阿克蘇冰糖心蘋果初生代謝物及礦質元素特征研究

賈亞男，張亞若，童盼盼，王江波,3*

（1塔里木大學植物科學學院，新疆 阿拉爾 843300）

（2南疆特色果樹高效優質栽培與深加工技術國家地方聯合工程實驗室，新疆 阿拉爾 843300）

（3塔里木盆地生物資源保護利用兵團重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300）

蘋果（Malus pumila）為薔薇科蘋果屬多年生木本植物，居世界四大水果之冠[1]。中國是世界上最大的蘋果生產國和消費國[2]。紅富士蘋果由于口感好、耐貯藏、外觀好成為我國的主栽品種。阿克蘇地區因海拔高，晝夜溫差大、光照充足的氣候特點，在紅富士蘋果果心周圍呈一圈半透明狀，因此該特征的紅富士蘋果又被稱為冰糖心蘋果，深受國內外消費者的喜愛[2-3]。據統計，2016年新疆阿克蘇地區蘋果產量達到4.20×105t，占全疆產量的36.17%[4]。2017年，阿克蘇地區紅富士蘋果栽培面積已達到2.59×104hm2，其中紅旗坡農場 1.10×104hm2、溫宿縣6.90×103hm2、阿克蘇市6.10×103hm2，形成了以紅旗坡農場、阿克蘇市及周邊、溫宿縣為主的阿克蘇冰糖心蘋果最佳核心種植區[5]。

初生代謝物為植物生長、發育和生殖提供基礎的代謝物質和能量[6]，其中糖、有機酸和氨基酸等初生代謝物的含量常被用作評價果實品質的重要指標[7]。徐愛紅等[8]發現不同授粉處理影響富士蘋果果實中有機酸、蘋果酸及檸檬酸的含量，進而影響果實風味品質。張弦[9]研究發現，蘋果果實中蘋果酸的含量隨K含量上升而減少。

礦質元素是果樹生長發育、產量形成和品質提高的物質基礎[9]，閆忠業等[10]研究表明，富士果實中的Ca、K含量始終高于福島短枝富士。王磊彬等[11]通過對富士蘋果果實品質特性與礦質元素含量的相關分析和通徑分析認為果實中礦質元素N、P、K、Mg對果實品質的形成影響較大。研究者針對不同土壤肥力[12]、不同激素[13]、不同采收期[14]、不同貯藏方式[15-16]對阿克蘇富士蘋果果實品質進行了研究，認為冰糖心蘋果的糖心形成可能與Ca元素失調有關[17-18]；周小魏等[19]研究表明“糖心”果實的蔗糖和山梨醇含量分別是“無糖心”果實的1.8倍和1.4倍，且Ca、Cu、Zn、Si、Fe、B含量均高于“無糖心”果實，Mg元素含量低于“無糖心”蘋果。

冰糖心蘋果初生代謝產物和礦質元素對蘋果果實的生理代謝具有極其重要的調控作用，而阿克蘇冰糖心蘋果初生代謝和礦質元素共同積累特征還未見報道，有關蘋果冰糖心的形成及其內在的代謝機理仍不明確。研究冰糖心蘋果糖心組織與非糖心組織之間初生代謝物含量和礦質元素含量的差異，有利于進一步探尋果實冰糖心的形成機理和糖心形成過程中特殊的代謝機制，為蘋果選育工作中獲得相關的優良性狀的關鍵物質提供參考價值。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料采用阿克蘇地區紅旗坡農場蘋果生產園的冰糖心蘋果，樹體定植24年，株行距5 m×6 m，以‘長富2號’為主栽品種，‘嘎啦’作為授粉品種，樹體生長結果良好，樹勢較為均一。于2017年11月1日在樹體中部外圍四個方向均勻采果，選3株樹，每株樹采果30個，共采果90個。以冰盒帶至實驗室，并對糖心組織與非糖心組織分別進行取樣，液氮速凍后保存于-80℃超低溫冰箱備用。

1.2 試驗方法

1.2.1 初生代謝物的測定

使用GC-MS對冰糖心蘋果的糖心組織、非糖心組織的初生代謝物質進行測定，以確定冰糖心蘋果初生代謝差異。

果實初生代謝物的提取：參照SHENG L等[20]的方法，并做適當修改。取果實組織約300 mg，加入液氮充分研磨成勻漿，加入2 700 μL-20℃預冷的甲醇，搖勻后加入300 μL（0.2 mg/mL-超純水）的核糖醇內標，充分震蕩至呈勻漿；將樣品置于超聲清洗儀中4℃超聲處理15 min；70℃水浴孵育15 min，置于-20℃使溶劑冷凝；4℃，2.8×106r/min離心15 min；吸取100 μL上清液于1.5mL離心管中，30℃真空濃縮制干后置于-80℃超低溫冰箱備用。

