庫爾勒香梨粗皮果礦質元素和氨基酸的含量分析

曹藝潔,史智勇,玉蘇甫·阿不力提甫,艾沙江·買買提

(1.新疆農業科學院園藝作物研究所,烏魯木齊 830091;2.新疆農業大學園藝學院,烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】庫爾勒香梨是薔薇科(Rosaceae)梨屬(Pyrus)新疆梨系統(PyrussinkiangensisYü)植物[1]、汁多甘甜,耐貯藏[2],香梨產業主要分布于巴音郭楞蒙古自治州和阿克蘇地區[3]。香梨粗皮果的果面凸凹不平,果皮與正常果相比較為粗糙,果肉中石細胞多,是一種生理疾病,發病率通常在20%以上,輕者癥狀只發生在萼端,重者可遍及大部分果面,影響庫爾勒香梨的風味和品質[4-5]。研究分析庫爾勒香梨粗皮果礦質元素和氨基酸的含量,對研究庫爾勒香梨粗皮病與礦物質元素和氨基酸的關系有重要意義。【前人研究進展】目前主要集中在正常果和粗皮果品質和形態差異,礦物質元素與粗皮果形成的關系以及噴施植物生長調節劑對粗皮果形成的影響等方面[5-8],翟曉東等[8]研究發現,香梨粗皮果的形成與土壤干旱有關。干旱影響植物對養分的吸收、運輸和積累,而礦質元素在植物滲透調節中發揮重要作用,可以提高植物的抗旱能力[9]。植物礦物質元素和氨基酸在果樹生長發育、產量和品質形成中起著非常重要的作用,樹體中礦物質元素和氨基酸缺失或過量都將影響果樹的品質和產量[10,11]。香梨粗皮病的發生與礦物質元素含量相關[12]。【本研究切入點】目前對香梨粗皮果的形成方面研究較少。需研究比較庫爾勒香梨粗皮果和正常果中礦物質元素和氨基酸的差異。【擬解決的關鍵問題】以庫爾勒地區15 a生的香梨樹為材料,分析比較庫爾勒香梨粗皮果和正常果果實之間礦物質元素和氨基酸含量的差異,并進行主成分分析,研究影響香梨粗皮果和正常果果實發生差異的礦質元素和氨基酸,為減少粗皮病的發病率提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 材料

庫爾勒香梨果實采自于庫爾勒市阿瓦提鄉哈拉亞尕齊村,樹齡為15 a,株行距為5 m×6 m。于2020年香梨果實成熟期(落花后140 d)在梨園隨機取30個正常果和30個粗皮果,分別將香梨粗皮果和正常果的果肉切成1～2 mm的厚片,立即使用液氮冷凍,保存在-80℃的冰箱中,后續試驗使用。試驗過程中的香梨粗皮果和正常果均設置3組重復,每個重復10個果實。圖1

注:A: 粗皮果;B:正常果

1.1.2 儀器與試劑

電感耦合等離子質譜儀(7700X,Agilent),離心機(LG16-WA,北京京立),超低溫冰箱(Forma 900 series,Thermo Fisher Scientific),純水儀(Simplicity,Millipore),高效液相儀(1290 Ininity II series UHPLC System,Agilent),質譜(6460 Triple Quadrupole Mass Spectrometer,Agilent),超聲儀(YM-080S,深圳市方奧微電子有限公司),研磨儀(JXSTPRP-24);甲酸、乙腈、甲醇等溶液。

1.2 方 法

1.2.1 果實樣本處理

分別稱取1 g粗皮果和正常果的果肉,并蒸干。在樣品中加入濃硝酸,于200℃下消解48 h,并蒸干。加入30%硝酸于150℃提取樣品后,加入內標,用去離子水稀釋至。設置空白溶液:試驗過程中使用去離子水代替樣本同步進行前處理。

1.2.2 果實礦質元素種類含量測定

使用電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)儀測定香梨果肉礦物質元素種類。分析送檢平臺:ICP-MS(7700X,Agilent)由上海百趣生物醫學科技有限公司檢測。

1.2.3 果實氨基酸種類含量測定

采用超高效液相色譜-質譜聯合分析(UHPLC-MRM-MS/MS)方法測定香梨不同類型果實中的氨基酸種類和含量,由上海阿趣生物科技有限公司檢測。

1.3 數據處理

數據整理使用Excle 2010,主成分分析使用SPSS25.0。主成分系數計算:各自主成分載荷向量除以各自主成分特征值的算術平方根。主成分得分計算:相應的因子得分乘以相應的方差的算術平方根。綜合得分計算:各成分(因子)得分與其權重的乘積加和而得出,即綜合得分=W1*主成分1得分+W2*主成分2得分+W3*主成分3得分+…Wn*主成分n得分,W1、W2、W3…Wn分別表示各主成分的權重。

