基于加工用番茄果实及果肉组织主要性状的相关性分析

2019-08-15唐亚萍张国儒李晓琴帕提古丽

新疆农业科学 2019年5期

杨涛, 唐亚萍, 张国儒, 李晓琴, 帕提古丽,

王柏柯, 李宁, 王娟，余庆辉, 杨生保

(新疆农业科学院园艺作物研究所，乌鲁木齐830091)

0 引言

【研究意义】番茄(Solanumlycopersicum. L，2n=24)为草本，属于茄科家族分支，是继马铃薯后最主要的消费蔬菜，不仅可以鲜食销售也可以加工成酱、汁、丁和整果番茄[1]。中国是世界第一大番茄生产国，面积约占1/3，已成为世界最大的番茄生产国，新疆独特的自然条件为规模化种植加工番茄创造了有利的条件，目前加工番茄种植面积和生产加工能力均占到全国近90%以上，其番茄制品绝大部分出口，是新疆重要的出口创汇产品，连续多年种植面积保持在70×104/667m2以上[2-4]。由于产业转型升级需求，目前新疆的加工番茄种植基本上实现了全程机械化，其中重要采收环节也实现了机械化。这也对品种提出了新的要求，品种的产量、抗病性、可溶性固形物含量、番茄红素含量、总酸含量、果实的硬度、果实的集中成熟性、成熟后的田间耐放性等指标都直接与种植户和加工企业息息相关，因此，番茄加工产业链的原料基础品种，已成为其产业链中至关重要的一个环节，关乎种植户的收益也关乎企业的利益[5,6]。【前人研究进展】为了有效提高加工用番茄的果实硬度和田间耐放性，利用不同的技术手段对果实的硬度和果实耐贮性开展了研究[7-13]，并对不同品种的加工适宜性进行了评价[14,15]，在生产中，为了提高番茄果实的硬度和田间耐放性，最简单快速的方法就是在杂交组合配制中引入成熟突变体材料，比如rin和nor基因突变体，而此类突变体易导致果实色泽不红，商品性下降等缺陷[6]。番茄果实为呼吸跃变型，在成熟进程中伴随乙烯的释放，果实内生物化学的进程加速，果实开始软化，果实硬度降低，耐贮运性降低，因此，番茄果实成熟过程中软化集合了果实硬度和质地的改变[16]。成熟突变体可导致番茄果实软化速度的降低，比如，RIN(RIPENING INHIBITOR)为一个MADS-box转录因子[17]，在果实成熟过程中扮演着重要的角色，参与果实成熟过程中乙烯的调控，进而延缓果实的成熟，增加果实的硬度，延长货架期[18-24]。而在生产应用方面，当将rin突变体和其它栽培种杂交时(即基因型为RIN/rin)，其F1代果实表型表现了中间型，果实可以成熟且货架期得到了延长，其主要原因为杂合状态下rin基因转录调控ACS和ACO基因，导致乙烯产生的降低，因此,rin突变体以隐性遗传的作用方式抑制番茄果实的成熟并常被用于商业化杂交[25-27]。Cnr(Colorless nonripening)突变体为一个显性的成熟突变体，位于2号染色体，突变自商品种Liberto[28]，该突变体果肉细胞间粘连显著降低，外源乙烯施用对成熟无影响[29]，Cnr突变体最突出的一个特点就是果实软化进程受阻，果实硬度很好，可溶性螯合剂碳水化合物比例降低了50%[30]。通过图位克隆和基因沉默技术，发现在Cnr位点存在一个SBP结构域(SQUAMOSA类启动子绑定蛋白)，进而发现Cnr突变体的表型是由于SBP-box启动子区自发的甲基化突变[31]。Nor(nonripening)突变体与rin和Cnr突变体拥有类似的特点，在果实成熟阶段，尽管种子和果实的大小已发育成熟，但成熟并没有提前，无法产生成熟相关的乙烯，即使施用外源乙烯也无法成熟[32]。Nr(Never-ripe)突变体为自发性显性突变，该突变体果实即使暴露在外源乙烯也不成熟，且植株通体对乙烯表现为不敏感，其主要是因为NR乙烯接收因子上的一个氨基酸发生了变化[33]。DFD突变体为果实延迟劣变(Delayed Fruit Deterioration，DFD)，由于可经历正常的果实成熟，但确表现了最小的软化，在达到了完熟后保持硬度可达6个月之久，与对照AC(Ailsa Craig)品种比较，DFD突变体的果实在软化过程中经历了相似的细胞壁解聚、胞间粘连降低和细胞壁降解相关基因得到了表达，但在DFD突变体果实在软化过程中确表现了最小的水分交换损失，进而细胞膨压得到了提高[34]。相对于未成熟果皮中分离出的40种代谢产物，DFD突变体果皮在成熟过程中有22种代谢产物显著得到了提升[35]。未来育种工作的竞争首先是资源，因此,种质资源的表型性状鉴定和优异资源的深入挖掘，对品种选育和产业的发展意义重大[36]。番茄种质资源丰富，前人已从不同角度利用不同手段对其开展了大量的农艺性状鉴定和分类[37,38]。【本研究切入点】虽然前人已对番茄的耐贮性和耐贮品种改良进行了研究，但特异针对加工用番茄果肉外果皮细胞厚度和离体耐放性的研究报道不多。研究不同加工用番茄种质资源果肉外果皮细胞厚度和离体耐放性等性状间的相关性。【拟解决的关键问题】以12份加工用番茄高代自交系的种质资源为研究对象，调查全部参试材料与果实相关的主要性状，利用Image J软件测定参试材料果实横切面果实面积和果腔面积，利用石蜡切片技术完成所有参试材料的果肉外果皮厚度调查，在自然室温条件下调查不同参试材料35 d离体放置后的果实重量损失和果实的腐烂率，分析研究所有参试材料各调查性状间的相关性，为加工用番茄品种选育的进一步改良奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料

