库尔勒香梨粗皮果矿质元素和氨基酸的含量分析

曹艺洁,史智勇,玉苏甫·阿不力提甫,艾沙江·买买提

(1.新疆农业科学院园艺作物研究所,乌鲁木齐 830091;2.新疆农业大学园艺学院,乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】库尔勒香梨是蔷薇科(Rosaceae)梨属(Pyrus)新疆梨系统(PyrussinkiangensisYü)植物[1]、汁多甘甜,耐贮藏[2],香梨产业主要分布于巴音郭楞蒙古自治州和阿克苏地区[3]。香梨粗皮果的果面凸凹不平,果皮与正常果相比较为粗糙,果肉中石细胞多,是一种生理疾病,发病率通常在20%以上,轻者症状只发生在萼端,重者可遍及大部分果面,影响库尔勒香梨的风味和品质[4-5]。研究分析库尔勒香梨粗皮果矿质元素和氨基酸的含量,对研究库尔勒香梨粗皮病与矿物质元素和氨基酸的关系有重要意义。【前人研究进展】目前主要集中在正常果和粗皮果品质和形态差异,矿物质元素与粗皮果形成的关系以及喷施植物生长调节剂对粗皮果形成的影响等方面[5-8],翟晓东等[8]研究发现,香梨粗皮果的形成与土壤干旱有关。干旱影响植物对养分的吸收、运输和积累,而矿质元素在植物渗透调节中发挥重要作用,可以提高植物的抗旱能力[9]。植物矿物质元素和氨基酸在果树生长发育、产量和品质形成中起着非常重要的作用,树体中矿物质元素和氨基酸缺失或过量都将影响果树的品质和产量[10,11]。香梨粗皮病的发生与矿物质元素含量相关[12]。【本研究切入点】目前对香梨粗皮果的形成方面研究较少。需研究比较库尔勒香梨粗皮果和正常果中矿物质元素和氨基酸的差异。【拟解决的关键问题】以库尔勒地区15 a生的香梨树为材料,分析比较库尔勒香梨粗皮果和正常果果实之间矿物质元素和氨基酸含量的差异,并进行主成分分析,研究影响香梨粗皮果和正常果果实发生差异的矿质元素和氨基酸,为减少粗皮病的发病率提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

1.1.1 材料

库尔勒香梨果实采自于库尔勒市阿瓦提乡哈拉亚尕齐村,树龄为15 a,株行距为5 m×6 m。于2020年香梨果实成熟期(落花后140 d)在梨园随机取30个正常果和30个粗皮果,分别将香梨粗皮果和正常果的果肉切成1～2 mm的厚片,立即使用液氮冷冻,保存在-80℃的冰箱中,后续试验使用。试验过程中的香梨粗皮果和正常果均设置3组重复,每个重复10个果实。图1

注:A: 粗皮果;B:正常果

1.1.2 仪器与试剂

电感耦合等离子质谱仪(7700X,Agilent),离心机(LG16-WA,北京京立),超低温冰箱(Forma 900 series,Thermo Fisher Scientific),纯水仪(Simplicity,Millipore),高效液相仪(1290 Ininity II series UHPLC System,Agilent),质谱(6460 Triple Quadrupole Mass Spectrometer,Agilent),超声仪(YM-080S,深圳市方奥微电子有限公司),研磨仪(JXSTPRP-24);甲酸、乙腈、甲醇等溶液。

1.2 方 法

1.2.1 果实样本处理

分别称取1 g粗皮果和正常果的果肉,并蒸干。在样品中加入浓硝酸,于200℃下消解48 h,并蒸干。加入30%硝酸于150℃提取样品后,加入内标,用去离子水稀释至。设置空白溶液:试验过程中使用去离子水代替样本同步进行前处理。

1.2.2 果实矿质元素种类含量测定

使用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)仪测定香梨果肉矿物质元素种类。分析送检平台:ICP-MS(7700X,Agilent)由上海百趣生物医学科技有限公司检测。

1.2.3 果实氨基酸种类含量测定

采用超高效液相色谱-质谱联合分析(UHPLC-MRM-MS/MS)方法测定香梨不同类型果实中的氨基酸种类和含量,由上海阿趣生物科技有限公司检测。

1.3 数据处理

数据整理使用Excle 2010,主成分分析使用SPSS25.0。主成分系数计算:各自主成分载荷向量除以各自主成分特征值的算术平方根。主成分得分计算:相应的因子得分乘以相应的方差的算术平方根。综合得分计算:各成分(因子)得分与其权重的乘积加和而得出,即综合得分=W1*主成分1得分+W2*主成分2得分+W3*主成分3得分+…Wn*主成分n得分,W1、W2、W3…Wn分别表示各主成分的权重。

