西瓜果皮硬度相關(guān)性狀分析

王學(xué)征 ，楊天天 ，劉 爭(zhēng) ，孫 蕾 ，朱子成 ，高 鵬 ，劉 識(shí) ，欒非時(shí)

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北地區(qū)園藝作物生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院，哈爾濱 150030）

西瓜在世界園藝產(chǎn)業(yè)中處于重要地位，我國(guó)西瓜種植面積和產(chǎn)量均居首位。目前，西瓜產(chǎn)量增長(zhǎng)速度放緩，播種面積趨于穩(wěn)定。我國(guó)是西瓜消費(fèi)大國(guó)，需求量巨大[1]。裂果是導(dǎo)致西瓜腐爛的主要原因之一，果皮開(kāi)裂，不僅病蟲(chóng)易于侵入，產(chǎn)量降低，且影響果實(shí)外觀，商品價(jià)值降低。減少西瓜裂果，提高西瓜耐儲(chǔ)運(yùn)性，日益受到育種工作者重視。果皮硬度是裂果發(fā)生[2-3]、果實(shí)貯藏期[4-5]的重要衡量指標(biāo)之一，果皮硬度性狀的改善，為減少裂果提供新途徑[6]。楊靜等采用TA-XT Plus 質(zhì)構(gòu)儀對(duì)15 個(gè)西瓜品種果皮作穿刺質(zhì)地測(cè)試，發(fā)現(xiàn)西瓜表皮硬度、外果皮硬度、表皮厚度、外果皮厚度、表皮破裂做功、外果皮穿刺做功、外果皮穿刺最大力和果肉硬度之間相關(guān)程度均達(dá)顯著[7]。王菊霞研究表明，不同品種間蘋(píng)果果皮刺穿強(qiáng)度差異與表皮細(xì)胞形狀及表皮細(xì)胞面積有關(guān)[8]。滿(mǎn)艷萍等研究認(rèn)為，果皮特性主要由果皮厚度、表皮角質(zhì)層厚度、外果皮細(xì)胞層數(shù)及石細(xì)胞群尺寸等決定[9]；高磊認(rèn)為果膠、纖維素和半纖維素是細(xì)胞壁物質(zhì)的主要成分，決定西瓜果實(shí)果肉硬度和口感[10]。果皮硬度不僅與果皮組織結(jié)構(gòu)間存在相關(guān)性，也可能與果皮內(nèi)含物成分有一定關(guān)系，明確西瓜果皮硬度與果皮微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和內(nèi)含物含量相關(guān)性，利于選育高硬度果皮材料，減少裂果發(fā)生。

鑒于此，本研究采用TA-XT Plus質(zhì)構(gòu)儀對(duì)5個(gè)西瓜品種成熟果實(shí)果皮作穿刺試驗(yàn)，并結(jié)合果皮組織石蠟切片觀察和果皮內(nèi)含物中纖維素、半纖維素和果膠含量測(cè)定，綜合評(píng)價(jià)西瓜果皮硬度與生理性狀關(guān)系，為明確西瓜果皮硬度形成機(jī)理及改良西瓜種質(zhì)資源奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗(yàn)選取果皮耐裂性差異明顯的5個(gè)西瓜品種，如圖1 所示，果皮易裂品種812 和COS，果皮較耐裂品種w1-92，和果皮耐裂品種1061 和177。以上品種均由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院西甜瓜分子育種研究室提供。2018年3月，將供試西瓜品種種植于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)與示范中心向陽(yáng)基地塑料大棚內(nèi)，每小區(qū)種植10 株，行株距80 cm×50 cm，3 次重復(fù)，試驗(yàn)條件均勻，統(tǒng)一管理，采用吊蔓、雙蔓整枝方式。采收時(shí)每個(gè)品種選取果實(shí)要求長(zhǎng)度、形狀一致，均達(dá)到商品成熟階段，整瓜采收后帶回東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院西甜瓜分子育種研究室采集數(shù)據(jù)。

1.2 儀器設(shè)備

TA-XT Plus 質(zhì)構(gòu)儀（SMS Corporation，TA-XT Plus P/2）、游標(biāo)卡尺（Mitutoyo，0-150/0.02MM）、電子天平（FA1004N）、光學(xué)顯微鏡（olympusCX31）、Epoch酶標(biāo)儀（PE Lambda35）。

