不同品種番茄果實(shí)礦質(zhì)元素含量評價(jià)

金寧，肖雪梅，郁繼華，金莉，武玥，呂劍，唐中褀，閆曉花

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

番茄(SolanumlycopersicumL.)原產(chǎn)于南美洲西部的秘魯、智利、玻利維亞及厄瓜多爾等國家的高原或谷地[1]，是茄科(Solanceae)番茄屬中以成熟多汁漿果為食用器官的草本植物[2].隨著人們生活水平的提高，大眾的飲食文化也逐步高級化，人們對于蔬菜產(chǎn)品的要求發(fā)生了顯著的變化，不僅要求數(shù)量充足和周年供應(yīng)，而且更注重品種外觀、風(fēng)味和營養(yǎng)等內(nèi)在品質(zhì)，果實(shí)品質(zhì)的優(yōu)劣已成為其市場競爭力的核心因素[3].

近年來，番茄果實(shí)的品質(zhì)已成為消費(fèi)群體和科研人員共同關(guān)注的問題，描述番茄果實(shí)品質(zhì)的指標(biāo)有很多，但多數(shù)研究都局限于番茄果實(shí)可溶性糖、有機(jī)酸、糖酸比、維生素C等指標(biāo)的研究，而對番茄果實(shí)中礦質(zhì)元素的報(bào)道較少，對不同品種的番茄果實(shí)礦質(zhì)元素積累也缺乏研究，番茄中各種礦質(zhì)元素含量之間的相互關(guān)系也尚未有明確的結(jié)論.關(guān)于果樹果實(shí)礦物質(zhì)的相關(guān)研究表明，礦質(zhì)元素種類、含量與植物生長發(fā)育密切相關(guān)，它既可以直接參與到新陳代謝過程中，也可以改變植株的形態(tài)和生物化學(xué)特性，進(jìn)而對產(chǎn)量及果實(shí)品質(zhì)產(chǎn)生較大影響[4]，各種礦質(zhì)營養(yǎng)的絕對含量以及它們之間的相互作用，決定著果實(shí)可溶性固形物、維生素C、有機(jī)酸含量以及果實(shí)大小、果肉硬度、果形指數(shù)、著色程度、果實(shí)耐貯性等品質(zhì)[5-7].目前，在番茄品種的綜合評價(jià)中應(yīng)用較多的方法主要有水平分析、主成分分析法、相關(guān)性分析、聚類分析、隸屬函數(shù)法、DTOPSIS 法等[8].韓澤群等[9]利用主成分分析法將加工番茄品種的17個(gè)農(nóng)藝性狀指標(biāo)轉(zhuǎn)化為5個(gè)主要指標(biāo)，從不同的角度給予了全面、客觀的評價(jià)；梁梅等[10]研究番茄的13個(gè)農(nóng)藝性狀與果實(shí)中可溶性糖、維生素C和番茄紅素的相關(guān)性，以篩選出影響番茄果實(shí)營養(yǎng)品質(zhì)的主要農(nóng)藝性狀，從而為番茄果實(shí)品質(zhì)性狀的早期評價(jià)提供依據(jù).張余洋等[11]通過PEG模擬干旱脅迫對新疆14個(gè)主要加工番茄品種進(jìn)行萌芽期和幼苗期耐旱性鑒定，采用聚類分析法對加工番茄發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、胚根長度、幼苗鮮質(zhì)量、幼苗干質(zhì)量等指標(biāo)進(jìn)行比較分析，并依據(jù)相似性對加工番茄萌芽期和幼苗期的耐旱性進(jìn)行快速鑒定.但以上3種分析方法大多用于番茄農(nóng)藝性狀指標(biāo)的分析，而鮮見其用于番茄果實(shí)礦質(zhì)元素含量的評價(jià).

