曹艺洁,艾沙江·买买提,仙米斯娅·塔依甫,史智勇,玉苏甫·阿不力提甫

(1.新疆农业大学园艺学院,乌鲁木齐 830052;2.新疆农业科学院园艺作物研究所,乌鲁木齐 830091;3.新疆维吾尔自治区农药检定所,乌鲁木齐 830049)

0 引 言

【研究意义】库尔勒香梨是蔷薇科(Rosaceae)梨属(Pyrus)新疆梨系统(PyrussinkiangensisYü)植物,是瀚海梨与鸭梨的杂交品种,原产于新疆库尔勒地区[1],其味甜爽滑、香气浓郁、皮薄肉细、酥脆爽口、汁多渣少、耐久贮藏、营养丰富[2]。库尔勒香梨主要种植于新疆巴音郭楞蒙古自治州(库尔勒市、轮台县和尉犁县)和阿克苏地区,2017年巴州地区香梨产值为1.739×105万元[3]。库尔勒香梨耐干旱和耐盐碱性,但香梨果柄属于肉质果柄,韧性差,抗风能力弱。而库尔勒地区每年5级以上大风频发,8级以上的大风几乎每年都有发生,并且每年临近香梨采收期都会发生不同程度的风灾,导致香梨减产[4]。通常年份因风灾造成的落果占香梨总产量的5%,库尔勒香梨果柄的柔韧性较差易断裂,采收时易导致香梨落果严重。比较研究库尔勒香梨不同类型果柄差异,对培育果柄抗机械损伤能力高的香梨品种有重要意义。【前人研究进展】孙昊琪等[5]研究表明,梨果柄的粗度与可溶性固形物、纵径、横径、单果重呈正相关,与果实硬度负相关。柑橘果实最终的大小与果梗粗度呈显著正相关[6]。【本研究切入点】目前国内外对果柄的研究主要集中在采后贮藏和机械采摘方面[7-9],对果柄肉质化文献报道几乎没有,需找出库尔勒香梨正常果柄与肉质化果柄两者在形态指标、细胞壁物质、营养物质的差异,研究库尔勒香梨果柄肉质化形成的原因。【拟解决的关键问题】以成熟期(花后130 d)香梨正常果柄、香梨肉质化果柄和砀山酥梨果柄(果柄没有肉质化现象)为材料,田间调查成熟期香梨肉质化果柄的取值范围,观察显微结构,比较3种果柄在形态结构上的差异;分析3者细胞壁物质含量(纤维素、木质素、半纤维素)和营养物质含量(可溶性蛋白、可溶性糖、淀粉、矿物质元素)的差异。研究香梨果柄肉质化原因,提高库尔勒香梨的产量和质量,为培育果柄抗机械损伤能力高的香梨品种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

1.1.1 香梨树

香梨树采自于新疆农业科学院轮台国家果树资源圃(N 41°47′2″,E 84°13′32″),株行距5 m×3 m、15年里,试验园内梨树长势良好,试验对照材料(砀山酥梨)为授粉树栽培。于2021年9月10日(花后140 d)左右,试验园随机取50个香梨正常果柄、50个香梨肉质化果柄、50个砀山酥梨果柄,果柄表面清洗干净,擦干水分,一半使用液氮速冻,存于-80℃冰箱,另一半使用FAA(70%)保存后续试验使用。图1

注：A为香梨正常果柄(ZC),B为香梨肉质化果柄(RZ),C为砀山酥梨果柄(DS)

1.1.2 主要仪器

数显游标卡尺、分光光度计、万分之一天平(ML240,梅特勒)、电感耦合等离子质谱仪(7700X,Agilent)、全波长酶标仪(MD SpectraMax 190)、离心机(LG16-WA,北京京立)、研磨仪(JXSTPRP-24),浓硫酸(70%)、盐酸、高氯酸等溶液。

1.2 方 法

田间果柄形态指标测定使用数显游标卡尺测定,于成熟期梨园随机取500个库尔勒香梨和50个砀山酥梨测量果柄粗度,田间测量过程中果柄上下部具有明显差异的定义为肉质化果柄。库尔勒香梨不同类型果柄矿物质元素含量测定使用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)仪测定。分析送检平台:ICP-MS(7700X,Agilent)由南京钟鼎生物科技有限公司测定,果柄细胞壁物质(纤维素、木质素、半纤维素)和营养物质(可溶性蛋白、可溶性糖、淀粉)含量测定参照王学奎[10]、熊素敏[11]等方法,元素分类方法参照张小雪[12]标准,果柄细胞壁结构物质,营养物质的测定均设置3组重复。

