王學(xué)征 ，楊天天 ，劉 爭 ，孫 蕾 ，朱子成 ，高 鵬 ，劉 識 ，欒非時

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北地區(qū)園藝作物生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制重點實驗室，哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院，哈爾濱 150030）

西瓜在世界園藝產(chǎn)業(yè)中處于重要地位，我國西瓜種植面積和產(chǎn)量均居首位。目前，西瓜產(chǎn)量增長速度放緩，播種面積趨于穩(wěn)定。我國是西瓜消費大國，需求量巨大[1]。裂果是導(dǎo)致西瓜腐爛的主要原因之一，果皮開裂，不僅病蟲易于侵入，產(chǎn)量降低，且影響果實外觀，商品價值降低。減少西瓜裂果，提高西瓜耐儲運性，日益受到育種工作者重視。果皮硬度是裂果發(fā)生[2-3]、果實貯藏期[4-5]的重要衡量指標之一，果皮硬度性狀的改善，為減少裂果提供新途徑[6]。楊靜等采用TA-XT Plus 質(zhì)構(gòu)儀對15 個西瓜品種果皮作穿刺質(zhì)地測試，發(fā)現(xiàn)西瓜表皮硬度、外果皮硬度、表皮厚度、外果皮厚度、表皮破裂做功、外果皮穿刺做功、外果皮穿刺最大力和果肉硬度之間相關(guān)程度均達顯著[7]。王菊霞研究表明，不同品種間蘋果果皮刺穿強度差異與表皮細胞形狀及表皮細胞面積有關(guān)[8]。滿艷萍等研究認為，果皮特性主要由果皮厚度、表皮角質(zhì)層厚度、外果皮細胞層數(shù)及石細胞群尺寸等決定[9]；高磊認為果膠、纖維素和半纖維素是細胞壁物質(zhì)的主要成分，決定西瓜果實果肉硬度和口感[10]。果皮硬度不僅與果皮組織結(jié)構(gòu)間存在相關(guān)性，也可能與果皮內(nèi)含物成分有一定關(guān)系，明確西瓜果皮硬度與果皮微觀結(jié)構(gòu)特點和內(nèi)含物含量相關(guān)性，利于選育高硬度果皮材料，減少裂果發(fā)生。

鑒于此，本研究采用TA-XT Plus質(zhì)構(gòu)儀對5個西瓜品種成熟果實果皮作穿刺試驗，并結(jié)合果皮組織石蠟切片觀察和果皮內(nèi)含物中纖維素、半纖維素和果膠含量測定，綜合評價西瓜果皮硬度與生理性狀關(guān)系，為明確西瓜果皮硬度形成機理及改良西瓜種質(zhì)資源奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗選取果皮耐裂性差異明顯的5個西瓜品種，如圖1 所示，果皮易裂品種812 和COS，果皮較耐裂品種w1-92，和果皮耐裂品種1061 和177。以上品種均由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院西甜瓜分子育種研究室提供。2018年3月，將供試西瓜品種種植于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)實驗實習(xí)與示范中心向陽基地塑料大棚內(nèi)，每小區(qū)種植10 株，行株距80 cm×50 cm，3 次重復(fù)，試驗條件均勻，統(tǒng)一管理，采用吊蔓、雙蔓整枝方式。采收時每個品種選取果實要求長度、形狀一致，均達到商品成熟階段，整瓜采收后帶回東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院西甜瓜分子育種研究室采集數(shù)據(jù)。

1.2 儀器設(shè)備

TA-XT Plus 質(zhì)構(gòu)儀（SMS Corporation，TA-XT Plus P/2）、游標卡尺（Mitutoyo，0-150/0.02MM）、電子天平（FA1004N）、光學(xué)顯微鏡（olympusCX31）、Epoch酶標儀（PE Lambda35）。