1.3 方法

每個(gè)品種隨機(jī)選取3 個(gè)西瓜果實(shí)，標(biāo)號(hào)為品種+數(shù)字，采用直尺測(cè)量果實(shí)縱徑、果實(shí)橫徑、果形指數(shù)（果實(shí)縱徑/橫徑），將試驗(yàn)材料沿中心縱切，采用游標(biāo)卡尺沿切面中心點(diǎn)120°夾角測(cè)量3個(gè)部位西瓜果皮厚度，取平均值，在選取的3個(gè)果皮部位分別取3 cm×3 cm×3 cm 立方小塊用作質(zhì)構(gòu)儀備用材料，繼續(xù)沿3個(gè)部位左側(cè)取薄片放入FAA固定液用于制作石蠟切片，然后沿3個(gè)部位右側(cè)各取1 g 果皮放入液氮，用于測(cè)定果皮中內(nèi)含物含量。具體取材方法參照?qǐng)D2。

1.3.1 西瓜果皮穿刺試驗(yàn)

將果皮材料放于質(zhì)構(gòu)儀臺(tái)，采用P/2E（2 mm直徑圓柱形不銹鋼）探頭作穿刺試驗(yàn)，參照楊靜等參數(shù)設(shè)置[7]，測(cè)前以V1=10 mm·s-1速度達(dá)到樣品表面，觸發(fā)力=100 g，以V2=2 mm·s-1速度測(cè)試20 mm 后返回，測(cè)后速度V3=10 mm·s-1，選用時(shí)間參數(shù)記錄target曲線(xiàn)，如圖3所示，略作修改。

果皮硬度：探針穿刺果皮形成的曲線(xiàn)第一個(gè)峰點(diǎn)為果皮破裂點(diǎn)，所得峰值表示果皮硬度（g·cm-2）

果皮韌性：探針接觸果皮到刺破時(shí)距離S（mm），測(cè)試距離S=測(cè)試速度V2×?xí)r間T0。

1.3.2 西瓜果皮組織石蠟切片

制作石蠟切片過(guò)程參考王艷芳等[12]、高美玲等[13]試驗(yàn)方法，將樣品放入FAA固定液，隔夜更換FAA 固定液，酒精濃度梯度脫水，二甲苯透明后加入石蠟碎屑使其飽和，65 ℃石蠟包埋，轉(zhuǎn)輪式切片機(jī)切片，切片厚度8 μm，展片烘干后二甲苯濃度梯度脫蠟，酒精濃度梯度復(fù)水，番紅、固綠染色，封片、拍照。采用Image J 軟件分析光學(xué)顯微鏡X400 倍鏡下石蠟切片，設(shè)置標(biāo)尺（視野直徑=視場(chǎng)直徑/物鏡放大倍數(shù)），測(cè)量外果皮厚度、表皮細(xì)胞長(zhǎng)度和寬度。

1.3.3 西瓜果皮內(nèi)含物測(cè)定

將1 g果皮樣品放入凍干機(jī)2 d后取出稱(chēng)重，計(jì)算含水量。將凍干樣品參照池寧琳[14]方法一次性測(cè)定總果膠含量、纖維素含量、半纖維含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010 和Rx64 3.5.2 處理數(shù)據(jù)，作相關(guān)性分析和顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同西瓜品種果實(shí)力學(xué)特征比較分析

通過(guò)TA-XT Plus質(zhì)構(gòu)儀對(duì)耐裂性差異明顯的5個(gè)品種西瓜果皮作穿刺測(cè)試分析，得到果皮硬度和果皮韌性數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖4、5所示。

由圖4 和5 可見(jiàn)，5 個(gè)西瓜品種果皮硬度和果皮韌性變化一致，果皮硬度和果皮韌性順序?yàn)椋?12＜COS＜W1-92＜1061＜177，西瓜果皮易裂品種（812 和COS）果皮硬度和韌性均小于耐裂品種（1061和177），易裂品種果皮硬度和韌性與耐裂品種差異顯著。

2.2 不同西瓜品種果皮解剖結(jié)構(gòu)比較分析

西瓜果皮主要由角質(zhì)層、表皮、外果皮、石細(xì)胞群和中果皮組成，果皮硬度是各層結(jié)構(gòu)綜合作用的結(jié)果。由表1可知，西瓜果皮厚度越厚，果皮硬度越大，而圖6為顯微鏡觀察果皮石蠟切片結(jié)果，從圖中可看出，果皮最外層是角質(zhì)層，存在于表皮層細(xì)胞外和間隙，除果皮硬度最小的西瓜品種812，其余品種果皮角質(zhì)層厚度均大于2.5 μm。

西瓜果皮表皮由一層較大且排列緊密的正方形或長(zhǎng)方形細(xì)胞組成，觀察5個(gè)西瓜品種表皮細(xì)胞長(zhǎng)寬比發(fā)現(xiàn)：隨最外層表皮細(xì)胞長(zhǎng)寬比增加，果皮硬度增加，果皮硬度最大的品種177，最外層表皮細(xì)胞長(zhǎng)寬比平均達(dá)3.34。