2 結果與分析

2.1 庫爾勒香梨果實礦物質元素種類和含量

研究表明,從庫爾勒香梨不同類型果實樣本中共檢測出14種礦質元素,其中有差異的礦物質元素10個。植物生長必需的礦物質元素5種,包括硅(Si)、鈣(Ca)、鉀(K)、磷(P)、鎂(Mg);微量元素8種,包括硼(B)、鎳(Ni)、鐵(Fe)、鉬(Mo)、鈉(Na)、銅(Cu)、錳(Mn)、鋅(Zn)。其他元素1種,硒(Se)。庫爾勒香梨正常果和粗皮果礦物質元素具有顯著差異的共有10種,差異倍數為0.70～3.17倍,其中不同類型果實中差異倍數較大的礦質元素為Si、B、Ni,B元素在香梨粗皮果中含量高,Na、Mg、P、K、Ca、Mn、Cu這8種礦質元素在香梨正常果中含量高,香梨粗皮果和正常果中沒有顯著差異的礦質元素共5種,分別為Si、Fe、Ni、Se、Mo。表1

表1 粗皮果和正常果果實礦物質 元素含量差異Table 1 Differences in mineral element contents between rough-skinned and normal fruits(mg/kg)

2.2 庫爾勒香梨粗皮果與正常果氨基酸種類和含量差異

研究表明,從庫爾勒香梨不同類型果實中共檢測23種氨基酸。其中谷氨酸族氨基酸9種,天冬氨酸族氨基酸5種,芳香族氨基酸3種,丙酮族氨基酸2種,絲氨酸族氨基酸1種,組氨酸族氨基酸3種。粗皮果中氨基酸的含量普遍高于正常果,其中在香梨粗皮果和正常果中有顯著差異的氨基酸有19種,其差異倍數范圍為1.11～6.61其中谷氨酸族8種,天冬氨酸族4種,芳香族3種,丙酮酸族2種,組氨酸族2種。脯氨酸、組氨酸等雜環氨基酸和鳥氨酸、瓜氨酸的非蛋白氨基酸含量在不同類型果實中的差異倍數較高。23種氨基酸在粗皮果和正常果的總量分別為37 664.837和33 102.39。其中谷氨酸族氨基酸含量分別占粗皮果和正常果氨基酸總量的10.46%和9.08%,天冬氨酸族氨基酸含量分別占粗皮果和正常果氨基酸總量的76.26%和76.87%,芳香族氨基酸含量分別占粗皮果和正常果氨基酸總量的0.27%和0.19%,丙氨酸族氨基酸含量分別占粗皮果和正常果氨基酸總量的6.30%和6.39%,絲氨酸族氨基酸含量分別占粗皮果和正常果氨基酸總量的6.31%和7.33%,絲氨酸族氨基酸含量分別占粗皮果和正常果氨基酸總量的0.40%和0.13%。天冬酰胺在粗皮果和正常果氨基酸總量中占比最高,分別占48.44%和50.84%。表2,表3

2.3 庫爾勒香梨果實中礦物質元素主成分變化

研究表明,針對不同類型果實礦物質含量共提取出2個成分(累計貢獻率≥90%且特征向量值>1),其中PC1的特征向量值為12.24,貢獻率為87.41%,PC2的特征向量值1.08,貢獻率為7.69%,PC1和PC2的累計率為95.10%,涵蓋大部分信息。前兩個主成分能夠代表最初的14個指標來分析庫爾勒香梨兩種類型果實表型差異。其中Se、Na、K、Mg、P、Ca、Mn、Zn在PC1上有較高載荷,相關性強。B、Si、Ni、Fe、Mo、Cu在PC1上有較高載荷,相關性強。PC1中Ca、K、Na等元素的分數較高,PC2中Se、Cu、B等元素的分數較高。在不同類型庫爾勒香梨果實礦質元素綜合得分中植物必需的大量元素高于微量元素,其中得分最高的為Ca元素,Si的得分最低。2種類型果實礦物質元素按因子綜合得分排名順序為鈣Ca、Mn、K、Fe、Na、Mg、Zn、P、Cu、Mo、Se11種礦質元素。PC1和PC2綜合得分較高的元素為Ca、Mn、K等元素,此類礦物質元素對2種類型果實表型差異的貢獻較大。表4,表5

表 2 粗皮果和正常果果實氨基酸含量差異Table 2 Differences in amino acid contents between rough-skinned and normal fruit(nmol/L)

表3 各族氨基酸組分在總氨基酸中的比例變化Table 3 Proportions of different class of amino acids in total amino acids

表4 礦質元素主成分總方差解釋Table 4 Explanation of the total variance in principal component analysis on mineral elements

