，當(dāng)代中國(guó)理應(yīng)在茶葉基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用技術(shù)研究領(lǐng)域作出更加突出的貢獻(xiàn)，才無愧于茶故鄉(xiāng)和最大產(chǎn)茶國(guó)的地位。

作為全國(guó)園藝學(xué)學(xué)科中唯一一個(gè)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，從茶葉代謝產(chǎn)物到茶與健康，從茶樹品種培育到茶葉生產(chǎn)加工，從推進(jìn)茶產(chǎn)業(yè)振興到服務(wù)鄉(xiāng)村振興，科研工作者們?cè)谶@里不斷探索。8月3日，宛曉春團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，綠茶可以預(yù)防和延緩5XFAD轉(zhuǎn)基因小鼠腦內(nèi)β淀粉樣蛋白（Aβ）形成，減少神經(jīng)突觸損傷，改善學(xué)習(xí)記憶能力，進(jìn)而得出結(jié)論，飲用綠茶或能預(yù)防和延緩老年癡呆。這項(xiàng)成果又一次把茶的健康功能推向一個(gè)研究新高度。

實(shí)驗(yàn)室學(xué)生進(jìn)行蛋白純化實(shí)驗(yàn)。曹雷攝

當(dāng)前，國(guó)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(nóng)作物，茶葉科學(xué)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(wǎng)絡(luò)的揭示、茶的健康功效及作用機(jī)理的闡明、茶樹次生代謝物與茶葉品質(zhì)形成的關(guān)系等很多關(guān)鍵科學(xué)問題上尚待進(jìn)一步闡明。

2018年4月21日，歷經(jīng)十年攻關(guān)，實(shí)驗(yàn)室發(fā)布最新研究成果：成功破解世界上分布最廣的中國(guó)種茶樹全基因組信息——基因組大小為3.1Gb，包含33932個(gè)基因，重復(fù)序列含量為64%。

在成功破解茶樹基因組的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)室又通過與其他十個(gè)物種的基因組進(jìn)化分析，發(fā)現(xiàn)茶樹祖先種大約在8000萬年前與親緣關(guān)系最近的獼猴桃物種發(fā)生分化，繼而在38萬年至154萬年前，又分化形成中國(guó)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。”宛曉春形象地介紹道。這項(xiàng)研究是一個(gè)重大突破，對(duì)茶樹的生物學(xué)研究、推動(dòng)茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到至關(guān)重要作用。

實(shí)驗(yàn)室以茶樹基因組圖譜為框架,整合了24種山茶屬植物共計(jì)97個(gè)轉(zhuǎn)錄組、代謝組、甲基化組、種質(zhì)資源以及大量生物和非生物脅迫基因表達(dá)譜數(shù)據(jù),通過基因表達(dá)和代謝物分布模式的相關(guān)性建立起各數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，系統(tǒng)構(gòu)建迄今為止最全面的茶樹基因組學(xué)與生物信息學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了茶樹組學(xué)大數(shù)據(jù)的整合與共享。

實(shí)驗(yàn)室主任宛曉春（中）指導(dǎo)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)。曹雷攝

基因決定了茶的特質(zhì)，掌握了這套密碼，進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，就可以改進(jìn)某些特性。研究表明，酯型兒茶素是導(dǎo)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(zhǎng)期困擾著學(xué)界。實(shí)驗(yàn)室教授、安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)校長(zhǎng)夏濤帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過攻關(guān)，證實(shí)有兩種酶在酯型兒茶素形成過程中起關(guān)鍵作用，這是學(xué)界首次發(fā)現(xiàn)酯型兒茶素合成的關(guān)鍵酶，證實(shí)了兒茶素合成途徑的存在。由此可通過調(diào)節(jié)基因表達(dá)和酶活性，影響酯型兒茶素的合成量，從而對(duì)茶葉苦澀味進(jìn)行調(diào)控。

香氣是評(píng)價(jià)茶葉品質(zhì)好壞的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。與國(guó)外高香紅茶香氣品質(zhì)相比，我國(guó)多種茶類香氣品質(zhì)相對(duì)較低，影響了茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)茶樹萜類合成酶基因在茶樹葉片和花中，通過轉(zhuǎn)錄過程中的再加工，生成了功能有別的兩個(gè)轉(zhuǎn)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(yīng)用不同逆境信號(hào)物質(zhì)，調(diào)節(jié)芳樟醇和橙花叔醇的生物合成，從而達(dá)到改善茶葉香氣品質(zhì)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(jī)理，這些研究都為生產(chǎn)環(huán)節(jié)提升茶葉香氣和口感提供了現(xiàn)實(shí)途徑。

