不同硬度西瓜果皮发育进程中硬度变化及解剖构造研究

张敬敬，高秀瑞，李 冰，武彦荣，史宇凡，刘婧颖，潘秀清

（河北省农林科学院 经济作物研究所，河北 石家庄 050051）

西瓜是葫芦科西瓜属的一年生园艺作物，在我国农业经济生产和人们日常生活中占有非常重要地位，中国是世界上最大的西瓜种植国和消费国，每年西瓜产量约7×103万t［1］，而且我国西瓜甜瓜产业的生产布局具有明显的区域性［2］。由于西瓜生产区域性种植，上市时间集中，对产品耐裂性、贮藏性提出了更高要求，裂果性是影响西瓜耐贮运的主要影响因素之一，同时西瓜裂果是造成田间和产后减产的主要原因，降低裂果性，培育优质耐裂品种越来越受到育种家重视。果实开裂是一个复杂的性状，与遗传和环境因素有关［3］，不同的遗传材料对果实开裂程度存在着明显的差异。1994 年赵尊练和王鸣［4］首次发现影响西瓜果实耐贮性的主要内在因素是西瓜果皮硬度，果皮硬度性状改善可降低裂果。杨静［5］等采用TA-XT Plus 质构仪对15 个品种的西瓜果皮进行穿刺质地测试，结果表明，西瓜果皮的表皮硬度、表皮厚度、表皮破裂做功、外果皮硬度、外果皮穿刺做功、外果皮穿刺最大力和果肉硬度间存在显著的相关性。高美玲［6］等通过比较薄厚皮西瓜果皮显微结构异同，发现厚皮西瓜果皮细胞圆润、角质层上的细胞偏横向生长，外果皮中的木质部是连续的直袋状，石细胞团相对大一些，中果皮中的细胞相对圆润且大。满艳萍［7］等对30 个不同贮运性西瓜品种果皮显微结构的观察结果显示，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。王学征［8］等采用TA-XT Plus 质构仪对5 个西瓜品种成熟果实果皮作穿刺试验，并结合果皮组织石蜡切片显微观察和果皮含水量、纤维素、半纤维素和果胶含量测定，通过显微观察分析、方差分析、相关性分析，比较不同硬度果皮间差异。显微观察发现，果皮硬度较大品种外果皮细胞长宽比大、排列紧密，存在石细胞群，中果皮较厚、细胞为明显的从小到大排列方式。

鉴于此，本试验以果皮硬度差异显著的耐裂西瓜资源‘901’和易裂西瓜资源‘BSH’为试验材料，采用TAP 质构仪穿刺法测定授粉后果实发育不同时期的西瓜果皮硬度，并结合石蜡切片观察不同发育期显微结构，分析西瓜发育过程中果皮形态结构变化与果皮硬度的关系，从细胞显微观察角度解释西瓜果皮硬度形成机理，以期为揭示西瓜果皮硬度形成基础及耐贮运西瓜品种培育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取果皮硬度差异明显的2 个西瓜品系，耐裂品系‘901’和易裂品系‘BSH’，如图1 所示，以上品种由河北省农林科学院经济作物研究所瓜类室提供。2020 年2 月，在河北省农林科学院试验田温室育苗，3 月定植于试验示范基地，株行距50 cm×160 cm，3 次重复，试验条件均匀一致，统一管理。每株挂牌标记授粉日期，每次取样时选取大小一致的果实，用于质构仪检测和细胞结构显微观察。

图1 西瓜试验材料Fig.1 Research materials of watermelon

1.2 仪器设备

质构仪TextureAnalyser（美国Food Technolgy Corporation 公司制造），正置荧光显微镜NI-U（日本Nikon）。

1.3 试验方法

分别于授粉后10、14、18、22、26、30 d 取样，每个品种选取4 个大小均匀的西瓜果实，质构仪分别检测西瓜阳面果皮硬度，在检测部位左侧取1 cm×1 cm×1 cm 薄片放入FAA 固定液用于制作石蜡切片。

1.3.1 西瓜果皮穿刺试验 将试验材料放于质构仪台面，采用P/4E（4 mm 直径圆柱形不锈钢）探头作穿刺试验，返回开始操作模式，测试前以V1=60 mm/s 速度达到样品表面，触发力0.3 N，以V2=60 mm/s 速度测试20 mm 后返回，返回速度V3=120 mm/s，选用移动位移参数记录target 曲线（图2），曲线中最高值为果实表皮硬度。

