黄晶淼，王金鑫，李建明，索相敏，郝 婕，李学营

(河北省农林科学院石家庄果树研究所，石家庄 050061)

中国苹果(Malusdomestica)产量居世界首位[1]，河北省作为苹果主产区之一，富士系苹果占栽培面积的70%左右，产量占62.29%。但是，河北平原区经常出现苹果果实裂纹现象，主要表现在果实成熟前，其果肩部、胴部、萼洼部易出现网状或波纹状的褐色裂纹，不仅影响果实外观品质，而且也会成为病原菌侵害果实的途径之一，引起其他病害，导致果实腐烂，货架期缩短，市场竞争力降低、果农收入削减[2]。果实裂纹现象在樱桃、枣、石榴等果树上也均有发生[3-5]，其诱发因素包括气候环境、果园管理、果实表型特征、遗传等，即使在相同果园管理和环境条件下，不同品种果实易裂程度与果实的硬度、果皮强度、角质膜性质之间也存在一定相关性[6]。

目前，苹果果实裂纹的研究多集中于针对一个品种，外施赤霉素、细胞分裂素等生长调节剂及Ca2+抑制剂对裂纹的调控作用[7-8]，或果胶含量和相应酶活性、扩展蛋白基因表达在果实成熟过程中的变化[9-10]，多个不同易裂度品种间相关指标的比较鲜有报道。有研究表明，果实质地及组织力学性能与果实裂纹密切相关[11-12]。质构仪能客观、准确地描述苹果果实质地[13]。本研究以亲缘关系较近、果实易裂程度不同的苹果品种(系)作为两组试验材料，利用质构仪测定果实质地，同时利用光学显微镜观察果实显微结构，采取主成分结合灰色关联度分析果实质地、显微结构与裂纹之间的关系，以期为苹果裂纹的形成机制探讨及抗裂纹品种的选育提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试材料为栽植于同一果园、套白色单层纸袋、果面裂纹程度不同的4个苹果品种(系)：着色富士系‘天红2号’和短枝富士后代优系4-1-103，不着色姊妹系‘冀苹4号’和‘冀苹5号’。每个品种(系)分别选择3株生长发育状况良好且长势一致的树，从盛花后132 d起，每隔8～13 d调查1次果实裂纹发生情况。于盛花后185 d从每株试验树上采集3个果实带回实验室4 ℃保存备用，果实状态如图1所示。

A.天红2号；B.4-1-103；C.冀苹4号；D.冀苹5号图1 不同品种(系)苹果盛花后185 d果实A. Tianhong 2; B. 4-1-103; C. Jiping 4; D. Jiping 5Fig.1 Fruits of different apple cultivars (series) on 185 days after full bloom

1.2 测定指标及方法

1.2.1 果实裂纹率和裂纹指数每个品种(系)随机挂牌固定100个果实，观察果肩部、胴部、萼洼部裂纹发生情况并分级。分级标准：果面光滑，未出现裂纹为0级，果面裂纹面积占总面积<10%为1级，10%～20%为2级，20%～40%为3级，40%～60%为4级，>60%为5级[14]。依据调查结果按照如下公式计算裂纹率和裂纹指数。

裂纹率=裂纹的果数/调查总果数×100%

裂纹指数=∑(各级裂纹果数×裂纹级数)/(调查总果数×最高级数)

1.2.2 果实质地用美国Food Technology Corporation公司生产的TMS-PRO质构仪测定果实质地，于盛花后185 d，每株试验树随机选取3个果实，每个果实阴阳面各测1次。选用P/2柱状探头(直径2 mm)，从果肩处进行整果穿刺法测定果皮破裂前形变量、果皮硬度、果肉硬度等，仪器参数为：试验测试速度100 mm/min，触发力0.50 N，穿刺距离10.00 mm[15]。用直径为1.50 cm的打孔器在果肩处打孔，切取高度为5.00 mm的果肉圆柱体，选用P/75探头(直径75 mm)，质地多面分析法(texture profile analysis，TPA)测定果肉脆裂性、硬度、弹性等，仪器参数为：力感应量程250 N，受压形变量60%，测试速度60 mm/min，触发力0.20 N[16]。

