脱落酸对番茄部分果实性状和营养品质的影响

刘浩然 汪俏梅

(浙江大学园艺系/农业部园艺植物生长发育与品质控制重点开放实验室，浙江 杭州 310029)

番茄(SolanumlycopersicumL.)不仅是世界范围内重要的蔬菜作物，也是研究果实发育和品质形成的模式体系。随着人们消费意识的提高，现在市场对番茄的要求已从对产量的单一追求逐渐转变成对果实品质的高要求。番茄果实品质包括外观品质和营养品质等[1-2]。番茄的外观品质包括果型指数、果色和果实硬度等；而果实营养品质包括还原糖含量和类胡萝卜素含量等。其中，番茄果实还原糖含量直接决定着果实甜度，研究表明消费者更愿意购买具有适当甜酸度的番茄果实[1]。类胡萝卜素是一类来源于丙酮酸的四十碳的四萜化合物及其氧化衍生物，对人类健康有重要作用，其组分和含量是番茄果实营养品质的重要构成因素[3]。番茄果实中的类胡萝卜素包括番茄红素、β-胡萝卜素和叶黄素等，其中番茄红素是成熟番茄果实中含量最高的类胡萝卜素[3-7]。在番茄中，类胡萝卜素不仅是重要的光合色素，也是香气物质和脱落酸(abscisic acid，ABA)合成的前体物质[3,8]，类胡萝卜素代谢物9-顺式-新黄质通过9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶(9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase，NCED)、短链脱氢还原酶(short-chain dehydrogenase/reductase，SDR)、醛氧化酶(abscisic aldehyde oxidase，AAO)和钼辅因子硫酸酶(molybdenum-cofactor sulfurase，MoCoS)依次生成黄氧素、脱落酸醛等物质并最终合成ABA[9-11]。

ABA是一种以异戊二烯为基本结构单位的倍半萜类植物激素[12]，广泛调控植物的生长发育进程，如种子萌发、诱导气孔开闭和开花等，并在植物的逆境适应性中发挥作用[13-17]。前人通过正向遗传学方法筛选到2种番茄ABA生物合成的缺失突变体notabilis(简称not)和flacca(简称flc)[18]，并通过基因图谱的方法确定这2个突变体分别是9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶(NCED)基因移码突变的无效突变体[18]和钼辅因子硫酸化酶(MoCoS)基因6对碱基缺失的突变体[19]。这2种突变体果实内源ABA含量与野生型相比显著下降，是研究ABA调控果实发育和品质形成的良好材料[20]。由于ABA含量在番茄果实成熟过程中是动态变化的，而突变体not和flc果实中ABA含量在果实成熟过程中一直保持低水平，利用这些突变体可以排除番茄果实中ABA动态变化的干扰，便于研究ABA对果实发育和品质形成等的影响。本研究以这2种ABA缺失突变体及其野生型为材料，结合ABA外源处理研究ABA对番茄果实营养品质和外观品质的影响，旨在为ABA在番茄品质改良中的应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试番茄品种为ABA生物合成缺失突变体flc及其野生型RR(Rheinlands Ruhm)、ABA生物合成缺失突变体not及其野生型AC(Ailsa Craig)，均由美国加州大学DAVIS分校番茄种质资源中心提供后留种所得。

1.2 试验设计

试验于2018年1—9月于浙江大学园艺作物生长发育重点实验室进行，所有试验所用4个番茄品种均于2018年1月播种，并于2018年3月定植于浙江大学华家池校区。花期标记，共标记3～4穗花，每穗花限制在5朵以下。果实成熟标准参考文献[8]，花后35 d左右全果绿色为绿熟期果实，花后40 d左右外观微红且显色少于10%为破色期果实，花后43 d左右呈淡红色且显色约70%为转色期果实，花后50 d左右呈深红色且显色为100%为红熟期。对破色期、转色期和红熟期的果实进行单果重、果型指数、硬度以及可溶性固形物、还原糖和类胡萝卜素含量的测定。

