基于傅里叶变换红外光谱分析砧木对不同品种柑橘果实物质组成的影响

杨兴华,曾紫君,姚锋先,管 冠,周高峰,刘桂东

(国家脐橙工程技术研究中心/赣南师范大学 生命科学学院,江西 赣州 341000)

柑橘果实中含有丰富的物质,常见的包括可溶性糖、有机酸、类胡萝卜素、类黄酮等。同时柑橘也含有醛酮类、萜烯类、具有香气的酯等成分,在不同品种之间这些物质的组成及相对含量存在差异[1]。砧木作为果树吸收水分和矿质养分的主要器官,对接穗的生长发育、产量和品质等均有重要的影响。目前,关于砧木对接穗及果实品质影响的研究,在苹果、樱桃、柑橘、番茄、葡萄等多种果树上已有较多报道[2-4]。对于柑橘而言,砧木对树势、树形、抗逆性、果实产量和品质，以及养分和水分吸收等都有着重要的影响[5]。虽然有关不同砧木对某一柑橘品种果实物质的影响以及不同品种柑橘砧穗组合效率已有较多报道,但是有关砧木对不同品种柑橘果实物质影响的研究较少。所以,探讨不同砧木对不同品种柑橘果实物质的影响程度,对实现柑橘品质提升以及产量提高的目的有重要意义。

傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)是基于对干涉后的红外光作傅里叶变换而得到的光谱,具有检测灵敏度高、测量速度快、精度高、分辨率高、散光低、波段宽等优点,在物质成分鉴定中有极大的优势。主成分分析法(Principal Component Analysis, PCA)是把多个变量通过降维处理整合成少数几个综合变量，尽可能多地反映原有变量信息的统计分析方法[6-7],这些由原始变量的线性组合形成的新的不相关的变量就被称为主成分。近年来主成分分析法在分析生物性状和果蔬品质中已得到广泛应用[8-10],如分析不同品种宽皮柑橘的品质[6]、不同茶树品种绿茶的香气种类[11]、不同产地橄榄油中的微量元素[12]。本研究以分别嫁接于枳和枳橙两种砧木的纽荷尔脐橙、福本脐橙和斯宾诺索红橘三个品种的柑橘果实为试材,利用傅里叶变换红外光谱表征果皮和果肉物质组成的差异,明确了砧木对不同品种柑橘果实物质组成的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

供试材料为大田条件下种植的6年生纽荷尔脐橙(CitrussinensisOsbeck ‘Newhall’)、福本脐橙(CitrussinensisOsbeck ‘Fukumoto’)、斯宾诺索红橘(CitrusreticulataClementine ‘Spinoso’),它们的砧木分别为枳[Poncirustrifoliata(L.)Raf.]和枳橙[C.sinensis(L.)Osb.×Poncirustrifoliata(L.)Raf.]。试验地位于江西省赣州市国家脐橙工程技术研究中心种质资源圃,属典型的亚热带季风气候,年平均气温18.1～19.7 ℃,年极端低温-2.1～-4.9 ℃,活动积温5617.7～6342.5 ℃·d,年降雨量1431.1～1743.9 mm,年相对湿度76%～83%,无霜期273～307 d,土壤类型为红壤。

1.2 样品采集与制备

将采集的果实装入自封袋中,用蒸馏水洗净之后,用纸巾擦拭表面水分,晾干。将果皮和果肉分离,放入75 ℃的烘箱中烘干至恒重。将烘干后的果肉样品用研钵研磨成细粉状,将果皮样品用高速多功能粉碎机粉碎,最后装入对应编号的50 mL的离心管中，保存,每个样品6个重复。将所测样品与溴化钾以1∶125的比例混合，用玛瑙研钵研磨均匀,采用KBr压片法进行傅里叶变换红外光谱测定。

1.3 测定方法

测定所用的红外光谱仪为PerkinElmer公司生产的Spectrum Two型傅里叶红外光谱仪,采用DTGS检测器,扫描信号累加16次,光谱分辨率为4 cm-1,光谱范围为4000～400 cm-1。在扫描过程中实时扣除H2O和CO2的干扰。每个样品平行测定6次。扫描出的果肉和果皮的红外光谱分别通过Spectrum Two型傅里叶变换红外光谱仪的配套软件先进行基线校正处理,然后使用纵坐标归一化处理,最后对每个样品的6次测试结果进行平均光谱的运算。

