基于傅里葉變換紅外光譜分析砧木對不同品種柑橘果實物質組成的影響

楊興華,曾紫君,姚鋒先,管 冠,周高峰,劉桂東

(國家臍橙工程技術研究中心/贛南師范大學 生命科學學院,江西 贛州 341000)

柑橘果實中含有豐富的物質,常見的包括可溶性糖、有機酸、類胡蘿卜素、類黃酮等。同時柑橘也含有醛酮類、萜烯類、具有香氣的酯等成分,在不同品種之間這些物質的組成及相對含量存在差異[1]。砧木作為果樹吸收水分和礦質養分的主要器官,對接穗的生長發育、產量和品質等均有重要的影響。目前,關于砧木對接穗及果實品質影響的研究,在蘋果、櫻桃、柑橘、番茄、葡萄等多種果樹上已有較多報道[2-4]。對于柑橘而言,砧木對樹勢、樹形、抗逆性、果實產量和品質，以及養分和水分吸收等都有著重要的影響[5]。雖然有關不同砧木對某一柑橘品種果實物質的影響以及不同品種柑橘砧穗組合效率已有較多報道,但是有關砧木對不同品種柑橘果實物質影響的研究較少。所以,探討不同砧木對不同品種柑橘果實物質的影響程度,對實現柑橘品質提升以及產量提高的目的有重要意義。

傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)是基于對干涉后的紅外光作傅里葉變換而得到的光譜,具有檢測靈敏度高、測量速度快、精度高、分辨率高、散光低、波段寬等優點,在物質成分鑒定中有極大的優勢。主成分分析法(Principal Component Analysis, PCA)是把多個變量通過降維處理整合成少數幾個綜合變量，盡可能多地反映原有變量信息的統計分析方法[6-7],這些由原始變量的線性組合形成的新的不相關的變量就被稱為主成分。近年來主成分分析法在分析生物性狀和果蔬品質中已得到廣泛應用[8-10],如分析不同品種寬皮柑橘的品質[6]、不同茶樹品種綠茶的香氣種類[11]、不同產地橄欖油中的微量元素[12]。本研究以分別嫁接于枳和枳橙兩種砧木的紐荷爾臍橙、福本臍橙和斯賓諾索紅橘三個品種的柑橘果實為試材,利用傅里葉變換紅外光譜表征果皮和果肉物質組成的差異,明確了砧木對不同品種柑橘果實物質組成的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗地概況

供試材料為大田條件下種植的6年生紐荷爾臍橙(CitrussinensisOsbeck ‘Newhall’)、福本臍橙(CitrussinensisOsbeck ‘Fukumoto’)、斯賓諾索紅橘(CitrusreticulataClementine ‘Spinoso’),它們的砧木分別為枳[Poncirustrifoliata(L.)Raf.]和枳橙[C.sinensis(L.)Osb.×Poncirustrifoliata(L.)Raf.]。試驗地位于江西省贛州市國家臍橙工程技術研究中心種質資源圃,屬典型的亞熱帶季風氣候,年平均氣溫18.1～19.7 ℃,年極端低溫-2.1～-4.9 ℃,活動積溫5617.7～6342.5 ℃·d,年降雨量1431.1～1743.9 mm,年相對濕度76%～83%,無霜期273～307 d,土壤類型為紅壤。

1.2 樣品采集與制備

將采集的果實裝入自封袋中,用蒸餾水洗凈之后,用紙巾擦拭表面水分,晾干。將果皮和果肉分離,放入75 ℃的烘箱中烘干至恒重。將烘干后的果肉樣品用研缽研磨成細粉狀,將果皮樣品用高速多功能粉碎機粉碎,最后裝入對應編號的50 mL的離心管中，保存,每個樣品6個重復。將所測樣品與溴化鉀以1∶125的比例混合，用瑪瑙研缽研磨均勻,采用KBr壓片法進行傅里葉變換紅外光譜測定。