一項(xiàng)項(xiàng)基礎(chǔ)研究成果，揭示了茶葉的謎團(tuán)，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(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，通過調(diào)整傳統(tǒng)茶產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行深加工和綜合利用，延伸茶產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)品已經(jīng)滲透到食品、醫(yī)藥品、化妝品、有機(jī)農(nóng)藥等多個(gè)領(lǐng)域。而我國(guó)茶資源綜合利用的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展還有很大空間?！拔覈?guó)每年加工的茶葉中，僅有4%至5%被用于深加工；出口茶產(chǎn)品中，90%以上屬于原料性初級(jí)產(chǎn)品，產(chǎn)品技術(shù)含量低，高附加值產(chǎn)品種類少。”實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任韋朝領(lǐng)介紹說。

既要讓老百姓喝得放心，又要適應(yīng)國(guó)際通行的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，這是茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。從育種、栽培到產(chǎn)品，實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)探索建立了綠色防控、清潔化加工、品質(zhì)控制、質(zhì)量監(jiān)控一體化的質(zhì)量安全體系，提升了茶產(chǎn)業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

傳統(tǒng)的名優(yōu)綠茶只能依靠手工配合單機(jī)加工，由于機(jī)械設(shè)備粗糙，人手頻繁觸摸茶葉，會(huì)帶來加工中的二次污染。2006年，實(shí)驗(yàn)室研制成功國(guó)內(nèi)第一條炒青綠茶初制清潔化生產(chǎn)線，綜合使用機(jī)械化、自動(dòng)化、數(shù)字化等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了茶葉加工全過程自動(dòng)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(zhì)量安全追溯系統(tǒng)、數(shù)字化品控技術(shù)和裝備的使用，實(shí)現(xiàn)了全方位全過程清潔化加工，由此開啟了我國(guó)綠茶大規(guī)模連續(xù)化、清潔化加工的先河。同時(shí)，大大提升了生產(chǎn)效率，制茶生產(chǎn)線只需要兩名工人用電腦操控，一小時(shí)的加工量就能抵上過去一個(gè)茶廠幾個(gè)月的生產(chǎn)量。以此為基礎(chǔ)相繼開發(fā)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(chǎn)線，研制了一批新型茶葉加工機(jī)械，獲得自動(dòng)加壓茶葉揉捻機(jī)等近20項(xiàng)專利，成果推廣到全國(guó)15個(gè)產(chǎn)茶省廣泛使用，顯著提升我國(guó)茶產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平。

茶葉加工中要不斷揀梗去雜，這道工序費(fèi)工費(fèi)時(shí)，但卻是質(zhì)量控制的“瓶頸”環(huán)節(jié)。特別是隨著機(jī)械采茶的增多，撿梗量大為增加。市場(chǎng)上有一種茶葉色選機(jī)，通過光電技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，能夠精確剔除茶梗等雜物，但這項(xiàng)色選技術(shù)被發(fā)達(dá)國(guó)家壟斷，進(jìn)口設(shè)備成本很高。安農(nóng)大團(tuán)隊(duì)與合肥美亞光電公司合作，研制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)茶葉數(shù)字化智能色選機(jī)，通過光電系統(tǒng)分析茶物料表面的外觀色澤，快速區(qū)分茶、梗及非茶類夾雜物，并剔除異色物料。這項(xiàng)成果打破了發(fā)達(dá)國(guó)家色選技術(shù)壁壘，一臺(tái)成本僅相當(dāng)于國(guó)外進(jìn)口的1/4，在安徽、福建、湖北等15個(gè)產(chǎn)茶大省廣泛推廣，產(chǎn)品國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率達(dá)到60%，大大減少了企業(yè)的生產(chǎn)成本，提升了生產(chǎn)效率。