2.4 庫爾勒香梨果實中氨基酸主成分變化

研究表明,不同類型果實中23種氨基酸含量共提取出2個主成分(提取條件:累計貢獻率≥90%且特征向量>1),其中PC1的特征向量值為19.65,貢獻率為85.42%,PC2的特征向量值為2.45,貢獻率為10.64%,累計貢獻率為96.06%,涵蓋大部分信息。前2個主成分能夠代表最初的23種氨基酸來分析庫爾勒香梨2種類型果實表型差異。其中Thr、Hyp、Orn、His、Gly和Met等18種氨基酸在PC1上有較高載荷,相關性強。Thr、3-MeHis 、Asp 、Glu和Ser在PC2上有較高載荷,相關性強。PC1中4-Hyp、Orn和His等的分數較高,PC2中Ser、Glu、3-Mehis等的分數較高。Thr、Ala、Hyp、Orn、His、Gly、Met、GABA、Lysine、Try 10種氨基酸綜合得分較高。表6、表7

表6 氨基酸主成分總方差解釋Table 6 Total variance interpretation o principal component analysis of amino acids

表7 庫爾勒香梨果肉氨基酸含量主成分變化Table 7 Principal component analysis of amino acids in the pulp of Korla fragrant pear

3 討 論

粗皮果的發生與樹勢、光照、營養及土壤水分等環境因素密切相關[4-6,8,13],粗皮果的產生是被非生物脅迫誘導的樹體對環境脅迫的積極反應。庫爾勒香梨粗皮果形成時期,果實細胞處于迅速膨大期,可能受樹體營養和干旱等環境因素的影響,為了適應逆境環境機體可能通過細胞凋亡來維持果實正常發育。研究發現,香梨不同類型果實中所檢測出的14種礦物質中果樹生長所需要的5種大量元素(P、K、Ca、Mg、S)及3種微量元素(Mn、Cu、Zn)在正常果中的含量顯著高于粗皮果,而B 和Si在粗皮果中積累得多。干旱條件下作物對Ca2+、P、K+的吸收嚴重受阻,即使在輕度干旱脅迫下,磷向地上部的轉運也受到嚴重限制[9,14-16]。S被認為調控植物在正常和脅迫環境下的生長發育[15,16]。Mg2+對植物光合作用非常重要的離子,在葉綠素合成、光合產物的分配及能量代謝等過程中起到關鍵作用[17]。缺失上述任何一種礦物質元素,植物的生長發育將受到極大的抑制,對作物產量和品質都產生不利影響[18-20]。施用含這些礦物質元素的肥料都可以減輕干旱對植物生長的不利影響[21-23]。粗皮果中這些礦物質元素普遍顯著低于正常果,香梨果實發育后期這些礦物質可能與粗皮果的產生有一定的關系。香梨粗皮果中B和Si含量明顯高于正常果,B含量過多影響果實的著色出現“黃果病”,影響果實品質發生變化;硅可以參與植物葉片角質層表皮組織里角質-雙硅層結構的形成,這種結構可降低氣孔的蒸騰速率和水分或水汽的滲透,減少葉面失水,可提高植物的抗旱性,粗皮果果皮著色差有可能是果實B和Si含量過高多導致的[8,24]。香梨粗皮果是7月干旱所引起的,果實發育后期部分樹體或果實處于局部干旱條件下,干旱脅迫影響樹體對礦物質元素的吸收,導致部分果實中礦物質元素的缺、失,影響果實的正常發育。香梨果實中P、K、Ca、Mg、S、Mn、Cu、Zn含量的缺失和B、Si含量的過高可能是導致兩種果實發生差異的原因,與前人的研究結果:庫爾勒香梨粗皮果中氮、磷、鉀積累得多,而正常果中鈣、鎂、硼積累得多[25,26]有不同,可能是因為檢測手段或取樣地點不同所造成的。

外源氨基酸能顯著減輕非生物脅迫造成的傷害[3,27-29]。干旱條件下脯氨酸、天冬氨酸、絲氨酸和甘氨酸等含量增加1.5～4.5倍[30,31]。氨基酸還在黃酮類化合物、異黃酮類化合物、角質、軟木脂,木質素,苯丙烯,酰化多胺和許多其他生物堿衍生物等活性物質的合成過程中起到關鍵作用[32]。這些活性物質作為抗氧化物質在植物對逆境的適應過程中起到關鍵調節作用。粗皮果中黃酮類、酚類物質含量顯著高于正常果,尤其是果皮中這些物質的含量差異更顯著[33]。氨基酸通過三種機制在非生物脅迫耐受中發揮作用:作為滲透物質、調節pH值或作為氮或碳儲備。果實中氨基酸含量的差異可能是導致兩種果實發生差異的原因之一。

4 結 論

庫爾勒香梨不同類型果實中礦物質元素和氨基酸含量具有顯著差異,礦物質元素中的Ca、Mn、K和氨基酸中的Thr、Ala、4-Hyp綜合的分數較高,庫爾勒香梨不同類型果實中礦物質元素氨基酸含量具有差異,其中植物大量元素在正常果含量高,常見蛋白質氨基酸在粗皮果中含量高。礦物質元素中的Ca、Mn、K和氨基酸中的Thr、Ala、4-Hyp綜合得分較高,此類物質的含量的差異是導致兩種果實發生差異的原因。