耐裂性不同的西瓜发育过程中果实力学特性及果皮结构动态研究

詹园凤，贺 滉，谢彩虹，党选民

（中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所/农业农村部华南作物基因资源与种质创制重点实验室，海南 海口 571101）

【研究意义】西瓜〔Citrullus lanatus（Thunb.）Matsum & Nakai〕裂果产生伤口，导致病害的加剧，严重降低果实的商品性，影响经济效益，尤其是小果型西瓜皮薄且脆，裂果已成为限制设施小果型西瓜生产发展的重要因素之一[1]。目前有关西瓜裂果的机理还不完全清楚，西瓜裂果性状的精准评价方法有待进一步完善。因此开展西瓜果实力学特性与果皮结构研究，对揭示西瓜裂果机制与选育耐裂西瓜新品种具有重要的科学意义。【前人研究进展】裂果是番茄、荔枝、枣、西瓜等园艺作物生产中常见的生理现象，外界环境条件、果皮结构、矿质营养及遗传因素等与裂果密切相关[2-6]。研究表明，外界环境水分的急剧变化使果实内部薄壁组织细胞生长过快，而外皮层细胞生长缓慢，内外生长不协调从而导致裂果发生[7]。孙国超等[8]研究认为青脆李裂果的直接原因是成熟果表皮细胞、薄壁组织细胞和果肉细胞的生长不协调，钙、钾、磷3种元素中钙含量对裂果影响最大。西瓜裂果在生产中较常见，尤其对设施小果型西瓜生产影响较大[9]。西瓜裂果与品种有关，果皮薄、质脆的品种容易裂果[10]。满艳萍等[11]对不同耐裂性西瓜果皮组织学研究认为，不易裂果的西瓜果实表皮细胞角质层厚、外果皮细胞层数多、石细胞团大、排列较紧密，而易裂果的果实表皮细胞角质层薄，外果皮细胞层数少、石细胞团少（小），中果皮细胞大。江海坤等[12]研究表明西瓜裂果与果皮厚度、外果皮木质化程度显著相关，并认为可将外果皮木质化程度作为筛选抗裂西瓜品种的重要参考性状。高美玲等[13]对裂果性状进行遗传分析发现果实切裂应度的变异系数最大，果皮硬度的变异系数最小，果实切裂应度与果皮厚度呈极显著负相关，且果实切裂应度满足孟德尔分离定律特征，为质量性状。Liao等[14]开展了不同耐裂性西瓜遗传群体基因组测序，在西瓜的10号染色体上定位到1个耐裂关键基因CIERF4，并认为该基因存在CIERF4-a和CIERF4-b两种类型的等位基因，其中含a基因的西瓜耐裂、含b基因的容易开裂，这为耐裂西瓜品种定向选育奠定了良好基础。【本研究切入点】目前，西瓜果实耐裂性评价大多采用硬度计测定果实硬度或测定切裂应度值，该指标人为干扰多、精度低，而利用质构仪评价果品质地（硬度、脆度），结果更准确、更有可比性。西瓜裂果通常在果实发育后期发生，但果实发育过程中果实力学特性和果皮结构变化对裂果产生的影响还不清楚。鉴于此，本研究在前期对西瓜种质资源的耐裂果性评价鉴定基础上，以耐裂和易裂西瓜种质资源入手，开展果实发育过程中果实硬度、果实裂应力动态变化和果皮组织结构变化研究。【拟解决的关键问题】通过开展耐裂性不同西瓜果实的力学特性和果皮结构动态变化及其相关性研究，揭示耐裂和易裂西瓜果实力学特性与果皮结构的关系及其变化规律，为西瓜果实耐裂性评价鉴定方法的建立和耐裂优质西瓜品种培育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试西瓜材料201609019和S1111均来自中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所。201609019为果肉红色、果皮较薄、易裂果圆果型小型西瓜自交系；S1111为果肉红色、果皮厚度中等、耐裂果椭圆形小型西瓜自交系。

1.2 试验方法

1.2.1 试验材料种植 2018年7月在海南儋州热带作物品种资源研究所试验基地进行穴盘育苗，当苗长至2叶1心时定植于大棚内，采用宽窄行双行种植，畦宽1.0 m，宽行行距1.0 m，窄行行距0.5 m、株距0.45 m，吊蔓单蔓整枝，第2或第3雌花人工授粉，并挂标签标记日期，每株留1个瓜，其他管理参照西瓜常规栽培。共设3个重复，每个重复30株，随机区组排列。

1.2.2 果皮物性测定 采用TA. XTplus质构仪测定西瓜果实的硬度和裂应力。果实硬度利用P/2E探头穿刺测定，果实裂应力利用HDP/BS-B探头切裂测定，参照Liao等[14]的方法，分别选取授粉后10、15、20、25 d发育正常的果实，沿果实最大直径圆圈选取3个点测定果实硬度，沿果实最大直径处测定果实裂应力，每个重复3个果，3次重复。