外果皮細(xì)胞與表皮細(xì)胞形狀相似，但細(xì)胞層數(shù)較多，由3～13 層排列緊密的細(xì)胞組成，該組織厚度、細(xì)胞層數(shù)對(duì)果皮硬度均產(chǎn)生影響，易裂品種812外果皮厚度小，細(xì)胞層數(shù)少，導(dǎo)致果皮硬度最小。

石細(xì)胞群由團(tuán)狀或者1～6層細(xì)胞構(gòu)成，細(xì)胞形狀接近圓形，該組織細(xì)胞排布結(jié)構(gòu)對(duì)果皮硬度產(chǎn)生影響，硬度最小的品種812和其他品種相比，不存在石細(xì)胞群。中果皮細(xì)胞由排列較緊密逐步過(guò)度到更大而疏松的薄壁細(xì)胞組成，中果皮是果皮中最大組織結(jié)構(gòu)，起緩沖壓力的作用，果皮最硬的品種177中果皮白色部分厚度較大，與果皮硬度最小品種812 的中果皮明顯不同，由圖1 可看出，品種812中果皮白色部分厚度極小。

品種177與其他西瓜品種區(qū)別在于，其果皮硬度最大，外果皮細(xì)胞長(zhǎng)寬比最大，細(xì)胞排布緊密，且石細(xì)胞群呈橢圓形縱向排列，鑲嵌于細(xì)胞大且厚的中果皮。外果皮結(jié)構(gòu)導(dǎo)致果皮硬度大，石細(xì)胞群鑲嵌于中果皮的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致果皮韌性大。實(shí)際測(cè)定中，品種177 果皮相對(duì)韌（柔）一些，不易開(kāi)裂，可能是這種結(jié)構(gòu)能具有更好的耐裂效果。品種812硬度最小也最易裂，特點(diǎn)為外果皮薄且無(wú)石細(xì)胞群。西瓜品種COS、W1-92、1061 果皮結(jié)構(gòu)相似，其特點(diǎn)為中果皮是排列緊密的近圓形細(xì)胞，由小細(xì)胞向大細(xì)胞過(guò)渡明顯。

2.3 不同品種果皮內(nèi)含物含量比較

不同西瓜品種果皮內(nèi)含物成分如圖7所示，含水量94.60%～96.35%；果膠含量0.736%～1.108%；半纖維素含量0.075%～0.640%；纖維素含量0.547%～0.855%。結(jié)合石蠟切片觀察發(fā)現(xiàn)，外果皮厚且硬度大的品種纖維素含量明顯高于外果皮薄的品種812，說(shuō)明外果皮中纖維素成分影響果皮硬度。中果皮細(xì)胞排列緊密，具有從小細(xì)胞到大細(xì)胞過(guò)渡結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的品種含水量更高，而中果皮細(xì)胞較大的品種果膠含量更多。

2.4 西瓜果皮硬度性狀相關(guān)性分析

相關(guān)性分析顯示（見(jiàn)圖8），西瓜果皮硬度與韌性呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.94，西瓜果皮硬度與果皮厚度呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.99，西瓜果皮硬度與果實(shí)縱徑、果實(shí)橫徑、表皮細(xì)胞長(zhǎng)寬比、果膠含量呈正相關(guān)，但未達(dá)顯著。西瓜果皮硬度與半纖維素含量呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.88，西瓜果皮硬度與含水量、纖維素含量呈負(fù)相關(guān)，但未達(dá)顯著。

西瓜果皮韌性與果皮厚度呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.88，西瓜果皮韌性與半纖維含量呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.92。纖維素含量與果實(shí)橫徑、縱徑均呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.88和0.95，纖維素還與外果皮厚度呈正相關(guān)，但未達(dá)顯著。

3 討 論

本研究從不同品種西瓜間果皮硬度差異出發(fā)，觀察果皮組織顯微結(jié)構(gòu)差異及內(nèi)含物（果膠、半纖維素和纖維素）含量差異，通過(guò)分析果皮性狀間相關(guān)性，解釋導(dǎo)致果皮硬度差異原因。研究發(fā)現(xiàn)，果皮硬度與果皮厚度相關(guān)系數(shù)最高，達(dá)極顯著，西瓜果皮由角質(zhì)層、表皮、外果皮、石細(xì)胞群和中果皮等組成，果皮硬度是各層結(jié)構(gòu)綜合作用的結(jié)果，單一因素變化影響較小。滿(mǎn)艷萍等認(rèn)為耐貯運(yùn)西瓜果皮硬度由外表皮較厚、石細(xì)胞團(tuán)大、細(xì)胞排列緊密等多個(gè)因素共同決定[9]。劉鵬等研究認(rèn)為耐貯運(yùn)三倍體西瓜果皮中石細(xì)胞主要以團(tuán)狀存在且尺寸較大，中果皮層細(xì)胞是小細(xì)胞向大細(xì)胞過(guò)渡的過(guò)程且排列緊密[15]。果皮各層結(jié)構(gòu)與貯運(yùn)性能關(guān)系較大[16-17]。本研究發(fā)現(xiàn)，果皮硬度較大品種，外果皮較厚，表皮細(xì)胞長(zhǎng)寬比大、細(xì)胞排列緊密，石細(xì)胞群大，中果皮細(xì)胞明顯由小細(xì)胞過(guò)渡到大細(xì)胞，果皮硬度較大品種與耐貯運(yùn)果皮結(jié)構(gòu)相似，說(shuō)明果皮硬度較大的西瓜品種同時(shí)具有貯運(yùn)性。

