加工技術和育種技術對美國番茄生產的影響

摘要:簡要介紹了番茄馴化和栽培發(fā)展的歷史。對美國罐頭工業(yè)和株系育種在番茄生產中發(fā)揮的作用、遺傳資源利用現(xiàn)狀和育種技術的發(fā)展歷程、番茄及其制品的消費現(xiàn)狀等方面進行了述評，分析了加工技術和新品種改良技術對美國番茄生產的深遠影響。

關鍵詞:番茄;加工技術;育種技術;美國

中圖分類號:S641.2文獻標識碼:A DOI編碼:10.3969/j.issn.1006-6500.2010.02.028

Effects of Processing and Breeding Techniques on Production of Tomato in America

LI Jian-hua， LIU Zhong-qi

(Tianjin Research Center of Agricultural Biotechnology， Tianjin 300192， China)

Abstract:History of evolving and culturing tomato was briefly introduced. Reviews were made on the roles played by canning industry and single plant line breeding in tomato production， utilization of genetic germplasms and procedure of breeding technique development， situation of consuming tomato and its products. Profound effects of processing and new variety improving techniques on tomato production in America were analyzed.

Key words: tomato; processing technique; breeding technique; America

1番茄馴化歷史和栽培番茄的發(fā)展

番茄又名西紅柿，是一種草本的多年生植物，但在栽培中往往作為一年生植物來種植。番茄在分類上屬于茄科(Solannoideae)番茄屬(Lycopersicon)，通常栽培的屬于普通番茄種(L.esculentum)。番茄屬主要分布于南美的厄瓜多爾至智利北部安第斯山脈西麓的太平洋沿岸地區(qū)，但栽培番茄則認為是起源于墨西哥一帶[1]。已知最早用文字描述番茄的是意大利的植物學家Pietto Andrae Matthioli，1544年他給這種果形像蘋果、起初為綠色成熟后變成黃色的果實取名“mala aurea”，意為“金蘋果”，1554年再版時改名為“pomo d`oro”，也是金蘋果的意思，并補充說明有紅果類型。大約在同一時期，西班牙人把這種果實稱作“tomate”，并在他們的殖民地內廣泛傳播，但只被當作觀賞植物栽種，認為不能食用。1590年以后，番茄傳播到了英國。一位名叫John Gerard的外科醫(yī)生把番茄種在Holborn醫(yī)學院(College of Physicians)的花園中，并于1597年出版了他編寫的《草本植物》(Herball)，書中依然認為番茄是有毒的。這一觀點在英國及其美洲的殖民地流行了200多年。隨著英語的普及，西班牙語“tomate”演變成了英語“tomato”，并于1771年開始流行，到18世紀完全取代了原來英語中的“l(fā)ove apple”[2]。

番茄傳播到美國后，依然主要作為觀賞植物和藥用植物使用，少數(shù)人把它當作調味品食用。出生于南卡羅來納州(South Carolina)的Harriott Pinckney Horry女士1770年收集的烹飪方法中，就有“儲存番茄以備冬用”的番茄醬加工方法。直到1822年以后，在《美國農民》(American Farmer)的宣傳下，番茄的種植范圍和用途越來越廣。19世紀的美國農村生活條件極為艱苦，臭蟲肆虐，使人難以安睡。一位美國婦女她在花園中偶然發(fā)現(xiàn)番茄莖稈上的味道非常難聞，于是就用番茄莖稈把窗架擦抹一遍，結果有效地驅除了臭蟲，并且一去不復返。她把自己的經(jīng)驗寫成文章在美國暢銷農業(yè)刊物《美國農民》第4卷第5期(1822年5月3日)上發(fā)表。5個月后，另一篇介紹英國番茄栽培歷史和食用方法的長篇文章也在《美國農民》上刊出，此后，該雜志發(fā)表了大量有關番茄品種、栽培方法和加工方法等方面的文章。1840年以后，番茄發(fā)展成為美國重要的經(jīng)濟植物之一，春早熟栽培和冬季保鮮至圣誕節(jié)的管理技術成為1840—1860年的研究熱點[2]。

為了躲避夏季雨水，減少田間爛果造成的損失和提高產量，農民自發(fā)地引進和篩選了各種類型的番茄品種。1863年，F(xiàn)earing Burr撰寫出版的《美國大田和花園蔬菜》(Field and Garden Vegetables of America)一書中，列出了近10年他栽種過的22個番茄品種[2]，大果番茄、櫻桃番茄、梨形番茄、紅果類型、粉果類型、黃果類型等品種的種子在美國各地都有銷售。以番茄為原料的各種加工方法也應用而生，番茄成為用途最廣的經(jīng)濟作物。