果柄石蜡切片的制作方法参照不同类型梨果柄石蜡切片的厚度为8～10 μm,使用植物番红固绿对果柄切片进行染色,并在OLYMPUS 显微镜下拍照,并采用 DP Controler 软件进行图片采集,Motic plus 2.0 软件分析图片。使用CaseViewer软件测量果柄解剖结构(果柄维管束数量、木质部面积、韧皮部面积、果柄横截面积等)。

1.3 数据处理

数据分析使用Excle 2010、使用Prism 7.0作图、石蜡切片测量使用 CaseViewer图片处理软件。

2 结果与分析

2.1 库尔勒香梨不同类型果柄形态指标比较

研究表明,库尔勒香梨正常果柄和肉质化果柄分别占调查总数的16%、84%。库尔勒香梨果柄直径符合正态分布的规律,香梨正常果柄平均值μ=3.04 mm,标准差σ=0.332 mm,根据正态分布定理95%置信区间为μ-2σ≤X≤μ+2σ。香梨正常果柄的取值范围分别为2.38 mm≤香梨正常≤3.70 mm。而香梨肉质化果柄平均值μ=6.32 mm,标准差为σ=1.40 mm,香梨肉质化果柄的取值范围为3.52 mm≤香梨肉质化≤9.12 mm(95%置信区间)。香梨果柄的直径≥3.70 mm为香梨肉质化果柄。图2

注：A为香梨肉质化果柄的正态分布,B为香梨正常果柄粗度的正态分布,-2σ≤样本均值≤2σ,σ为标准差(95%置信区间)

2.2 不同类型梨果柄形态解剖结构比较

研究表明,3种果柄解剖结构均是由表皮、皮层、维管束三部分组成。3种类型梨果柄中香梨肉质化果柄横截面积(15.8 mm2)明显大于砀山酥梨与香梨正常果柄,并且香梨肉质化果柄中表皮细胞相比其他两种果柄排列不规则细胞壁厚度不均匀。香梨肉质化果柄皮层厚度小于香梨正常和砀山酥梨果柄,但薄壁细胞数量较多,砀山酥梨果柄皮层中所含纤维细胞数量较多,但相比香梨正常和香梨肉质化果柄来说染色较浅,香梨正常果柄中薄壁细胞体积大于香梨肉质化果柄。3种类型梨果柄中砀山酥梨果柄维管束数量比香梨正常和香梨肉质化果柄多,而香梨正常、香梨肉质化果柄中维管束数量相同,无差异。3种梨果柄中的维管束都属于无限外韧型维管束,砀山酥梨果柄排列比较规则具有明显的束间形成层,维管束之间相距较短且维管束周围的韧皮纤维比香梨正常和香梨肉质化果柄发达(韧皮纤维都为厚壁组织),维管束占果柄横截面积的比例(17.7%)和木质部面积(0.47 mm2)在3种梨中最高,但木质部在维管束中的占比小于香梨肉质化果柄。香梨肉质化果柄中的维管束面积、韧皮部面积、木质部占比均大于香梨正常果柄,而维管束面积占果柄横截面积的比例在3种类型梨果柄中最小(4.09%)。3种类型梨果柄中,香梨肉质化果柄的维管束组织发育比香梨正常和砀山酥梨较好。表1,图3

表1 成熟期不同类型梨果柄显微结构比较

注：A、B、C分别为香梨正常果柄、香梨肉质化果柄、砀山酥梨果柄解剖结构图

2.3 不同类型果柄细胞壁物质含量比较

研究表明,3种类型梨果柄中的纤维素含量由高到低依次为香梨肉质化>香梨正常>砀山酥梨,木质素含量比较由高到低依次为香梨正常>砀山酥梨>香梨肉质化; 半纤维素含量由高到低依次为砀山酥梨>香梨正常>香梨肉质化,香梨正常果柄和砀山酥梨果柄细胞壁中纤维素、半纤维素总量高于香梨肉质化果柄,细胞壁增厚,香梨肉质化果柄的细胞木质化程度低于香梨正常和砀山酥梨果柄,果柄中薄壁细胞较多厚壁组织发育不发达,香梨肉质化果柄的柔韧性低于其他2种类型果柄,抗风灾能力远低于香梨正常和砀山酥梨果柄。图4

注：A、B、C分别为3种果柄中纤维素、半纤维素、木质素含量差异图;数据(平均值±标准差)后用不同小写字母表示在P<0.05差异显著

2.4 不同类型梨果柄营养物质含量比较

研究表明,不同类型梨果柄中的可溶性蛋白含量由高到低依次为砀山酥梨>香梨正常>香梨肉质化,淀粉的含量由高到低依次为香梨正常>砀山酥梨>香梨肉质化,可溶性糖的含量由高到低依次为香梨肉质化>砀山酥梨>香梨正常,香梨正常含水量为0.67,而香梨肉质化果柄的含水量为2.57,香梨肉质化果柄的含水量明显高于正常果柄,香梨肉质化果柄中的薄壁细胞较多,香梨正常果柄中的薄壁细胞细胞壁加厚,水分低于香梨肉质化果柄。香梨肉质化果柄中的可溶性糖和淀粉总量高于香梨正常果柄,其细胞壁中的纤维素含量高于香梨正常果柄。图5