本研究以9個(gè)番茄品種為試材，以K、P、Mg、Ca、Cu、Fe、Mn和Zn 8種礦質(zhì)元素為檢測指標(biāo)，運(yùn)用相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析對番茄品種和礦質(zhì)元素含量之間的關(guān)系進(jìn)行分析與科學(xué)分類，旨在為正確評價(jià)番茄營養(yǎng)功能和番茄果實(shí)礦質(zhì)營養(yǎng)的品種差異提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料

供試9個(gè)高糖番茄品種(表1)均采自靖遠(yuǎn)縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)，苗齡41 d定植，定植時(shí)間為2018年10月4日，定植基質(zhì)為綠能瑞奇，基質(zhì)pH 7.8，EC2.2 ms/cm，全N 1 593 mg/kg，堿解N 491.8 mg/kg，速效P 125.6 mg/kg，速效鉀 341.5 mg/kg.壟上雙行定植，定植株距40 cm，行距25 cm.試驗(yàn)采用水肥一體化膜下滴灌的方式進(jìn)行灌水施肥，試驗(yàn)地立地條件和肥水管理一致，試驗(yàn)用番茄均采收于盛果期.

表1 9個(gè)品種番茄信息

1.2 方法

番茄果實(shí)采摘后105 ℃殺青，80 ℃烘干，用植物組織粉碎機(jī)研磨.K和P元素前處理為H2SO4-H2O2消煮法；Mg、Ca、Cu、Fe、Mn和Zn元素前處理為干灰化法[12].P元素的測定采用鉬銻抗比色法[13]；K、Mg、Ca、Cu、Fe、Mn和Zn元素測定采用原子吸收光譜法[14].

1.3 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Excel 2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及作圖，并用SPSS 19.0進(jìn)行K-S檢驗(yàn)、方差分析、相關(guān)性分析、主成分分析及聚類分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 番茄果實(shí)礦質(zhì)元素含量的水平分析

2.1.1 9個(gè)品種番茄果實(shí)礦質(zhì)元素含量的K-S檢驗(yàn) Kolmogorov-Smirnov(K-S)檢驗(yàn)法常被用來檢驗(yàn)樣本是否符合正態(tài)性分布.它是用樣本本身的信息檢驗(yàn)樣本來自同一個(gè)總體正態(tài)分布假設(shè)的一種統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法.運(yùn)用SPSS 19.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的正態(tài)性檢驗(yàn)功能對9個(gè)不同品種番茄果實(shí)8種礦質(zhì)元素含量進(jìn)行K-S檢驗(yàn).結(jié)果顯示，K、P、Mg、Ca、Cu、Fe、Mn、Zn漸近顯著性(雙側(cè))值P值分別為0.988、0.675、0.881、0.937、0.661、0.946、0.289和0.638，均大于顯著水平(α=0.05)，表明9個(gè)不同品種番茄果實(shí)礦質(zhì)元素含量數(shù)據(jù)均服從正態(tài)分布.

2.1.2 9個(gè)品種番茄果實(shí)礦質(zhì)元素含量分析 由表2可知，各品種間K、Mg、Ca及Mn元素含量以品種‘東風(fēng)299’最高，其中，K、Mg及Mn元素含量均顯著高于其他8個(gè)品種，Ca含量顯著高于除‘181’外的其他7個(gè)品種；P和Zn含量以品種‘184’最高，其中，P含量顯著高于其他8個(gè)品種，Zn含量顯著高于除‘東風(fēng)299’外的其他7個(gè)品種；Fe和Cu含量以品種‘181’最高，其中，F(xiàn)e含量顯著高于除‘東風(fēng)299’外的其他7個(gè)品種；Cu含量顯著高于其他8個(gè)品種.這說明不同品種間的同一種礦質(zhì)元素存在著明顯的差異.

