橡膠樹種質(zhì)膠乳5種金屬離子含量差異和年度變化研究

曾霞 安澤偉 胡彥師 程漢

摘 ?要：膠乳中的金屬離子對膠乳穩(wěn)定性和橡膠性能有重要影響，但這些離子在不同種質(zhì)間的差異及其年度變化尚未見研究報道。本研究以國家橡膠樹種質(zhì)資源圃種植的少花橡膠、光亮矮生橡膠、巴西橡膠野生種和栽培種共13份種質(zhì)為對象，采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法，研究了膠乳中的Cu、Mn、Fe、Ca、Mg 5種離子含量及其年度變化。結(jié)果表明：Cu、Mn、Mg離子在種質(zhì)間差異達到極顯著水平，Ca、Fe離子在種質(zhì)間差異達到顯著水平，但5種離子在野生種和栽培種間無顯著性差異;從年度（5—12月）變化看，Cu離子含量呈現(xiàn)從低到高的變化趨勢，Ca離子含量年度內(nèi)呈現(xiàn)從高到低的變化趨勢，Mg、Mn和Fe離子含量年度內(nèi)呈現(xiàn)小幅波動，推測這些變化趨勢與天然橡膠年度割膠生產(chǎn)與產(chǎn)排膠有密切關(guān)系，也可為高性能天然橡膠的制備提供一定依據(jù);對5種金屬離子在種質(zhì)間差異性和年度變異系數(shù)進行分析，認為Mn離子和Mg離子可以初步篩選作為膠乳特性的遺傳指標(biāo)，Mg、Mn、Cu、Ca 4種離子可以通過代表性月份或每月1次測定代表全年平均。

關(guān)鍵詞：橡膠樹;種質(zhì);膠乳;金屬離子;年度變化

Abstract： The mental ions in the latex have an important effect on the latex stability and properties of nature rubber. The differences of the ions among germplasm and the annual changes have not been studied. In this study， 13 germplasm planted in the National Rubber Tree Germplasm Repository， including Hevea pauciflora， Hevea nitida and Hevea brasiliensisi， were used to investigate the difference and annual variation of Ca， Cu， Fe， Mg and Mn in the latex by ICP-MS or ICP-OES. It was found Cu， Mn and Mg had a highly significant difference， and Ca and Fe had a significant difference among the germplasm. But the difference was not significant between the wild and cultivated germplasm. The trend in the whole year of Cu was from low to high， that of Ca was from high to low， and that of Mn， Mg and Fe fluctuated slightly. The trends were speculated to be closely related to the annual production and could provide some advice for the processing of high quality natural rubber. It is concluded that Mn and Mg could be used as the genetic indexes for latex properties. Mg， Mn， Cu， and Ca could be measured by the representative month or once a month to represent the annual average.

Keywords： Hevea; germplasm; latex; mental ions; annual variation

天然橡膠與合成橡膠相比，在通用性能、抗撕裂性能等方面表現(xiàn)優(yōu)良，在軍工和國民經(jīng)濟建設(shè)中起著不可或缺的作用，是重要的工業(yè)原料和不可替代的戰(zhàn)略資源。商用天然橡膠99%來源于巴西橡膠樹，通過獲取其膠乳加工而成[1]。新鮮膠乳一般呈白色，是一種膠體的復(fù)合物，其物理性質(zhì)、化學(xué)組成和膠態(tài)化學(xué)結(jié)構(gòu)都非常復(fù)雜。膠乳除大量的水、橡膠烴外，還存在5%～8%的非橡膠組分，如蛋白質(zhì)、脂類、糖、無機鹽等[2]。這些非膠組分對天然橡膠，特別是硫化后的天然橡膠物理性質(zhì)有不容忽視的影響[3]，其中無機鹽對膠乳穩(wěn)定性、老化性能、酶活性等重要影響[4]?；曳质谴嬖谟谔烊幌鹉z的無機鹽（鉀、鈉、鈣、鎂、鋁等元素的磷酸或硫酸鹽）和雜質(zhì)等的燃燒產(chǎn)物，是天然橡膠常規(guī)的化學(xué)檢測項目，也是重要的質(zhì)量指標(biāo)之一[5]，天然生膠技術(shù)分級橡膠（TSR）對灰分含量要求不高于1.00%[6]。天然橡膠分子鏈中有大量不飽和碳碳雙鍵，在紫外光、熱、氧氣、臭氧、應(yīng)力和金屬離子條件下，極易發(fā)生老化，老化后的天然橡膠使用性能下降[7]。早有研究注意到銅、錳、鐵對橡膠氧化性有影響[8]，銅、錳、鐵等金屬及其鹽類可以催化天然橡膠氧化和熱降解，加速氧化過程的引發(fā)，引起天然橡膠耐老化性能明顯下降[9-11]。

