耐裂性不同的西瓜發育過程中果實力學特性及果皮結構動態研究

詹園鳳，賀 滉，謝彩虹，黨選民

（中國熱帶農業科學院熱帶作物品種資源研究所/農業農村部華南作物基因資源與種質創制重點實驗室，海南 ?？?571101）

【研究意義】西瓜〔Citrullus lanatus（Thunb.）Matsum & Nakai〕裂果產生傷口，導致病害的加劇，嚴重降低果實的商品性，影響經濟效益，尤其是小果型西瓜皮薄且脆，裂果已成為限制設施小果型西瓜生產發展的重要因素之一[1]。目前有關西瓜裂果的機理還不完全清楚，西瓜裂果性狀的精準評價方法有待進一步完善。因此開展西瓜果實力學特性與果皮結構研究，對揭示西瓜裂果機制與選育耐裂西瓜新品種具有重要的科學意義?！厩叭搜芯窟M展】裂果是番茄、荔枝、棗、西瓜等園藝作物生產中常見的生理現象，外界環境條件、果皮結構、礦質營養及遺傳因素等與裂果密切相關[2-6]。研究表明，外界環境水分的急劇變化使果實內部薄壁組織細胞生長過快，而外皮層細胞生長緩慢，內外生長不協調從而導致裂果發生[7]。孫國超等[8]研究認為青脆李裂果的直接原因是成熟果表皮細胞、薄壁組織細胞和果肉細胞的生長不協調，鈣、鉀、磷3種元素中鈣含量對裂果影響最大。西瓜裂果在生產中較常見，尤其對設施小果型西瓜生產影響較大[9]。西瓜裂果與品種有關，果皮薄、質脆的品種容易裂果[10]。滿艷萍等[11]對不同耐裂性西瓜果皮組織學研究認為，不易裂果的西瓜果實表皮細胞角質層厚、外果皮細胞層數多、石細胞團大、排列較緊密，而易裂果的果實表皮細胞角質層薄，外果皮細胞層數少、石細胞團少（?。?，中果皮細胞大。江海坤等[12]研究表明西瓜裂果與果皮厚度、外果皮木質化程度顯著相關，并認為可將外果皮木質化程度作為篩選抗裂西瓜品種的重要參考性狀。高美玲等[13]對裂果性狀進行遺傳分析發現果實切裂應度的變異系數最大，果皮硬度的變異系數最小，果實切裂應度與果皮厚度呈極顯著負相關，且果實切裂應度滿足孟德爾分離定律特征，為質量性狀。Liao等[14]開展了不同耐裂性西瓜遺傳群體基因組測序，在西瓜的10號染色體上定位到1個耐裂關鍵基因CIERF4，并認為該基因存在CIERF4-a和CIERF4-b兩種類型的等位基因，其中含a基因的西瓜耐裂、含b基因的容易開裂，這為耐裂西瓜品種定向選育奠定了良好基礎?！颈狙芯壳腥朦c】目前，西瓜果實耐裂性評價大多采用硬度計測定果實硬度或測定切裂應度值，該指標人為干擾多、精度低，而利用質構儀評價果品質地（硬度、脆度），結果更準確、更有可比性。西瓜裂果通常在果實發育后期發生，但果實發育過程中果實力學特性和果皮結構變化對裂果產生的影響還不清楚。鑒于此，本研究在前期對西瓜種質資源的耐裂果性評價鑒定基礎上，以耐裂和易裂西瓜種質資源入手，開展果實發育過程中果實硬度、果實裂應力動態變化和果皮組織結構變化研究?！緮M解決的關鍵問題】通過開展耐裂性不同西瓜果實的力學特性和果皮結構動態變化及其相關性研究，揭示耐裂和易裂西瓜果實力學特性與果皮結構的關系及其變化規律，為西瓜果實耐裂性評價鑒定方法的建立和耐裂優質西瓜品種培育提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試西瓜材料201609019和S1111均來自中國熱帶農業科學院熱帶作物品種資源研究所。201609019為果肉紅色、果皮較薄、易裂果圓果型小型西瓜自交系；S1111為果肉紅色、果皮厚度中等、耐裂果橢圓形小型西瓜自交系。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗材料種植 2018年7月在海南儋州熱帶作物品種資源研究所試驗基地進行穴盤育苗，當苗長至2葉1心時定植于大棚內，采用寬窄行雙行種植，畦寬1.0 m，寬行行距1.0 m，窄行行距0.5 m、株距0.45 m，吊蔓單蔓整枝，第2或第3雌花人工授粉，并掛標簽標記日期，每株留1個瓜，其他管理參照西瓜常規栽培。共設3個重復，每個重復30株，隨機區組排列。