2 结果与分析

2.1 库尔勒香梨果实矿物质元素种类和含量

研究表明,从库尔勒香梨不同类型果实样本中共检测出14种矿质元素,其中有差异的矿物质元素10个。植物生长必需的矿物质元素5种,包括硅(Si)、钙(Ca)、钾(K)、磷(P)、镁(Mg);微量元素8种,包括硼(B)、镍(Ni)、铁(Fe)、钼(Mo)、钠(Na)、铜(Cu)、锰(Mn)、锌(Zn)。其他元素1种,硒(Se)。库尔勒香梨正常果和粗皮果矿物质元素具有显著差异的共有10种,差异倍数为0.70～3.17倍,其中不同类型果实中差异倍数较大的矿质元素为Si、B、Ni,B元素在香梨粗皮果中含量高,Na、Mg、P、K、Ca、Mn、Cu这8种矿质元素在香梨正常果中含量高,香梨粗皮果和正常果中没有显著差异的矿质元素共5种,分别为Si、Fe、Ni、Se、Mo。表1

表1 粗皮果和正常果果实矿物质 元素含量差异Table 1 Differences in mineral element contents between rough-skinned and normal fruits(mg/kg)

2.2 库尔勒香梨粗皮果与正常果氨基酸种类和含量差异

研究表明,从库尔勒香梨不同类型果实中共检测23种氨基酸。其中谷氨酸族氨基酸9种,天冬氨酸族氨基酸5种,芳香族氨基酸3种,丙酮族氨基酸2种,丝氨酸族氨基酸1种,组氨酸族氨基酸3种。粗皮果中氨基酸的含量普遍高于正常果,其中在香梨粗皮果和正常果中有显著差异的氨基酸有19种,其差异倍数范围为1.11～6.61其中谷氨酸族8种,天冬氨酸族4种,芳香族3种,丙酮酸族2种,组氨酸族2种。脯氨酸、组氨酸等杂环氨基酸和鸟氨酸、瓜氨酸的非蛋白氨基酸含量在不同类型果实中的差异倍数较高。23种氨基酸在粗皮果和正常果的总量分别为37 664.837和33 102.39。其中谷氨酸族氨基酸含量分别占粗皮果和正常果氨基酸总量的10.46%和9.08%,天冬氨酸族氨基酸含量分别占粗皮果和正常果氨基酸总量的76.26%和76.87%,芳香族氨基酸含量分别占粗皮果和正常果氨基酸总量的0.27%和0.19%,丙氨酸族氨基酸含量分别占粗皮果和正常果氨基酸总量的6.30%和6.39%,丝氨酸族氨基酸含量分别占粗皮果和正常果氨基酸总量的6.31%和7.33%,丝氨酸族氨基酸含量分别占粗皮果和正常果氨基酸总量的0.40%和0.13%。天冬酰胺在粗皮果和正常果氨基酸总量中占比最高,分别占48.44%和50.84%。表2,表3

2.3 库尔勒香梨果实中矿物质元素主成分变化

研究表明,针对不同类型果实矿物质含量共提取出2个成分(累计贡献率≥90%且特征向量值>1),其中PC1的特征向量值为12.24,贡献率为87.41%,PC2的特征向量值1.08,贡献率为7.69%,PC1和PC2的累计率为95.10%,涵盖大部分信息。前两个主成分能够代表最初的14个指标来分析库尔勒香梨两种类型果实表型差异。其中Se、Na、K、Mg、P、Ca、Mn、Zn在PC1上有较高载荷,相关性强。B、Si、Ni、Fe、Mo、Cu在PC1上有较高载荷,相关性强。PC1中Ca、K、Na等元素的分数较高,PC2中Se、Cu、B等元素的分数较高。在不同类型库尔勒香梨果实矿质元素综合得分中植物必需的大量元素高于微量元素,其中得分最高的为Ca元素,Si的得分最低。2种类型果实矿物质元素按因子综合得分排名顺序为钙Ca、Mn、K、Fe、Na、Mg、Zn、P、Cu、Mo、Se11种矿质元素。PC1和PC2综合得分较高的元素为Ca、Mn、K等元素,此类矿物质元素对2种类型果实表型差异的贡献较大。表4,表5

表 2 粗皮果和正常果果实氨基酸含量差异Table 2 Differences in amino acid contents between rough-skinned and normal fruit(nmol/L)

表3 各族氨基酸组分在总氨基酸中的比例变化Table 3 Proportions of different class of amino acids in total amino acids

表4 矿质元素主成分总方差解释Table 4 Explanation of the total variance in principal component analysis on mineral elements