表2 9個(gè)品種番茄果實(shí)礦質(zhì)元素含量

2.1.3 番茄果實(shí)8種礦質(zhì)元素含量分析 本試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)了9個(gè)番茄品種中8種礦質(zhì)元素含量范圍、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)(表3).結(jié)果表明：在所測定的8種礦質(zhì)元素中，K含量最高，Cu含量最低，大量元素( K、P、Mg和Ca)含量顯著高于微量元素(Cu 、Fe、Mn和 Zn)，其中，大量元素K、P、Mg和Ca之間均存在顯著性差異，微量元素Mn和Cu含量無顯著性差異.通常認(rèn)為變異系數(shù)(CV)≤ 10%為弱變異，10%

表3 番茄果實(shí)8種礦質(zhì)元素含量

2.2 番茄果實(shí)礦質(zhì)元素的相關(guān)性分析

對番茄果實(shí)中8種礦質(zhì)元素進(jìn)行Person相關(guān)性分析，結(jié)果如表4所示.K與P、Mg、Fe、Mn、Zn均呈正相關(guān)，其中，K與P、Mg、Fe、Zn呈極顯著正相關(guān)(α=0.01)，與Mn呈顯著性正相關(guān)(α=0.05)；P與Mg、Fe、Zn均存在極顯著正相關(guān)(α=0.01)；Mg與Fe、Mn、Zn均達(dá)到極顯著正相關(guān)(α=0.01)；Fe與Mn、Zn呈正相關(guān)，其中，F(xiàn)e與Mn達(dá)到顯著正相關(guān)(α=0.05)，與Zn達(dá)到極顯著正相關(guān)(α=0.01).Ca與Zn、Cu與Mn均呈負(fù)相關(guān)，但沒有達(dá)到顯著水平.說明番茄果實(shí)中元素含量間存在復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系.

2.3 番茄果實(shí)礦質(zhì)元素含量的主成分分析

主成分分析是實(shí)現(xiàn)降維的一種統(tǒng)計(jì)方法，在損失較少信息前提下，用少數(shù)變量盡可能多地反映原來變量的信息.以8種礦質(zhì)元素含量為分析指標(biāo)，對9個(gè)番茄品種的8種礦質(zhì)元素含量進(jìn)行主成分分析得到主成分特征值、貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率(表5).如圖1所示，研究中按照累積貢獻(xiàn)率大于85%及特征值大于1的原則，選擇了3個(gè)主成分.結(jié)果如表5所示，第一主成分特征值為5.09，代表9個(gè)品種8種礦質(zhì)元素含量 63.626%的信息；第二主成分特征值為1.26，代表9個(gè)品種8種礦質(zhì)元素含量15.756%的信息，第三主成分特征值為1.225，代表9個(gè)品種8種礦質(zhì)元素含量15.311%的信息，前3個(gè)主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為94.693%，說明這 3個(gè)主成分反映了原始變量95%的信息.因此提取前3個(gè)主成分代替原8個(gè)指標(biāo)評價(jià)番茄礦質(zhì)元素含量.對番茄礦質(zhì)元素含量評價(jià)的指標(biāo)由最初的8個(gè)方面降為3個(gè)彼此不相關(guān)的主成分，達(dá)到了降維的目的.

表4 番茄果實(shí)中礦質(zhì)元素的相關(guān)性分析

圖1 主成分分析碎石圖Figure 1 Scree plot of principal component analysis

表5 番茄果實(shí)中礦質(zhì)元素主成分分析的特征值及方差貢獻(xiàn)率

2.4 番茄果實(shí)礦質(zhì)元素含量的綜合評價(jià)

主成分的載荷矩陣旋轉(zhuǎn)之后載荷系數(shù)更接近1或者更接近0，這樣得到的主成分能夠更好地解釋變量.由表6結(jié)果可知，主成分1(F1)主要綜合了K(因子負(fù)荷為0.933)、P(因子負(fù)荷為0.963)、Mg(因子負(fù)荷為0.937)、Fe(因子負(fù)荷為0.928)及Zn(因子負(fù)荷為0.939)這5種礦質(zhì)元素的信息，主成分2(F2)和主成分3(F3)分別與Ca(因子負(fù)荷為 0.980)和Cu(因子負(fù)荷為0.986)有關(guān)，由于因子負(fù)荷均為正值，位于正向分布，所以因子得分越高，所對應(yīng)的礦質(zhì)元素含量越高.因?yàn)榭偡讲?50%以上的貢獻(xiàn)來自第1主因子[15]，因此認(rèn)為 K、P、Mg、Fe、Zn是番茄的特征無機(jī)元素.

