透湿性反光膜对柑橘果皮蜡质晶体结构和组成成分的影响

2022-09-07付沃兴刘德春匡柳青蒙志鑫

江苏农业学报 2022年4期

付沃兴，刘德春，匡柳青，蒙志鑫，刘勇，胡威，杨莉

(江西农业大学农学院，江西南昌 330045)

覆盖反光膜可以调节果树的微环境，是有效提高果实品质与商品性的措施之一[1]。近几年透湿性反光膜在葡萄、苹果、桃、柑橘等果树上都有应用[2-7]。有相关研究结果表明覆盖透湿性反光膜能够显著提升冠层反射光光照度及叶片光合特性[8]，降低土壤水分蒸发[9]等，从而影响果实品质及商品价值[10-11]。

植物蜡质是指覆盖在植物表皮细胞外的一层由亲脂性化合物构成的疏水层，由位于角质层外的外层蜡质和深嵌在角质层中连接表皮和细胞壁的内层蜡质两部分构成。外层蜡质大多自我组装成片状、丝状、杆状、颗粒状等蜡质晶体，而内层蜡质呈无定型状态填充于网状结构内。植物蜡质具有一定的不稳定性，作为与外界环境第一接触面的蜡质，当遭遇环境条件的变化，会通过改变外部蜡质晶体的微结构形态、调节蜡质产物的合成等来进行适应。其中，光能直接改变植物表皮蜡的形态和性质[12]。据报道，在阳光下生长的葡萄果实角质层蜡质厚度要比在树冠下生长的果实更大[13]。 Nodskov[14]发现培养在黑暗条件下的大麦转入光照条件下后，蜡质密度增加，表明光照对蜡质的积累具有促进作用。紫外辐射占太阳直接辐射的7%左右，对植物发育有负面影响。而植物蜡质层被认为是紫外辐射有效的“反射器”，可以有效地减少太阳辐射的伤害[15]。增强紫外光中的UV-B会使黄瓜(CucumissativusL.)、蚕豆(PhaseolusvulgarisL.)、大麦(HordeumvulgareL.)[16]、苹果(MalusdomesticaBorkh.)[17]和棉花(GossypiumhirsutumL.)[18]叶片的蜡质总量增加，改变蜡质化学成分。在增强的紫外线辐射下，玉米蜡质缺陷突变体glossy1比野生型有更多的叶片卷缩和DNA损伤[19]。此外，红外光也会影响蜡质积累，在贮藏过程中单色远红外光处理可刺激番茄和甜椒果实表皮蜡质的生物合成[20]。

蜡质以晶体形态堆积在叶、茎、果实等器官的表面，当其结构形态、疏密度等不同时，因对光反射的差异导致器官表面的亮度也会有所区别。如过表达高粱SbWINL1基因的拟南芥莲座叶片，比野生型叶片的蜡质晶体更丰富，更有光泽[21]。而蓖麻所有茎部表皮(包括下胚轴)却由于螺纹状表皮蜡晶体的缺少，表面更加光滑[22]。虽然大量结果表明，反光膜铺设后会使果皮更光亮，提高了果实外观品质，但反光膜对果皮蜡质结构及组分的影响还未见报道。本研究以宫川温州蜜柑为材料，研究覆盖反光膜后果园土壤水分、光照环境、叶片光合能力、果皮色泽以及蜡质结构和成分的变化，以期为提高柑橘果实外观品质提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在江西省吉安市新干县宫川温州蜜柑果园内进行，以36株生长势与挂果量基本一致的12年生枳砧宫川温州蜜柑(CitrusunshiuMarc.)为试验材料。其中18株在果实膨大期(2020年7月下旬)进行覆膜，覆膜材料为特卫强(Tyvek)白色防水透气性反光膜，覆膜范围包括垄面和沟(反光膜处理)。另外18株不覆膜设置为对照，其他栽培管理方式一致。每6株为一个重复处理，试验重复3次。

1.2 土壤含水量测定

自覆膜后分别于不同时间采用TDR150便携式土壤水分速测仪(美国Spectrum)测定其0～10.0 cm、10.1～20.0 cm土层土壤含水量。

1.3 树冠光照环境测定

9月23日采用手持式光度计[UNI-T-UT383，优利德科技(中国)股份有限公司]测定直射光与反射光光照度。选定距离每株树主干1 m左右的4个方位作为测定位置，分别于垂直高度0.5 m和1.0 m处测定入射光与反射光光照度，计算反射率，反射率=(反射光光照度 /入射光光照度)×100%。