1.2.3 果实显微结构在果肩部分别取果皮(长宽各5 mm)、果肉(长宽厚各5 mm)放入FAA固定液中固定24 h，制作石蜡切片，在Olympus光学显微镜下观察、拍照[17-18]。采用ImageJ软件测量角质膜厚度、表皮细胞面积、维管束直径和果肉间隙率等指标。

1.3 数据统计与分析

利用Excel 2007进行数据统计，用SPSS 22.0进行方差分析，独立样本T检验和单因素ANOVA比较差异显著性，用SPSSPRO进行主成分和灰色关联度分析。

2 结果与分析

2.1 不同品种(系)苹果果实裂纹发生情况比较

2.1.1 裂纹率和裂纹指数由图2可知，‘天红2号’和‘冀苹4号’果实均于盛花后142 d开始出现裂纹，‘冀苹5号’和4-1-103则分别于盛花后161 和174 d开始出现裂纹。在盛花后132～185 d，不同品种(系)苹果果实裂纹率均有升高趋势，且‘天红2号’裂纹率始终明显高于同期优系4-1-103，‘冀苹4号’裂纹率始终明显高于同期的姊妹系‘冀苹5号’。‘天红2号’和‘冀苹4号’裂纹高发期分别出现于盛花后150～185 d和142～174 d，均于盛花后185 d裂纹率达最大值，分别为81.82%和66.67%；4-1-103和‘冀苹5号’裂纹率均于174 d才有明显升高趋势，最大值仅分别为2.50%和17.50%。

图2 不同品种(系)苹果果面裂纹率变化Fig.2 Changes of percentage of cracking in different apple cultivars (series)

同时，图3显示，在盛花后142～185 d，‘天红2号’和‘冀苹4号’裂纹指数表现出升高的趋势，分别由0.25、0.20增加至1.88、1.27；优系4-1-103在盛花后174 d为0.03，其余时间均为0，‘冀苹5号’在盛花后174～185 d仅由0.27增加至0.30，其余时间均为0。在同一调查时间点，4-1-103和‘冀苹5号’的裂纹指数分别显著低于‘天红2号’和‘冀苹4号’。可见，‘天红2号’和‘冀苹4号’果实裂纹出现早、裂纹指数高，而4-1-103和‘冀苹5号’果实裂纹出现迟、裂纹指数很低。

*表示同期品种(系)间在0.05水平内存在显著性差异(P<0.05)图3 不同品种(系)苹果果面裂纹指数变化*indicate significant difference between cultivars (series) during the same period at 0.05 level (P<0.05)Fig.3 Changes of cracking index in different apple cultivars (series)

2.1.2 不同部位裂纹变化由图4可以看出，‘天红2号’和‘冀苹4号’果肩部裂纹率始终高于胴部和萼洼部，均于盛花后185 d达最大值，分别为45.45%和61.11%。‘天红2号’萼洼部和胴部裂纹分别主要发生于盛花后142～161 d和161～185 d，裂纹率分别于161 d和185 d达最大值，分别为10.00%和31.81%。‘冀苹4号’胴部于盛花后150 d出现裂纹，裂纹率于盛花后174 d达最大值(10.00%)，其萼洼部未发现裂纹。

图4 ‘天红2号’(A)和‘冀苹4号’(B)果实不同部位裂纹率变化Fig.4 Changes of percentage of cracking in different parts of ‘Tianhong 2’(A) and‘Jiping 4’(B) fruit

