耐裂性不同的西瓜發(fā)育過程中果實力學(xué)特性及果皮結(jié)構(gòu)動態(tài)研究

詹園鳳，賀 滉，謝彩虹，黨選民

（中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南作物基因資源與種質(zhì)創(chuàng)制重點實驗室，海南 海口 571101）

【研究意義】西瓜〔Citrullus lanatus（Thunb.）Matsum & Nakai〕裂果產(chǎn)生傷口，導(dǎo)致病害的加劇，嚴(yán)重降低果實的商品性，影響經(jīng)濟(jì)效益，尤其是小果型西瓜皮薄且脆，裂果已成為限制設(shè)施小果型西瓜生產(chǎn)發(fā)展的重要因素之一[1]。目前有關(guān)西瓜裂果的機(jī)理還不完全清楚，西瓜裂果性狀的精準(zhǔn)評價方法有待進(jìn)一步完善。因此開展西瓜果實力學(xué)特性與果皮結(jié)構(gòu)研究，對揭示西瓜裂果機(jī)制與選育耐裂西瓜新品種具有重要的科學(xué)意義。【前人研究進(jìn)展】裂果是番茄、荔枝、棗、西瓜等園藝作物生產(chǎn)中常見的生理現(xiàn)象，外界環(huán)境條件、果皮結(jié)構(gòu)、礦質(zhì)營養(yǎng)及遺傳因素等與裂果密切相關(guān)[2-6]。研究表明，外界環(huán)境水分的急劇變化使果實內(nèi)部薄壁組織細(xì)胞生長過快，而外皮層細(xì)胞生長緩慢，內(nèi)外生長不協(xié)調(diào)從而導(dǎo)致裂果發(fā)生[7]。孫國超等[8]研究認(rèn)為青脆李裂果的直接原因是成熟果表皮細(xì)胞、薄壁組織細(xì)胞和果肉細(xì)胞的生長不協(xié)調(diào)，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(chǎn)中較常見，尤其對設(shè)施小果型西瓜生產(chǎn)影響較大[9]。西瓜裂果與品種有關(guān)，果皮薄、質(zhì)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(xué)研究認(rèn)為，不易裂果的西瓜果實表皮細(xì)胞角質(zhì)層厚、外果皮細(xì)胞層數(shù)多、石細(xì)胞團(tuán)大、排列較緊密，而易裂果的果實表皮細(xì)胞角質(zhì)層薄，外果皮細(xì)胞層數(shù)少、石細(xì)胞團(tuán)少（小），中果皮細(xì)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(zhì)化程度顯著相關(guān)，并認(rèn)為可將外果皮木質(zhì)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(jìn)行遺傳分析發(fā)現(xiàn)果實切裂應(yīng)度的變異系數(shù)最大，果皮硬度的變異系數(shù)最小，果實切裂應(yīng)度與果皮厚度呈極顯著負(fù)相關(guān)，且果實切裂應(yīng)度滿足孟德爾分離定律特征，為質(zhì)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(guān)鍵基因CIERF4，并認(rèn)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(chǔ)。【本研究切入點】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(yīng)度值，該指標(biāo)人為干擾多、精度低，而利用質(zhì)構(gòu)儀評價果品質(zhì)地（硬度、脆度），結(jié)果更準(zhǔn)確、更有可比性。西瓜裂果通常在果實發(fā)育后期發(fā)生，但果實發(fā)育過程中果實力學(xué)特性和果皮結(jié)構(gòu)變化對裂果產(chǎn)生的影響還不清楚。鑒于此，本研究在前期對西瓜種質(zhì)資源的耐裂果性評價鑒定基礎(chǔ)上，以耐裂和易裂西瓜種質(zhì)資源入手，開展果實發(fā)育過程中果實硬度、果實裂應(yīng)力動態(tài)變化和果皮組織結(jié)構(gòu)變化研究。【擬解決的關(guān)鍵問題】通過開展耐裂性不同西瓜果實的力學(xué)特性和果皮結(jié)構(gòu)動態(tài)變化及其相關(guān)性研究，揭示耐裂和易裂西瓜果實力學(xué)特性與果皮結(jié)構(gòu)的關(guān)系及其變化規(guī)律，為西瓜果實耐裂性評價鑒定方法的建立和耐裂優(yōu)質(zhì)西瓜品種培育提供理論依據(jù)。

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(nóng)業(yè)科學(xué)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(jìn)行穴盤育苗，當(dāng)苗長至2葉1心時定植于大棚內(nèi)，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(biāo)簽標(biāo)記日期，每株留1個瓜，其他管理參照西瓜常規(guī)栽培。共設(shè)3個重復(fù)，每個重復(fù)30株，隨機(jī)區(qū)組排列。