1.4 数据分析

二阶导数光谱由Origin 2019软件微分处理得到。使用Origin 2019软件作图。使用Excel对二阶导FTIR光谱数据进行标准化。用SAS 9.4软件对不同砧木不同品种果皮、果肉的二阶导FTIR光谱数据进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 柑橘果皮与果肉傅里叶变换红外光谱的定性分析

在砧木分别为枳与枳橙的3个品种柑橘果皮与果肉样品的红外光谱中,各品种果皮之间与果肉之间红外光谱吸收峰形状位置基本一致,但果皮与果肉的峰形相差较大,说明两者物质组成存在较大差异。不同品种间果皮与不同品种间果肉红外光谱均相似,但在指纹区1800～800 cm-1范围内不同品种间以及同一品种不同砧木间柑橘果皮与果肉样品的光谱在峰数、峰位、峰强上存在一定的差异(见图1),说明砧木会影响柑橘果实的物质组成。

a：纽荷尔/枳橙。b：纽荷尔/枳。c：福本/枳橙。d：福本/枳。e：斯宾诺索/枳橙。f：斯宾诺索/枳。下同。

利用二阶导数光谱可以提高表观分辨率,在二阶导数光谱中不同品种和砧木的果皮、果肉物质组成存在明显差异(见图2)。这些物质在1800～800 cm-1的峰归属如下:867、819 cm-1是糖类的特征吸收峰[13];1200～900 cm-1范围强峰主要是多糖吸收区[14-15]; 995 cm-1是多糖中C-H弯曲振动峰[16]；1047、1035、1010 cm-1为各类C-O伸缩振动峰[16-23]；在1454 cm-1处是C-CH3的不对称弯曲振动吸收峰[17]；1540 cm-1是蛋白质酰胺Ⅱ带特征吸收峰[18]；在1614 cm-1左右是草酸钙中C-O的反对称吸收峰[19]；在1657 cm-1附近是蛋白质酰胺I和蛋白质酰胺II的吸收峰[20]；在1737 cm-1左右是C=C的伸缩吸收峰以及羰基伸缩振动吸收峰[15]；在1650 cm-1左右是蛋白质酰胺I的特征吸收峰[22]；1750 cm-1左右的峰是脂类C=O的吸收振动峰[17]。不同砧木柑橘果皮、果肉的FITR光谱图在峰形、峰位和吸收强度上存在差异,且二阶导FITR光谱图的差异更明显。

图2 柑橘果皮(A)和果肉(B)在1800～800 cm-1的傅里叶变换红外光谱二阶导图

2.2 不同品种/砧木柑橘果皮红外光谱的主成分分析

利用不同品种/砧木柑橘果皮1800～800 cm-1光谱的二阶导数据进行主成分分析,发现不同品种/砧木柑橘果皮的物质组成存在较明显的差异。PCA结果显示,第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)的累积贡献率为97.1%,其中PC1能够解释总体数据94.7%的变异,明显区分出了不同砧木的福本脐橙,同时也将福本脐橙和其他两个柑橘品种区分开来;PC2解释了总体数据变异的2.4%,明显区分出了不同砧木的纽荷尔脐橙(图3A)。另外,斯宾诺索红橘在PC1和PC2上都没有被明显区分出来(图3A),说明砧木对其果皮物质组成的影响较小。

主成分分析的载荷值反映了各波数对此主成分的相对大小和作用方向,也反映哪些物质对该主成分的影响较大。果皮PC1在1013 cm-1的位置上具有较高的载荷值,为正值(图3B)。鉴于PC1能解释更多的变异且PC1明显区分出了不同砧木的福本脐橙,说明砧木对福本脐橙果皮中多糖成分的影响程度最大。PC2在993 cm-1的位置上具有较高的载荷值,为正值;在1660、1744 cm-1的位置上具有较高的载荷值,为负值(图3B)。因为PC2明显区分出了不同砧木的纽荷尔脐橙,说明造成不同砧木纽荷尔脐橙果皮差异的物质主要为蛋白质及含有C=C的物质。