2.2 不同品种(系)苹果果实质地比较

由表1可知，整果穿刺法测试得到的果皮破裂前形变量、果皮硬度、果肉硬度、果皮果肉硬度比在‘冀苹4号’与其低裂纹姊妹系‘冀苹5号’之间均无显著差异，果皮破裂前形变量在‘天红2号’与其低裂纹优系4-1-103之间也无显著差异，而其余3个指标均表现为‘天红2号’显著小于其低裂纹优系4-1-103。TPA得到的果肉弹性在各品种(系)之间均无显著性差异，果肉脆裂性、硬度均表现为‘天红2号’显著小于低裂纹优系4-1-103，‘冀苹4号’显著小于其低裂纹姊妹系‘冀苹5号’，即易裂纹品种果肉脆裂性和硬度均显著小于不易裂纹品种。虽然，‘冀苹4号’与‘冀苹5号’ 果肉硬度在整果穿刺法中无显著性差异，但在TPA中有显著差异，且TPA能更精细地反映果肉质地差异，整果穿刺法是果肉质地的补充测定方式[19]。

表1 不同品种(系)苹果果实质地特性

2.3 不同品种(系)苹果果实显微结构比较

2.3.1 果皮及果肉细胞的形态特征苹果果实从外向内由角质膜细胞、表皮细胞和果肉细胞组成。从不同品种(系)苹果果皮及果肉细胞的光学显微结构图(图5)可以看出：角质膜呈透明状态；表皮细胞位于角质膜与果肉细胞之间，有5～7层，靠近角质膜的表皮细胞呈长卵圆形，靠近果肉细胞的表皮细胞呈不规则圆形；内层的果肉细胞，比角质膜和表皮细胞大，其细胞间分布有维管束。不同品种(系)苹果间果皮和果肉细胞形态亦存在明显差异，易发生裂纹品种‘冀苹4号’和‘天红2号’角质膜有“V”型凹陷，深入表皮细胞，与其镶嵌，并发生龟裂；表皮细胞排列疏松、无规则；果肉细胞间隙和维管束均较大。而不易发生裂纹品种(系)‘冀苹5号’和4-1-103角质膜平滑且保存完整；表皮细胞排列紧实有规则，果肉细胞间隙和维管束相对较小。

2.3.2 果皮显微结构不同品种(系)苹果果皮显微结构观测结果(表2)显示，‘冀苹4号’表皮厚度显著大于其低裂纹姊妹系‘冀苹5号’，表皮细胞长宽比和表皮细胞密度均显著小于‘冀苹5号’；‘天红2号’的角质膜厚度、表皮细胞长、表皮细胞长宽比和表皮细胞间隙率均显著大于低裂纹优系4-1-103，而表皮细胞面积和表皮细胞密度则显著小于4-1-103。可见，易裂纹苹果品种果实表皮细胞密度显著小于不易裂纹品种。

表2 不同品种(系)苹果果皮显微结构的指标比较

A-D.果皮；E-H.果肉；A、E.‘冀苹4号’；B、F.‘冀苹5号’；C、G.‘天红2号’；D、H.4-1-103；1. 角质膜；2. 表皮细胞；3. 果肉细胞图5 不同品种(系)苹果果皮及果肉细胞的光学显微结构A-D. Skin; E-H. Flesh; A,E.‘Jiping 4’; B,F.‘Jiping 5’; C,G.‘Tianhong 2’; D,H.4-1-103; 1. Cutin membrane; 2. Epidermal cell; 3. Flesh cellFig.5 Microstructure of skin and flesh cells in different apple cultivars (series)

2.3.3 果肉显微结构由不同品种(系)苹果果肉显微结构的8个相关细胞指标(维管束直径、维管束数量、果肉细胞密度和果肉细胞间隙率等)观测结果(表3)可知，‘冀苹4号’果肉细胞面积、细胞长、细胞宽和细胞间隙率均显著大于其低裂纹姊妹系‘冀苹5号’；‘天红2号’果肉细胞间隙率和维管束直径均显著大于低裂纹优系4-1-103，果肉细胞面积和细胞宽均显著小于4-1-103。说明易裂纹苹果品种果肉细胞间隙率显著大于不易裂品种。