植膠業(yè)一直在我國熱區(qū)種植業(yè)中占有獨特而重要的地位。橡膠樹種質(zhì)資源是育種、生物科學(xué)研究和植膠生產(chǎn)的基礎(chǔ)，為我國橡膠樹品種良種化和產(chǎn)業(yè)發(fā)展升級提供了重大支撐。受我國天然橡膠工業(yè)發(fā)展對原料巨大需求的引導(dǎo)，長期以來，鑒定評價重點一直在產(chǎn)量、抗逆性、抗病蟲性等方面[12]。華元剛等[13]研究了不同施肥處理對天然橡膠膠乳及生膠性能的影響，發(fā)現(xiàn)N、P、K、Mg肥料施用對制品性能有一定影響。但對于原生膠乳組分和特性方面的遺傳性狀和指標(biāo)體系一直處于空白。本研究對不同來源的13份橡膠樹種質(zhì)原生膠乳中的Cu、Mn、Fe、Ca、Mg 5種離子進行分析，探討其年度變化規(guī)律以及遺傳特性，以期為橡膠樹種質(zhì)資源膠乳特性鑒定性狀的建立、橡膠樹選育種和天然橡膠加工等提供依據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1 ?材料

試驗材料為中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗場三隊國家橡膠樹種質(zhì)資源圃鑒定評價基地2008年定植的種質(zhì)。參試種質(zhì)13份，其中少花橡膠1份、光亮矮生橡膠1份、巴西橡膠野生種3份（AC/F/6B 40/110、AC/S/12 42/543、AC/S/11 41/298）、巴西橡膠栽培種8份，見表1。這些種質(zhì)種植集中，基本連片，具有較好的氣候、土壤的均一性，且由同一膠工割膠，撫管、割膠條件基本一致，未使用刺激劑。

1.2 ?方法

1.2.1 ?采樣 ?2018年5—12月割膠期間進行采樣，每月上、中、下旬根據(jù)天氣情況采樣2～3次。每份資源采樣時，對同一種質(zhì)的膠乳混合后取樣，帶回實驗室倒入培養(yǎng)皿，室溫抽濕干燥。

1.2.2 ?5種離子的測定 ?按照《乳膠制品中重金屬含量測試 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法》（GB/T 33324—2016）的方法[14]測試。其中，Ca、Mg、Fe使用Optima8000型ICP-OES（美國PE公司）測試，Cu、Mn使用Perkinelmer NexION 2000B型 ICP-MS（美國PE公司）測試。

1.2.3 ?灰分的測定 ?按照《橡膠 灰分的測定 第1部分：馬弗爐法》（GB/T 4498.1—2013）的方法測定[5]。設(shè)備采用SXL- 1308C型馬弗爐（杭州卓馳儀器有限公司）。

1.3 ?數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016和SPSS V.20.0.0軟件進行數(shù)據(jù)處理與分析。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?5種離子含量差異顯著性分析