本研究還發(fā)現(xiàn)，果皮硬度和果皮韌性存在正相關(guān)且達(dá)顯著，與含水量存在負(fù)相關(guān)。Konstankiewicz等研究3個(gè)馬鈴薯品種發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞較小品種彈性系數(shù)較大，細(xì)胞面積越小，細(xì)胞抗壓強(qiáng)度越大，韌性越大[18]，本研究中果皮從小細(xì)胞到大細(xì)胞排列的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可能導(dǎo)致細(xì)胞抗壓強(qiáng)度較大，韌性高。楊靜等研究發(fā)現(xiàn)，西瓜果實(shí)含水量與果皮硬度、果肉硬度呈負(fù)相關(guān)且達(dá)顯著[7]，本研究中果皮硬度與含水量存在負(fù)相關(guān)但未達(dá)顯著，通過(guò)石蠟切片觀察和果皮內(nèi)含物成分析可見(jiàn)，中果皮細(xì)胞大，含水量明顯較少，而果膠含量較多。

西瓜果皮硬度與半纖維素含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與纖維素和果膠含量呈正相關(guān)。果膠、纖維素、半纖維素是西瓜果皮細(xì)胞壁主要成分，維持細(xì)胞穩(wěn)定性和完整性[19-20]。劉景安研究發(fā)現(xiàn)，野生西瓜變種PI296341-FR果肉內(nèi)果膠和纖維素含量是栽培品種97103的3倍以上，是導(dǎo)致兩個(gè)品種果肉硬度差異的主要原因[21]。高磊研究發(fā)現(xiàn)，西瓜發(fā)育過(guò)程中，果肉中果膠、半纖維素、纖維素含量變化和果肉硬度變化趨勢(shì)一致[10]。西瓜果皮結(jié)構(gòu)相較于果肉復(fù)雜，各層組織細(xì)胞不均勻，木質(zhì)化程度由外到內(nèi)降低，而質(zhì)構(gòu)儀所得硬度指標(biāo)主要取決于外果皮，本研究用于內(nèi)含物測(cè)定的果皮來(lái)源于植物學(xué)定義的果皮部分，導(dǎo)致結(jié)果與果肉不一致。本研究中，果皮中纖維素含量、果膠含量與果皮硬度呈正相關(guān)，但未達(dá)顯著，而纖維素含量和外果皮厚度正相關(guān)系數(shù)較高，說(shuō)明纖維素含量受外果皮厚度影響較大。果膠含量和外果皮細(xì)胞長(zhǎng)寬比相關(guān)系數(shù)為0.95，達(dá)極顯著，而果膠廣泛存在于高等植物細(xì)胞壁和胞間層[22]，說(shuō)明細(xì)胞長(zhǎng)寬比較大，細(xì)胞接觸面積較大，導(dǎo)致細(xì)胞與細(xì)胞間果膠含量較多。

4 結(jié) 論

綜上所述，西瓜果皮硬度由果皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)、內(nèi)含物含量等多因素決定，與果皮硬度緊密關(guān)聯(lián)性狀依次為果皮厚度、果皮韌性、半纖維素含量、果實(shí)橫徑、果實(shí)縱徑、含水量、果膠含量、外果皮細(xì)胞長(zhǎng)寬比、纖維素含量、外果皮厚度。相較于果皮內(nèi)含物含量，西瓜不同品種間果皮硬度與果皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)差異更密切。5個(gè)耐裂性差異明顯的西瓜品種中，較耐裂品種W1-92 和耐裂品種1061 較好，其果皮硬度和果皮韌性均較高，主要表現(xiàn)在果皮顯微結(jié)構(gòu)相似，在運(yùn)輸擠壓中不易破裂，且果實(shí)儲(chǔ)藏期較長(zhǎng)。但西瓜果皮結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，果皮硬度取決于果皮結(jié)構(gòu)整體變化，單一因素變化影響小，因此選育果皮硬度適中的西瓜品種，需把握各性狀相互關(guān)系，多方面考慮選擇才能得到理想材料。