表3 不同品种(系)苹果果肉显微结构的指标比较

2.4 苹果果实质地和显微结构与果肩裂纹指数关系

2.4.1 果实质地与果肩裂纹指数关系各品种(系)苹果质地特性指标的主成分分析结果(表4)表明，前2个主成分因子方差累积贡献率达89.750%，主成分1和2的特征根分别为3.347和2.935，即前2个主成分因子已经代表了全部指标的主要信息。其中，主成分1解释了7个指标47.810%的变化，结合主成分因子载荷矩阵热力图(图6)可明显看出果肉硬度、TPA果肉硬度和果肉脆裂性因子载荷系数较高，是主成分1的主要相关指标；主成分2解释了7个指标41.940%的变化，主要与果皮果肉硬度比相关。

表4 质地特性主成分因子载荷系数及方差贡献率

图6 质地特性主成分因子载荷矩阵热力图Fig.6 The heat map of principal component factor load matrix of texture characteristics

同时，将不同品种(系)苹果质地特性指标与果肩裂纹指数进行灰色关联度分析，结果(表5)显示果皮破裂前形变量与果肩裂纹指数关联度最高(0.990)，且果肉弹性、果皮果肉硬度比和果肉硬度3个指标与果肩裂纹指数的关联度也均高于0.900，对果肩裂纹指数有较大影响力。两种方法综合分析结果表明，果肉硬度和果皮果肉硬度比是解释果面裂纹的主要相关指标。

表5 质地特性与果肩裂纹指数灰色关联度分析

2.4.2 果实显微结构与果肩裂纹指数关系各品种(系)苹果显微结构指标主成分分析结果(表6)显示，3个主成分因子方差累积贡献率达100%，主成分1、2和3的特征根分别为7.366、5.756和2.878，3个主成分因子已经代表了全部指标的主要信息。其中，主成分1解释了16个指标46.040%的变化，结合主成分因子载荷矩阵热力图(图7)可明显看出果肉细胞面积、果肉细胞宽和果肉细胞长因子载荷系数较高，是主成分1的主要相关指标；主成分2解释了16个指标35.980%的变化，主要与果肉细胞间隙率和维管束直径相关；主成分3解释了16个指标17.990%的变化，主要与果肉细胞密度相关。

表6 显微结构指标主成分因子载荷系数及方差贡献率

图7 显微结构指标主成分因子载荷矩阵热力图Fig.7 The heat map of principal component factor load matrix of microstructure

同时，将不同品种(系)苹果显微结构指标与果肩裂纹指数进行灰色关联度分析，结果(表7)表明果肉细胞间隙率、表皮细胞间隙率与果肩裂纹指数关联度均达1.000，维管束数量、果肉细胞长宽比和表皮细胞长宽比3个指标与果肩裂纹指数关联度均为0.999，它们对果肩裂纹指数均有较大影响力。两种方法综合分析表明，果肉细胞间隙率是解释果面裂纹的主要相关指标。

表7 显微结构指标与果肩裂纹指数灰色关联度分析

3 讨 论

果面裂纹主要发生在果实生长中后期[20]，不同品种之间易裂程度存在差异[21]。本研究中，‘天红2号’和‘冀苹4号’苹果果面裂纹高发期分别在盛花后150～185 d和142～174 d，均为生长中后期；两组试验材料组内比较，‘天红2号’出现裂纹的时间比优系4-1-103早32 d， ‘冀苹4号’比其姊妹系‘冀苹5号’早19 d；‘天红2号’和‘冀苹4号’裂纹出现时间早，持续时间长，发生程度较4-1-103和‘冀苹5号’更严重。

Galvez等[22]认为即使亲本及其后代个体或姊妹系间的果实质地也存在差异。本研究中，两组试验材料均为易裂纹品种的果肉脆裂性、果肉硬度显著小于不易裂品种。有关枣裂果机制的研究中也表明，果肉硬度与裂果指数呈显著负相关[12]。同时，本研究进一步的主成分结合灰色关联度分析表明，果皮果肉硬度比是解释苹果果面裂纹的主要相关指标，吴建阳等[23]也认为果皮果肉力学强度不平衡，会导致果面裂纹的发生。