摘取24个大小形状相似绿熟期的AC果实，均分为对照组和ABA处理组，每组12个果实。对照组涂抹未加入任何植物激素的羊毛脂，ABA处理组的果实涂抹终浓度为100 μmol·L-1ABA的羊毛脂。羊毛脂均匀涂抹在果实表面，处理后放入温度为23℃，光周期为16 h光照/8 h黑暗的温室中，并在处理后的第1、第4、第7和第15天取样进行番茄果实类胡萝卜素含量的测定。以上样品的测定指标均为完全随机试验设计，设置3个生物学重复，每个生物学重复为3个果实的混合样品。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 单果重、果型指数和硬度测定 单果重的测定：根据1.2的标准采摘各成熟期的flc及其野生型RR和not及其野生型AC的番茄果实，随机取3个，用天平分别测定其单果重。

果形指数的测定：采用游标卡尺分别测量各成熟期的flc及其野生型RR和not及其野生型AC果实的横径和纵径，果形指数=纵径/横径，果形指数>1.00为高圆形果；介于0.85～1.00之间为圆形果；介于0.71～0.85之间为扁圆形果；≤0.70为扁形果。

果实硬度的测定：于破色期、转色期和红熟期选取大小均一、无机械伤的flc及其野生型RR和not及其野生型AC番茄果实在室温下使用具有直径7.5 mm左右塑胶探头的TA-XT2i质构仪(Stable Micro Systems Ltd., 英国)在每个果实赤道部分均匀测定4个点，每次试验测定6～9个果实，测定深度为10 mm，测定速度为1 mm·s-1。

1.3.2 可溶性固形物和还原糖含量测定 可溶性固形物含量采用WYA-1S/2S阿贝折射仪(上海光学仪器厂)测定，分别随机取破色期、转色期和红熟期的flc及其野生型RR和not及其野生型AC的果实各3个，直接读取果实可溶性固形物含量，用百分比表示。还原糖的含量采用二硝基水杨酸法[21]测定。

1.3.3 类胡萝卜素含量测定 将果实切成1 cm3的小块，液氮速冻后用研钵在低温下磨成果实粉末。取0.5 g上述果实粉末于50 mL锡箔纸包裹的离心管中，立即加入30 mL提取液(乙烷∶丙酮∶乙醇=1∶1∶1，体积比)，然后150 r·min-1摇动30 min。再向混合物中加入15 mL双蒸水，4℃、1 500×g离心10 min。上清液过0.22 μm有机相滤膜，再氮吹浓缩至近乎无液体。加入0.5 mL溶解液(四氢呋喃∶乙腈∶甲醇=3∶10∶11，体积比)3次，所得即为待测样品。

取20 μL样品，使用高效液相系统(日本岛津)进行测定，色谱柱采用C18色谱柱(4.6 mm×250 mm，5 μm)。流动相为(甲醇∶乙腈=9∶1体积比，同时加入0.05%三乙胺)，流速为1.2 mL·min-1。检测波长为475 nm。采用番茄红素、β-胡萝卜素和叶黄素的标准品进行外标法计算含量。结果以μg·g-1FW为单位表示。

1.4 数据分析

采用SPSS 10.0软件进行数据分析，试验数据均为3次生物学重复的平均值±标准误。显著性分析采用One-way ANOVE进行。

2 结果与分析

2.1 ABA生物合成缺失突变体果实的外观品质性状

由表1可知，ABA生物合成缺失突变体not和flc在红熟期的单果重显著低于各自的野生型，分别减少至野生型单果重的39.72%和55.62%。这说明ABA在果实增重上起正向作用。在番茄果实果型上，ABA生物合成缺失突变体not在番茄各发育时期的果型指数均显著高于其野生型，not为圆形果而其野生型AC为扁圆形果。同时，flc及其野生型RR虽均为圆形果，但红熟期flc的果型指数显著高于其野生型RR。这表明内源ABA缺失会促进番茄果实纵向生长，并且NCED缺失比MoCoS缺失更能促进番茄果实纵向生长。在果实硬度方面，ABA生物合成缺失突变体not和flc的果实硬度在番茄各发育时期与野生型相比均无明显差异。说明内源ABA并未影响番茄果实的软化进程。