如表6所示，用各礦質(zhì)元素的主成分載荷除以相對應(yīng)主成分特征值的開平方根，得到3個(gè)主成分中每個(gè)礦質(zhì)元素所對應(yīng)的系數(shù)即特征向量，以特征向量為權(quán)重構(gòu)建3個(gè)主成分的表達(dá)函數(shù)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個(gè)表達(dá)式中，X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7及X8分別為標(biāo)準(zhǔn)化的 K、P、Mg、Ca、Cu、Fe、Mn及Zn含量.以各個(gè)主成分對應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率作為權(quán)重，由主成分得分和對應(yīng)的權(quán)重線性加權(quán)求和得到綜合評價(jià)函數(shù)如下：

綜合得分=0.636Y1+0.158Y2+0.153Y3

根據(jù)主成分綜合得分模型， 可計(jì)算出9個(gè)番茄品種8種礦質(zhì)元素的綜合得分和排序(表7).綜合得分由高到低依次為‘東風(fēng)299’‘181’‘184’‘180’‘粉太郎’‘冠群三號’‘金明’‘P1802’‘P1801’.

表6 番茄果實(shí)8種礦質(zhì)元素的主成分載荷矩陣及特征向量

表7 9個(gè)品種番茄果實(shí)礦質(zhì)元素的綜合得分

2.5 番茄果實(shí)礦質(zhì)元素含量的聚類分析

采用系統(tǒng)分析法將番茄9個(gè)品種8種礦物質(zhì)含量劃分為3類，將樣本劃為不同類群以便于進(jìn)行相似性評價(jià)，結(jié)果如圖2所示，9個(gè)品種被劃分為3類，第Ⅰ類包括品種‘粉太郎’‘冠群三號’‘180’‘金明’和‘P1801’，這類品種的8種礦質(zhì)元素的平均含量均排名中等，礦質(zhì)元素的綜合品質(zhì)較好；第Ⅱ類包括品種‘東風(fēng)299’‘181’和‘184’，具有較高的K、P、Mg、Fe和Zn元素的平均含量，礦質(zhì)元素綜合品質(zhì)最好，排名前3名；第Ⅲ類為品種‘P1802’，此品種的K、Mg、Mn及Zn元素的平均含量均排名最低，礦質(zhì)元素的綜合品質(zhì)最差.

圖2 不同品種番茄果實(shí)礦質(zhì)元素含量聚類分析Figure 2 Cluster analysis of mineral elements content in different varieties of tomato fruit