1.3 測定方法

測定所用的紅外光譜儀為PerkinElmer公司生產的Spectrum Two型傅里葉紅外光譜儀,采用DTGS檢測器,掃描信號累加16次,光譜分辨率為4 cm-1,光譜范圍為4000～400 cm-1。在掃描過程中實時扣除H2O和CO2的干擾。每個樣品平行測定6次。掃描出的果肉和果皮的紅外光譜分別通過Spectrum Two型傅里葉變換紅外光譜儀的配套軟件先進行基線校正處理,然后使用縱坐標歸一化處理,最后對每個樣品的6次測試結果進行平均光譜的運算。

1.4 數據分析

二階導數光譜由Origin 2019軟件微分處理得到。使用Origin 2019軟件作圖。使用Excel對二階導FTIR光譜數據進行標準化。用SAS 9.4軟件對不同砧木不同品種果皮、果肉的二階導FTIR光譜數據進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 柑橘果皮與果肉傅里葉變換紅外光譜的定性分析

在砧木分別為枳與枳橙的3個品種柑橘果皮與果肉樣品的紅外光譜中,各品種果皮之間與果肉之間紅外光譜吸收峰形狀位置基本一致,但果皮與果肉的峰形相差較大,說明兩者物質組成存在較大差異。不同品種間果皮與不同品種間果肉紅外光譜均相似,但在指紋區1800～800 cm-1范圍內不同品種間以及同一品種不同砧木間柑橘果皮與果肉樣品的光譜在峰數、峰位、峰強上存在一定的差異(見圖1),說明砧木會影響柑橘果實的物質組成。

a：紐荷爾/枳橙。b：紐荷爾/枳。c：福本/枳橙。d：福本/枳。e：斯賓諾索/枳橙。f：斯賓諾索/枳。下同。

利用二階導數光譜可以提高表觀分辨率,在二階導數光譜中不同品種和砧木的果皮、果肉物質組成存在明顯差異(見圖2)。這些物質在1800～800 cm-1的峰歸屬如下:867、819 cm-1是糖類的特征吸收峰[13];1200～900 cm-1范圍強峰主要是多糖吸收區[14-15]; 995 cm-1是多糖中C-H彎曲振動峰[16]；1047、1035、1010 cm-1為各類C-O伸縮振動峰[16-23]；在1454 cm-1處是C-CH3的不對稱彎曲振動吸收峰[17]；1540 cm-1是蛋白質酰胺Ⅱ帶特征吸收峰[18]；在1614 cm-1左右是草酸鈣中C-O的反對稱吸收峰[19]；在1657 cm-1附近是蛋白質酰胺I和蛋白質酰胺II的吸收峰[20]；在1737 cm-1左右是C=C的伸縮吸收峰以及羰基伸縮振動吸收峰[15]；在1650 cm-1左右是蛋白質酰胺I的特征吸收峰[22]；1750 cm-1左右的峰是脂類C=O的吸收振動峰[17]。不同砧木柑橘果皮、果肉的FITR光譜圖在峰形、峰位和吸收強度上存在差異,且二階導FITR光譜圖的差異更明顯。

圖2 柑橘果皮(A)和果肉(B)在1800～800 cm-1的傅里葉變換紅外光譜二階導圖

2.2 不同品種/砧木柑橘果皮紅外光譜的主成分分析

利用不同品種/砧木柑橘果皮1800～800 cm-1光譜的二階導數據進行主成分分析,發現不同品種/砧木柑橘果皮的物質組成存在較明顯的差異。PCA結果顯示,第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)的累積貢獻率為97.1%,其中PC1能夠解釋總體數據94.7%的變異,明顯區分出了不同砧木的福本臍橙,同時也將福本臍橙和其他兩個柑橘品種區分開來;PC2解釋了總體數據變異的2.4%,明顯區分出了不同砧木的紐荷爾臍橙(圖3A)。另外,斯賓諾索紅橘在PC1和PC2上都沒有被明顯區分出來(圖3A),說明砧木對其果皮物質組成的影響較小。

主成分分析的載荷值反映了各波數對此主成分的相對大小和作用方向,也反映哪些物質對該主成分的影響較大。果皮PC1在1013 cm-1的位置上具有較高的載荷值,為正值(圖3B)。鑒于PC1能解釋更多的變異且PC1明顯區分出了不同砧木的福本臍橙,說明砧木對福本臍橙果皮中多糖成分的影響程度最大。PC2在993 cm-1的位置上具有較高的載荷值,為正值;在1660、1744 cm-1的位置上具有較高的載荷值,為負值(圖3B)。因為PC2明顯區分出了不同砧木的紐荷爾臍橙,說明造成不同砧木紐荷爾臍橙果皮差異的物質主要為蛋白質及含有C=C的物質。