表1 不同时期番茄中ABA缺失突变体及其野生型植株果实发育的外观品质性状Table 1 The fruits visual quality characters of ABA deficient mutants and wild types at different ripening stages

2.2 ABA生物合成缺失突变体果实的可溶性固形物和还原糖含量

如图1-A所示，ABA生物合成缺失突变体flc在破色期果实中可溶性固形物含量显著高于其野生型AC，增加0.53个百分点；ABA生物合成缺失突变体not在红熟期果实中可溶性固形物含量显著低于其野生型RR，降低1.01个百分点。这说明ABA在破色期和红熟期分别负调控和正调控可溶性固形物的含量。如图1-B所示，ABA生物合成缺失突变体flc果实中还原糖含量在破色期和转色期均显著低于其野生型RR。说明内源ABA可促进破色期和转色期番茄果实中还原糖的积累。

注：不同字母表示品种间存在显著性差异(P<0.05)。下同。Note：Different lowercase letters indicate significant difference among varieties at 0.05 level. The same as following.图1 ABA生物合成缺失突变体及其野生型不同成熟期果实的可溶性固形物和还原糖含量Fig.1 The total soluble solids and reduced sugars contents of tomato fruits in ABA deficient mutants and wild types at different ripening stages

2.3 ABA生物合成缺失突变体果实的类胡萝卜素含量

如图2-A所示，在破色期，ABA生物合成缺失突变体not果实中番茄红素含量显著高于其野生型AC，升高了31.23%。并且在红熟期，突变体not和flc果实中番茄红素含量均显著高于各自的野生型，分别增加了23.62%和43.07%。上述结果表明内源ABA缺失能明显促进果实番茄红素积累。如图2-B所示，ABA生物合成缺失突变体not果实中β-胡萝卜素含量在破色期和红熟期显著高于其野生型AC，分别增加31.81%和28.37%；但在转色期两品种差异不显著。同时，突变体flc果实中β-胡萝卜素含量在转色期和红熟期均显著高于其野生型RR，分别增加6.82%和23.07%。表明内源ABA缺失能明显促进番茄果实中β-胡萝卜素积累。如图2-C所示，ABA生物合成缺失突变体not果实中叶黄素含量在转色期和红熟期显著高于其野生型AC，分别增加25.01%和14.28%；突变体flc果实中叶黄素含量在各果实成熟时期均显著高于其野生型RR，在破色期、转色期和红熟期分别增加了55.55%、110.52%和182.53%。说明内源ABA能够抑制叶黄素的积累。如图2-D所示，ABA生物合成缺失突变体not和flc果实中总类胡萝卜素含量在转色期和红熟期均显著高于各自的野生型，说明内源ABA显著抑制了番茄果实总类胡萝卜素的积累。综上可知，内源ABA可抑制成熟过程中番茄果实的番茄红素、β-胡萝卜素、叶黄素和总类胡萝卜素的积累。

图2 ABA生物合成缺失突变体及其野生型不同成熟期果实的类胡萝卜素含量Fig.2 The contents of carotenoids in tomato fruits of abscisic acid biosynthetic deficient mutant and their wild types at different ripening stages

注：不同字母表示处理间存在显著性差异(P<0.05)。Note：Different lowercase letters indicate significant difference among treatments at 0.05 level.图3 ABA处理对番茄果实中的类胡萝卜素含量的影响Fig.3 Effects of abscisic acid treatment on the contents of carotenoids in tomato fruits

