西瓜果皮硬度相关性状分析

王学征 ，杨天天 ，刘 争 ，孙 蕾 ，朱子成 ，高 鹏 ，刘 识 ，栾非时

（1.农业农村部东北地区园艺作物生物学与种质创制重点实验室，哈尔滨 150030；2.东北农业大学园艺园林学院，哈尔滨 150030）

西瓜在世界园艺产业中处于重要地位，我国西瓜种植面积和产量均居首位。目前，西瓜产量增长速度放缓，播种面积趋于稳定。我国是西瓜消费大国，需求量巨大[1]。裂果是导致西瓜腐烂的主要原因之一，果皮开裂，不仅病虫易于侵入，产量降低，且影响果实外观，商品价值降低。减少西瓜裂果，提高西瓜耐储运性，日益受到育种工作者重视。果皮硬度是裂果发生[2-3]、果实贮藏期[4-5]的重要衡量指标之一，果皮硬度性状的改善，为减少裂果提供新途径[6]。杨静等采用TA-XT Plus 质构仪对15 个西瓜品种果皮作穿刺质地测试，发现西瓜表皮硬度、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间相关程度均达显著[7]。王菊霞研究表明，不同品种间苹果果皮刺穿强度差异与表皮细胞形状及表皮细胞面积有关[8]。满艳萍等研究认为，果皮特性主要由果皮厚度、表皮角质层厚度、外果皮细胞层数及石细胞群尺寸等决定[9]；高磊认为果胶、纤维素和半纤维素是细胞壁物质的主要成分，决定西瓜果实果肉硬度和口感[10]。果皮硬度不仅与果皮组织结构间存在相关性，也可能与果皮内含物成分有一定关系，明确西瓜果皮硬度与果皮微观结构特点和内含物含量相关性，利于选育高硬度果皮材料，减少裂果发生。

鉴于此，本研究采用TA-XT Plus质构仪对5个西瓜品种成熟果实果皮作穿刺试验，并结合果皮组织石蜡切片观察和果皮内含物中纤维素、半纤维素和果胶含量测定，综合评价西瓜果皮硬度与生理性状关系，为明确西瓜果皮硬度形成机理及改良西瓜种质资源奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

本试验选取果皮耐裂性差异明显的5个西瓜品种，如图1 所示，果皮易裂品种812 和COS，果皮较耐裂品种w1-92，和果皮耐裂品种1061 和177。以上品种均由东北农业大学园艺园林学院西甜瓜分子育种研究室提供。2018年3月，将供试西瓜品种种植于东北农业大学实验实习与示范中心向阳基地塑料大棚内，每小区种植10 株，行株距80 cm×50 cm，3 次重复，试验条件均匀，统一管理，采用吊蔓、双蔓整枝方式。采收时每个品种选取果实要求长度、形状一致，均达到商品成熟阶段，整瓜采收后带回东北农业大学园艺园林学院西甜瓜分子育种研究室采集数据。

1.2 仪器设备

TA-XT Plus 质构仪（SMS Corporation，TA-XT Plus P/2）、游标卡尺（Mitutoyo，0-150/0.02MM）、电子天平（FA1004N）、光学显微镜（olympusCX31）、Epoch酶标仪（PE Lambda35）。

1.3 方法

每个品种随机选取3 个西瓜果实，标号为品种+数字，采用直尺测量果实纵径、果实横径、果形指数（果实纵径/横径），将试验材料沿中心纵切，采用游标卡尺沿切面中心点120°夹角测量3个部位西瓜果皮厚度，取平均值，在选取的3个果皮部位分别取3 cm×3 cm×3 cm 立方小块用作质构仪备用材料，继续沿3个部位左侧取薄片放入FAA固定液用于制作石蜡切片，然后沿3个部位右侧各取1 g 果皮放入液氮，用于测定果皮中内含物含量。具体取材方法参照图2。

1.3.1 西瓜果皮穿刺试验

将果皮材料放于质构仪台，采用P/2E（2 mm直径圆柱形不锈钢）探头作穿刺试验，参照杨静等参数设置[7]，测前以V1=10 mm·s-1速度达到样品表面，触发力=100 g，以V2=2 mm·s-1速度测试20 mm 后返回，测后速度V3=10 mm·s-1，选用时间参数记录target曲线，如图3所示，略作修改。

