基于加工用番茄果實及果肉組織主要性狀的相關性分析

楊 濤, 唐亞萍, 張國儒, 李曉琴, 帕提古麗,

王柏柯, 李 寧, 王 娟，余慶輝, 楊生保

(新疆農業科學院園藝作物研究所，烏魯木齊830091)

0 引 言

【研究意義】番茄(Solanumlycopersicum. L，2n=24)為草本，屬于茄科家族分支，是繼馬鈴薯后最主要的消費蔬菜，不僅可以鮮食銷售也可以加工成醬、汁、丁和整果番茄[1]。中國是世界第一大番茄生產國，面積約占1/3，已成為世界最大的番茄生產國，新疆獨特的自然條件為規模化種植加工番茄創造了有利的條件，目前加工番茄種植面積和生產加工能力均占到全國近90%以上，其番茄制品絕大部分出口，是新疆重要的出口創匯產品，連續多年種植面積保持在70×104/667m2以上[2-4]。由于產業轉型升級需求，目前新疆的加工番茄種植基本上實現了全程機械化，其中重要采收環節也實現了機械化。這也對品種提出了新的要求，品種的產量、抗病性、可溶性固形物含量、番茄紅素含量、總酸含量、果實的硬度、果實的集中成熟性、成熟后的田間耐放性等指標都直接與種植戶和加工企業息息相關，因此，番茄加工產業鏈的原料基礎品種，已成為其產業鏈中至關重要的一個環節，關乎種植戶的收益也關乎企業的利益[5,6]。【前人研究進展】為了有效提高加工用番茄的果實硬度和田間耐放性，利用不同的技術手段對果實的硬度和果實耐貯性開展了研究[7-13]，并對不同品種的加工適宜性進行了評價[14,15]，在生產中，為了提高番茄果實的硬度和田間耐放性，最簡單快速的方法就是在雜交組合配制中引入成熟突變體材料，比如rin和nor基因突變體，而此類突變體易導致果實色澤不紅，商品性下降等缺陷[6]。番茄果實為呼吸躍變型，在成熟進程中伴隨乙烯的釋放，果實內生物化學的進程加速，果實開始軟化，果實硬度降低，耐貯運性降低，因此，番茄果實成熟過程中軟化集合了果實硬度和質地的改變[16]。成熟突變體可導致番茄果實軟化速度的降低，比如，RIN(RIPENING INHIBITOR)為一個MADS-box轉錄因子[17]，在果實成熟過程中扮演著重要的角色，參與果實成熟過程中乙烯的調控，進而延緩果實的成熟，增加果實的硬度，延長貨架期[18-24]。而在生產應用方面，當將rin突變體和其它栽培種雜交時(即基因型為RIN/rin)，其F1代果實表型表現了中間型，果實可以成熟且貨架期得到了延長，其主要原因為雜合狀態下rin基因轉錄調控ACS和ACO基因，導致乙烯產生的降低，因此,rin突變體以隱性遺傳的作用方式抑制番茄果實的成熟并常被用于商業化雜交[25-27]。Cnr(Colorless nonripening)突變體為一個顯性的成熟突變體，位于2號染色體，突變自商品種Liberto[28]，該突變體果肉細胞間粘連顯著降低，外源乙烯施用對成熟無影響[29]，Cnr突變體最突出的一個特點就是果實軟化進程受阻，果實硬度很好，可溶性螯合劑碳水化合物比例降低了50%[30]。通過圖位克隆和基因沉默技術，發現在Cnr位點存在一個SBP結構域(SQUAMOSA類啟動子綁定蛋白)，進而發現Cnr突變體的表型是由于SBP-box啟動子區自發的甲基化突變[31]。Nor(nonripening)突變體與rin和Cnr突變體擁有類似的特點，在果實成熟階段，盡管種子和果實的大小已發育成熟，但成熟并沒有提前，無法產生成熟相關的乙烯，即使施用外源乙烯也無法成熟[32]。Nr(Never-ripe)突變體為自發性顯性突變，該突變體果實即使暴露在外源乙烯也不成熟，且植株通體對乙烯表現為不敏感，其主要是因為NR乙烯接收因子上的一個氨基酸發生了變化[33]。DFD突變體為果實延遲劣變(Delayed Fruit Deterioration，DFD)，由于可經歷正常的果實成熟，但確表現了最小的軟化，在達到了完熟后保持硬度可達6個月之久，與對照AC(Ailsa Craig)品種比較，DFD突變體的果實在軟化過程中經歷了相似的細胞壁解聚、胞間粘連降低和細胞壁降解相關基因得到了表達，但在DFD突變體果實在軟化過程中確表現了最小的水分交換損失，進而細胞膨壓得到了提高[34]。相對于未成熟果皮中分離出的40種代謝產物，DFD突變體果皮在成熟過程中有22種代謝產物顯著得到了提升[35]。未來育種工作的競爭首先是資源，因此,種質資源的表型性狀鑒定和優異資源的深入挖掘，對品種選育和產業的發展意義重大[36]。番茄種質資源豐富，前人已從不同角度利用不同手段對其開展了大量的農藝性狀鑒定和分類[37,38]。【本研究切入點】雖然前人已對番茄的耐貯性和耐貯品種改良進行了研究，但特異針對加工用番茄果肉外果皮細胞厚度和離體耐放性的研究報道不多。研究不同加工用番茄種質資源果肉外果皮細胞厚度和離體耐放性等性狀間的相關性。【擬解決的關鍵問題】以12份加工用番茄高代自交系的種質資源為研究對象，調查全部參試材料與果實相關的主要性狀，利用Image J軟件測定參試材料果實橫切面果實面積和果腔面積，利用石蠟切片技術完成所有參試材料的果肉外果皮厚度調查，在自然室溫條件下調查不同參試材料35 d離體放置后的果實重量損失和果實的腐爛率，分析研究所有參試材料各調查性狀間的相關性，為加工用番茄品種選育的進一步改良奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材 料

