不同品种番茄果实矿质元素含量评价

金宁，肖雪梅，郁继华，金莉，武玥，吕剑，唐中褀，闫晓花

(甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州 730070)

番茄(SolanumlycopersicumL.)原产于南美洲西部的秘鲁、智利、玻利维亚及厄瓜多尔等国家的高原或谷地[1]，是茄科(Solanceae)番茄属中以成熟多汁浆果为食用器官的草本植物[2].随着人们生活水平的提高，大众的饮食文化也逐步高级化，人们对于蔬菜产品的要求发生了显著的变化，不仅要求数量充足和周年供应，而且更注重品种外观、风味和营养等内在品质，果实品质的优劣已成为其市场竞争力的核心因素[3].

近年来，番茄果实的品质已成为消费群体和科研人员共同关注的问题，描述番茄果实品质的指标有很多，但多数研究都局限于番茄果实可溶性糖、有机酸、糖酸比、维生素C等指标的研究，而对番茄果实中矿质元素的报道较少，对不同品种的番茄果实矿质元素积累也缺乏研究，番茄中各种矿质元素含量之间的相互关系也尚未有明确的结论.关于果树果实矿物质的相关研究表明，矿质元素种类、含量与植物生长发育密切相关，它既可以直接参与到新陈代谢过程中，也可以改变植株的形态和生物化学特性，进而对产量及果实品质产生较大影响[4]，各种矿质营养的绝对含量以及它们之间的相互作用，决定着果实可溶性固形物、维生素C、有机酸含量以及果实大小、果肉硬度、果形指数、着色程度、果实耐贮性等品质[5-7].目前，在番茄品种的综合评价中应用较多的方法主要有水平分析、主成分分析法、相关性分析、聚类分析、隶属函数法、DTOPSIS 法等[8].韩泽群等[9]利用主成分分析法将加工番茄品种的17个农艺性状指标转化为5个主要指标，从不同的角度给予了全面、客观的评价；梁梅等[10]研究番茄的13个农艺性状与果实中可溶性糖、维生素C和番茄红素的相关性，以筛选出影响番茄果实营养品质的主要农艺性状，从而为番茄果实品质性状的早期评价提供依据.张余洋等[11]通过PEG模拟干旱胁迫对新疆14个主要加工番茄品种进行萌芽期和幼苗期耐旱性鉴定，采用聚类分析法对加工番茄发芽率、发芽势、发芽指数、胚根长度、幼苗鲜质量、幼苗干质量等指标进行比较分析，并依据相似性对加工番茄萌芽期和幼苗期的耐旱性进行快速鉴定.但以上3种分析方法大多用于番茄农艺性状指标的分析，而鲜见其用于番茄果实矿质元素含量的评价.

本研究以9个番茄品种为试材，以K、P、Mg、Ca、Cu、Fe、Mn和Zn 8种矿质元素为检测指标，运用相关性分析、主成分分析和聚类分析对番茄品种和矿质元素含量之间的关系进行分析与科学分类，旨在为正确评价番茄营养功能和番茄果实矿质营养的品种差异提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 材料

供试9个高糖番茄品种(表1)均采自靖远县现代农业示范区，苗龄41 d定植，定植时间为2018年10月4日，定植基质为绿能瑞奇，基质pH 7.8，EC2.2 ms/cm，全N 1 593 mg/kg，碱解N 491.8 mg/kg，速效P 125.6 mg/kg，速效钾 341.5 mg/kg.垄上双行定植，定植株距40 cm，行距25 cm.试验采用水肥一体化膜下滴灌的方式进行灌水施肥，试验地立地条件和肥水管理一致，试验用番茄均采收于盛果期.

表1 9个品种番茄信息

1.2 方法

番茄果实采摘后105 ℃杀青，80 ℃烘干，用植物组织粉碎机研磨.K和P元素前处理为H2SO4-H2O2消煮法；Mg、Ca、Cu、Fe、Mn和Zn元素前处理为干灰化法[12].P元素的测定采用钼锑抗比色法[13]；K、Mg、Ca、Cu、Fe、Mn和Zn元素测定采用原子吸收光谱法[14].

1.3 数据分析

运用Excel 2010对数据进行处理及作图，并用SPSS 19.0进行K-S检验、方差分析、相关性分析、主成分分析及聚类分析.