3 討論

礦質(zhì)元素是指除去碳、氫、氧外植株根系從土壤或栽培基質(zhì)中吸收的植物生長發(fā)育所必須的元素，主要包含大量元素、中量元素和微量元素三大類.P、K是植物所需的兩種大量元素，P是植物體內(nèi)結(jié)構(gòu)如細(xì)胞核的重要組分，在生長初期對植物根系伸長有顯著的促進(jìn)作用，K是植株中含量最多的金屬元素，參與植株體內(nèi)各種代謝活動(dòng)，同時(shí)還能夠增強(qiáng)植株的抗逆性.有研究表明，番茄葉片中K累積量與光合能力呈正相關(guān)關(guān)系，莖葉中P含量影響植株凈光合速率[16-17].Ca與Mg作為中量元素，對植物也有重要作用.Ca作為植物細(xì)胞伸長所必須的營養(yǎng)元素[18]，除參與植物體的很多生理生化反應(yīng)外，還有維持生物膜的穩(wěn)定性、促進(jìn)果膠合成、增強(qiáng)植物抗病力及提高植物體內(nèi)多種酶的活性等作用[4,19-20].研究表明，黃瓜、甜椒等蔬菜葉片的斑點(diǎn)病、番茄果實(shí)的臍腐病等均與鈣素供應(yīng)不足有關(guān)[21].Mg作為植物葉片葉綠素的重要構(gòu)成成分之一，土壤的酸堿性、提供陽離子的種類及植物種類都會(huì)影響植株對鎂的吸收，鎂肥對果類蔬菜及露地栽培的蔬菜更為重要.Cu、Fe、Mn、Zn是植物所需的微量元素，當(dāng)微量元素供應(yīng)不足時(shí)，植株常表現(xiàn)出缺素癥，進(jìn)而影響生長、產(chǎn)量及品質(zhì)；當(dāng)供應(yīng)過量時(shí)同樣會(huì)產(chǎn)生副作用，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致植物中毒，乃至給人和動(dòng)物的健康帶來較大影響[22].Cu、Fe、Mn等與葉綠素密切相關(guān)，其中Cu元素與呼吸作用有密切關(guān)系，參與植物體蛋白質(zhì)和糖代謝等重要生理生化反應(yīng)，F(xiàn)e還參與植物的光合作用過程和固氮過程，適量的Mn能促進(jìn)種子的萌發(fā)、幼苗生長及花的正常發(fā)育等.鋅與RNA和DNA聚合酶有重要關(guān)系，同時(shí)它也是植物體內(nèi)59種復(fù)合酶的構(gòu)成成分之一，且有報(bào)道稱，施用鋅肥可以提高番茄果實(shí)中維生素C含量，降低總酸含量[18，23].

果實(shí)中礦質(zhì)元素含量與土壤養(yǎng)分具有直接關(guān)系，但同時(shí)受自身營養(yǎng)吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)和分配等因素影響.同一種礦質(zhì)元素在不同種類、不同品種果品中的含量差異很大.匡立學(xué)等[24]研究發(fā)現(xiàn)蘋果中 7 種礦質(zhì)元素指標(biāo)的平均含量排序?yàn)镵>P>Mg>Ca>Zn>Cu>Mn；馬小衛(wèi)等[25]研究芒果礦質(zhì)元素，得出各營養(yǎng)元素含量為 K>P>Mg>Ca>Na>Mn>Fe>Zn>Cu>B；而在本研究中番茄8種礦質(zhì)元素含量的排序?yàn)镵>P>Mg>Ca>Fe>Zn>Mn>Cu.果實(shí)中營養(yǎng)元素含量之間也存在著相互作用，多種礦質(zhì)之間的綜合效應(yīng)共同影響著果實(shí)的產(chǎn)量和品質(zhì).分析果實(shí)中養(yǎng)分之間的相關(guān)性，有助于了解元素間可能存在的關(guān)系，在番茄養(yǎng)分管理中可根據(jù)這些關(guān)系采用科學(xué)的施肥措施調(diào)控養(yǎng)分的平衡，有時(shí)可以通過減少一種養(yǎng)分的過量施用達(dá)到糾正另一種養(yǎng)分缺乏的目的.例如，梨[26]果實(shí)中Cu和Fe之間、葡萄[27]果實(shí)中Fe與B之間均存在顯著正相關(guān).李珊珊[28]對谷子的研究中發(fā)現(xiàn)，K與Cu、Mn、Zn、Mg 都具有較好的相關(guān)性，Cu、 Mg、 Mn、 Zn 相互之間都呈極顯著正相關(guān).在本研究中，K與P、Mg、Fe、Zn呈極顯著正相關(guān)，與Mn呈顯著性正相關(guān)；P與Mg、Fe、Zn均存在極顯著正相關(guān)；Mg與Fe、Mn、Zn均達(dá)到了極顯著正相關(guān)；Fe與Mn達(dá)到了顯著正相關(guān)，與Zn達(dá)到了極顯著正相關(guān)；Ca與Zn、Cu與Zn均呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)性不顯著.本研究結(jié)果明確了番茄果實(shí)礦質(zhì)營養(yǎng)元素之間的相關(guān)性，可為番茄的配方施肥提供一定的理論依據(jù).