研究所用的试验材料分别为加工番茄育种资源材料ZH-77、WP-3、ZH-78、KT-10、ZP-21、ZP-15、WP-11、ZP-22、ZP-2、ZY-86、DT-307和WP-39，均为高代自交纯合体，种子由新疆农业科学院园艺作物研究所繁殖。

1.2 方法

1.2.1 田间试验

田间试验于2017年3至9月在新疆农业科学院综合试验场进行。田间采用随机区组试验设计，三次重复，单垄双行种植，株距30 cm，沟心距1.5 m，每小区种植30株，采用膜下滴灌栽培模式，田间管理同大田一致。3月20日播种，5月10日定植。根据每小区种植株数，在果实开始成熟时每天调查各研究材料的成熟株数，当小区成熟株数达到总株数的50%时，记为该小区该材料的始熟期，并于始熟期15 d后在每小区随机采摘10个红熟的单果进行相关果实性状的调查，同时在每份研究材料小区内再随机采摘3个果实用于石蜡切片。

1.2.2 果实表型性状测定

当每个品系的果实完全达到红熟期时，于各小区随机采摘10个果实进行果实纵径、果实横径、果肉厚、心室数、单果重、可溶性固形物含量、单果耐压力的测定。同时，在每个果实的正中部分横切，后在果实旁边放置标尺并用佳能EOS 60D相机拍照，用Image J软件进行果实横切腔室面积和总果实面积的统计，腔室面积占比为腔室面积与果实面积的比值。试材石蜡切片的外果皮厚统计见杨生保等[4]方法。各研究试材果实常温放置35 d后的腐烂率测定见杨生保等[4]，失重率测定方法为，于果实常温放置第0 d，从各品系各重复中选择完好无损固定3个果实，基本每8 d进行一次重量测定，后利用公式(第0 d单果重-第n d单果重)/第0 d单果重×100，计算失重率。