2罐頭工業(yè)和株系育種對番茄生產的影響

1861—1865年美國國內戰(zhàn)爭期間，軍隊對番茄及其制品的大量需求極大地促進了番茄的生產，并帶動了番茄加工業(yè)的發(fā)展。戰(zhàn)爭結束后到處都是廢棄的罐頭盒，到處都有各種番茄加工制品銷售，人們對番茄及其制品的消費熱情并沒有因為戰(zhàn)爭的結束而消減。為了滿足人們對番茄日益增加的需求，番茄新品種選育技術、溫室生產技術、加工技術等得到進一步的發(fā)展。Alexander Livingston成為當時最杰出的番茄育種家之一。1870—1893年期間，他利用株選原理選育出了13個具有廣泛影響的新品種，如Paragon， Acme， Perfection， Gold Queen等，至今仍作為番茄遺傳資源在保存和利用[2，3]。其他農民也在自發(fā)地進行新品種的選育工作，育成了果型多樣、色彩豐富、特征明顯的品種類型。由于番茄為自花授粉作物，經(jīng)過多代自交選擇后形成的純合自交系，其繁殖后代可以持續(xù)穩(wěn)定地保持原有的特征特性，所以，人們給這類番茄品種取名為“傳家寶”( heirlooms)。每一個被視為“傳家寶”的品種記載著一段歷史故事。比如地方品種“Schellenburg's Favorite” 是由德國Manheim 附近的Schellenburg家族選育保留下來的優(yōu)良品種; “Amish Paste ” 是賓西法尼亞州Amish家族1870年以來一直種植的品種;“Brandywine”則是賓西法尼亞州Chester縣Brandywine河畔的另一個Amish家族1885年育成的品種[4]。

在19世紀后半葉，人們發(fā)現(xiàn)了雜種優(yōu)勢現(xiàn)象，即兩個純系品種雜交，其雜交一代在長勢、產量、果重等方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。1880年，紐約的冉氏種子公司(Rice`s Seed Company)推出了第一個商用番茄雜交種Mikado[5]，獲得了巨大成功。此后，番茄雜交種開始在美國各地大面積推廣種植，其高額利潤滋生了許多專門選育和經(jīng)營雜交種的種子公司，徹底改變了利用田間自生番茄苗生產番茄或自己留種生產番茄的傳統(tǒng)農業(yè)方式。

在相當長的時間內，番茄加工制品的所有程序都由手工完成。1890年以后開始使用番茄剝皮機，1920年以后開始使用番茄榨汁機[2，4，6]。這些加工機械有效地降低了番茄制品的加工成本，激發(fā)了企業(yè)家的營銷熱情，很快使番茄醬成為廣受歡迎、家喻戶曉的調味品。罐裝番茄醬產業(yè)的發(fā)展，使美國的番茄生產在1920年以后邁入了農工商一體化的快速發(fā)展階段。為了降低加工成本，抗壓耐貯和高固形物含量的番茄成為加工企業(yè)最受歡迎的品種。從地方品種中篩選出來的“Roma”成為當時推廣面積最大的品種，并持續(xù)種植了50多年[4]。這個階段的番茄品種大多屬于鮮食和加工兼用類型。

3資源利用和育種技術的發(fā)展對番茄生產的影響

為了把地方品種和野生資源中的有利性狀盡快導入到新品種中，1951年康奈爾大學成立了番茄遺傳協(xié)會(Tomato Genetics Cooperative)，負責收集和篩選番茄資源，并把有用的資源發(fā)送給各地育種機構[3]。大約是1958年，杰出的番茄遺傳育種學家 Charles Rick 在加州大學戴維斯分校組建成立了番茄遺傳資源中心(Tomato Genetic Resource Center)，收集和保存了來自世界各地的地方品種、野生資源、突變體等約1 600份，并無償提供給世界各地的科學家進行遺傳研究和育種改良(http://tgrc.ucdavis.edu)。這種非營利性公益研究機構在番茄遺傳資源保護、人才培養(yǎng)、信息交流、基礎研究、協(xié)作攻關和品種改良等方面發(fā)揮了不可替代的作用。