初生代謝物GC-MS分析的樣品制備：真空濃縮制干的樣品加入50 μL的鹽酸甲氧胺（2 mg/mL溶于吡啶），50℃于真空干燥箱孵育30 min，加入50 μL BSTFA+1% TMCS（N,O-雙（三甲基硅烷基）三氟乙酰胺+1% TMCS）于真空干燥箱中，60℃孵育40 min。過0.22 μm微孔濾膜，置于室溫以待上樣。

初生代謝物的GC-MS測定：氣相色譜質譜聯用儀GC-MS（Thermo，ISQ）的上樣方法參照SHENG L等[20]的方法。采用DB-5MS毛細管柱（5%苯基/甲基聚硅氧烷，30 m×0.25 mm×0.25 μm，Agilents Tech?nologines），掃描范圍：45～600 m/z，進樣口溫度：230℃，傳輸線溫度：250℃，載氣為高純氦氣（99.99%），載氣流量：1.2 mL/min；程序升溫：100℃開始，保持1 min，以3℃/min升至184℃，0.5℃/min升至190℃保持1 min，15℃/min升至280℃保持5 min；分流比為10∶1；手動上樣，進樣量為1 μL。

1.2.2 礦質元素的測定

冰糖心蘋果的糖心組織及非糖心組織主要礦質元素含量的測定主要參考張秀芝等[21]的方法，采用HNO3-HClO4消煮法進行分析測定。

1.3 數據統計與分析方法

采用Excel 2010進行數據整理，應用IBM SPSS Statistics 20、DPS 7.0數據分析軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 冰糖心蘋果的初生代謝物含量差異分析

采用GC-MS法對阿克蘇冰糖心蘋果的初生代謝物進行檢測，共測出糖、酸、氨基酸等初生物質23種（如表1所示）。糖心組織與非糖心組織的初生代謝物中，蘋果酸、蔗糖、蘇糖酸的含量達到極顯著差異；山梨醇、奎寧酸、蘇氨酸、肌醇的含量具有顯著性差異；其余初生代謝物的含量均無顯著性差異。糖心組織的蔗糖含量極顯著低于非糖心組織，但山梨醇含量顯著高于非糖心組織，說明糖心蘋果發生糖分異常積累時，主要是以山梨醇形式堆積在果實的維管束周圍。糖心組織的蘋果酸、蘇糖酸的含量極顯著低于非糖心組織，蘇氨酸、肌醇的含量顯著低于非糖心組織，可能是在糖心形成的過程中被消耗或者轉化；奎寧酸顯著高于非糖心組織，說明在糖心組織特有的代謝機制中，奎寧酸不能或是較少的被分解。

表1 糖心組織與非糖心組織的初生代謝物含量 單位：mg/kg

續表1

2.2 冰糖心蘋果的礦質元素含量分析

對阿克蘇冰糖心蘋果的主要礦質元素含量進行檢測（如表2所示）發現，糖心組織與非糖心組織N、P、K含量無顯著差異，而糖心組織Ca含量極顯著高于非糖心組織，這與前人研究結果不一致，說明冰糖心蘋果糖分異常積累可能與果肉Ca元素代謝失調相關。

表2 糖心組織與非糖心組織的主要礦質元素含量

2.3 初生代謝物與礦質元素的相關性

阿克蘇冰糖心蘋果的初生代謝物與礦質元素的相關性分析（如表3所示）結果顯示，Ca與蘋果酸、蘇氨酸存在極顯著負相關，說明冰糖心蘋果中Ca含量高可能會抑制蘋果酸的積累；K與蔗糖和果糖呈顯著正相關，與草酸、天冬氨酸含量呈極顯著正相關；P與蔗糖、果糖1、草酸、亮氨酸、天冬氨酸含量呈極顯著正相關，與果糖、果糖2、絲氨酸和肌醇呈顯著正相關，與山梨醇含量則呈顯著負相關，說明P和K可能有利于山梨醇向果糖和蔗糖轉化。