紅茶是世界上最受歡迎的飲料之一，約占全球茶葉貿(mào)易量的78％。但在生產(chǎn)加工中，紅茶發(fā)酵程度的判別完全依賴人工經(jīng)驗(yàn)，缺乏量化的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不統(tǒng)一，無法實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。實(shí)驗(yàn)室寧井銘教授研究團(tuán)隊(duì)采用近紅外光譜技術(shù)監(jiān)測(cè)茶葉在發(fā)酵過程中主要內(nèi)含化學(xué)成分的變化，利用計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)監(jiān)控茶葉外觀顏色的變化。在信息融合的基礎(chǔ)上，結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建立了一種紅茶發(fā)酵程度判別模型，該模型具有精準(zhǔn)、量化的特點(diǎn)，能夠在1分鐘之內(nèi)完成判別。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，將有力推動(dòng)茶葉加工的智能化和標(biāo)準(zhǔn)化水平。

以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向，團(tuán)隊(duì)相繼攻破一項(xiàng)又一項(xiàng)困難，讓茶葉更安全、產(chǎn)業(yè)發(fā)展更健康。

“小葉子”做成“大產(chǎn)業(yè)”

茶產(chǎn)業(yè)是山區(qū)農(nóng)民脫貧致富的扶貧產(chǎn)業(yè)。以我省為例，茶產(chǎn)業(yè)是全省農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化十大主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一。全省有茶農(nóng)300多萬人，茶葉收入在主要產(chǎn)區(qū)占當(dāng)?shù)剞r(nóng)民收入40%以上。特別是大別山連片特困區(qū)，茶產(chǎn)業(yè)是主導(dǎo)和支柱產(chǎn)業(yè)，茶葉收入占當(dāng)?shù)夭柁r(nóng)家庭收入的40%至50%。打好茶葉牌，唱好茶葉經(jīng)，對(duì)老百姓脫貧致富至關(guān)重要。

黃大茶是皖西特產(chǎn)，采用夏秋季原料加工，因原料粗老、加工粗放、包裝簡(jiǎn)陋，一直是上不了臺(tái)面的低檔大路貨。2016年，宛曉春課題組研究發(fā)現(xiàn)，黃大茶具有顯著的降血糖、降血脂等功效。這項(xiàng)研究成果成為很多“三高”病人的福音，消費(fèi)需求的急速增加直接催生了黃茶熱，以前名不見經(jīng)傳的茶葉成為搶手的“香餑餑”。該校和相關(guān)公司合作，開發(fā)了系列健康功能性茶葉產(chǎn)品,建設(shè)了自動(dòng)化生產(chǎn)線并實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。如今，黃大茶的價(jià)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(chǎn)品成為電商網(wǎng)店的熱銷品。

安徽雖是產(chǎn)茶大省，但茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對(duì)滯后。2012年，宛曉春、夏濤向省政府提出“關(guān)于加快推進(jìn)安徽省茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展的建議”。針對(duì)制約安徽茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題，制定了“服務(wù)安徽省茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)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(yōu)茶加工技術(shù)和裝備推廣、茶葉健康功能發(fā)掘、茶產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)與茶文化建設(shè)等方面，提出了振興安徽茶產(chǎn)業(yè)的技術(shù)路線。

安徽省半數(shù)以上的茶園是上世紀(jì)七八十年代開墾的，多為低產(chǎn)老茶園，制約了茶葉產(chǎn)量、品質(zhì)的提高和機(jī)械化采茶的推廣。團(tuán)隊(duì)通過離子誘變結(jié)合雜交和系統(tǒng)選擇等傳統(tǒng)方法，先后選育了3個(gè)國(guó)家級(jí)品種，4個(gè)茶樹新品系，在重點(diǎn)茶園廣泛推廣應(yīng)用。并通過研發(fā)的新茶樹扦插快繁技術(shù)，使得茶苗繁殖系數(shù)、苗圃利用率和經(jīng)濟(jì)效益提高一倍。

實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)把技術(shù)與人才作為提升安徽茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心要素，深化同地方政府、企業(yè)的產(chǎn)學(xué)研合作關(guān)系，為多地茶產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展提供智力支撐。與20多家省內(nèi)茶葉龍頭企業(yè)開展技術(shù)合作、新產(chǎn)品開發(fā)；對(duì)基層農(nóng)技人員開展技術(shù)培訓(xùn)，每年培訓(xùn)1000人次以上，促進(jìn)了茶產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，推動(dòng)了茶農(nóng)增收、企業(yè)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(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃并提供實(shí)施技術(shù)支撐，規(guī)劃實(shí)施后，黃山市茶葉農(nóng)業(yè)產(chǎn)值由5.2億元增長(zhǎng)到13.5億元，信陽市茶葉總產(chǎn)值由8.44億元增長(zhǎng)到77.2億元，小小茶葉為地方帶來大希望。