1.3 方法

每個品種隨機選取3 個西瓜果實，標號為品種+數(shù)字，采用直尺測量果實縱徑、果實橫徑、果形指數(shù)（果實縱徑/橫徑），將試驗材料沿中心縱切，采用游標卡尺沿切面中心點120°夾角測量3個部位西瓜果皮厚度，取平均值，在選取的3個果皮部位分別取3 cm×3 cm×3 cm 立方小塊用作質(zhì)構(gòu)儀備用材料，繼續(xù)沿3個部位左側(cè)取薄片放入FAA固定液用于制作石蠟切片，然后沿3個部位右側(cè)各取1 g 果皮放入液氮，用于測定果皮中內(nèi)含物含量。具體取材方法參照圖2。

1.3.1 西瓜果皮穿刺試驗

將果皮材料放于質(zhì)構(gòu)儀臺，采用P/2E（2 mm直徑圓柱形不銹鋼）探頭作穿刺試驗，參照楊靜等參數(shù)設(shè)置[7]，測前以V1=10 mm·s-1速度達到樣品表面，觸發(fā)力=100 g，以V2=2 mm·s-1速度測試20 mm 后返回，測后速度V3=10 mm·s-1，選用時間參數(shù)記錄target曲線，如圖3所示，略作修改。

果皮硬度：探針穿刺果皮形成的曲線第一個峰點為果皮破裂點，所得峰值表示果皮硬度（g·cm-2）

果皮韌性：探針接觸果皮到刺破時距離S（mm），測試距離S=測試速度V2×?xí)r間T0。

1.3.2 西瓜果皮組織石蠟切片

制作石蠟切片過程參考王艷芳等[12]、高美玲等[13]試驗方法，將樣品放入FAA固定液，隔夜更換FAA 固定液，酒精濃度梯度脫水，二甲苯透明后加入石蠟碎屑使其飽和，65 ℃石蠟包埋，轉(zhuǎn)輪式切片機切片，切片厚度8 μm，展片烘干后二甲苯濃度梯度脫蠟，酒精濃度梯度復(fù)水，番紅、固綠染色，封片、拍照。采用Image J 軟件分析光學(xué)顯微鏡X400 倍鏡下石蠟切片，設(shè)置標尺（視野直徑=視場直徑/物鏡放大倍數(shù)），測量外果皮厚度、表皮細胞長度和寬度。

1.3.3 西瓜果皮內(nèi)含物測定

將1 g果皮樣品放入凍干機2 d后取出稱重，計算含水量。將凍干樣品參照池寧琳[14]方法一次性測定總果膠含量、纖維素含量、半纖維含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010 和Rx64 3.5.2 處理數(shù)據(jù)，作相關(guān)性分析和顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同西瓜品種果實力學(xué)特征比較分析

通過TA-XT Plus質(zhì)構(gòu)儀對耐裂性差異明顯的5個品種西瓜果皮作穿刺測試分析，得到果皮硬度和果皮韌性數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖4、5所示。

由圖4 和5 可見，5 個西瓜品種果皮硬度和果皮韌性變化一致，果皮硬度和果皮韌性順序為：812＜COS＜W1-92＜1061＜177，西瓜果皮易裂品種（812 和COS）果皮硬度和韌性均小于耐裂品種（1061和177），易裂品種果皮硬度和韌性與耐裂品種差異顯著。

2.2 不同西瓜品種果皮解剖結(jié)構(gòu)比較分析

西瓜果皮主要由角質(zhì)層、表皮、外果皮、石細胞群和中果皮組成，果皮硬度是各層結(jié)構(gòu)綜合作用的結(jié)果。由表1可知，西瓜果皮厚度越厚，果皮硬度越大，而圖6為顯微鏡觀察果皮石蠟切片結(jié)果，從圖中可看出，果皮最外層是角質(zhì)層，存在于表皮層細胞外和間隙，除果皮硬度最小的西瓜品種812，其余品種果皮角質(zhì)層厚度均大于2.5 μm。

西瓜果皮表皮由一層較大且排列緊密的正方形或長方形細胞組成，觀察5個西瓜品種表皮細胞長寬比發(fā)現(xiàn)：隨最外層表皮細胞長寬比增加，果皮硬度增加，果皮硬度最大的品種177，最外層表皮細胞長寬比平均達3.34。