1.2.3 果肉组织观察

12份加工用番茄参试材料，从番茄果肉组织结构特征方面研究材料的差异性，研究采用石蜡切片技术，分别观察12份材料的果肉组织的结构特性。

1.3 数据处理

试验数据用Excel进行录入与整理，用SPSS 19.0进行相关性与聚类分析，用Origin 7.0软件进行制图。

表1 果实形态指标
Table 1 Fruit morphology index

编号NO.纵径(cm)Longitudinal diameter横径(cm)Transverse diameter果形指数Fruit shape index果肉厚(cm)Pulp thick心室数(个)NO. of ventricular单果重(g)Weight per fruit可溶性固形物含量(%)Soluble solid content单果耐压力(N)Compression resistant per fruitZH-774.68aA4.56bcBC1.03aA0.56aA2.8cdeBCDE56aA4.05abA38.90aAWP-35.93cdCD4.13aA1.43deEF0.77deCD2.5bcABC58aA5.77dD75.80dDEZH-785.40bB4.70cdBCD1.15bB0.60abAB2.3abAB66bAB4.11abA40.32aAKT-105.87cdCD4.57bcBC1.28cCD0.56aA2aA70bcBC3.82aA76.08dDEZP-216.28efDE4.41bAB1.42deEF0.55aA2.7bcdeBCD72bcBCD4.32bA71.38cdDZP-155.65bcBC4.89deCD1.16bB0.57aA2.8cdeBCDE78cdCDE4.25abA54.98bBWP-116.31efDE4.65bcdBC1.36cdDE0.66bcAB2.4abcAB78cdBCDE5.34cdBD86.88eEZP-226.57fE4.48bcAB1.47eEF0.56aA3.1efDE84deDE4.91cB57.20bBCZP-26.16deDE4.74cdBCD1.30cCD0.84eD3efCDE84deDE4.06abA67.50cdBCDZY-865.92cdCD5.05eD1.17bBC0.63abcAB3.3Ef88eE4.06abA63.90bcBCDDT-3077.05gF4.66bcdBC1.51eF0.71cdBC3efCDE88eE5.76dD87.70eEWP-397.35gF5.07eD1.45deEF0.68bcBC2.6bcdBCD110fF5.12cB69.42cdCD

注：肩标小写和大写字母不同，表示差异显著和极显著(P<0.05和P<0.01)

Note: The different shoulder superscript lowercase and uppercase indicate the significant and extremely significant variance (P<0.05 andP<0.01)

2 结果与分析

2.1 主要果实性状差异

研究表明，参试材料果实纵径介于4.68～7.35 cm，最小和最大果实纵径分别为ZH-77和WP-39；果实横径介于4.13 ～5.07 cm，其中，WP-3的果实横径最小，WP-39的果实横径最大；果形指数介于1.03～1.51，ZH-77和DT-307的果形指数分别为最小和最大；果肉厚介于0.55～0.84 cm，其中，ZP-21的果肉厚最薄，ZP-2的果肉厚最厚；心室数介于2～3.3个，加工用番茄的心室数普遍在2～3个左右；在单果重方面，ZH-77的单果重最小为56 g，WP-39的单果重最大为110 g，12份参试材料的平均单果重为77.67 g；在可溶性固形物含量方面，WP-3的可溶性固形物含量最高为5.77%，KT-10的可溶性固形物含量最低为3.82%，12份参试材料的平均可溶性固形物含量为4.63%；12份参试材料的单果耐压力介于38.90～87.70 N，平均单果耐压力为65.84，最小和最大单果耐压力分别为ZH-77和DT-307。参试研究材料的主要果实性状各具特色，差异显著。表1

2.2 果实横切面面积及果肉组织细胞结构差异

研究表明，20 μm视野下12份材料的果肉组织外果皮平均厚度为8.311 μm，其中，果肉组织外果皮平均厚度最大的为WP-39为10.30 μm，果肉组织外果皮平均厚度最小为ZH-78为6.75 μm。在加工型番茄果实横切面腔室面积情况方面，平均果实面积为23.07 cm2，其中，果实面积最大的为ZY-86为32.52 cm2，果实面积最小的为KT-10为18.01 cm2；12份材料的果实横切面腔室平均面积6.27 cm2，其中，腔室面积最大的为ZY-86为10.09 cm2，腔室面积最小的为DT-307为4.09 cm2；12份材料的平均腔室面积占果实面积的比率为27.29%，其中，腔室面积占果实面积最大比率的为ZH-77为36.02%，占比最小的为ZP-21为19.07%。图1