研究所用的試驗材料分別為加工番茄育種資源材料ZH-77、WP-3、ZH-78、KT-10、ZP-21、ZP-15、WP-11、ZP-22、ZP-2、ZY-86、DT-307和WP-39，均為高代自交純合體，種子由新疆農業科學院園藝作物研究所繁殖。

1.2 方 法

1.2.1 田間試驗

田間試驗于2017年3至9月在新疆農業科學院綜合試驗場進行。田間采用隨機區組試驗設計，三次重復，單壟雙行種植，株距30 cm，溝心距1.5 m，每小區種植30株，采用膜下滴灌栽培模式，田間管理同大田一致。3月20日播種，5月10日定植。根據每小區種植株數，在果實開始成熟時每天調查各研究材料的成熟株數，當小區成熟株數達到總株數的50%時，記為該小區該材料的始熟期，并于始熟期15 d后在每小區隨機采摘10個紅熟的單果進行相關果實性狀的調查，同時在每份研究材料小區內再隨機采摘3個果實用于石蠟切片。

1.2.2 果實表型性狀測定

當每個品系的果實完全達到紅熟期時，于各小區隨機采摘10個果實進行果實縱徑、果實橫徑、果肉厚、心室數、單果重、可溶性固形物含量、單果耐壓力的測定。同時，在每個果實的正中部分橫切，后在果實旁邊放置標尺并用佳能EOS 60D相機拍照，用Image J軟件進行果實橫切腔室面積和總果實面積的統計，腔室面積占比為腔室面積與果實面積的比值。試材石蠟切片的外果皮厚統計見楊生保等[4]方法。各研究試材果實常溫放置35 d后的腐爛率測定見楊生保等[4]，失重率測定方法為，于果實常溫放置第0 d，從各品系各重復中選擇完好無損固定3個果實，基本每8 d進行一次重量測定，后利用公式(第0 d單果重-第n d單果重)/第0 d單果重×100，計算失重率。