注：A、B、C、D分别为3种果柄可溶性蛋白、可溶性蛋白、淀粉、含水量差异图;数据(平均值±标准差)后用不同小写字母表示在P<0.05差异显著

两种类型果柄中均检测出33种植物元素,按其含量的平均值可分为中量元素1种(Se)、微量元素5种(分别为Sr、V、Mo、Co、Na)、极微量元素26种(分别为Ti、Ni、Cd、Fe、Ca、Pb、Al、Ga、Mn、Sb、Nb、B、Be、As、Mg、P、La、Sc、Zn、Cr、Zr、Y、Tl、Cu、Ag、K、Ba)。其2种果柄在元素种类上没有差异,香梨正常果柄中的矿物质总量高于香梨肉质化果柄,其中香梨正常、香梨肉质化2种果柄具有显著性差异的元素有25种(筛选条件为VIP大于1且P<0.05),其种异倍数为0.54～4.41倍,其中不同类型果柄中差异倍数较大的元素为Mo、Sr、Fe、Ca、Ti。Se元素在香梨2种类型果柄矿质元素中含量最高,其中P、B、Na元素在香梨肉质化果柄中含量高,其余22种具有显著差异的元素均在香梨正常果柄中含量高。2种类型香梨果柄中未达到显著差异的元素有8种,分别为Cr、Zr、Y、Tl、Cu、Ag、K、Ba。表2

表2 同类型库尔勒香梨果柄元素含量差异

3 讨 论

不同类型梨品种的果柄粗度不同,梨果柄的粗度与果园水肥管理、花芽类型、梨园田间管理相关[8,13-15]。砀山酥梨果柄与香梨肉质化果柄的形态指标与生理指标存在差异,与孙昊琪等[5]研究结果一致。香梨正常果柄与香梨肉质化果柄为同一品种,并非生物学遗传特质导致的差异。维管束主要分为木质部和韧皮部两部分,对植物体具有长距离运输和机械支撑的重要作用[16]。研究观察发现,香梨两种类型果柄中维管束数量没有差异,而香梨肉质化果柄中的维管束面积大于香梨正常果柄,并且维管束中木质部占的比例也明显高于正常果柄,但是香梨肉质化果柄中的维管束分布密度确低于香梨正常果柄和砀山酥梨果柄。锦橙上也有类似的报道,即果柄越粗其维管束组织越发达[6]。果树生长所需要的水分、营养物质及植物激素都是通过维管束运输到其他器官[17-19],香梨肉质化果柄维管束较发达,果柄中的营养物质含量高于香梨正常果柄,且果柄的维管束系统相较于香梨正常果柄发达,养分运输能力高于香梨正常果柄[8],果实大小达到极限后基本停滞增长不发生变化[20],果实不在吸收果柄输送的营养物质出现营养物质过剩现象,堆积在果柄中导致香梨果柄变粗。

可溶性蛋白与植物纤维素可以促进植物次生壁的加厚[21,22],与研究结果一致,香梨肉质化果柄中的蛋白质含量及木质化程度低于香梨正常和砀山酥梨果柄,香梨正常果柄中薄壁细胞因为维管束系统不发达,养分吸收不充足,导致薄壁细胞细胞壁加厚逐渐分化成维管束周围的韧皮纤维细胞。外部补充矿质元素可以调高植物茎秆的强度提高植物的抗倒伏能力。喷Ca后花茎中的纤维素、半纤维素、木质素含量会增加并且厚壁组织的细胞壁会加厚[23,24]。试验发现香梨正常和砀山酥梨果柄中钙、钼、铁等元素含量显著高于香梨正常,两种果柄木质素含量也显著高于香梨正常果柄,Ca等元素的缺失可能会导致香梨果柄发生肉质化现象。库尔勒香梨果柄肉质化原因及矿物质元素在果柄肉质化过程中可能起到的作用有待进一步研究。

4 结 论

库尔勒香梨不同类型果柄中形态结构、细胞结构物质和营养物质均存在显著差异,其中香梨肉质化果柄中的水分含量、维管束的面积、纤维素含量、可溶性糖含量均高于正常果柄,分别为正常果柄的1.40、1.48、1.11、1.42倍且矿物质元素中的P、B、Na元素的含量高于正常果柄,分别为香梨正常果柄1.85、1.06、1.13倍。