果皮硬度：探针穿刺果皮形成的曲线第一个峰点为果皮破裂点，所得峰值表示果皮硬度（g·cm-2）

果皮韧性：探针接触果皮到刺破时距离S（mm），测试距离S=测试速度V2×时间T0。

1.3.2 西瓜果皮组织石蜡切片

制作石蜡切片过程参考王艳芳等[12]、高美玲等[13]试验方法，将样品放入FAA固定液，隔夜更换FAA 固定液，酒精浓度梯度脱水，二甲苯透明后加入石蜡碎屑使其饱和，65 ℃石蜡包埋，转轮式切片机切片，切片厚度8 μm，展片烘干后二甲苯浓度梯度脱蜡，酒精浓度梯度复水，番红、固绿染色，封片、拍照。采用Image J 软件分析光学显微镜X400 倍镜下石蜡切片，设置标尺（视野直径=视场直径/物镜放大倍数），测量外果皮厚度、表皮细胞长度和宽度。

1.3.3 西瓜果皮内含物测定

将1 g果皮样品放入冻干机2 d后取出称重，计算含水量。将冻干样品参照池宁琳[14]方法一次性测定总果胶含量、纤维素含量、半纤维含量。

1.4 数据分析

采用Excel 2010 和Rx64 3.5.2 处理数据，作相关性分析和显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同西瓜品种果实力学特征比较分析

通过TA-XT Plus质构仪对耐裂性差异明显的5个品种西瓜果皮作穿刺测试分析，得到果皮硬度和果皮韧性数据，结果如图4、5所示。

由图4 和5 可见，5 个西瓜品种果皮硬度和果皮韧性变化一致，果皮硬度和果皮韧性顺序为：812＜COS＜W1-92＜1061＜177，西瓜果皮易裂品种（812 和COS）果皮硬度和韧性均小于耐裂品种（1061和177），易裂品种果皮硬度和韧性与耐裂品种差异显著。

2.2 不同西瓜品种果皮解剖结构比较分析

西瓜果皮主要由角质层、表皮、外果皮、石细胞群和中果皮组成，果皮硬度是各层结构综合作用的结果。由表1可知，西瓜果皮厚度越厚，果皮硬度越大，而图6为显微镜观察果皮石蜡切片结果，从图中可看出，果皮最外层是角质层，存在于表皮层细胞外和间隙，除果皮硬度最小的西瓜品种812，其余品种果皮角质层厚度均大于2.5 μm。

西瓜果皮表皮由一层较大且排列紧密的正方形或长方形细胞组成，观察5个西瓜品种表皮细胞长宽比发现：随最外层表皮细胞长宽比增加，果皮硬度增加，果皮硬度最大的品种177，最外层表皮细胞长宽比平均达3.34。

外果皮细胞与表皮细胞形状相似，但细胞层数较多，由3～13 层排列紧密的细胞组成，该组织厚度、细胞层数对果皮硬度均产生影响，易裂品种812外果皮厚度小，细胞层数少，导致果皮硬度最小。

石细胞群由团状或者1～6层细胞构成，细胞形状接近圆形，该组织细胞排布结构对果皮硬度产生影响，硬度最小的品种812和其他品种相比，不存在石细胞群。中果皮细胞由排列较紧密逐步过度到更大而疏松的薄壁细胞组成，中果皮是果皮中最大组织结构，起缓冲压力的作用，果皮最硬的品种177中果皮白色部分厚度较大，与果皮硬度最小品种812 的中果皮明显不同，由图1 可看出，品种812中果皮白色部分厚度极小。

品种177与其他西瓜品种区别在于，其果皮硬度最大，外果皮细胞长宽比最大，细胞排布紧密，且石细胞群呈椭圆形纵向排列，镶嵌于细胞大且厚的中果皮。外果皮结构导致果皮硬度大，石细胞群镶嵌于中果皮的结构特点导致果皮韧性大。实际测定中，品种177 果皮相对韧（柔）一些，不易开裂，可能是这种结构能具有更好的耐裂效果。品种812硬度最小也最易裂，特点为外果皮薄且无石细胞群。西瓜品种COS、W1-92、1061 果皮结构相似，其特点为中果皮是排列紧密的近圆形细胞，由小细胞向大细胞过渡明显。

2.3 不同品种果皮内含物含量比较

不同西瓜品种果皮内含物成分如图7所示，含水量94.60%～96.35%；果胶含量0.736%～1.108%；半纤维素含量0.075%～0.640%；纤维素含量0.547%～0.855%。结合石蜡切片观察发现，外果皮厚且硬度大的品种纤维素含量明显高于外果皮薄的品种812，说明外果皮中纤维素成分影响果皮硬度。中果皮细胞排列紧密，具有从小细胞到大细胞过渡结构特点的品种含水量更高，而中果皮细胞较大的品种果胶含量更多。

2.4 西瓜果皮硬度性状相关性分析

相关性分析显示（见图8），西瓜果皮硬度与韧性呈显著正相关，相关系数为0.94，西瓜果皮硬度与果皮厚度呈极显著正相关，相关系数为0.99，西瓜果皮硬度与果实纵径、果实横径、表皮细胞长宽比、果胶含量呈正相关，但未达显著。西瓜果皮硬度与半纤维素含量呈显著负相关，相关系数为-0.88，西瓜果皮硬度与含水量、纤维素含量呈负相关，但未达显著。