1.2.3 果皮厚度测定 分别选取授粉后10、15、20、25 d正常发育的西瓜果实，参照《西瓜种质资源描述规范和数据标准》[15]测量各时期的果皮厚度，每个重复3个果，3次重复。

1.2.4 果皮组织学观察 分别选取授粉后5、10、15、20、25 d发育正常的西瓜果实，每个重复2个果，3次重复，切取中部果皮0.5 cm×0.5 cm大小的方块，用5% FAA固定液固定24 h以上，参照王庆亚[16]的方法用70%乙醇冲洗经过系列脱水、透明和渗蜡，石蜡包埋，然后切片机切片（切片厚度10 μm），番红固绿染色，中性树胶封片，ZEISS生物显微镜观察与拍照，并测量表皮细胞长度与厚度、外果皮厚度、外果皮细胞和中果皮细胞面积。每个样品测定10个细胞，取平均值。

试验数据采用Excel和SPSS16.0软件进行统计及方差分析。

2 结果与分析

2.1 西瓜果实力学特性动态变化

由图1可知，S1111和201609019西瓜的果实硬度差异较大，S1111的果实硬度在各个时期都极显著高于201609016，前者是后者的1.35～1.54倍。在果实发育过程中，两者的果实硬度变化均呈先升高后降低的趋势，在授粉后10 d，S1111和201609019的果实硬度均较小，分别为50.05、36.44 kg/cm2；随着果实的发育，S1111和201609019的果实硬度均逐渐增大，到授粉后20 d时，S1111和201609019的果实硬度均达到最大，分别为59.30、42.83 kg/cm2，随后S1111和201609019的果实硬度均趋于下降。

S1111和201609019的果实裂应力差异明显，S1111的果实裂应力在各个时期都显著高于201609016。S1111和201609019的果实发育过中的裂应力变化也明显不同，S1111在果实发育前期其裂应力变化较小，发育中期急剧增大，后期则呈下降趋势；201609019的果实裂应力则是前期急剧下降，中期保持稳定，发育后期又呈急剧下降的趋势。在果实发育过程中，S1111的果实裂应力是201609019的1.85～6.03倍，在果实发育后期差别最大，因此在果实发育后期利用裂应力进行西瓜耐裂性评价更适宜。

图1 S1111和201609019西瓜果实力学特性动态变化Fig. 1 Dynamic changes of fruit mechanical properties of watermelom S1111 and 201609019

2.2 西瓜果皮组织学结构动态变化

西瓜果实的果皮由表皮、外果皮、石细胞层和中果皮组成。由表1和图2可知，在果实发育过程中，S1111和201609019的果皮结构变化差异较大。

2.2.1 果皮厚度 随着果实的发育，S1111的果皮一直缓慢增加变厚，从授粉后10 d至授粉后25 d果皮厚度增加了1.89 mm；而201609019的果皮则逐渐减小，果皮厚度减少1.77 mm。在果实发育的各个时期，S1111的果皮厚度都极显著高于201609019。

2.2.2 果实表皮 S1111的表皮细胞接近正方形，细胞变化较小，长与厚的比值变化为1.10～1.27；而201609019的表皮细胞为长方形，随着果实的发育细胞明显伸长，长与厚比值变化为1.57～2.91；在果实发育的各时期201609019表皮细胞长度都极显著高于S1111，但两者的表皮细胞厚度差异不显著。

2.2.3 果实外果皮 S1111的外果皮由9～12层细胞排列组成，厚度由119.01 μm增大至140.87 μm，外果皮细胞较小且排列较紧密，形状多数为短椭圆形或短多边形；而201609019的外果皮较薄、仅由4～6层细胞排列组成，厚度由76.28 μm增大至85.38 μm，细胞形状多数为长多边形或长椭圆形，细胞间隙大，其外果皮细胞面积是S1111的1.67～3.28倍。由此可见，外果皮细胞越小、细胞层数越多，西瓜的耐裂性更强。

2.2.4 果实石细胞 S1111的果皮在发育各时期均可明显观察到染成红色的排列致密的片状或团状石细胞结构；而201609019的果皮仅在发育前期有少量石细胞团结构，且石细胞团仅由2～4 个细胞组成，发育中后期则未见石细胞团结构。

表1 S1111和201609019西瓜果皮组织学结构动态变化Table 1 Dynamic changes of peel histological structure in watermelon S1111 and 201609019

图2 S1111与201609019西瓜果皮组织结构Fig. 2 Peel structures of watermelon S1111 and 201609019

2.2.5 果实中果皮 201609019的中果皮细胞面积均极显著大于S1111，S1111和201609019的中果皮细胞均随着果实的发育逐渐变大，但S1111的中果皮细胞在果实发育过程变化幅度较小，从授粉后10 d到授粉后25 d细胞面积仅增加63.48 μm2，而201609019的中果皮细胞在果实发育过程变化幅度较大，在授粉后10 d时面积为2 238.93 μm2，到授粉后25 d增大为4 760.21 μm2。可见，201609019与S1111的中果皮细胞在果实发育后期差异更大。