1.2.3 果肉組織觀察

12份加工用番茄參試材料，從番茄果肉組織結構特征方面研究材料的差異性，研究采用石蠟切片技術，分別觀察12份材料的果肉組織的結構特性。

1.3 數據處理

試驗數據用Excel進行錄入與整理，用SPSS 19.0進行相關性與聚類分析，用Origin 7.0軟件進行制圖。

表1 果實形態指標
Table 1 Fruit morphology index

編號NO.縱徑(cm)Longitudinal diameter橫徑(cm)Transverse diameter果形指數Fruit shape index果肉厚(cm)Pulp thick心室數(個)NO. of ventricular單果重(g)Weight per fruit可溶性固形物含量(%)Soluble solid content單果耐壓力(N)Compression resistant per fruitZH-774.68aA4.56bcBC1.03aA0.56aA2.8cdeBCDE56aA4.05abA38.90aAWP-35.93cdCD4.13aA1.43deEF0.77deCD2.5bcABC58aA5.77dD75.80dDEZH-785.40bB4.70cdBCD1.15bB0.60abAB2.3abAB66bAB4.11abA40.32aAKT-105.87cdCD4.57bcBC1.28cCD0.56aA2aA70bcBC3.82aA76.08dDEZP-216.28efDE4.41bAB1.42deEF0.55aA2.7bcdeBCD72bcBCD4.32bA71.38cdDZP-155.65bcBC4.89deCD1.16bB0.57aA2.8cdeBCDE78cdCDE4.25abA54.98bBWP-116.31efDE4.65bcdBC1.36cdDE0.66bcAB2.4abcAB78cdBCDE5.34cdBD86.88eEZP-226.57fE4.48bcAB1.47eEF0.56aA3.1efDE84deDE4.91cB57.20bBCZP-26.16deDE4.74cdBCD1.30cCD0.84eD3efCDE84deDE4.06abA67.50cdBCDZY-865.92cdCD5.05eD1.17bBC0.63abcAB3.3Ef88eE4.06abA63.90bcBCDDT-3077.05gF4.66bcdBC1.51eF0.71cdBC3efCDE88eE5.76dD87.70eEWP-397.35gF5.07eD1.45deEF0.68bcBC2.6bcdBCD110fF5.12cB69.42cdCD

注：肩標小寫和大寫字母不同，表示差異顯著和極顯著(P<0.05和P<0.01)

Note: The different shoulder superscript lowercase and uppercase indicate the significant and extremely significant variance (P<0.05 andP<0.01)

2 結果與分析

2.1 主要果實性狀差異

研究表明，參試材料果實縱徑介于4.68～7.35 cm，最小和最大果實縱徑分別為ZH-77和WP-39；果實橫徑介于4.13 ～5.07 cm，其中，WP-3的果實橫徑最小，WP-39的果實橫徑最大；果形指數介于1.03～1.51，ZH-77和DT-307的果形指數分別為最小和最大；果肉厚介于0.55～0.84 cm，其中，ZP-21的果肉厚最薄，ZP-2的果肉厚最厚；心室數介于2～3.3個，加工用番茄的心室數普遍在2～3個左右；在單果重方面，ZH-77的單果重最小為56 g，WP-39的單果重最大為110 g，12份參試材料的平均單果重為77.67 g；在可溶性固形物含量方面，WP-3的可溶性固形物含量最高為5.77%，KT-10的可溶性固形物含量最低為3.82%，12份參試材料的平均可溶性固形物含量為4.63%；12份參試材料的單果耐壓力介于38.90～87.70 N，平均單果耐壓力為65.84，最小和最大單果耐壓力分別為ZH-77和DT-307。參試研究材料的主要果實性狀各具特色，差異顯著。表1

2.2 果實橫切面面積及果肉組織細胞結構差異

研究表明，20 μm視野下12份材料的果肉組織外果皮平均厚度為8.311 μm，其中，果肉組織外果皮平均厚度最大的為WP-39為10.30 μm，果肉組織外果皮平均厚度最小為ZH-78為6.75 μm。在加工型番茄果實橫切面腔室面積情況方面，平均果實面積為23.07 cm2，其中，果實面積最大的為ZY-86為32.52 cm2，果實面積最小的為KT-10為18.01 cm2；12份材料的果實橫切面腔室平均面積6.27 cm2，其中，腔室面積最大的為ZY-86為10.09 cm2，腔室面積最小的為DT-307為4.09 cm2；12份材料的平均腔室面積占果實面積的比率為27.29%，其中，腔室面積占果實面積最大比率的為ZH-77為36.02%，占比最小的為ZP-21為19.07%。圖1

注：A～L分別為ZH-78、ZP-22、ZY-86、ZH-77、ZP-21、ZP-2、WP-3、ZP-15、KT-10、WP-11、DT-307和WP-39的果肉組織石蠟切片在20?m視野下的照片，M為參試材料的外果皮厚度統計，N為果實橫切面果實面積、腔室面積和腔室面積占比統計