目前，果實(shí)品質(zhì)性狀的評價(jià)更趨向于客觀化、定量化，評價(jià)方法也趨向多元化和綜合化，國內(nèi)外已有很多關(guān)于評價(jià)方法的研究和應(yīng)用.主成分分析是一種常見的多指標(biāo)評價(jià)方法[29-30]，其基本思想都是通過降維，將多個(gè)具有一定相關(guān)性的觀測指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)新的指標(biāo)，再依據(jù)各樣品的因子得分進(jìn)行綜合評價(jià)，使評價(jià)結(jié)果更加客觀、合理，廣泛運(yùn)用在農(nóng)作物的數(shù)量性狀分析和綜合評價(jià)中[31-32].由于番茄果實(shí)中礦質(zhì)元素之間存在一定的相關(guān)性，本研究通過主成分分析將所研究的 8個(gè)礦質(zhì)元素指標(biāo)進(jìn)行簡化，篩選出 K、 P、Mg、Fe、Zn 是評價(jià)番茄果實(shí)營養(yǎng)品質(zhì)的特征礦質(zhì)元素.進(jìn)一步通過計(jì)算不同品種果實(shí)礦質(zhì)元素的綜合分值，得出9個(gè)不同番茄品種排名依次為‘東風(fēng)299’‘181’‘184’‘180’‘粉太郎’‘冠群三號’‘金明’‘P1801’‘P1802’.聚類分析是應(yīng)用多元統(tǒng)計(jì)分析原理研究分類問題的一種數(shù)學(xué)方法，主觀因素少，分類結(jié)果客觀、科學(xué)，并可同時(shí)對大量性狀進(jìn)行綜合考察[33].聚類分析方法是根據(jù)不同性狀間所具有的相關(guān)性或者是樣品間的相似性或差異性指標(biāo)，定量地確定樣本間的親疏關(guān)系.現(xiàn)已廣泛用于李、桃、杏、梅、柿、葡萄、蘋果仁、柑桔仁、枇杷和甜瓜等果樹果實(shí)品質(zhì)的綜合評價(jià)[34].本試驗(yàn)采用系統(tǒng)聚類法按歐式距離進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，9個(gè)不同品種共被分為3類，第Ⅰ類包括品種‘粉太郎’‘冠群三號’‘180’‘金明’和‘P1801’，礦質(zhì)元素的綜合品質(zhì)較好；第Ⅱ類包括品種‘東風(fēng)299’‘181’和‘184’，礦質(zhì)元素綜合品質(zhì)最好，排名前3名；第Ⅲ類為品種‘P1802’，礦質(zhì)元素的綜合品質(zhì)最差.

4 結(jié)論

綜上所述，9個(gè)品種番茄中8 種礦質(zhì)元素的平均含量由高到低依次為K>P>Mg>Ca>Fe>Zn>Mn>Cu.K與P、Mg、Fe、Zn呈極顯著正相關(guān)，與Mn呈顯著性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均在0.5以上.K、P、Mg、Fe、Zn是番茄的特征礦質(zhì)元素.不同品種番茄間8種礦質(zhì)元素的組成存在差異，可分為3類，第一類為中等礦質(zhì)元素品種，包括品種‘粉太郎’‘冠群三號’‘180’‘金明’和‘P1801’五個(gè)品種；第二類為高礦質(zhì)元素品種，包括品種‘東風(fēng)299’‘181’和‘184’3個(gè)品種；第三類為低礦質(zhì)元素品種，包括‘P1802’一個(gè)品種.按照主成分分析綜合得分由高到低9個(gè)不同番茄品種排名依次為‘東風(fēng)299’‘181’‘184’‘180’‘粉太郎’‘冠群三號’‘金明’‘P1801’‘P1802’.研究結(jié)果對番茄生產(chǎn)育種和消費(fèi)中的品種選擇有一定的參考價(jià)值.