S/T：斯宾诺索/枳。S/C：斯宾诺索/枳橙。F/T：福本/枳。F/C：福本/枳橙。N/T：纽荷尔/枳。N/C：纽荷尔/枳橙。下同。

2.3 不同品种/砧木柑橘果肉红外光谱的主成分分析

利用不同品种/砧木柑橘果肉1800～800 cm-1光谱的二阶导数据进行主成分分析,发现不同品种/砧木柑橘果肉的物质组成存在较明显的差异。PCA结果显示,第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)的累积贡献率为92.1%,其中PC1能够解释总体数据75.4%的变异,明显区分出了不同砧木的福本脐橙,同时也将福本脐橙和其他两个柑橘品种区分开来;PC2解释了总体数据变异的16.7%,明显区分出了不同砧木的纽荷尔脐橙(图4A)。另外,斯宾诺索红橘在PC1和PC2上都没有被明显区分出来(图4A),说明砧木对其果肉物质组成的影响较小。

果肉PC1在1010 cm-1的位置上具有较高的载荷值,为正值(图4B)。鉴于PC1能解释更多的变异且PC1明显区分出了不同砧木的福本脐橙,说明砧木对福本脐橙果肉中多糖成分的影响程度最大。PC2在1039 cm-1的位置上具有较高的载荷值,为负值;在1620、1641 cm-1的位置上具有较高的载荷值,为正值(图4B)。因为PC2明显区分出了不同砧木的纽荷尔脐橙,说明造成不同砧木纽荷尔脐橙果肉差异的物质主要为蛋白质以及含有C-CH3基团和C-O的物质(图4B)。

图4 不同品种/砧木柑橘果肉主成分分析的得分(A)及载荷(B)

3 讨论与结论

不同砧木对柑橘果实的品质具有影响,会影响柑橘果实的可溶性固形物以及总酸含量[24-26]、果实的外观[27]；不同砧木也影响根系和接穗的物质吸收与运输,进而对根系生长与接穗的营养生长和生殖生长产生影响,最终导致树体产量、果实外观品质和内部品质产生差异[26-27]。本实验结果表明,PC1与PC2分别区分了福本脐橙和纽荷尔脐橙,说明砧木对不同品种柑橘果实物质有不同的影响。同时,不同砧木对果实不同部位的影响也有差异,表现在果皮和果肉PC2载荷图曲线的差异较大,即不同砧木对不同品种果皮和果肉造成的影响效果不同。

砧木对不同品种果实物质组成影响的程度也存在明显差异。通过果皮与果肉的主成分分析得分结果可以看出,PC1对不同砧木的福本脐橙的区分更为明显,PC2对不同砧木的纽荷尔脐橙的区分更为明显,而这两个主成分对斯宾诺索红橘的区分程度都较低。即不同砧木对纽荷尔脐橙果实物质组成的影响明显,对福本脐橙的影响更明显,而对斯宾诺索红橘果实物质组成的影响不明显。砧木对接穗的综合影响程度表现为福本脐橙>纽荷尔脐橙>斯宾诺索红橘,且在果皮与果肉上的结果一致。

不同砧木的柑橘果实物质会被区分开,这说明不同砧木之间柑橘果实的主要化学成分存在差异。而造成不同砧木柑橘果皮和果肉出现差异的物质不完全相同。对于果皮而言,造成差异的物质主要为蛋白质、多糖以及含有C=C的物质。而造成果肉差异的物质主要为蛋白质、多糖以及含有C-CH3基团、C-O的物质。即这些物质以多糖、蛋白质、含有C=O的物质、含有C-CH3基团、含有C=C的物质为主。

综上所述,对于柑橘而言,不同砧木对不同品种的果实物质组成所造成的影响以及影响程度是不同的,且造成这种影响的物质类型不同,同时不同砧木对果实不同部位物质组成造成的影响也不同。