1.4 叶片光合指标测定

9月23日采用LI-6400 XT便携式光合仪(美国 LI-COR公司)测定光合参数，测定时间为上午10∶00-11∶00。测量叶片的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)。

1.5 果实色泽测定

11月1日在树冠外围同一高度选择有代表性的果实，于当天运回实验室测定果皮色泽。采用MI-NOLTA CR-300型(D65光源)色差计和“CIELab”表色系统测定果实表皮赤道部位对角4个方向的色差值，包括L*(明亮度)、a*(红绿偏差)、b*(蓝黄偏差)、h(色调角)值、色差综合指标CCI(CCI=1 000×a*/(L*×b*)。

1.6 果实蜡质层结构观测

将样品先用蒸馏水轻柔冲洗，除去其表面灰尘、细菌等杂质，随后置于阴处晾干。用刀片在果实赤道部位切取2 mm×3 mm大小的果皮数块，放入5%戊二醛固定液的中固定。经0.1 mol/L、pH 7.2的磷酸缓冲液漂洗后(30 min和15 min各2次)，用30%、50%、70%、80%、90%梯度的乙醇逐级脱水15 min后，用含无水硫酸钠的乙醇重复脱水3次(每次15 min)，最后用醋酸异戊酯脱去乙醇(重复3次，每次20 min)。将样品在临界点干燥后粘置样品台上，用JFC-1100型离子溅射仪进行镀金膜，最后用JSM-T300型扫描电子显微镜观察拍片。

1.7 果实表皮蜡质成分的提取与测定

用内径为1.4 cm的打孔器在果实赤道部位均匀选取5处打孔。随后去除果皮圆片的白皮层，称量后放入样品瓶。圆片样品在氯仿中浸泡和搅拌2次，每次1 min，在通风柜下提取表皮蜡质。在进行气相色谱分析之前，收集的含蜡溶液使用旋转蒸发器进行浓缩，并在温和的氮气流下干燥，直到完全干燥。采用气相色谱-质谱联用技术(GC-MS)分析果实表皮蜡质的化学组成成分，所有蜡质成分都通过与内标正四十烷的峰面积比较进行定量。蜡质含量以μg/cm2表示。

1.8 数据统计分析

运用 SPSS 26.0进行显著性分析，并利用 Student’s t-test(P<0.05和P<0.01)进行对照和处理间的比较。

2 结果与分析

2.1 透湿性反光膜铺设对土壤水分的影响

由图1可知，在宫川果园进行反光膜覆盖处理的保湿效果明显。覆膜后0～10.0 cm和10.1～20.0 cm土层土壤体积含水量均高于不覆膜的对照。

*表示同一日期与对照之间差异显著(P<0.05)。图1 透湿性反光膜覆盖处理对不同土层土壤含水量的影响Fig.1 Effects of vapor-permeable reflective film mulching treatment on soil moisture content in different soil layers

2.2 透湿性反光膜铺设对树冠光照环境和叶片光合指标的影响

由表1可知，反光膜覆盖处理后，在0.5 m和1.0 m两个垂直高度的反射光光照度相比于对照都明显增加。反射光率分别达到了57.94%和42.97%，相比于对照分别提高了5.11倍和6.39倍(表1)。此外，反光膜还明显提高了叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)，但胞间二氧化碳浓度(Ci)无明显变化。(表2)。

表1 透湿性反光膜覆盖对温州蜜柑果园光照的影响

表2 透湿性反光膜覆盖对温州蜜柑叶片光合指标的影响

2.3 透湿性反光膜覆盖处理对温州蜜柑果实色泽变化的影响

图2显示，反光膜覆盖处理的宫川温州蜜柑果实颜色更黄，果皮更光滑。表3 中覆膜处理的色差指数L*、a*、b*、c*、CCI值都显著高于不覆膜对照，h值则相反，这与图2观察到的结果一致，表明反光膜铺设使得果实受光光照度和面积增加，可以有效地提高果皮亮度、颜色以及果实色泽综合指标。

图2 透湿性反光膜覆盖处理对温州蜜柑果实外观的影响Fig.2 Effects of vapor-permeable reflective film mulching on fruit appearance of Satsuma mandarin