1.2.2 果皮物性測定 采用TA. XTplus質(zhì)構(gòu)儀測定西瓜果實的硬度和裂應(yīng)力。果實硬度利用P/2E探頭穿刺測定，果實裂應(yīng)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(fā)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(yīng)力，每個重復(fù)3個果，3次重復(fù)。

1.2.3 果皮厚度測定 分別選取授粉后10、15、20、25 d正常發(fā)育的西瓜果實，參照《西瓜種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[15]測量各時期的果皮厚度，每個重復(fù)3個果，3次重復(fù)。

1.2.4 果皮組織學(xué)觀察 分別選取授粉后5、10、15、20、25 d發(fā)育正常的西瓜果實，每個重復(fù)2個果，3次重復(fù)，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(jīng)過系列脫水、透明和滲蠟，石蠟包埋，然后切片機(jī)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(xì)胞長度與厚度、外果皮厚度、外果皮細(xì)胞和中果皮細(xì)胞面積。每個樣品測定10個細(xì)胞，取平均值。

試驗數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計及方差分析。

2 結(jié)果與分析

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

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

2.2 西瓜果皮組織學(xué)結(jié)構(gòu)動態(tài)變化

西瓜果實的果皮由表皮、外果皮、石細(xì)胞層和中果皮組成。由表1和圖2可知，在果實發(fā)育過程中，S1111和201609019的果皮結(jié)構(gòu)變化差異較大。

2.2.1 果皮厚度 隨著果實的發(fā)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(fā)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(xì)胞接近正方形，細(xì)胞變化較小，長與厚的比值變化為1.10～1.27；而201609019的表皮細(xì)胞為長方形，隨著果實的發(fā)育細(xì)胞明顯伸長，長與厚比值變化為1.57～2.91；在果實發(fā)育的各時期201609019表皮細(xì)胞長度都極顯著高于S1111，但兩者的表皮細(xì)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(xì)胞排列組成，厚度由119.01 μm增大至140.87 μm，外果皮細(xì)胞較小且排列較緊密，形狀多數(shù)為短橢圓形或短多邊形；而201609019的外果皮較薄、僅由4～6層細(xì)胞排列組成，厚度由76.28 μm增大至85.38 μm，細(xì)胞形狀多數(shù)為長多邊形或長橢圓形，細(xì)胞間隙大，其外果皮細(xì)胞面積是S1111的1.67～3.28倍。由此可見，外果皮細(xì)胞越小、細(xì)胞層數(shù)越多，西瓜的耐裂性更強(qiáng)。

2.2.4 果實石細(xì)胞 S1111的果皮在發(fā)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(tuán)狀石細(xì)胞結(jié)構(gòu)；而201609019的果皮僅在發(fā)育前期有少量石細(xì)胞團(tuán)結(jié)構(gòu)，且石細(xì)胞團(tuán)僅由2～4 個細(xì)胞組成，發(fā)育中后期則未見石細(xì)胞團(tuán)結(jié)構(gòu)。

表1 S1111和201609019西瓜果皮組織學(xué)結(jié)構(gòu)動態(tài)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(jié)構(gòu)Fig. 2 Peel structures of watermelon S1111 and 201609019

2.2.5 果實中果皮 201609019的中果皮細(xì)胞面積均極顯著大于S1111，S1111和201609019的中果皮細(xì)胞均隨著果實的發(fā)育逐漸變大，但S1111的中果皮細(xì)胞在果實發(fā)育過程變化幅度較小，從授粉后10 d到授粉后25 d細(xì)胞面積僅增加63.48 μm2，而201609019的中果皮細(xì)胞在果實發(fā)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。可見，201609019與S1111的中果皮細(xì)胞在果實發(fā)育后期差異更大。