1.2.2 果皮物性測定 采用TA. XTplus質構儀測定西瓜果實的硬度和裂應力。果實硬度利用P/2E探頭穿刺測定，果實裂應力利用HDP/BS-B探頭切裂測定，參照Liao等[14]的方法，分別選取授粉后10、15、20、25 d發育正常的果實，沿果實最大直徑圓圈選取3個點測定果實硬度，沿果實最大直徑處測定果實裂應力，每個重復3個果，3次重復。

1.2.3 果皮厚度測定 分別選取授粉后10、15、20、25 d正常發育的西瓜果實，參照《西瓜種質資源描述規范和數據標準》[15]測量各時期的果皮厚度，每個重復3個果，3次重復。

1.2.4 果皮組織學觀察 分別選取授粉后5、10、15、20、25 d發育正常的西瓜果實，每個重復2個果，3次重復，切取中部果皮0.5 cm×0.5 cm大小的方塊，用5% FAA固定液固定24 h以上，參照王慶亞[16]的方法用70%乙醇沖洗經過系列脫水、透明和滲蠟，石蠟包埋，然后切片機切片（切片厚度10 μm），番紅固綠染色，中性樹膠封片，ZEISS生物顯微鏡觀察與拍照，并測量表皮細胞長度與厚度、外果皮厚度、外果皮細胞和中果皮細胞面積。每個樣品測定10個細胞，取平均值。

試驗數據采用Excel和SPSS16.0軟件進行統計及方差分析。

2 結果與分析

2.1 西瓜果實力學特性動態變化

由圖1可知，S1111和201609019西瓜的果實硬度差異較大，S1111的果實硬度在各個時期都極顯著高于201609016，前者是后者的1.35～1.54倍。在果實發育過程中，兩者的果實硬度變化均呈先升高后降低的趨勢，在授粉后10 d，S1111和201609019的果實硬度均較小，分別為50.05、36.44 kg/cm2；隨著果實的發育，S1111和201609019的果實硬度均逐漸增大，到授粉后20 d時，S1111和201609019的果實硬度均達到最大，分別為59.30、42.83 kg/cm2，隨后S1111和201609019的果實硬度均趨于下降。

S1111和201609019的果實裂應力差異明顯，S1111的果實裂應力在各個時期都顯著高于201609016。S1111和201609019的果實發育過中的裂應力變化也明顯不同，S1111在果實發育前期其裂應力變化較小，發育中期急劇增大，后期則呈下降趨勢；201609019的果實裂應力則是前期急劇下降，中期保持穩定，發育后期又呈急劇下降的趨勢。在果實發育過程中，S1111的果實裂應力是201609019的1.85～6.03倍，在果實發育后期差別最大，因此在果實發育后期利用裂應力進行西瓜耐裂性評價更適宜。

圖1 S1111和201609019西瓜果實力學特性動態變化Fig. 1 Dynamic changes of fruit mechanical properties of watermelom S1111 and 201609019