图2 西瓜果皮穿刺特征曲线Fig.2 Typical force-distance curves during puncture of watermelon rind

1.3.2 西瓜果皮组织解剖结构观察 切片制作方法参考高美玲［6］试验方法，将西瓜果皮迅速放入FAA固定液中，置于4 ℃冰箱保存备用。随后依次用50%、70%、80%、95%、95%不同浓度的乙醇梯度洗脱50 min 和100% 乙醇洗脱80 min，二甲苯透明后加入石蜡使其饱和，62 ℃ 石蜡包埋，转轮式切片机切片，切片厚度3 μm，展片烘干后二甲苯梯度脱蜡，酒精梯度复水，番红、固绿染色，封片、拍照。采用日本Nikon 的NI-U 显微镜分别在X100 和X400 倍镜下观察分析石蜡切片。

2 结果与分析

2.1 西瓜果皮穿刺试验力学特征比较分析

通过质构仪测定硬度差异显著的2 个西瓜材料不同时期的果皮硬度，得到果皮硬度数据，试验结果如图3 所示：‘901’果皮硬度在各个时期均大于60 N，‘BSH’果皮硬度均低于50 N，耐裂材料和易裂材料果皮硬度差异显著。‘901’果皮硬度极显著高于‘BSH’。‘901’果皮硬度随着果实发育逐渐升高，18 d 达最大值89.02 N，随后逐渐降低，到达22 d 时硬度降至74 N，直至果实成熟，果皮硬度几乎无变化；‘BSH’果皮硬度随着果实发育逐渐增大，14 d 达最大值46.92 N，以后随着果实发育逐渐降低，成熟时达最低值29.08 N。‘901’和‘BSH’果皮硬度随着果实发育均表现出先升高后降低。

图3 果实发育期果皮硬度变化Fig.3 Changes of rind hardness during fruit development

2.2 不同西瓜品种果皮石蜡切片结果分析

观察发现，西瓜材料‘901’和‘BSH’果实在授粉后10 ～14 d 和18 ～22 d 迅速膨大；授粉后18 ～30 d 果实转色，区别在于‘901’瓤色转变缓慢，果肉粉色，‘BSH’瓤色转变较快，果肉红色（图4）。为方便对比分析，依据果实发育成熟过程分为4 个时期，包括膨果期（10 ～14 d）、膨大期（18 ～22 d）、转色期（18 ～26 d）、成熟期（26 ～30 d）。据此对‘901’和‘BSH’果实发育各个阶段进行了显微观察，重点对膨果期、转色期和成熟期果实的细胞形态结构进行比较分析。

图4 ‘901’和‘BSH’不同发育时期对比Fig.4 Comparison of different developmental stages between ‘901’ and ‘BSH’

通过观察石蜡切片发现，‘901’和‘BSH’西瓜果皮均由角质层、表皮、外果皮、石细胞、中果皮和细胞团组成。角质层填充在外表皮细胞外部和细胞间隙，表皮细胞由一层排列紧密的长方形或正方形细胞组成，外果皮细胞由不规则形状、不同层数、较小的细胞紧密排列而成，石细胞团由层数不等的近圆形、较大的细胞组成，中果皮细胞由大的细胞组成，由紧密排列逐渐到松散排列，中间包含细胞团。果皮的各层结构综合作用是导致果皮硬度差异的原因之一。（图5）

2.2.1 ‘901’和‘BSH’膨果期前后形态及结构比较 西瓜果实在授粉后10 d 时，‘901’果皮表皮由1 层排列紧密、体积小的长方形细胞直线整齐排列组成，外果皮由11 ～12 层不规则形状的细胞整齐排列组成，并且与中果皮细胞大小差异明显，石细胞团由3 ～6 层细胞构成；‘BSH’果皮表皮由体积较小的长方形细胞曲线排列成1 层，外果皮由9 ～10层不规则形状的细胞呈不规则排列状态，石细胞团数量比‘901’少。授粉后14 d 时，‘901’表皮细胞增大且细胞宽长比变大，细胞排列紧密，外果皮细胞明显增大且细胞变狭长，排列整齐但没有前期紧密；‘BSH’表皮细胞由不规则排列逐渐向规则排列分布，表皮和外果皮细胞逐渐增大。（图6）