2 结果与分析

2.1 番茄果实矿质元素含量的水平分析

2.1.1 9个品种番茄果实矿质元素含量的K-S检验 Kolmogorov-Smirnov(K-S)检验法常被用来检验样本是否符合正态性分布.它是用样本本身的信息检验样本来自同一个总体正态分布假设的一种统计检验方法.运用SPSS 19.0数据处理系统的正态性检验功能对9个不同品种番茄果实8种矿质元素含量进行K-S检验.结果显示，K、P、Mg、Ca、Cu、Fe、Mn、Zn渐近显著性(双侧)值P值分别为0.988、0.675、0.881、0.937、0.661、0.946、0.289和0.638，均大于显著水平(α=0.05)，表明9个不同品种番茄果实矿质元素含量数据均服从正态分布.

2.1.2 9个品种番茄果实矿质元素含量分析 由表2可知，各品种间K、Mg、Ca及Mn元素含量以品种‘东风299’最高，其中，K、Mg及Mn元素含量均显著高于其他8个品种，Ca含量显著高于除‘181’外的其他7个品种；P和Zn含量以品种‘184’最高，其中，P含量显著高于其他8个品种，Zn含量显著高于除‘东风299’外的其他7个品种；Fe和Cu含量以品种‘181’最高，其中，Fe含量显著高于除‘东风299’外的其他7个品种；Cu含量显著高于其他8个品种.这说明不同品种间的同一种矿质元素存在着明显的差异.

表2 9个品种番茄果实矿质元素含量

2.1.3 番茄果实8种矿质元素含量分析 本试验统计了9个番茄品种中8种矿质元素含量范围、平均值、标准差和变异系数(表3).结果表明：在所测定的8种矿质元素中，K含量最高，Cu含量最低，大量元素( K、P、Mg和Ca)含量显著高于微量元素(Cu 、Fe、Mn和 Zn)，其中，大量元素K、P、Mg和Ca之间均存在显著性差异，微量元素Mn和Cu含量无显著性差异.通常认为变异系数(CV)≤ 10%为弱变异，10%

表3 番茄果实8种矿质元素含量

2.2 番茄果实矿质元素的相关性分析

对番茄果实中8种矿质元素进行Person相关性分析，结果如表4所示.K与P、Mg、Fe、Mn、Zn均呈正相关，其中，K与P、Mg、Fe、Zn呈极显著正相关(α=0.01)，与Mn呈显著性正相关(α=0.05)；P与Mg、Fe、Zn均存在极显著正相关(α=0.01)；Mg与Fe、Mn、Zn均达到极显著正相关(α=0.01)；Fe与Mn、Zn呈正相关，其中，Fe与Mn达到显著正相关(α=0.05)，与Zn达到极显著正相关(α=0.01).Ca与Zn、Cu与Mn均呈负相关，但没有达到显著水平.说明番茄果实中元素含量间存在复杂的相关关系.

2.3 番茄果实矿质元素含量的主成分分析

主成分分析是实现降维的一种统计方法，在损失较少信息前提下，用少数变量尽可能多地反映原来变量的信息.以8种矿质元素含量为分析指标，对9个番茄品种的8种矿质元素含量进行主成分分析得到主成分特征值、贡献率和累积贡献率(表5).如图1所示，研究中按照累积贡献率大于85%及特征值大于1的原则，选择了3个主成分.结果如表5所示，第一主成分特征值为5.09，代表9个品种8种矿质元素含量 63.626%的信息；第二主成分特征值为1.26，代表9个品种8种矿质元素含量15.756%的信息，第三主成分特征值为1.225，代表9个品种8种矿质元素含量15.311%的信息，前3个主成分累计方差贡献率为94.693%，说明这 3个主成分反映了原始变量95%的信息.因此提取前3个主成分代替原8个指标评价番茄矿质元素含量.对番茄矿质元素含量评价的指标由最初的8个方面降为3个彼此不相关的主成分，达到了降维的目的.

表4 番茄果实中矿质元素的相关性分析

图1 主成分分析碎石图Figure 1 Scree plot of principal component analysis

表5 番茄果实中矿质元素主成分分析的特征值及方差贡献率

2.4 番茄果实矿质元素含量的综合评价

主成分的载荷矩阵旋转之后载荷系数更接近1或者更接近0，这样得到的主成分能够更好地解释变量.由表6结果可知，主成分1(F1)主要综合了K(因子负荷为0.933)、P(因子负荷为0.963)、Mg(因子负荷为0.937)、Fe(因子负荷为0.928)及Zn(因子负荷为0.939)这5种矿质元素的信息，主成分2(F2)和主成分3(F3)分别与Ca(因子负荷为 0.980)和Cu(因子负荷为0.986)有关，由于因子负荷均为正值，位于正向分布，所以因子得分越高，所对应的矿质元素含量越高.因为总方差 50%以上的贡献来自第1主因子[15]，因此认为 K、P、Mg、Fe、Zn是番茄的特征无机元素.