Note: A to L refer to pericarp cell of parafin section of ZH-78, ZP-22, ZY-86, ZH-77, ZP-21, ZP-2, WP-3, ZP-15, KT-10, WP-11, DT-307 and WP-39 at 20μm vision, respectively. M refers to the statistics of exocarp thickness of all materials. N refers to the fruit area of cross section, the proportion statistics between the cavity area and the fruit area

圖1 果肉組織石蠟切片、外果皮厚度及果實橫切面面積統計
Fig.1 Photos of pericarp tissue for paraffin section, thickness for epicarp and area data for fruit cross section

2.3 常溫放置35 d后果實的變化

研究采用的是番茄果實的離體常溫放置試驗，通過對參試材料的研究發現，12份材料常溫放置35 d后的平均腐爛率55.50%，其中，腐爛率最高的材料為ZH-78為98.33%，基本沒有好的果實，，腐爛率最低的為WP-11為11.67%，其它材料的腐爛程度依次為：ZH-78>ZY-86(97.33%)>ZH-77(80.33%)>ZP-2(76.33%)>ZP-15(62.33)>ZP-22(61.67)>KT-10(52.67%)>WP-39(42.33%)>ZP-21(37.33%)>WP-3(25.33%)>DT-307(20.33%)>WP-11。12份材料常溫放置35 d后的平均失重率為31.96%，其中，ZH-77和ZH-78常溫放置35 d后失重均超過了50%，分別為63.68%、54.47%；ZP-21和WP-11雖然在常溫貯藏35 d后也發生了失重，但失重的比率較低，均為17.36%，大部分果實的形態未發生明顯的變化，尤其是4-J表現特別突出。圖2

注：A～L編號同上，果實常溫放置35 d后的照片，M為參試材料不同放置時間失重率，N為參試材料常溫放置35 d后的腐爛率Note: The NO. of A to L is similar to the upper and refer to the photos of different genotype fruits storage under room temperature for 35 days, respectively. M refers to the weight loss under different time point of different lines. N refers to the rotting rate of all materials storage under room temperature for 35 days

圖2 常溫放置35 d后的果實照片、重量損失率和各品系腐爛率
Fig. 2 Fruit photos for storage 35 days under room temperature, percent for weight loss and rotting rate for each line

2.4 各調查性狀間的相關性

研究表明，各調查性狀間存在不同程度的顯著或極顯著正負相關，相關系數介于-0.903**～0.875**。其中，果實縱徑與7個性狀存在顯著或極顯著的正負相關，相關系數介于-0.805**～0.875**；果實橫徑分別與單果重和果形指數存在極顯著相關，相關系數分別為0.713**和0.875**；果形指數與7個性狀存在顯著或極顯著的正負相關，相關系數介于-0.903**～0.875**；果肉厚和心室數均不與任何調查性狀存在相關性；單果重分別與果實橫徑和果實縱徑存在極顯著相關，相關系數分別為0.814**和0.713**；可溶性固形物含量與4個調查性狀間存在顯著或極顯著正負相關，相關系數介于-0.779**～0.739**；單果耐壓力與7個調查性狀間存在顯著或極顯著正負相關，相關系數介于-0.854**～0.730**；腔室面積占比與5個性狀存在顯著或極顯著正負相關，相關系數介于-0.903**～0.755**；腔室面積與3個性狀存在顯著正相關，相關系數介于-0.666*～0.705*；果實面積僅與腔室面積存在顯著正相關，相關系數為0.701*；外果皮厚與3個性狀存在顯著的正負相關，相關系數介于-0.457*～0.976**；外果皮厚度與4個性狀存在顯著或極顯著負相關，相關系數介于-0.687*～0.670*；常溫放置35 d后的失重率與5個性狀存在顯著或極顯著正負相關，相關系數介于-0.854**～0.755**；常溫放置35 d后的果實腐爛率與5個性狀存在顯著或極顯著的正負相關，相關系數介于-0.812**～0.686*。表2