表3 透湿性反光膜覆盖处理对温州蜜柑果皮色差指数的影响

2.4 透湿性反光膜覆盖处理对宫川密柑果实表皮蜡质结构的影响

由图3电镜扫描结果可以看出，宫川密柑果实的表皮蜡质层是由无定型蜡质结构和散落其上的蜡质晶体组成，蜡质晶体呈片状结构。未覆膜处理的片状蜡质晶体层层叠加，边界明显，晶体之间有明显的缝隙，并且分布不均匀。而反光膜覆盖处理的果皮蜡质排列紧密，分布均匀，蜡质晶体似乎与无定型蜡质结构融合而明显减少，气孔边缘也不存在如未覆膜处理所表现出来的凹陷。

A～D为不覆膜对照，E～H为覆盖反光膜。图3 透湿性反光膜覆盖处理对温州蜜柑果皮蜡质结构的影响(×500、×2 000)Fig.3 Effects of vapor-permeable reflective film mulching on the wax structure of Satsuma mandarin peel (×500, ×2 000)

2.5 透湿性反光膜覆盖处理对果皮蜡质总量和各成分含量的影响

通过GC-MS分析发现，反光膜覆盖处理和对照的果皮蜡质总量分别为5.794 μg/cm2和5.759 μg/cm2，二者不存在显著差异(图4)。检测到的4种蜡质成分包括脂肪酸、烷烃、醛和醇类，脂肪酸和烷烃的含量大于醛和醇类。反光膜覆盖处理和对照的脂肪酸含量分别为2.00 μg/cm2和1.90 μg/cm2，烷烃含量分别为2.04 μg/cm2和2.08 μg/cm2，醛类含量分别为0.67 μg/cm2和1.08 μg/cm2，醇类含量分别为1.08 μg/cm2和0.70 μg/cm2。反光膜覆盖处理后脂肪酸和烷烃含量变化不大，醛类含量极显著下降，醇类含量有所上升但不显著。

**表示与对照之间差异极显著(P<0.01)。图4 透湿性反光膜覆盖处理对温州蜜柑果皮蜡质总量和各成分含量的影响Fig.4 Effects of vapor-permeable reflective film mulching on total wax content and components of Satsuma mandarin peel

如图5所示，不覆膜对照的4种蜡质成分占蜡质总量的比例分别为烷烃(36.09%)>脂肪酸(32.96%)>醛(18.78%)>醇(12.17%)，而反光膜覆盖处理后比例分别为烷烃(35.19%)>脂肪酸(34.60%)>醇(18.57%)>醛(11.64%)。两者蜡质成分的含量比例大小顺序不一致，烷烃和脂肪酸含量占总蜡的比例差异不大，但反光膜覆盖处理的醛类含量所占比例相比对照下降了7.14%，而醇类相比对照上升了6.40%。

图5 透湿性反光膜覆盖处理对温州蜜柑果皮蜡质成分相对含量的影响Fig.5 Effects of vapor-permeable reflective film mulching on relative content of wax components in peel of Satsuma mandarin

由图6可知，反光膜覆盖处理和对照果皮蜡质中均鉴定到28种蜡质组分，分别为C16、C18、C20、C22、C24、C26、C28、C30、C32、C34脂肪酸，C25、C27、C29、C30、C31、C33烷烃，C24、C26、C28、C30、C32、C34醛类，以及C24、C26、C28、C30、C32、C34醇类。脂肪酸中C28含量最高，但除了含量最低的C20脂肪酸在反光膜覆盖处理后含量显著下降外，其他组分处理间都未达到显著差异。烷烃中C27和C29含量明显高于其他组分，覆盖反光膜后所有烷烃组分含量与对照之间不存在显著差异。醛类中C28含量最高，反光膜覆盖处理后其相比于对照极显著下降，是引起总醛含量明显减少的主要原因。醇类中C28含量最高，反光膜覆盖处理后其含量极显著上升，但C32醇含量则显著下降。

*、 **分别表示处理与对照之间差异显著(P<0.05)、差异极显著(P<0.01)。图6 透湿性反光膜处理对温州蜜柑果皮蜡质组分相对含量的影响Fig.6 Effects of vapor-permeable reflective film mulching on relative content of wax components in peel of Satsuma mandarin