2.3 西瓜果实力学特性与果皮结构的相关性分析

相关性分析结果（表2）表明，西瓜果实的力学特牲与果皮结构具有明显的相关性，西瓜果实裂应力与果实硬度、果皮厚度和外果皮厚度均呈极显著正相关，与表皮细胞长度、外果皮细胞大小、中果皮细胞大小呈极显著负相关；果实硬度与果皮厚度、外果皮厚度呈极显著正相关，与外果皮细胞大小、中果皮细胞大小呈显著负相关。说明西瓜果皮越厚（细胞层数越多）、外果皮和中果皮细胞越小，细胞排列更紧密，则果实硬度和果实裂应力越大，因此，可以用西瓜果实裂应力和果实硬度大小来衡量西瓜果实的耐裂性。

表2 西瓜果实力学特性与果皮结构的相关性分析Table 2 Correlation analysis between mechanical properties and peel structure of watermelon fruit

3 讨论

果皮是西瓜果实重要的组成部分，其结构影响果实生理功能，特别是贮存运输性能或裂果性[17]。满艳萍等[11]研究表明耐贮运型果实表皮细胞角质层厚、外果皮细胞层数多、石细胞团大、排列较紧密等，而不耐贮运型果实表皮细胞角质层薄，外果皮细胞层数、石细胞团数少，中果皮中较小而密的细胞减少或消失，认为西瓜果实的贮运特性是果皮各层结构综合作用的结果。刘仲齐等[18]发现耐裂基因型番茄果皮细胞层数较多、果皮厚，抵抗果肉细胞迅速膨胀所造成的膨压的能力强。唐岩等[19]研究发现枣抗裂株系比易裂株系果实表皮厚，果实表皮厚度和裂果率呈显著负相关，抗裂类型果实表皮细胞排列较紧密。本研究结果也表明，耐裂与易裂西瓜的的果皮组织学结构之间存在显著差异，果实的耐裂性与果皮结构紧密相关，推测耐裂西瓜由于其果皮越厚（细胞层数越多）、外果皮和中果皮细胞越小，细胞排列更紧密，其承受内外力的挤压强度越大，因而果实硬度和果实裂应力越大，越不易裂果。

果实开裂是果肉的生长应力和果皮抗张能力的相互作用，在抗张能力不能忍耐生长应力的情况下导致果皮断裂的结果，可见果皮的力学性能与裂果的发生有密切关系[20]。江海坤等[12]研究表明，西瓜的裂果率与果皮厚度、果皮硬度、果型指数等呈显著负相关。刘壮等[21]研究表明西瓜果皮硬度与裂果性呈显著负相关，果皮硬度越大，抗裂果性越强。孙国超等[8]对青脆李果胶含量变化分析表明，随着果实的成熟，原果胶的含量会逐渐下降，胞间层内的果胶钙也在减少，使细胞分离，果皮破裂应力随成熟而逐渐下降，当果实迅速膨大时，裂果现象易发生。本研究结果表明，耐裂果西瓜S1111的果实硬度及裂应力均显著高于易裂果西瓜201609019，且西瓜果实硬度及果实裂应力与果皮厚度、外果皮厚度呈显著正相关，而与外果皮和中果皮细胞大小等果皮结构呈显著负相关。研究还发现，在果实发育过程中，易裂果西瓜201609019的果皮表皮细胞、外果皮细胞和中果皮细胞发育较耐裂果西瓜S1111的果皮细胞快，而果实裂应力则明显小于S1111，且随着果实发育而逐渐减小。外果皮细胞和中果皮细胞大、破裂应力小，这可能是易裂果西瓜在发育中后期一旦环境中水分稍多则西瓜果实吸水膨大造成内压力迅速增大、造成果皮难以承受而开裂的重要原因。Liao等[14]利用质构仪测定果实硬度、破裂功等方法进行西瓜耐裂性表型鉴定。本研究结果表明，用质构仪能精准测定西瓜的果实硬度及果实切开时的破裂力，并能较好地区分西瓜的耐裂性，但是西瓜果实硬度或果实裂应力大小与西瓜耐裂性对应的分级标准还不明确，有待于进一步研究制定西瓜耐裂性评价鉴定标准。

4 结论

本研究以易裂和耐裂西瓜种质为试验材料，对发育过程中的果实硬度、果实裂应力动态变化和果皮组织结构变化进行研究，结果表明，在果实发育过程中，S1111和201609019的果实力学特性及果皮结构明显不同，S1111的果实硬度和果实裂应力始终极显著高于201609019；S1111的果皮和外果皮厚度均极显著高于201609019，201609019的表皮细胞长度、外果皮细胞和中果皮细胞面积均显著大于S1111，尤其在果实发育后期201609019的表皮细胞长度、外果皮细胞和中果皮细胞面积分别是S1111的2.91、3.28和5.69倍；果实硬度和果实裂应力与果皮厚度、外果皮厚度呈显著正相关，而与表皮细胞长度、外果皮细胞面积及中果皮细胞面积呈显著负相关。因此，可用西瓜果实裂应力和果实硬度大小来衡量西瓜果实的耐裂性，且在果实发育后期评价更适宜。