2.4 ABA处理对番茄果实类胡萝卜素积累的影响

由图3可知，在番茄果实采后处理过程中，随着处理后时间的延长，番茄红素、β-胡萝卜素和总类胡萝卜素含量呈增加趋势，而叶黄素含量呈下降趋势。如图3-A所示，与对照组相比，番茄果实中番茄红素含量在ABA处理后第7和第15天显著降低，分别下降了40.13%和32.85%。表明外源ABA能抑制番茄果实中番茄红素的合成，这与图2-A中内源ABA缺失促进番茄红素积累的结果一致。如图3-B所示，β-胡萝卜素含量在ABA处理后第4和第7天较对照组显著降低，分别下降了61.26%和33.33%，这与图2-B中内源ABA缺失能提高破色期和转色期果实β-胡萝卜素含量的现象相吻合；但在处理后第15天，ABA处理组显著促进了β-胡萝卜素的积累，β-胡萝卜素含量较对照组提高了27.51%。表明，外源ABA抑制番茄果实成熟前期β-胡萝卜素的积累，但促进后期积累。如图3-C所示，与对照组相比，叶黄素含量在ABA处理后第1和第15天显著增加，处理后第7天显著降低。如图3-D所示，与对照组相比，总类胡萝卜素含量在ABA处理后第4、第7和第15天显著降低，分别降低33.19%、27.88%和2.69%，图2-D也表明内源ABA抑制番茄果实总类胡萝卜素积累。综上，ABA处理抑制了番茄果实中番茄红素、β-胡萝卜素和总类胡萝卜素的积累。

3 讨论

在外观品质方面，本研究结果表明内源ABA能抑制番茄果实纵向伸长，这与草莓[22]中的研究结果一致，说明ABA抑制果实纵向生长的功能在不同物种之间是保守的。另外，本研究结果表明内源ABA促进番茄果实增重，这与前人关于ABA不影响桃子单果重的结论相反[23]。这可能是因为前人采用ABA直接喷施桃子的叶片而非果实的方式，说明激活ABA处理果实增重效应的方式存在组织特异性。此外，前人研究表明鳄梨中ABA含量和果实硬度呈负相关[24]，此效应并未在番茄中体现，一方面可能是因为鳄梨上的研究并未使用ABA相关突变体，所以这种负相关可能不是ABA对果实硬度的直接效应；另一方面也可能是因为鳄梨是仁果，番茄是浆果，两种果实在组织结构上存在的差异导致硬度对ABA的响应存在较大差异。

在营养品质方面，内源ABA可促进番茄果实中还原性糖的积累，这与外源ABA促进葡萄和桃子果实中还原糖含量增加的结果相一致[23,25]，且促进桃和葡萄中还原糖积累的ABA处理浓度分别是150 mg·L-1和100 mg·L-1， 即约567.49 μmol·L-1和378.33 μmol·L-1，与本试验采用的100 μmol·L-1浓度属同一数量级，这可能是因为ABA促进还原糖作用在不同物种的保守性使得处理浓度数量级也一致。另外，本研究中ABA处理抑制了番茄类胡萝卜素积累，这与前人在脐橙中的研究结果相同[26]，说明ABA抑制果实类胡萝卜素积累的作用在不同园艺物种间具有保守性。此外，本研究结果表明NCED基因缺失能显著促进番茄果实类胡萝卜素积累，这与之前的研究结果相吻合[27]。且研究表明，MoCoS基因缺失也会显著促进番茄类胡萝卜素积累，提高番茄果实影响品质。这表明抑制ABA合成代谢途径关键酶NCED和MoCoS的基因表达均能提高番茄果实品质特别是类胡萝卜素含量，暗示利用基因编辑技术定向缺失基因NCED和MoCoS提高番茄果实品质的巨大潜力。

4 结论

本研究利用ABA生物合成突变体结合外源激素处理的方法发现，植物激素ABA对番茄果实典型发育时期的外观品质和营养品质均有显著影响。在外观品质方面，ABA可促进番茄果实增重并抑制果实的纵向生长，但对番茄果实硬度无显著影响。在营养品质方面，ABA影响了番茄果实可溶性固形物含量，并促进了还原糖积累，同时ABA还抑制了番茄果实中番茄红素、β-胡萝卜素和总类胡萝卜素的积累。综上可知，ABA在调控番茄果实外观品质方面，可促进番茄果实增重并抑制番茄果实纵向生长；在调控番茄果实营养品质方面，可促进还原糖积累并抑制类胡萝卜素积累。本研究为利用番茄ABA相关突变体和ABA处理改善番茄品质提供了理论基础。