注：A～L分别为ZH-78、ZP-22、ZY-86、ZH-77、ZP-21、ZP-2、WP-3、ZP-15、KT-10、WP-11、DT-307和WP-39的果肉组织石蜡切片在20?m视野下的照片，M为参试材料的外果皮厚度统计，N为果实横切面果实面积、腔室面积和腔室面积占比统计

Note: A to L refer to pericarp cell of parafin section of ZH-78, ZP-22, ZY-86, ZH-77, ZP-21, ZP-2, WP-3, ZP-15, KT-10, WP-11, DT-307 and WP-39 at 20μm vision, respectively. M refers to the statistics of exocarp thickness of all materials. N refers to the fruit area of cross section, the proportion statistics between the cavity area and the fruit area

图1 果肉组织石蜡切片、外果皮厚度及果实横切面面积统计
Fig.1 Photos of pericarp tissue for paraffin section, thickness for epicarp and area data for fruit cross section

2.3 常温放置35 d后果实的变化

研究采用的是番茄果实的离体常温放置试验，通过对参试材料的研究发现，12份材料常温放置35 d后的平均腐烂率55.50%，其中，腐烂率最高的材料为ZH-78为98.33%，基本没有好的果实，，腐烂率最低的为WP-11为11.67%，其它材料的腐烂程度依次为：ZH-78>ZY-86(97.33%)>ZH-77(80.33%)>ZP-2(76.33%)>ZP-15(62.33)>ZP-22(61.67)>KT-10(52.67%)>WP-39(42.33%)>ZP-21(37.33%)>WP-3(25.33%)>DT-307(20.33%)>WP-11。12份材料常温放置35 d后的平均失重率为31.96%，其中，ZH-77和ZH-78常温放置35 d后失重均超过了50%，分别为63.68%、54.47%；ZP-21和WP-11虽然在常温贮藏35 d后也发生了失重，但失重的比率较低，均为17.36%，大部分果实的形态未发生明显的变化，尤其是4-J表现特别突出。图2

注：A～L编号同上，果实常温放置35 d后的照片，M为参试材料不同放置时间失重率，N为参试材料常温放置35 d后的腐烂率Note: The NO. of A to L is similar to the upper and refer to the photos of different genotype fruits storage under room temperature for 35 days, respectively. M refers to the weight loss under different time point of different lines. N refers to the rotting rate of all materials storage under room temperature for 35 days

图2 常温放置35 d后的果实照片、重量损失率和各品系腐烂率
Fig. 2 Fruit photos for storage 35 days under room temperature, percent for weight loss and rotting rate for each line

2.4 各调查性状间的相关性

研究表明，各调查性状间存在不同程度的显著或极显著正负相关，相关系数介于-0.903**～0.875**。其中，果实纵径与7个性状存在显著或极显著的正负相关，相关系数介于-0.805**～0.875**；果实横径分别与单果重和果形指数存在极显著相关，相关系数分别为0.713**和0.875**；果形指数与7个性状存在显著或极显著的正负相关，相关系数介于-0.903**～0.875**；果肉厚和心室数均不与任何调查性状存在相关性；单果重分别与果实横径和果实纵径存在极显著相关，相关系数分别为0.814**和0.713**；可溶性固形物含量与4个调查性状间存在显著或极显著正负相关，相关系数介于-0.779**～0.739**；单果耐压力与7个调查性状间存在显著或极显著正负相关，相关系数介于-0.854**～0.730**；腔室面积占比与5个性状存在显著或极显著正负相关，相关系数介于-0.903**～0.755**；腔室面积与3个性状存在显著正相关，相关系数介于-0.666*～0.705*；果实面积仅与腔室面积存在显著正相关，相关系数为0.701*；外果皮厚与3个性状存在显著的正负相关，相关系数介于-0.457*～0.976**；外果皮厚度与4个性状存在显著或极显著负相关，相关系数介于-0.687*～0.670*；常温放置35 d后的失重率与5个性状存在显著或极显著正负相关，相关系数介于-0.854**～0.755**；常温放置35 d后的果实腐烂率与5个性状存在显著或极显著的正负相关，相关系数介于-0.812**～0.686*。表2