隨著番茄生產的發(fā)展，對品種的品質、產量、抗病性等提出了越來越高的要求。1950年以后，番茄新品種逐漸分化成加工番茄和鮮食番茄兩大類。雖然育種目標有許多是相同的，如高產、抗病、早熟等，但在另一些目標性狀上有明顯的區(qū)別。加工番茄要求莖稈自動封頂，開花集中，成熟期一致，果實堅硬，適于機械收獲，顏色、酸度、固形物含量等符合加工企業(yè)的要求。鮮食番茄則要求果形較大且均勻一致，果面光滑美觀，貨架期長，風味濃郁等。這種分類育種的結果使鮮食番茄和加工番茄的單產水平持續(xù)增長，進一步提高了番茄種植戶的比較效益。例如，1920—1990年的70年間，加工番茄的單產從10.1 t/hm2增加到了72.4 t/hm2，2004年美國的加工番茄單產水平達到102 t/hm2 [3]。單產的提高主要應歸因于高產雜交種的育成和應用，以及栽培技術的改良。例如，在加利福尼亞州，育苗移栽和輪作的面積不斷增加，該州的單產比美國其它地方高30%。優(yōu)良雜交種的推廣應用不僅提高了單位面積產量，而且提高了加工產品的生產率和加工產品的質量[7]。

1980年以后，生物技術在番茄品質改良方面率先取得突破。番茄成熟后，果實很快軟化變質，耐貯性一直困擾著農民的番茄生產。為了減少收獲和運輸過程中的損耗，農民通常在綠熟期收獲番茄，然后把它們運送到幾百公里甚至數(shù)千公里以外的地方進行銷售或加工。到達目的地后通過噴施乙烯利或利用溫度的持續(xù)作用讓果實變紅。這種果實缺乏番茄的自然風味，許多品種的優(yōu)良品質得不到充分的表達。為了解決番茄成熟后的貯存問題，1980年，Calgene Fresh公司啟動了番茄的轉基因育種項目，通過抑制番茄果實成熟過程中乙烯的合成，選育出番茄成熟后依然能長期保持硬度不變的新品種Flavr-SaVrTM。1993年該品種在美國投入商業(yè)化生產，并成為全球第一個進入生產領域的轉基因植物新品種[8]。但是，消費者受一些人的蠱惑，對轉基因產品的安全性提出了懷疑，迫使Flavr-SaVrTM番茄撤離超市。

在開展轉基因育種的同時，以利用番茄基因組內原有優(yōu)良基因為目標的分子標記輔助育種也廣泛開展[9]。主效基因的各種分子標記被廣泛地用來鑒別和累加各種抗病基因、抗線蟲基因、高色素基因、以及控制各種生理特性的基因[10-16]。這些標記將在提高番茄的光能利用率、經(jīng)濟系數(shù)、營養(yǎng)價值、耐脅迫能力等方面，發(fā)揮不可替代的作用。

4美國的番茄生產與消費

番茄是美國最重要的蔬菜作物之一，年產值在20億美元以上，僅次于馬鈴薯和萵筍[3]。除了作為蔬菜外，番茄制品如番茄糊(paste)、番茄醬(sauces)、番茄汁(juice)、剝皮番茄(whole peeled tomatoes)、番茄丁(diced tomatoes)、番茄紅素膠囊等也受到眾多消費者的青睞。設施農業(yè)的發(fā)展和番茄廣泛的適應性，使得番茄遍布美國各州，其中加利福尼亞州和弗洛里達州分別是加工番茄和鮮食番茄的最大生產基地。就生產規(guī)模和總產而言，加工番茄早就遠遠超過了鮮食番茄。1960年以來，鮮食番茄的總產一直徘徊在100萬~190萬t之間，總體上保持增加的趨勢，但年份間的波動比較小。加工番茄的增長幅度比鮮食番茄大得多，受國際市場的影響，其年度間的波動也非常大(圖1)。

在過去的50年里，鮮食番茄和番茄制品的人均消費量增長了將近50%，20世紀60年代人均番茄及其制品的消費量為64.3磅(即58.3 kg)，進入90年代后人均消費量增加到了91.9磅(即83.3 kg)(表1)[17，18]。據(jù)調查，番茄制品消費的增加主要是由于像比薩餅、炸玉米卷等意大利、墨西哥食物的消費量持續(xù)增加的結果。從各種番茄制品的消費地點來看(圖2)，70%以上的番茄和番茄制品是在家中消費的，其次是快餐店和飯店[17]。說明無論是作為蔬菜還是作為調味品，番茄成為美國家庭日常生活中必不可少的食品。