2.4 库尔勒香梨果实中氨基酸主成分变化

研究表明,不同类型果实中23种氨基酸含量共提取出2个主成分(提取条件:累计贡献率≥90%且特征向量>1),其中PC1的特征向量值为19.65,贡献率为85.42%,PC2的特征向量值为2.45,贡献率为10.64%,累计贡献率为96.06%,涵盖大部分信息。前2个主成分能够代表最初的23种氨基酸来分析库尔勒香梨2种类型果实表型差异。其中Thr、Hyp、Orn、His、Gly和Met等18种氨基酸在PC1上有较高载荷,相关性强。Thr、3-MeHis 、Asp 、Glu和Ser在PC2上有较高载荷,相关性强。PC1中4-Hyp、Orn和His等的分数较高,PC2中Ser、Glu、3-Mehis等的分数较高。Thr、Ala、Hyp、Orn、His、Gly、Met、GABA、Lysine、Try 10种氨基酸综合得分较高。表6、表7

表6 氨基酸主成分总方差解释Table 6 Total variance interpretation o principal component analysis of amino acids

表7 库尔勒香梨果肉氨基酸含量主成分变化Table 7 Principal component analysis of amino acids in the pulp of Korla fragrant pear

3 讨 论

粗皮果的发生与树势、光照、营养及土壤水分等环境因素密切相关[4-6,8,13],粗皮果的产生是被非生物胁迫诱导的树体对环境胁迫的积极反应。库尔勒香梨粗皮果形成时期,果实细胞处于迅速膨大期,可能受树体营养和干旱等环境因素的影响,为了适应逆境环境机体可能通过细胞凋亡来维持果实正常发育。研究发现,香梨不同类型果实中所检测出的14种矿物质中果树生长所需要的5种大量元素(P、K、Ca、Mg、S)及3种微量元素(Mn、Cu、Zn)在正常果中的含量显著高于粗皮果,而B 和Si在粗皮果中积累得多。干旱条件下作物对Ca2+、P、K+的吸收严重受阻,即使在轻度干旱胁迫下,磷向地上部的转运也受到严重限制[9,14-16]。S被认为调控植物在正常和胁迫环境下的生长发育[15,16]。Mg2+对植物光合作用非常重要的离子,在叶绿素合成、光合产物的分配及能量代谢等过程中起到关键作用[17]。缺失上述任何一种矿物质元素,植物的生长发育将受到极大的抑制,对作物产量和品质都产生不利影响[18-20]。施用含这些矿物质元素的肥料都可以减轻干旱对植物生长的不利影响[21-23]。粗皮果中这些矿物质元素普遍显著低于正常果,香梨果实发育后期这些矿物质可能与粗皮果的产生有一定的关系。香梨粗皮果中B和Si含量明显高于正常果,B含量过多影响果实的着色出现“黄果病”,影响果实品质发生变化;硅可以参与植物叶片角质层表皮组织里角质-双硅层结构的形成,这种结构可降低气孔的蒸腾速率和水分或水汽的渗透,减少叶面失水,可提高植物的抗旱性,粗皮果果皮着色差有可能是果实B和Si含量过高多导致的[8,24]。香梨粗皮果是7月干旱所引起的,果实发育后期部分树体或果实处于局部干旱条件下,干旱胁迫影响树体对矿物质元素的吸收,导致部分果实中矿物质元素的缺、失,影响果实的正常发育。香梨果实中P、K、Ca、Mg、S、Mn、Cu、Zn含量的缺失和B、Si含量的过高可能是导致两种果实发生差异的原因,与前人的研究结果:库尔勒香梨粗皮果中氮、磷、钾积累得多,而正常果中钙、镁、硼积累得多[25,26]有不同,可能是因为检测手段或取样地点不同所造成的。

外源氨基酸能显著减轻非生物胁迫造成的伤害[3,27-29]。干旱条件下脯氨酸、天冬氨酸、丝氨酸和甘氨酸等含量增加1.5～4.5倍[30,31]。氨基酸还在黄酮类化合物、异黄酮类化合物、角质、软木脂,木质素,苯丙烯,酰化多胺和许多其他生物碱衍生物等活性物质的合成过程中起到关键作用[32]。这些活性物质作为抗氧化物质在植物对逆境的适应过程中起到关键调节作用。粗皮果中黄酮类、酚类物质含量显著高于正常果,尤其是果皮中这些物质的含量差异更显著[33]。氨基酸通过三种机制在非生物胁迫耐受中发挥作用:作为渗透物质、调节pH值或作为氮或碳储备。果实中氨基酸含量的差异可能是导致两种果实发生差异的原因之一。

4 结 论

库尔勒香梨不同类型果实中矿物质元素和氨基酸含量具有显著差异,矿物质元素中的Ca、Mn、K和氨基酸中的Thr、Ala、4-Hyp综合的分数较高,库尔勒香梨不同类型果实中矿物质元素氨基酸含量具有差异,其中植物大量元素在正常果含量高,常见蛋白质氨基酸在粗皮果中含量高。矿物质元素中的Ca、Mn、K和氨基酸中的Thr、Ala、4-Hyp综合得分较高,此类物质的含量的差异是导致两种果实发生差异的原因。