3 討 論

3.1 參試材料的評價

新疆是我國重要的加工用番茄產區，為了能選育出優異的適宜加工用番茄雜交品種，為番茄加工產業提供優質的原料，適宜加工用番茄種質資源表型性狀的鑒定和優異資源挖掘顯得尤為重要，對加工用番茄育種意義重大。利用16個表型性狀和81個不同類型的多態性分子標記，有效分析了615份加工用番茄高代自交系的遺傳多樣性[38]。研究所選用的12試材也均為經過多年自交分離選育的高代自交系，12份參試材料果實縱徑、果實橫徑、果形指數、果肉厚、單果重、可溶性固形物含量、單果耐壓力等主要果實性狀均表現了明顯的差異，多樣性豐富。

3.2 各性狀間的相關性

外表皮覆蓋在所有陸生植物器官的最外層，是一種蠟質表層，在防止水分損失、病菌侵染、品質、硬度和光澤的修飾方面扮演重要的角色[39,40]。為了能更好的評估不同參試材料果實果肉組織的外果皮厚度，研究利用石蠟切片技術和Image J軟件，完成了所有組織樣品的外果皮厚度評價，并發現不同參試材料的外果皮厚度之間存在明顯的差異。細胞微觀結構與果蔬質地變化已應用在多種作物上，比如，近期李三培等[41]利用石蠟切片技術成功比較了不同類型甜瓜成熟過程中的果肉質地和果肉組織的細胞顯微結構變化。由于果實內部的果腔為不規則形狀，很難進行有效測定，研究借助Image J軟件，比較分析了所有參試材料的果實橫切面，果實總面積、果腔面積和果腔面積占果實總面積的比值，不同參試材料果實內部存在著明顯的差異。

加工型番茄若采收不及時，一般常常處于田間掛枝狀態，此時，田間耐貯藏不易腐爛的品種可有效降低農戶的產量損失，進而降低果實的霉變和醬產品中的霉菌指標，因此，為了模擬田間生產中自然條件下番茄果實貯藏的實際情況，研究采用的是番茄果實的離體常溫放置試驗。利用該試驗方法比較了不同試材間的果實腐爛率[4]，利用離體常溫放置試驗放置了DFD突變體長達6個月之久[34]，通過室溫放置30 d評價了不同試材果實的腐爛率[13]。研究發現，12份研究材料常溫放置35 d后的腐爛率差異明顯，ZH-78的腐爛率最高，WP-11的腐爛率最低，通過外果皮厚度和相關性分析，這2份材料的外果皮厚度分別為6.75 和9.09 μm，雖然WP-11的外果皮厚度不是最厚，但通過圖4-J可明顯看出，該材料為rin成熟突變體，與該材料的特異性相關[17-24]，而其它外果皮厚度比較厚的材料WP-39和DT-307，其腐爛率分別為42.33%和20.33%，均不太高。

相關性分析是研究變量間關聯密切程度的一種常用統計方法[42]。并已成功的應用在番茄遺傳資源多樣性分析中[3,37]，研究利用相關性分析，各調查性狀間存在不同程度的顯著或極顯著正負相關，有些結果與前人的研究結果一致，比如，研究發現果形指數與果實縱徑呈極顯著正相關，與前人的研究結果一致[3,37]，也有結論不一致的地方，比如，研究發現果肉厚不與任何調查性狀存在相關性，而在前人的研究中發現果肉厚與果實硬度相關[3,37]。研究發現，外果皮厚度、常溫放置35 d后的失重率和腐爛率這三個性狀均與果實的耐壓力呈顯著或極顯著正負相關，相關系數分別為0.671*、-0.854**和-0.812**，常溫放置35 d后的腐爛率與外果皮厚呈顯著的負相關，相關系數為-0.687*，意味著外果皮越厚果實常溫放置若干天后的腐爛率越低，這一點對于選育優異的田間耐放性好的加工用番茄品種有重要的參考價值。此外，也有研究指出果實外果皮的透水性并不與外果皮的厚度和總蠟質含量相關[43]。

4 結 論

12份加工用番茄高代純合種質資源的果實主要性狀、果肉組織及室溫放置35 d后腐爛變化情況均存在不同程度的差異，平均外果皮厚度8.311 μm，平均腐爛率55.50%，平均失重率31.96%，各調查性狀間的相關系數介于-0.903**～0.875**，呈不同程度的相關性。