西瓜果皮韧性与果皮厚度呈显著正相关，相关系数为0.88，西瓜果皮韧性与半纤维含量呈显著负相关，相关系数为-0.92。纤维素含量与果实横径、纵径均呈显著正相关，相关系数分别为0.88和0.95，纤维素还与外果皮厚度呈正相关，但未达显著。

3 讨 论

本研究从不同品种西瓜间果皮硬度差异出发，观察果皮组织显微结构差异及内含物（果胶、半纤维素和纤维素）含量差异，通过分析果皮性状间相关性，解释导致果皮硬度差异原因。研究发现，果皮硬度与果皮厚度相关系数最高，达极显著，西瓜果皮由角质层、表皮、外果皮、石细胞群和中果皮等组成，果皮硬度是各层结构综合作用的结果，单一因素变化影响较小。满艳萍等认为耐贮运西瓜果皮硬度由外表皮较厚、石细胞团大、细胞排列紧密等多个因素共同决定[9]。刘鹏等研究认为耐贮运三倍体西瓜果皮中石细胞主要以团状存在且尺寸较大，中果皮层细胞是小细胞向大细胞过渡的过程且排列紧密[15]。果皮各层结构与贮运性能关系较大[16-17]。本研究发现，果皮硬度较大品种，外果皮较厚，表皮细胞长宽比大、细胞排列紧密，石细胞群大，中果皮细胞明显由小细胞过渡到大细胞，果皮硬度较大品种与耐贮运果皮结构相似，说明果皮硬度较大的西瓜品种同时具有贮运性。

本研究还发现，果皮硬度和果皮韧性存在正相关且达显著，与含水量存在负相关。Konstankiewicz等研究3个马铃薯品种发现，细胞较小品种弹性系数较大，细胞面积越小，细胞抗压强度越大，韧性越大[18]，本研究中果皮从小细胞到大细胞排列的结构特点可能导致细胞抗压强度较大，韧性高。杨静等研究发现，西瓜果实含水量与果皮硬度、果肉硬度呈负相关且达显著[7]，本研究中果皮硬度与含水量存在负相关但未达显著，通过石蜡切片观察和果皮内含物成分析可见，中果皮细胞大，含水量明显较少，而果胶含量较多。

西瓜果皮硬度与半纤维素含量呈显著负相关，与纤维素和果胶含量呈正相关。果胶、纤维素、半纤维素是西瓜果皮细胞壁主要成分，维持细胞稳定性和完整性[19-20]。刘景安研究发现，野生西瓜变种PI296341-FR果肉内果胶和纤维素含量是栽培品种97103的3倍以上，是导致两个品种果肉硬度差异的主要原因[21]。高磊研究发现，西瓜发育过程中，果肉中果胶、半纤维素、纤维素含量变化和果肉硬度变化趋势一致[10]。西瓜果皮结构相较于果肉复杂，各层组织细胞不均匀，木质化程度由外到内降低，而质构仪所得硬度指标主要取决于外果皮，本研究用于内含物测定的果皮来源于植物学定义的果皮部分，导致结果与果肉不一致。本研究中，果皮中纤维素含量、果胶含量与果皮硬度呈正相关，但未达显著，而纤维素含量和外果皮厚度正相关系数较高，说明纤维素含量受外果皮厚度影响较大。果胶含量和外果皮细胞长宽比相关系数为0.95，达极显著，而果胶广泛存在于高等植物细胞壁和胞间层[22]，说明细胞长宽比较大，细胞接触面积较大，导致细胞与细胞间果胶含量较多。

4 结 论

综上所述，西瓜果皮硬度由果皮细胞结构、内含物含量等多因素决定，与果皮硬度紧密关联性状依次为果皮厚度、果皮韧性、半纤维素含量、果实横径、果实纵径、含水量、果胶含量、外果皮细胞长宽比、纤维素含量、外果皮厚度。相较于果皮内含物含量，西瓜不同品种间果皮硬度与果皮细胞结构差异更密切。5个耐裂性差异明显的西瓜品种中，较耐裂品种W1-92 和耐裂品种1061 较好，其果皮硬度和果皮韧性均较高，主要表现在果皮显微结构相似，在运输挤压中不易破裂，且果实储藏期较长。但西瓜果皮结构较复杂，果皮硬度取决于果皮结构整体变化，单一因素变化影响小，因此选育果皮硬度适中的西瓜品种，需把握各性状相互关系，多方面考虑选择才能得到理想材料。