外果皮細胞與表皮細胞形狀相似，但細胞層數(shù)較多，由3～13 層排列緊密的細胞組成，該組織厚度、細胞層數(shù)對果皮硬度均產(chǎn)生影響，易裂品種812外果皮厚度小，細胞層數(shù)少，導(dǎo)致果皮硬度最小。

石細胞群由團狀或者1～6層細胞構(gòu)成，細胞形狀接近圓形，該組織細胞排布結(jié)構(gòu)對果皮硬度產(chǎn)生影響，硬度最小的品種812和其他品種相比，不存在石細胞群。中果皮細胞由排列較緊密逐步過度到更大而疏松的薄壁細胞組成，中果皮是果皮中最大組織結(jié)構(gòu)，起緩沖壓力的作用，果皮最硬的品種177中果皮白色部分厚度較大，與果皮硬度最小品種812 的中果皮明顯不同，由圖1 可看出，品種812中果皮白色部分厚度極小。

品種177與其他西瓜品種區(qū)別在于，其果皮硬度最大，外果皮細胞長寬比最大，細胞排布緊密，且石細胞群呈橢圓形縱向排列，鑲嵌于細胞大且厚的中果皮。外果皮結(jié)構(gòu)導(dǎo)致果皮硬度大，石細胞群鑲嵌于中果皮的結(jié)構(gòu)特點導(dǎo)致果皮韌性大。實際測定中，品種177 果皮相對韌（柔）一些，不易開裂，可能是這種結(jié)構(gòu)能具有更好的耐裂效果。品種812硬度最小也最易裂，特點為外果皮薄且無石細胞群。西瓜品種COS、W1-92、1061 果皮結(jié)構(gòu)相似，其特點為中果皮是排列緊密的近圓形細胞，由小細胞向大細胞過渡明顯。

2.3 不同品種果皮內(nèi)含物含量比較

不同西瓜品種果皮內(nèi)含物成分如圖7所示，含水量94.60%～96.35%；果膠含量0.736%～1.108%；半纖維素含量0.075%～0.640%；纖維素含量0.547%～0.855%。結(jié)合石蠟切片觀察發(fā)現(xiàn)，外果皮厚且硬度大的品種纖維素含量明顯高于外果皮薄的品種812，說明外果皮中纖維素成分影響果皮硬度。中果皮細胞排列緊密，具有從小細胞到大細胞過渡結(jié)構(gòu)特點的品種含水量更高，而中果皮細胞較大的品種果膠含量更多。

2.4 西瓜果皮硬度性狀相關(guān)性分析

相關(guān)性分析顯示（見圖8），西瓜果皮硬度與韌性呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.94，西瓜果皮硬度與果皮厚度呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.99，西瓜果皮硬度與果實縱徑、果實橫徑、表皮細胞長寬比、果膠含量呈正相關(guān)，但未達顯著。西瓜果皮硬度與半纖維素含量呈顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.88，西瓜果皮硬度與含水量、纖維素含量呈負相關(guān)，但未達顯著。

西瓜果皮韌性與果皮厚度呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.88，西瓜果皮韌性與半纖維含量呈顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.92。纖維素含量與果實橫徑、縱徑均呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.88和0.95，纖維素還與外果皮厚度呈正相關(guān)，但未達顯著。

3 討 論

本研究從不同品種西瓜間果皮硬度差異出發(fā)，觀察果皮組織顯微結(jié)構(gòu)差異及內(nèi)含物（果膠、半纖維素和纖維素）含量差異，通過分析果皮性狀間相關(guān)性，解釋導(dǎo)致果皮硬度差異原因。研究發(fā)現(xiàn)，果皮硬度與果皮厚度相關(guān)系數(shù)最高，達極顯著，西瓜果皮由角質(zhì)層、表皮、外果皮、石細胞群和中果皮等組成，果皮硬度是各層結(jié)構(gòu)綜合作用的結(jié)果，單一因素變化影響較小。滿艷萍等認為耐貯運西瓜果皮硬度由外表皮較厚、石細胞團大、細胞排列緊密等多個因素共同決定[9]。劉鵬等研究認為耐貯運三倍體西瓜果皮中石細胞主要以團狀存在且尺寸較大，中果皮層細胞是小細胞向大細胞過渡的過程且排列緊密[15]。果皮各層結(jié)構(gòu)與貯運性能關(guān)系較大[16-17]。本研究發(fā)現(xiàn)，果皮硬度較大品種，外果皮較厚，表皮細胞長寬比大、細胞排列緊密，石細胞群大，中果皮細胞明顯由小細胞過渡到大細胞，果皮硬度較大品種與耐貯運果皮結(jié)構(gòu)相似，說明果皮硬度較大的西瓜品種同時具有貯運性。