表3 初生代謝物與礦質元素的相關性分析

3 討論

3.1 初生代謝物含量對冰糖心蘋果形成的影響

蘋果等薔薇科植物光合作用的產物主要以山梨醇的形式運輸到果實中，在果實中山梨醇被山梨醇脫氫酶(sorbitol dehydrogenase，SDH)和山梨醇氧化酶(sorbitol oxidase，SOX)迅速轉換為果糖和葡萄糖，進而脫水縮合為蔗糖，參與果實生長發育[22-24]。蘋果的風味主要由果實中糖和有機酸的比例決定，冰糖心蘋果優質口感還與糖心組織中極顯著低的蘋果酸含量有關，蘋果酸是蘋果中有機酸的主要成分，含量較低的蘋果酸減弱了蘋果的酸味，糖心組織中的含水量高且清甜的山梨醇含量高，蘋果酸含量低，造成冰糖心蘋果的特殊、優良的口感[23]。杜艷民等[22]研究發現糖心果實組織中山梨醇含量是正常果實組織的2.86倍，山梨醇含量的上升一定程度上誘導了冰糖心的形成。本研究中發現阿克蘇冰糖心蘋果的糖心組織與非糖心組織中初生代謝物含量存在一定差異性，對果糖、蔗糖、山梨醇等7種可溶性糖進行分析比較發現，糖心組織中山梨醇含量顯著高于非糖心組織，蔗糖和蘋果酸則相反。在糖心組織中山梨醇含量較高，推測可能是山梨醇在果實中轉化受阻，山梨醇轉運系統缺陷，阿克蘇地區晝夜溫差大，運輸到果實中的山梨醇不能及時代謝轉化，在細胞間隙大量積累，最終導致山梨醇在果實維管束周圍積累。

3.2 礦質元素含量對冰糖心蘋果形成的影響

目前多數研究認為缺Ca是“糖心”形成的誘導因子。王穎達[23]在對‘岳冠’蘋果果實水心病發生研究中發現，水心病果實中Ca含量顯著低于未發病果實。杜艷民等[22]結果中顯示糖心組織中K和B含量顯著高于非糖心組織，而Ca、Zn及Fe含量則相反。本研究中糖心組織中Ca含量則顯著高于非糖心組織，與前人研究的結果不一致。在周小魏[25]的研究中，紅旗坡“糖心”果實中Ca元素含量高于“無糖心”果實中Ca元素含量，此結果肯定了阿克蘇冰糖心蘋果并不是由于缺Ca引起的。山梨醇依靠SDH轉化為果糖，有報道指出對植株施加Ca肥能顯著提高SDH的活性，進而推動了山梨醇的轉化，而在本文初生代謝物與礦質元素的相關性分析中顯示，Ca元素與山梨醇的含量并無顯著相關性。

秦偉等[26]研究結果表明礦質元素中K對新疆紅富士蘋果總糖含量影響最大，P次之，且P和K對總糖含量有正交互作用。申長衛[27]在研究K對梨葉片和果實糖的合成及分配的影響中發現，K利于梨葉片和果實中山梨醇、果糖、葡萄糖和蔗糖的積累。本研究表明，K和P含量在糖心和非糖心組織中并無顯著差異，但相關性分析表明K和P含量的升高會降低山梨醇含量，利于果糖和蔗糖積累，其中P含量對糖代謝的影響較大。

3.3 初生代謝物與礦質元素之間的關系

礦質元素的積累決定了初生代謝物積累特征，多數研究發現Ca元素的積累調控山梨醇的含量。山梨醇的含量隨著Ca含量上升呈下降的趨勢，王穎達[23]發現噴施少量鈣肥有利于增加‘岳冠’蘋果果實中基因MdSOT3和MdSOT4的表達量，加快山梨醇的轉運，減少其在細胞間堆積。張新生等[28]在研究中表明蘋果果梗中草酸與充足Ca反應形成的草酸鈣能夠減少或阻止山梨醇的運輸，在缺Ca或低Ca下則不存在這種阻礙。本試驗中發現糖心組織中山梨醇含量和Ca含量均高于非糖心組織，但兩者之間相關性并不顯著。

張雯[29]對‘嘎啦’M26蘋果果實品質及糖代謝進行研究，結果發現K元素能夠間接影響果實中蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合酶活性，進而促進蔗糖和果糖的生成。溫志靜[30]研究發現在蘋果果實發育過程中，施K能提高果實中山梨醇含量，降低果糖、葡萄糖和蔗糖的含量。王國義[31]在主產區蘋果園礦質營養與果實品質研究中發現，蘋果葉片和土壤中P均與蘋果果實有機酸呈顯著正相關，其中土壤P與果實中的糖也存在正相關。本研究發現K和P對蔗糖和果糖的含量影響較大，其中P與蔗糖和果糖相關系數最大且與山梨醇呈顯著負相關。本文認為在糖代謝過程中，P含量的增加，促使果實中山梨醇向果糖和葡萄糖的分解速率加快，進一步推動蔗糖的合成，最終導致山梨醇含量降低，果糖和蔗糖的含量升高，進而推測P可能與糖心形成有一定的聯系。

4 結論

與非糖心組織相比，糖心組織初生代謝物中山梨醇含量較高，而蘋果酸和蔗糖的含量則顯著較低，驗證了山梨醇含量在一定程度上利于糖心形成，同時也是冰糖心蘋果口感優越的原因；糖心組織的礦質元素中Ca元素含量顯著高于非糖心組織，證實了糖心的形成并不是缺Ca引起的。P和K與果糖、蔗糖顯著相關，其中P與果糖和蔗糖呈極顯著正相關，與山梨醇則呈顯著負相關，認為P與阿克蘇冰糖心蘋果中糖心形成可能存在某種相關性。