2.2 西瓜果皮組織學結構動態變化

西瓜果實的果皮由表皮、外果皮、石細胞層和中果皮組成。由表1和圖2可知，在果實發育過程中，S1111和201609019的果皮結構變化差異較大。

2.2.1 果皮厚度 隨著果實的發育，S1111的果皮一直緩慢增加變厚，從授粉后10 d至授粉后25 d果皮厚度增加了1.89 mm；而201609019的果皮則逐漸減小，果皮厚度減少1.77 mm。在果實發育的各個時期，S1111的果皮厚度都極顯著高于201609019。

2.2.2 果實表皮 S1111的表皮細胞接近正方形，細胞變化較小，長與厚的比值變化為1.10～1.27；而201609019的表皮細胞為長方形，隨著果實的發育細胞明顯伸長，長與厚比值變化為1.57～2.91；在果實發育的各時期201609019表皮細胞長度都極顯著高于S1111，但兩者的表皮細胞厚度差異不顯著。

2.2.3 果實外果皮 S1111的外果皮由9～12層細胞排列組成，厚度由119.01 μm增大至140.87 μm，外果皮細胞較小且排列較緊密，形狀多數為短橢圓形或短多邊形；而201609019的外果皮較薄、僅由4～6層細胞排列組成，厚度由76.28 μm增大至85.38 μm，細胞形狀多數為長多邊形或長橢圓形，細胞間隙大，其外果皮細胞面積是S1111的1.67～3.28倍。由此可見，外果皮細胞越小、細胞層數越多，西瓜的耐裂性更強。

2.2.4 果實石細胞 S1111的果皮在發育各時期均可明顯觀察到染成紅色的排列致密的片狀或團狀石細胞結構；而201609019的果皮僅在發育前期有少量石細胞團結構，且石細胞團僅由2～4 個細胞組成，發育中后期則未見石細胞團結構。

表1 S1111和201609019西瓜果皮組織學結構動態變化Table 1 Dynamic changes of peel histological structure in watermelon S1111 and 201609019

圖2 S1111與201609019西瓜果皮組織結構Fig. 2 Peel structures of watermelon S1111 and 201609019

2.2.5 果實中果皮 201609019的中果皮細胞面積均極顯著大于S1111，S1111和201609019的中果皮細胞均隨著果實的發育逐漸變大，但S1111的中果皮細胞在果實發育過程變化幅度較小，從授粉后10 d到授粉后25 d細胞面積僅增加63.48 μm2，而201609019的中果皮細胞在果實發育過程變化幅度較大，在授粉后10 d時面積為2 238.93 μm2，到授粉后25 d增大為4 760.21 μm2?？梢?，201609019與S1111的中果皮細胞在果實發育后期差異更大。

2.3 西瓜果實力學特性與果皮結構的相關性分析

相關性分析結果（表2）表明，西瓜果實的力學特牲與果皮結構具有明顯的相關性，西瓜果實裂應力與果實硬度、果皮厚度和外果皮厚度均呈極顯著正相關，與表皮細胞長度、外果皮細胞大小、中果皮細胞大小呈極顯著負相關；果實硬度與果皮厚度、外果皮厚度呈極顯著正相關，與外果皮細胞大小、中果皮細胞大小呈顯著負相關。說明西瓜果皮越厚（細胞層數越多）、外果皮和中果皮細胞越小，細胞排列更緊密，則果實硬度和果實裂應力越大，因此，可以用西瓜果實裂應力和果實硬度大小來衡量西瓜果實的耐裂性。

表2 西瓜果實力學特性與果皮結構的相關性分析Table 2 Correlation analysis between mechanical properties and peel structure of watermelon fruit