S/T：斯賓諾索/枳。S/C：斯賓諾索/枳橙。F/T：福本/枳。F/C：福本/枳橙。N/T：紐荷爾/枳。N/C：紐荷爾/枳橙。下同。

2.3 不同品種/砧木柑橘果肉紅外光譜的主成分分析

利用不同品種/砧木柑橘果肉1800～800 cm-1光譜的二階導數據進行主成分分析,發現不同品種/砧木柑橘果肉的物質組成存在較明顯的差異。PCA結果顯示,第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)的累積貢獻率為92.1%,其中PC1能夠解釋總體數據75.4%的變異,明顯區分出了不同砧木的福本臍橙,同時也將福本臍橙和其他兩個柑橘品種區分開來;PC2解釋了總體數據變異的16.7%,明顯區分出了不同砧木的紐荷爾臍橙(圖4A)。另外,斯賓諾索紅橘在PC1和PC2上都沒有被明顯區分出來(圖4A),說明砧木對其果肉物質組成的影響較小。

果肉PC1在1010 cm-1的位置上具有較高的載荷值,為正值(圖4B)。鑒于PC1能解釋更多的變異且PC1明顯區分出了不同砧木的福本臍橙,說明砧木對福本臍橙果肉中多糖成分的影響程度最大。PC2在1039 cm-1的位置上具有較高的載荷值,為負值;在1620、1641 cm-1的位置上具有較高的載荷值,為正值(圖4B)。因為PC2明顯區分出了不同砧木的紐荷爾臍橙,說明造成不同砧木紐荷爾臍橙果肉差異的物質主要為蛋白質以及含有C-CH3基團和C-O的物質(圖4B)。

圖4 不同品種/砧木柑橘果肉主成分分析的得分(A)及載荷(B)

3 討論與結論

不同砧木對柑橘果實的品質具有影響,會影響柑橘果實的可溶性固形物以及總酸含量[24-26]、果實的外觀[27]；不同砧木也影響根系和接穗的物質吸收與運輸,進而對根系生長與接穗的營養生長和生殖生長產生影響,最終導致樹體產量、果實外觀品質和內部品質產生差異[26-27]。本實驗結果表明,PC1與PC2分別區分了福本臍橙和紐荷爾臍橙,說明砧木對不同品種柑橘果實物質有不同的影響。同時,不同砧木對果實不同部位的影響也有差異,表現在果皮和果肉PC2載荷圖曲線的差異較大,即不同砧木對不同品種果皮和果肉造成的影響效果不同。

砧木對不同品種果實物質組成影響的程度也存在明顯差異。通過果皮與果肉的主成分分析得分結果可以看出,PC1對不同砧木的福本臍橙的區分更為明顯,PC2對不同砧木的紐荷爾臍橙的區分更為明顯,而這兩個主成分對斯賓諾索紅橘的區分程度都較低。即不同砧木對紐荷爾臍橙果實物質組成的影響明顯,對福本臍橙的影響更明顯,而對斯賓諾索紅橘果實物質組成的影響不明顯。砧木對接穗的綜合影響程度表現為福本臍橙>紐荷爾臍橙>斯賓諾索紅橘,且在果皮與果肉上的結果一致。

不同砧木的柑橘果實物質會被區分開,這說明不同砧木之間柑橘果實的主要化學成分存在差異。而造成不同砧木柑橘果皮和果肉出現差異的物質不完全相同。對于果皮而言,造成差異的物質主要為蛋白質、多糖以及含有C=C的物質。而造成果肉差異的物質主要為蛋白質、多糖以及含有C-CH3基團、C-O的物質。即這些物質以多糖、蛋白質、含有C=O的物質、含有C-CH3基團、含有C=C的物質為主。

綜上所述,對于柑橘而言,不同砧木對不同品種的果實物質組成所造成的影響以及影響程度是不同的,且造成這種影響的物質類型不同,同時不同砧木對果實不同部位物質組成造成的影響也不同。