如表6所示，用各矿质元素的主成分载荷除以相对应主成分特征值的开平方根，得到3个主成分中每个矿质元素所对应的系数即特征向量，以特征向量为权重构建3个主成分的表达函数式：

Y1=0.414X1+0.427X2+0.415X3+0.006X4+0.042X5+0.411X6+0.308X7+0.416X8

Y2=0.091X1+0.003X2+0.221X3+0.873X4+0.097X5+0.114X6+0.519X7-0.061X8

Y3=-0.07X1+0.084X2-0.170X3+0.147X4+0.891X5+0.170X6-0.337X7+0.176X8

在以上3个表达式中，X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7及X8分别为标准化的 K、P、Mg、Ca、Cu、Fe、Mn及Zn含量.以各个主成分对应的方差贡献率作为权重，由主成分得分和对应的权重线性加权求和得到综合评价函数如下：

综合得分=0.636Y1+0.158Y2+0.153Y3

根据主成分综合得分模型， 可计算出9个番茄品种8种矿质元素的综合得分和排序(表7).综合得分由高到低依次为‘东风299’‘181’‘184’‘180’‘粉太郎’‘冠群三号’‘金明’‘P1802’‘P1801’.

表6 番茄果实8种矿质元素的主成分载荷矩阵及特征向量

表7 9个品种番茄果实矿质元素的综合得分

2.5 番茄果实矿质元素含量的聚类分析

采用系统分析法将番茄9个品种8种矿物质含量划分为3类，将样本划为不同类群以便于进行相似性评价，结果如图2所示，9个品种被划分为3类，第Ⅰ类包括品种‘粉太郎’‘冠群三号’‘180’‘金明’和‘P1801’，这类品种的8种矿质元素的平均含量均排名中等，矿质元素的综合品质较好；第Ⅱ类包括品种‘东风299’‘181’和‘184’，具有较高的K、P、Mg、Fe和Zn元素的平均含量，矿质元素综合品质最好，排名前3名；第Ⅲ类为品种‘P1802’，此品种的K、Mg、Mn及Zn元素的平均含量均排名最低，矿质元素的综合品质最差.

图2 不同品种番茄果实矿质元素含量聚类分析Figure 2 Cluster analysis of mineral elements content in different varieties of tomato fruit

3 讨论

矿质元素是指除去碳、氢、氧外植株根系从土壤或栽培基质中吸收的植物生长发育所必须的元素，主要包含大量元素、中量元素和微量元素三大类.P、K是植物所需的两种大量元素，P是植物体内结构如细胞核的重要组分，在生长初期对植物根系伸长有显著的促进作用，K是植株中含量最多的金属元素，参与植株体内各种代谢活动，同时还能够增强植株的抗逆性.有研究表明，番茄叶片中K累积量与光合能力呈正相关关系，茎叶中P含量影响植株净光合速率[16-17].Ca与Mg作为中量元素，对植物也有重要作用.Ca作为植物细胞伸长所必须的营养元素[18]，除参与植物体的很多生理生化反应外，还有维持生物膜的稳定性、促进果胶合成、增强植物抗病力及提高植物体内多种酶的活性等作用[4,19-20].研究表明，黄瓜、甜椒等蔬菜叶片的斑点病、番茄果实的脐腐病等均与钙素供应不足有关[21].Mg作为植物叶片叶绿素的重要构成成分之一，土壤的酸碱性、提供阳离子的种类及植物种类都会影响植株对镁的吸收，镁肥对果类蔬菜及露地栽培的蔬菜更为重要.Cu、Fe、Mn、Zn是植物所需的微量元素，当微量元素供应不足时，植株常表现出缺素症，进而影响生长、产量及品质；当供应过量时同样会产生副作用，严重时还会导致植物中毒，乃至给人和动物的健康带来较大影响[22].Cu、Fe、Mn等与叶绿素密切相关，其中Cu元素与呼吸作用有密切关系，参与植物体蛋白质和糖代谢等重要生理生化反应，Fe还参与植物的光合作用过程和固氮过程，适量的Mn能促进种子的萌发、幼苗生长及花的正常发育等.锌与RNA和DNA聚合酶有重要关系，同时它也是植物体内59种复合酶的构成成分之一，且有报道称，施用锌肥可以提高番茄果实中维生素C含量，降低总酸含量[18，23].