1989年以來的大量研究結果表明，番茄紅素具有特殊的生理功能。增加番茄紅素的攝入量能有效地降低多種慢性疾病以及癌癥的發(fā)病率，人體血清中番茄紅素的濃度與胃腸道癌、前列腺癌、胰腺癌、宮頸癌等的發(fā)生率呈負相關 。這主要是因為番茄紅素能夠有效地猝滅單線態(tài)氧預防脂類過氧化，保護細胞生物膜免受自由基的損傷;此外，番茄紅素具有調控細胞增殖和降解膽固醇的作用[19，20]。所以，越來越多的人相信在食物中增加番茄制品有利于健康，烹飪和加工處理可以使番茄中的番茄紅素更便于人體吸收，這也是導致加工番茄制品消費量增加的原因之一。但多數(shù)人每天攝入的番茄紅素量遠遠低于具有保健功能的推薦劑量0.5 mg/kg體重，所以近幾年推出了各種品牌的番茄紅素膠囊。番茄紅素膠囊可以使普通人群的日均番茄紅素攝入量達到14.5~23 mg/d，偏好食用番茄制品人群日均番茄紅素攝入量達到46~70 mg/d21]。番茄紅素膠囊的廣泛應用進一步刺激了美國國內加工番茄的生產，在今后的數(shù)年間，美國番茄生產量和加工番茄制品的出口量可能會保持一個穩(wěn)定持續(xù)增加的態(tài)勢。

參考文獻:

[1] 余誕年，吳定華，陳竹君.番茄遺傳學[M].長沙:湖南科學技術出版社，1999:103-194.

[2] Smith F. The Tomato in America—Early History， Culture， and Cookery[M]. First Illinois:University of South Carolina Press， 2001.

[3] Foolad M R. Genome mapping and molecular breeding of tomato[J].International J of Plant Genomics， 2007: 52.

[4] Cox S. I Say Tomayto， You Say Tomahto[EB/OL]. [2009-08-20].http://www.landscapeimagery.com/tomato.html.

[5] Simpson B B， Ogorzaly M C. Economic botany: Plants in our world[M]. New York: McGraw-Hill， 1986.

[6] Sims W L. History of the production of tomatoes for processing in the U S A.[C]//ISHS Acta Horticultrea 100: Symposium on production of tomatoes for processing. Ed. H.H. van der Borg.

[7] 杜永臣. 美國加工番茄的生產[J].中國蔬菜，2001(5):55-56.

[8] Cutler K D. From wolf peach to outer space[EB/OL].[2009-08-20]http:www.bbg.org/ gardening/ kitchen/ tomatoes/cutler.html.

[9] 劉仲齊，薛俊，張要武.番茄分子連鎖圖譜的發(fā)展和分子標記輔助育種[J].天津農業(yè)科學，2004， 10(1):37-40.

[10] 劉仲齊，金鳳媚，薛俊，等.番茄高色素基因hp1 和hp2 分子標記的篩選[J].華北農學報，2006(4):22-26.

[11] 金鳳媚，楊迎霞，薛俊，等.利用等位基因特異性PCR技術檢測番茄高色素基因hp1和hp2的單核苷酸多態(tài)性[J].農業(yè)生物技術學報，2009(5):851-857.

[12] Saliba-Colombani V， Causse M， Langlois D， et al. Genetic analysis of organoleptic quality in fresh market tomato. 1.Mapping QTLs for physical and chemical traits[J].Theor Appl Gent， 2001，102:259-272.

[13] Causse M， Saliba-Colombani V， Lesschaeve I ， et al. Genet ic analysis of organoleptic quality in fresh market tomato. 2.Mapping QTLs for sensory attributes[J].Theor Appl Gent， 2001(102):259-272.

[14] Yound N D， Tanksley S D. RFLP analysis of the size of chromosomal segments retained around the Tm-2 locus of tomato during backcross breeding[J]. Theor Appl Genet， 1989 (77):353-359.

[15] Fridman E， Liu Y S， Carmel-Goren L， et al. Two tightly linked QTLs modify tomato sugar content via different physiological pathways[J].Molecular Genetics and Genomics， 2002，266(5):821-826.

[16] Barone A， A Di Matteo， Carputo D， et al. High-thoughput genomics enhances tomato breeding efficiency[J].Current Genomics， 2009(10):1-9.

[17] Lucier G， Lin B-H， J Allshouse， et al. 2000. Factors affecting tomato consumption in the United States[EB/OL].[2009-08-20].http:www.ers.usda.gov.

[18] Lucier G， Dettmann R L， Pra M D. Vegetables and melons outlook[EB/OL].[2009-08-20]. http:www.ers.usda.gov.

[19] 劉仲齊，薛俊，金鳳媚.番茄紅素作用機理研究[J].天津農業(yè)科學，2004(3):4-6.

[20] Cohen J H， Kristal A R， Stanford J L. Fruit and vegetable intakes and prostate cancer risk[J].J Natl Cancer Inst， 2000， 92(1):61-68.

[21] Bresson L. Safety of lycopene oleoresin from tomatoes[J].The European Food Safety Authority (EFSA ) Journal， 2008， 675: 1-22.