同一種植年份中，Mg離子含量>Ca離子含量> Fe離子含量>Mn離子含量>Cu離子含量。從表2可見，以‘RRIM600作為對照，Cu離子低于對照的有9份，包括‘熱研7-33-97‘云研77-4等主推品種，光亮矮生橡膠最低，僅為對照的47.3%;Cu離子高于對照的有3份，最高的‘GT1超過對照44.4%。Mn離子含量高于對照的有6份，低于對照的6份，其中光亮矮生橡膠含量最高，超過對照24.3%，其次為‘PR107，‘熱研7-33-97含量最低，低于對照20%，‘GT1‘云研77-2和‘云研77-4與對照相當(dāng);12份種質(zhì)的Fe離子和Ca離子均低于對照，其中‘GT1‘PR107與對照相當(dāng)，‘云研77-2的Fe離子含量最低，僅為對照的60%左右，熱研‘7-33-97和‘熱研7-20-59的Fe離子含量處于中等水平，‘云研77-2的Ca離子含量最低，而‘云研77-4的Ca離子則處于中等偏上水平，‘熱研7-33-97和‘熱研7-20-59的Ca離子含量處于中等偏下水平;除了‘熱研7-33-97，其他種質(zhì)Mg離子均低于對照，‘熱研7-33-97的Mg離子含量較‘RRIM600高出84.2%，少花橡膠Mg離子含量最低，為對照的17.3%，其次為‘熱研217和光亮矮生橡膠，‘云研77-2‘云研77-4和‘熱研7-20-59處于中等水平。

方差分析表明，Cu、Mn、Fe、Ca、Mg離子含量每次測定間均達到極顯著水平。Cu、Mn、Mg離子含量在不同種質(zhì)間達到極顯著差異（P< 0.01），F(xiàn)e、Ca離子含量僅達到顯著差異（FFe=1.91，PFe<0.05;FCa=2.00，PCa<0.05），但5種離子在野生種和栽培種間無顯著性差異。

2.2 ?5種離子含量年度變化趨勢

2.2.1 ?Cu離子含量年度變化趨勢 ?從全年變化情況看（圖1），各種質(zhì)Cu離子含量5—8月總體上保持平穩(wěn)，變化幅度不大，9月至停割前變動幅度加大，基本保持上升態(tài)勢。年度內(nèi)變異系數(shù)0.33～0.72。

2.2.2 ?Ca離子含量年度變化趨勢 ?從全年變化情況看（圖2），各種質(zhì)材料Ca離子5—6月小幅波動，6月下旬上升后一直保持下降態(tài)勢，至9月保持平穩(wěn)，從開割期到停割期總體上呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。與Cu離子相反，Ca離子在5—8月各種質(zhì)材料間變化幅度較大，9—12月變化幅度縮小，年度變異系數(shù)0.37～0.51。

2.2.3 ?Mn、Fe、Mg離子含量年度變化趨勢 ?從全年變化情況看，Mn、Fe和Mg離子全年連續(xù)小幅波動（圖3～圖5）。Mn離子變異系數(shù)0.16～0.28，F(xiàn)e離子變異系數(shù)0.29～0.50，Mg離子變異系數(shù)0.20～0.47。Mn和Mg離子在8月中旬上升后，至10月有2個月左右的下降過程。

2.3 ?5種離子與灰分相關(guān)性分析

對13份種質(zhì)灰分的測定表明，灰分全年平均值都在1%以下。相關(guān)性分析表明（表3），灰分與5種離子中含量最高的Mg離子呈極顯著正相關(guān)，與Cu離子呈顯著正相關(guān)。Cu離子與Ca離子呈極顯著負相關(guān)，與Fe離子呈極顯著正相關(guān)，Mg離子和Mn離子也呈現(xiàn)出極顯著相關(guān)，但相關(guān)系數(shù)均不大。

2.4 ?5種離子測試代表性月份分析

對13份種質(zhì)膠乳的5種離子全年平均值與每月測定1次，或5月、7月、9月的上、中、下旬各測定1次，或6月、8月、10月的上、中、下旬各測定1次進行相關(guān)性分析（表4），Cu、Mn、Ca、Mg離子均達到極顯著正相關(guān)，F(xiàn)e離子與測試時間的相關(guān)性不如其他4種離子。

3 ?討論

3.1 ?5種金屬離子和灰分測定代表性月份的可能性

橡膠樹產(chǎn)量和干膠含量的測定除了采取每月上中下旬測產(chǎn)3次，還有通過代表性月份，即每月測定1次，或代表性月份進行測定[15]，如5月、7月、9月3個月或者6月、8月、10月3個月。本研究發(fā)現(xiàn)Mg、Mn、Cu、Ca 4種離子和灰分也可以通過代表性月份或每月1次測定代表全年平均。