果实中矿质元素含量与土壤养分具有直接关系，但同时受自身营养吸收、运转和分配等因素影响.同一种矿质元素在不同种类、不同品种果品中的含量差异很大.匡立学等[24]研究发现苹果中 7 种矿质元素指标的平均含量排序为K>P>Mg>Ca>Zn>Cu>Mn；马小卫等[25]研究芒果矿质元素，得出各营养元素含量为 K>P>Mg>Ca>Na>Mn>Fe>Zn>Cu>B；而在本研究中番茄8种矿质元素含量的排序为K>P>Mg>Ca>Fe>Zn>Mn>Cu.果实中营养元素含量之间也存在着相互作用，多种矿质之间的综合效应共同影响着果实的产量和品质.分析果实中养分之间的相关性，有助于了解元素间可能存在的关系，在番茄养分管理中可根据这些关系采用科学的施肥措施调控养分的平衡，有时可以通过减少一种养分的过量施用达到纠正另一种养分缺乏的目的.例如，梨[26]果实中Cu和Fe之间、葡萄[27]果实中Fe与B之间均存在显著正相关.李珊珊[28]对谷子的研究中发现，K与Cu、Mn、Zn、Mg 都具有较好的相关性，Cu、 Mg、 Mn、 Zn 相互之间都呈极显著正相关.在本研究中，K与P、Mg、Fe、Zn呈极显著正相关，与Mn呈显著性正相关；P与Mg、Fe、Zn均存在极显著正相关；Mg与Fe、Mn、Zn均达到了极显著正相关；Fe与Mn达到了显著正相关，与Zn达到了极显著正相关；Ca与Zn、Cu与Zn均呈负相关，但相关性不显著.本研究结果明确了番茄果实矿质营养元素之间的相关性，可为番茄的配方施肥提供一定的理论依据.

目前，果实品质性状的评价更趋向于客观化、定量化，评价方法也趋向多元化和综合化，国内外已有很多关于评价方法的研究和应用.主成分分析是一种常见的多指标评价方法[29-30]，其基本思想都是通过降维，将多个具有一定相关性的观测指标转化为少数几个新的指标，再依据各样品的因子得分进行综合评价，使评价结果更加客观、合理，广泛运用在农作物的数量性状分析和综合评价中[31-32].由于番茄果实中矿质元素之间存在一定的相关性，本研究通过主成分分析将所研究的 8个矿质元素指标进行简化，筛选出 K、 P、Mg、Fe、Zn 是评价番茄果实营养品质的特征矿质元素.进一步通过计算不同品种果实矿质元素的综合分值，得出9个不同番茄品种排名依次为‘东风299’‘181’‘184’‘180’‘粉太郎’‘冠群三号’‘金明’‘P1801’‘P1802’.聚类分析是应用多元统计分析原理研究分类问题的一种数学方法，主观因素少，分类结果客观、科学，并可同时对大量性状进行综合考察[33].聚类分析方法是根据不同性状间所具有的相关性或者是样品间的相似性或差异性指标，定量地确定样本间的亲疏关系.现已广泛用于李、桃、杏、梅、柿、葡萄、苹果仁、柑桔仁、枇杷和甜瓜等果树果实品质的综合评价[34].本试验采用系统聚类法按欧式距离进行系统聚类分析，9个不同品种共被分为3类，第Ⅰ类包括品种‘粉太郎’‘冠群三号’‘180’‘金明’和‘P1801’，矿质元素的综合品质较好；第Ⅱ类包括品种‘东风299’‘181’和‘184’，矿质元素综合品质最好，排名前3名；第Ⅲ类为品种‘P1802’，矿质元素的综合品质最差.

4 结论

综上所述，9个品种番茄中8 种矿质元素的平均含量由高到低依次为K>P>Mg>Ca>Fe>Zn>Mn>Cu.K与P、Mg、Fe、Zn呈极显著正相关，与Mn呈显著性正相关，相关系数均在0.5以上.K、P、Mg、Fe、Zn是番茄的特征矿质元素.不同品种番茄间8种矿质元素的组成存在差异，可分为3类，第一类为中等矿质元素品种，包括品种‘粉太郎’‘冠群三号’‘180’‘金明’和‘P1801’五个品种；第二类为高矿质元素品种，包括品种‘东风299’‘181’和‘184’3个品种；第三类为低矿质元素品种，包括‘P1802’一个品种.按照主成分分析综合得分由高到低9个不同番茄品种排名依次为‘东风299’‘181’‘184’‘180’‘粉太郎’‘冠群三号’‘金明’‘P1801’‘P1802’.研究结果对番茄生产育种和消费中的品种选择有一定的参考价值.