本研究還發(fā)現(xiàn)，果皮硬度和果皮韌性存在正相關(guān)且達顯著，與含水量存在負相關(guān)。Konstankiewicz等研究3個馬鈴薯品種發(fā)現(xiàn)，細胞較小品種彈性系數(shù)較大，細胞面積越小，細胞抗壓強度越大，韌性越大[18]，本研究中果皮從小細胞到大細胞排列的結(jié)構(gòu)特點可能導(dǎo)致細胞抗壓強度較大，韌性高。楊靜等研究發(fā)現(xiàn)，西瓜果實含水量與果皮硬度、果肉硬度呈負相關(guān)且達顯著[7]，本研究中果皮硬度與含水量存在負相關(guān)但未達顯著，通過石蠟切片觀察和果皮內(nèi)含物成分析可見，中果皮細胞大，含水量明顯較少，而果膠含量較多。

西瓜果皮硬度與半纖維素含量呈顯著負相關(guān)，與纖維素和果膠含量呈正相關(guān)。果膠、纖維素、半纖維素是西瓜果皮細胞壁主要成分，維持細胞穩(wěn)定性和完整性[19-20]。劉景安研究發(fā)現(xiàn)，野生西瓜變種PI296341-FR果肉內(nèi)果膠和纖維素含量是栽培品種97103的3倍以上，是導(dǎo)致兩個品種果肉硬度差異的主要原因[21]。高磊研究發(fā)現(xiàn)，西瓜發(fā)育過程中，果肉中果膠、半纖維素、纖維素含量變化和果肉硬度變化趨勢一致[10]。西瓜果皮結(jié)構(gòu)相較于果肉復(fù)雜，各層組織細胞不均勻，木質(zhì)化程度由外到內(nèi)降低，而質(zhì)構(gòu)儀所得硬度指標主要取決于外果皮，本研究用于內(nèi)含物測定的果皮來源于植物學(xué)定義的果皮部分，導(dǎo)致結(jié)果與果肉不一致。本研究中，果皮中纖維素含量、果膠含量與果皮硬度呈正相關(guān)，但未達顯著，而纖維素含量和外果皮厚度正相關(guān)系數(shù)較高，說明纖維素含量受外果皮厚度影響較大。果膠含量和外果皮細胞長寬比相關(guān)系數(shù)為0.95，達極顯著，而果膠廣泛存在于高等植物細胞壁和胞間層[22]，說明細胞長寬比較大，細胞接觸面積較大，導(dǎo)致細胞與細胞間果膠含量較多。

4 結(jié) 論

綜上所述，西瓜果皮硬度由果皮細胞結(jié)構(gòu)、內(nèi)含物含量等多因素決定，與果皮硬度緊密關(guān)聯(lián)性狀依次為果皮厚度、果皮韌性、半纖維素含量、果實橫徑、果實縱徑、含水量、果膠含量、外果皮細胞長寬比、纖維素含量、外果皮厚度。相較于果皮內(nèi)含物含量，西瓜不同品種間果皮硬度與果皮細胞結(jié)構(gòu)差異更密切。5個耐裂性差異明顯的西瓜品種中，較耐裂品種W1-92 和耐裂品種1061 較好，其果皮硬度和果皮韌性均較高，主要表現(xiàn)在果皮顯微結(jié)構(gòu)相似，在運輸擠壓中不易破裂，且果實儲藏期較長。但西瓜果皮結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，果皮硬度取決于果皮結(jié)構(gòu)整體變化，單一因素變化影響小，因此選育果皮硬度適中的西瓜品種，需把握各性狀相互關(guān)系，多方面考慮選擇才能得到理想材料。