图6 ‘901’和‘BSH’膨果期解剖结构Fig.6 Anatomical structure of ‘901’ and ‘BSH’ fruit during puffiness stage

2.2.2 ‘901’和‘BSH’转色期前后形态及结构比较 在果实瓤色开始转变时，即授粉后18 d时，‘901’石细胞群数量比后期多，表皮、外果皮、中果皮、细胞团细胞排列紧密且表皮呈直线型；‘BSH’表皮、外果皮、中果皮和细胞团细胞呈不规则排列且表皮呈曲线，两个材料的中果皮细胞边界清晰。‘901’在授粉后22 d 时，中果皮的细胞壁清晰可见，授粉后26 d 时，细胞壁的界限依然清晰；‘BSH’在授粉后22 d 时，中果皮区域的细胞壁开始溶解，授粉后后26 d 时，中果皮细胞壁界限模糊。（图7）

图7 ‘901’和‘BSH’转色期解剖结构（×100）Fig.7 Anatomical structure of ‘901’ and ‘BSH’ in chromogenic phase（×100）

2.2.3 ‘901’和‘BSH’成熟期形态及结构比较授粉后30 d 时，‘901’外果皮细胞由11 ～12 层构成，石细胞团由7 ～9 层构成，‘BSH’外果皮细胞由9 ～10 层构成，石细胞团由5 ～7 层构成（图8）。‘901’的中果皮细胞壁轮廓相对清晰，但开始出现溶解；‘BSH’的中果皮细胞壁部分溶解，液泡中出现絮状物。外果皮细胞和石细胞团细胞构成层数、中果皮细胞壁溶解程度可能与果皮硬度、果实裂果有关。

3 讨论与结论

果实硬度变化是自然界常见的生理生化现象［9］，目前对西瓜果实硬度的研究较多，主要集中在相关生理生化［4、10-12］、嫁接对果肉硬度的影响［13］、QTL 定位及转录组研究［14-17］等方面，对西瓜果皮硬度研究相对较少。目前未见西瓜果实整个发育时期的果皮硬度研究方面报道，参考熊振豪等［18］研究黑莓果实发育进程方法，利用课题组前期创制出的耐裂、果皮高硬度材料‘901’和优质高产易裂西瓜骨干亲本材料‘BSH’作为试材，从果实不同发育时期出发，观察果皮硬度变化和组织显微结构差异，通过分析果皮细胞形态结构解释导致果皮硬度差异原因。

试验结果表明，西瓜果皮硬度与果皮细胞结构联系紧密，生育期相似的高硬度‘901’与低硬度‘BSH’在果实发育成熟过程中果皮细胞结构差异明显。‘901’果皮表皮和外果皮整个发育时期排列整齐，‘BSH’果皮表皮和外果皮整个发育时期由不规则变为规则再变为不规则；‘901’外果皮结构层数较‘BSH’多1 ～2 层；‘901’授粉后18 d 果皮硬度达到最大值，此时石细胞团数量最多，果皮硬度与石细胞团数量成正比，‘BSH’授粉后14 d 果皮硬度达到最大值，此时表皮细胞由不规则排列逐渐向规则排列分布，表皮和外果皮细胞逐渐增大；授粉后22 d，‘901’的中果皮的细胞壁清晰可见，‘BSH’的中果皮区域的细胞壁开始溶解；授粉后26 d，‘901’细胞壁的界限清晰，‘BSH’的中果皮细胞壁界限模糊；授粉后30 d，‘901’的中果皮细胞壁轮廓相对清晰，开始出现溶解，‘BSH’中果皮细胞壁部分溶解，液泡中出现絮状物。

由不同时期果皮硬度变化和细胞显微观察结果可知，西瓜果实耐裂性与果皮硬度相关联，果皮硬度由不同因素构成，如外果皮和石细胞团结构层数、石细胞团数量、细胞排列方式等，果皮特性取决于果皮结构整体变化，并非单一因素变化。这与满艳萍、王学征等［7-8］研究结果相一致。关于西瓜果皮硬度形成的进一步研究应与生理生化指标相结合，西瓜果实的成熟软化是一个复杂的生理代谢过程，是各种激素、酶类等综合作用的结果，后期研究需集中在重要生理生化指标的变化和成熟前后激素水平的调控作用等方面，为深入研究西瓜果皮硬度形成机理和培育优质耐裂西瓜新品种奠定理论基础。