金屬離子的測試需要采取電感耦合等離子光譜法（ICP），目前單次測試費用較高，采取代表性月份測產(chǎn)或每月測產(chǎn)一次較全年每旬測試節(jié)約近2/3的費用。Fe離子的相關(guān)性表現(xiàn)不好，一方面可能是由于Fe離子受膠刀割膠等影響易污染[6]，另一方面可能是由于測試中氬氧的形成干擾了Fe離子的測定。

3.2 ?5種金屬離子作為膠乳特性指標(biāo)的可行性

Mn離子的變異系數(shù)低于30%，而除‘PR107外，Mg離子變異系數(shù)不到40%，且種質(zhì)間差異達到極顯著水平，可以初步篩選作為膠乳特性的遺傳指標(biāo)。在橡膠樹育種中，一般選用‘RRIM600‘PR107和‘GT1作為對照。對于Mn離子，對照可以選用‘RRIM600，而對于Mg離子，對照可選擇‘PR107或‘GT1。Ca離子的變異系數(shù)在50%左右，F(xiàn)e離子測試結(jié)果不夠穩(wěn)定，且種質(zhì)間差異僅達到顯著水平，不適宜作為遺傳指標(biāo)。Cu離子在種質(zhì)間差異雖然達到極顯著水平，但年度內(nèi)變異太大，也不適宜作為遺傳指標(biāo)。此外，由于橡膠樹屬多年生喬木，且其膠乳產(chǎn)品需要連續(xù)多次收獲，對這些離子和灰分年度之間的變異是否也這么高，有待于進一步的觀察和測定。

3.3 ?Cu離子和Ca離子與橡膠樹年度生產(chǎn)的相關(guān)性

本研究發(fā)現(xiàn)Cu離子與Ca離子在年度內(nèi)變化呈顯著的負相關(guān)。其中Cu離子是多種氧化酶的組分，參與細胞體內(nèi)的氧化過程，有研究證明，對橡膠樹施用刺激劑會大大提高膠乳中銅離子濃度，當(dāng)銅離子增加到一定濃度時，NADP磷酸酶活性受抑制，從而彌補了介質(zhì)中NADP的不足，有利于橡膠的合成，認為銅離子是橡膠樹中異戊二烯合成代謝的調(diào)控機制[16]。膠乳中Cu離子的持續(xù)升高與橡膠樹體內(nèi)不斷活躍的橡膠合成有關(guān)。鈣離子參與很多的生命活動，研究表明，植物遭受逆境脅迫后，鈣離子濃度升高，是遭遇逆境重要的調(diào)節(jié)機制[17]，而割膠被認為是對橡膠樹的傷害[18]。隨著割膠的進行，膠乳中Ca離子減少，這可能是導(dǎo)致死皮不斷增加的一個原因。

3.4 ?金屬離子含量與高端天然橡膠制備的相關(guān)性

金屬離子對于橡膠制品性能有重要影響，袁天元[7]發(fā)現(xiàn)Cu、Mn、Fe離子對天然橡膠的耐老化性能影響較大，其中Cu>Mn>Fe，Na、K、Ca、Mg 4種金屬離子基本不影響。本研究發(fā)現(xiàn)，總體上8—9月的5種金屬離子含量相對全年較低。高端用膠中也有“掐頭去尾”的說法，這與其中這些金屬離子含量的變化可能存在重要關(guān)聯(lián)，因此對其科學(xué)依據(jù)需要進一步研究加以明晰。此外，5種金屬離子在不同種質(zhì)材料間差異也較大，這些差異對其制品理化性能的影響也有待于進一步深入研究。

Ca、Mg對膠乳的穩(wěn)定性也有重要影響[2]?！疅嵫?-33-97已成為我國植膠區(qū)的主栽品種，目前推廣面積超過18萬hm2。本研究發(fā)現(xiàn)‘熱研7-33-97膠乳中的Mg離子含量遠高于其他種質(zhì)。對于‘熱研7-33-97制備濃縮膠乳，還應(yīng)進一步研究其K離子含量水平，考慮是否加入可溶性磷酸鹽，使過量Mg離子沉淀而提高穩(wěn)定性。

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責(zé)任編輯：崔麗虹