2.3 西瓜果實力學(xué)特性與果皮結(jié)構(gòu)的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果（表2）表明，西瓜果實的力學(xué)特牲與果皮結(jié)構(gòu)具有明顯的相關(guān)性，西瓜果實裂應(yīng)力與果實硬度、果皮厚度和外果皮厚度均呈極顯著正相關(guān)，與表皮細(xì)胞長度、外果皮細(xì)胞大小、中果皮細(xì)胞大小呈極顯著負(fù)相關(guān)；果實硬度與果皮厚度、外果皮厚度呈極顯著正相關(guān)，與外果皮細(xì)胞大小、中果皮細(xì)胞大小呈顯著負(fù)相關(guān)。說明西瓜果皮越厚（細(xì)胞層數(shù)越多）、外果皮和中果皮細(xì)胞越小，細(xì)胞排列更緊密，則果實硬度和果實裂應(yīng)力越大，因此，可以用西瓜果實裂應(yīng)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(xué)特性與果皮結(jié)構(gòu)的相關(guān)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(jié)構(gòu)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(xì)胞角質(zhì)層厚、外果皮細(xì)胞層數(shù)多、石細(xì)胞團(tuán)大、排列較緊密等，而不耐貯運型果實表皮細(xì)胞角質(zhì)層薄，外果皮細(xì)胞層數(shù)、石細(xì)胞團(tuán)數(shù)少，中果皮中較小而密的細(xì)胞減少或消失，認(rèn)為西瓜果實的貯運特性是果皮各層結(jié)構(gòu)綜合作用的結(jié)果。劉仲齊等[18]發(fā)現(xiàn)耐裂基因型番茄果皮細(xì)胞層數(shù)較多、果皮厚，抵抗果肉細(xì)胞迅速膨脹所造成的膨壓的能力強(qiáng)。唐巖等[19]研究發(fā)現(xiàn)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(fù)相關(guān)，抗裂類型果實表皮細(xì)胞排列較緊密。本研究結(jié)果也表明，耐裂與易裂西瓜的的果皮組織學(xué)結(jié)構(gòu)之間存在顯著差異，果實的耐裂性與果皮結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，推測耐裂西瓜由于其果皮越厚（細(xì)胞層數(shù)越多）、外果皮和中果皮細(xì)胞越小，細(xì)胞排列更緊密，其承受內(nèi)外力的擠壓強(qiáng)度越大，因而果實硬度和果實裂應(yīng)力越大，越不易裂果。

果實開裂是果肉的生長應(yīng)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(yīng)力的情況下導(dǎo)致果皮斷裂的結(jié)果，可見果皮的力學(xué)性能與裂果的發(fā)生有密切關(guān)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(shù)等呈顯著負(fù)相關(guān)。劉壯等[21]研究表明西瓜果皮硬度與裂果性呈顯著負(fù)相關(guān)，果皮硬度越大，抗裂果性越強(qiáng)。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(nèi)的果膠鈣也在減少，使細(xì)胞分離，果皮破裂應(yīng)力隨成熟而逐漸下降，當(dāng)果實迅速膨大時，裂果現(xiàn)象易發(fā)生。本研究結(jié)果表明，耐裂果西瓜S1111的果實硬度及裂應(yīng)力均顯著高于易裂果西瓜201609019，且西瓜果實硬度及果實裂應(yīng)力與果皮厚度、外果皮厚度呈顯著正相關(guān)，而與外果皮和中果皮細(xì)胞大小等果皮結(jié)構(gòu)呈顯著負(fù)相關(guān)。研究還發(fā)現(xiàn)，在果實發(fā)育過程中，易裂果西瓜201609019的果皮表皮細(xì)胞、外果皮細(xì)胞和中果皮細(xì)胞發(fā)育較耐裂果西瓜S1111的果皮細(xì)胞快，而果實裂應(yīng)力則明顯小于S1111，且隨著果實發(fā)育而逐漸減小。外果皮細(xì)胞和中果皮細(xì)胞大、破裂應(yīng)力小，這可能是易裂果西瓜在發(fā)育中后期一旦環(huán)境中水分稍多則西瓜果實吸水膨大造成內(nèi)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(zhì)構(gòu)儀測定果實硬度、破裂功等方法進(jìn)行西瓜耐裂性表型鑒定。本研究結(jié)果表明，用質(zhì)構(gòu)儀能精準(zhǔn)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(qū)分西瓜的耐裂性，但是西瓜果實硬度或果實裂應(yīng)力大小與西瓜耐裂性對應(yīng)的分級標(biāo)準(zhǔn)還不明確，有待于進(jìn)一步研究制定西瓜耐裂性評價鑒定標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

本研究以易裂和耐裂西瓜種質(zhì)為試驗材料，對發(fā)育過程中的果實硬度、果實裂應(yīng)力動態(tài)變化和果皮組織結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行研究，結(jié)果表明，在果實發(fā)育過程中，S1111和201609019的果實力學(xué)特性及果皮結(jié)構(gòu)明顯不同，S1111的果實硬度和果實裂應(yīng)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(xì)胞長度、外果皮細(xì)胞和中果皮細(xì)胞面積均顯著大于S1111，尤其在果實發(fā)育后期201609019的表皮細(xì)胞長度、外果皮細(xì)胞和中果皮細(xì)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(yīng)力與果皮厚度、外果皮厚度呈顯著正相關(guān)，而與表皮細(xì)胞長度、外果皮細(xì)胞面積及中果皮細(xì)胞面積呈顯著負(fù)相關(guān)。因此，可用西瓜果實裂應(yīng)力和果實硬度大小來衡量西瓜果實的耐裂性，且在果實發(fā)育后期評價更適宜。