3 讨论

特卫强(Tyvek)透湿性反光膜具有高反射率、漫反射性能、透气阻水性、低温传导等[2,9,23]特性。本研究发现覆盖透湿性反光膜显著增加了柑橘中下层树冠的反射光光照度，同时较不覆膜对照土壤含水量更高。光合作用是植物生长发育的基础，光照度和土壤水分[24]是影响光合强度的关键因素。覆盖反光膜后较高的土壤水分和光照度显著提升了柑橘叶片的光合强度，使得其光合产物得到增加，从而为提升其果实品质提供物质基础[25]。本试验结果表明覆盖透湿性反光膜显著提升了果实的L*值、a*值、b*值、c*值及CCI值，并降低了h值，果实表面更光亮且着色更好。与本研究结果一致，早熟温州蜜柑不同品种 (龟井、兴津和宫川) 在覆膜处理后果皮亮度值L*、果皮色泽指数 (a*/b*) 均高于对照[10,26]。另外，覆盖反光膜后李果实a*值、b*值、c*值显著上升，且h值降低[27]。

由于透湿性反光膜铺设可以使整个树冠，特别是内膛光照增强，这势必会影响与外界环境直接接触的蜡质层。本研究发现铺设透湿性反光膜后，宫川温州蜜柑果皮蜡质相比于对照分布更均匀，且蜡质晶体融入无定型蜡质结构而导致晶体明显减少，这可能与特卫强透湿性反光膜的漫反射性能以及对微域环境的调节有关。这种因光照增强导致蜡质晶体减少的情况，也在实验室控制的光合有效辐射和紫外线UV-B处理下水稻(OryzasativaL.)叶面观察到[28]。另外，蜡质晶体减少可能与反光膜处理的果皮光亮度值(L*)变高密切相关。在之前的研究中也有相似的报道，Liu等[29]发现纽荷尔脐橙的果皮突变体——赣脐3号，由于果皮蜡质晶体和蜡质总量减少，果皮变得更加光亮。Wang等[30]发现黄瓜CsCER1突变系的果实表面蜡质晶体几乎完全缺失，并呈现有光泽的果型。一些苹果品种，如红富士、乔纳金、红粉佳人等，在低温贮藏期间，因蜡从固体(晶体)到液体(无定形)的转变，果皮表面变得油腻而显得很有光泽[31]。因为蜡质有反射紫外辐射、保护植物的作用，在增强光照或UV-B紫外辐射实验的研究中，大部分物种的蜡质含量会随光照度的增加而增加。与之不同的是，本试验发现反光膜增强宫川温州蜜柑反射光率后，蜡质总量并没有出现显著变化。但此结果与云杉[32]和油菜[33]叶片受到UV-B辐射后，表面蜡质总量变化情况一致。另外，Pilon等[34]研究了早熟禾(PoaannuaL.)对高紫外线辐射的反应，发现UV-B辐射增强后表面蜡量减少。对不同品种豌豆的研究发现，在正常条件下合成较多蜡质的品种经紫外线辐射后蜡质含量降低，而原本蜡质含量较低的品种则合成较多的蜡质[35]。这种光照对蜡质影响存在的品种差异，被推测与这些植物对光辐射的敏感性以及物种自身生理差异有关[36]。另外，透湿性反光膜覆盖所产生的光照度、光质以及辐射范围都与直接的紫外线辐射处理不同，而植物会通过刺激保护机制或激活修复机制来应对不同类型的胁迫[37]，这也可能是透湿性反光膜处理与UV-B紫外辐射处理对蜡质含量影响存在差异的一个原因。

光照对表皮蜡质的影响主要依赖其对蜡质成分合成途径的调控。试验结果表明透湿性反光膜增强宫川温州蜜柑反射光率后烷烃和脂肪酸含量和比例并没有显著变化，醛类含量和比例显著下降，醇类含量和比例上升。而柑橘表皮片状蜡质晶体的形成被认为与烷烃和醛类有关[38]，因此透湿性反光膜处理后醛类含量和比例显著下降，可能是造成果皮蜡质晶体减少的重要原因。Shepher等[39]对甘蓝蜡质的研究也获得了与本研究相似的结果，室外种植的甘蓝相比于室内甘蓝蜡质中醛、酮和仲醇的比例更低，烷烃、伯醇和长链酯的比例更高。Bringe等[17]也发现苹果叶片表面蜡质组分伯醇在 UV-B处理后一段时间后含量增加。但与蜡质晶体和总量一样，受光照辐射处理的植物被发现在蜡质组分合成上存在物种差异[15]。Baker[40]和Gordon等[41]发现高光照条件下植物更倾向于进入脱羧途径，形成更多的烷烃。但油菜在接受增强性紫外线辐射时，烷烃没有发生变化，而在不同叶片上检测到醛和酮含量增加，酯类、仲醇和伯醇含量减少[33]。