显微结构差异性是果实裂纹的重点关注内容之一。魏钦平等[24]研究了不同地区‘乔纳金’苹果果皮解剖结构差异，发现果面光洁、低裂纹果实的角质膜不是最厚也不是最薄，认为角质膜厚度不是评价裂纹率的标准；而Fogelman等[25]通过研究‘粉红女士’喷施赤霉素和细胞分裂素混合物后果实裂纹和细胞显微结构，发现果面裂纹率降低、角质膜变厚，认为角质膜厚度与裂纹率呈负相关。本研究中，‘天红2号’果实角质膜厚度显著大于其优系4-1-103，但姊妹系‘冀苹4号’和‘冀苹5号’的角质膜厚度无显著性差异，从而认为果实角质膜厚度与其裂纹率不是密切相关。魏钦平等[24]关注不同环境条件引起的果实裂纹差异，Fogelman等[25]观察外施生长调节剂对一个品种果实裂纹的影响，本研究则比较不同品种间的果实裂纹差异，且试验材料不同，因此材料和试验自变量不同可能是导致结果不一致的原因。但研究结果普遍支持果实角质膜保存完整、平滑均一、不发生龟裂、无“V”型凹陷，且表皮及果肉细胞排列紧实有规则的品种较耐裂的观点[26-27]。本研究中耐裂纹的品种(系)4-1-103和‘冀苹5号’角质层完整，表皮和果肉细胞排列紧实，表皮细胞密度显著大于易裂纹的‘天红2号’和‘冀苹4号’，果肉细胞间隙率显著小于‘天红2号’和‘冀苹4号’。由此推测，细胞间隙率小，细胞密度大，细胞壁增加，引起钙、果胶、纤维素和相应酶等细胞壁组分变化，从而增强了果实抗裂能力[10,23]，不同品种间细胞壁组分与裂纹的关系有待后续试验验证。

细胞间的空隙度和细胞形态特征对果肉硬度和脆度有很大程度的影响。本研究中，亲缘关系较近的着色系‘天红2号’和4-1-103，不着色姊妹系‘冀苹4号’和‘冀苹5号’两组内比较，果实裂纹率与果肉脆裂性、硬度呈负相关，与果肉细胞间隙率呈正相关，果肉细胞间隙率与果肉脆裂性、硬度呈负相关，主成分和灰色关联度分析也表明果肉硬度和细胞间隙率是解释果面裂纹的主要相关指标，这与李红光[28]和HOU等[29]的研究一致。但是，4个苹果品种(系)同时比较发现，果实裂纹率表现为‘天红2号’>‘冀苹4号’>‘冀苹5号’>4-1-103，果肉脆裂性和硬度表现为‘冀苹5号’>‘冀苹4号’>4-1-103>‘天红2号’，果肉细胞间隙率表现为‘天红2号’>‘冀苹4号’>4-1-103>‘冀苹5号’，并不是一一对应的正负相关，推测跟亲本遗传和果实着色有关[30]，今后需进一步研究果实连续发育过程中相关的酶和基因效应。

4 结 论

本研究通过观察套白色单层纸袋着色富士系‘天红2号’和短枝富士后代优系4-1-103，以及不着色姊妹系‘冀苹4号’和‘冀苹5号’4个苹果品种(系)生长发育过程中裂纹率和裂纹指数变化，发现‘天红2号’和‘冀苹4号’果面裂纹率和裂纹指数始终高于4-1-103和‘冀苹5号’，且其裂纹主要部位发生在果肩部。果实质地特性和显微结构观测结果显示，易裂纹的‘天红2号’和‘冀苹4号’角质膜有“V”型凹陷，并发生龟裂；耐裂纹的4-1-103和‘冀苹5号’角质膜完整，果肉脆裂性、果肉硬度和表皮细胞密度均显著大于‘天红2号’和‘冀苹4号’，果肉细胞间隙率显著小于‘天红2号’和‘冀苹4号’。主成分结合灰色关联度分析发现，果肉硬度、果皮果肉硬度比和果肉细胞间隙率是解释果面裂纹的主要相关指标。因此，果实角质膜完整均一、果肉硬度大、果肉细胞间隙率小的苹果品种不易发生裂纹。