3 讨论

3.1 参试材料的评价

新疆是我国重要的加工用番茄产区，为了能选育出优异的适宜加工用番茄杂交品种，为番茄加工产业提供优质的原料，适宜加工用番茄种质资源表型性状的鉴定和优异资源挖掘显得尤为重要，对加工用番茄育种意义重大。利用16个表型性状和81个不同类型的多态性分子标记，有效分析了615份加工用番茄高代自交系的遗传多样性[38]。研究所选用的12试材也均为经过多年自交分离选育的高代自交系，12份参试材料果实纵径、果实横径、果形指数、果肉厚、单果重、可溶性固形物含量、单果耐压力等主要果实性状均表现了明显的差异，多样性丰富。

3.2 各性状间的相关性

外表皮覆盖在所有陆生植物器官的最外层，是一种蜡质表层，在防止水分损失、病菌侵染、品质、硬度和光泽的修饰方面扮演重要的角色[39,40]。为了能更好的评估不同参试材料果实果肉组织的外果皮厚度，研究利用石蜡切片技术和Image J软件，完成了所有组织样品的外果皮厚度评价，并发现不同参试材料的外果皮厚度之间存在明显的差异。细胞微观结构与果蔬质地变化已应用在多种作物上，比如，近期李三培等[41]利用石蜡切片技术成功比较了不同类型甜瓜成熟过程中的果肉质地和果肉组织的细胞显微结构变化。由于果实内部的果腔为不规则形状，很难进行有效测定，研究借助Image J软件，比较分析了所有参试材料的果实横切面，果实总面积、果腔面积和果腔面积占果实总面积的比值，不同参试材料果实内部存在着明显的差异。

加工型番茄若采收不及时，一般常常处于田间挂枝状态，此时，田间耐贮藏不易腐烂的品种可有效降低农户的产量损失，进而降低果实的霉变和酱产品中的霉菌指标，因此，为了模拟田间生产中自然条件下番茄果实贮藏的实际情况，研究采用的是番茄果实的离体常温放置试验。利用该试验方法比较了不同试材间的果实腐烂率[4]，利用离体常温放置试验放置了DFD突变体长达6个月之久[34]，通过室温放置30 d评价了不同试材果实的腐烂率[13]。研究发现，12份研究材料常温放置35 d后的腐烂率差异明显，ZH-78的腐烂率最高，WP-11的腐烂率最低，通过外果皮厚度和相关性分析，这2份材料的外果皮厚度分别为6.75 和9.09 μm，虽然WP-11的外果皮厚度不是最厚，但通过图4-J可明显看出，该材料为rin成熟突变体，与该材料的特异性相关[17-24]，而其它外果皮厚度比较厚的材料WP-39和DT-307，其腐烂率分别为42.33%和20.33%，均不太高。

相关性分析是研究变量间关联密切程度的一种常用统计方法[42]。并已成功的应用在番茄遗传资源多样性分析中[3,37]，研究利用相关性分析，各调查性状间存在不同程度的显著或极显著正负相关，有些结果与前人的研究结果一致，比如，研究发现果形指数与果实纵径呈极显著正相关，与前人的研究结果一致[3,37]，也有结论不一致的地方，比如，研究发现果肉厚不与任何调查性状存在相关性，而在前人的研究中发现果肉厚与果实硬度相关[3,37]。研究发现，外果皮厚度、常温放置35 d后的失重率和腐烂率这三个性状均与果实的耐压力呈显著或极显著正负相关，相关系数分别为0.671*、-0.854**和-0.812**，常温放置35 d后的腐烂率与外果皮厚呈显著的负相关，相关系数为-0.687*，意味着外果皮越厚果实常温放置若干天后的腐烂率越低，这一点对于选育优异的田间耐放性好的加工用番茄品种有重要的参考价值。此外，也有研究指出果实外果皮的透水性并不与外果皮的厚度和总蜡质含量相关[43]。