3 討論

果皮是西瓜果實重要的組成部分，其結構影響果實生理功能，特別是貯存運輸性能或裂果性[17]。滿艷萍等[11]研究表明耐貯運型果實表皮細胞角質層厚、外果皮細胞層數多、石細胞團大、排列較緊密等，而不耐貯運型果實表皮細胞角質層薄，外果皮細胞層數、石細胞團數少，中果皮中較小而密的細胞減少或消失，認為西瓜果實的貯運特性是果皮各層結構綜合作用的結果。劉仲齊等[18]發現耐裂基因型番茄果皮細胞層數較多、果皮厚，抵抗果肉細胞迅速膨脹所造成的膨壓的能力強。唐巖等[19]研究發現棗抗裂株系比易裂株系果實表皮厚，果實表皮厚度和裂果率呈顯著負相關，抗裂類型果實表皮細胞排列較緊密。本研究結果也表明，耐裂與易裂西瓜的的果皮組織學結構之間存在顯著差異，果實的耐裂性與果皮結構緊密相關，推測耐裂西瓜由于其果皮越厚（細胞層數越多）、外果皮和中果皮細胞越小，細胞排列更緊密，其承受內外力的擠壓強度越大，因而果實硬度和果實裂應力越大，越不易裂果。

果實開裂是果肉的生長應力和果皮抗張能力的相互作用，在抗張能力不能忍耐生長應力的情況下導致果皮斷裂的結果，可見果皮的力學性能與裂果的發生有密切關系[20]。江海坤等[12]研究表明，西瓜的裂果率與果皮厚度、果皮硬度、果型指數等呈顯著負相關。劉壯等[21]研究表明西瓜果皮硬度與裂果性呈顯著負相關，果皮硬度越大，抗裂果性越強。孫國超等[8]對青脆李果膠含量變化分析表明，隨著果實的成熟，原果膠的含量會逐漸下降，胞間層內的果膠鈣也在減少，使細胞分離，果皮破裂應力隨成熟而逐漸下降，當果實迅速膨大時，裂果現象易發生。本研究結果表明，耐裂果西瓜S1111的果實硬度及裂應力均顯著高于易裂果西瓜201609019，且西瓜果實硬度及果實裂應力與果皮厚度、外果皮厚度呈顯著正相關，而與外果皮和中果皮細胞大小等果皮結構呈顯著負相關。研究還發現，在果實發育過程中，易裂果西瓜201609019的果皮表皮細胞、外果皮細胞和中果皮細胞發育較耐裂果西瓜S1111的果皮細胞快，而果實裂應力則明顯小于S1111，且隨著果實發育而逐漸減小。外果皮細胞和中果皮細胞大、破裂應力小，這可能是易裂果西瓜在發育中后期一旦環境中水分稍多則西瓜果實吸水膨大造成內壓力迅速增大、造成果皮難以承受而開裂的重要原因。Liao等[14]利用質構儀測定果實硬度、破裂功等方法進行西瓜耐裂性表型鑒定。本研究結果表明，用質構儀能精準測定西瓜的果實硬度及果實切開時的破裂力，并能較好地區分西瓜的耐裂性，但是西瓜果實硬度或果實裂應力大小與西瓜耐裂性對應的分級標準還不明確，有待于進一步研究制定西瓜耐裂性評價鑒定標準。

4 結論

本研究以易裂和耐裂西瓜種質為試驗材料，對發育過程中的果實硬度、果實裂應力動態變化和果皮組織結構變化進行研究，結果表明，在果實發育過程中，S1111和201609019的果實力學特性及果皮結構明顯不同，S1111的果實硬度和果實裂應力始終極顯著高于201609019；S1111的果皮和外果皮厚度均極顯著高于201609019，201609019的表皮細胞長度、外果皮細胞和中果皮細胞面積均顯著大于S1111，尤其在果實發育后期201609019的表皮細胞長度、外果皮細胞和中果皮細胞面積分別是S1111的2.91、3.28和5.69倍；果實硬度和果實裂應力與果皮厚度、外果皮厚度呈顯著正相關，而與表皮細胞長度、外果皮細胞面積及中果皮細胞面積呈顯著負相關。因此，可用西瓜果實裂應力和果實硬度大小來衡量西瓜果實的耐裂性，且在果實發育后期評價更適宜。