阿克苏冰糖心苹果初生代谢物及矿质元素特征研究

贾亚男，张亚若，童盼盼，王江波,3*

（1塔里木大学植物科学学院，新疆 阿拉尔 843300）

（2南疆特色果树高效优质栽培与深加工技术国家地方联合工程实验室，新疆 阿拉尔 843300）

（3塔里木盆地生物资源保护利用兵团重点实验室，新疆 阿拉尔 843300）

苹果（Malus pumila）为蔷薇科苹果属多年生木本植物，居世界四大水果之冠[1]。中国是世界上最大的苹果生产国和消费国[2]。红富士苹果由于口感好、耐贮藏、外观好成为我国的主栽品种。阿克苏地区因海拔高，昼夜温差大、光照充足的气候特点，在红富士苹果果心周围呈一圈半透明状，因此该特征的红富士苹果又被称为冰糖心苹果，深受国内外消费者的喜爱[2-3]。据统计，2016年新疆阿克苏地区苹果产量达到4.20×105t，占全疆产量的36.17%[4]。2017年，阿克苏地区红富士苹果栽培面积已达到2.59×104hm2，其中红旗坡农场 1.10×104hm2、温宿县6.90×103hm2、阿克苏市6.10×103hm2，形成了以红旗坡农场、阿克苏市及周边、温宿县为主的阿克苏冰糖心苹果最佳核心种植区[5]。

初生代谢物为植物生长、发育和生殖提供基础的代谢物质和能量[6]，其中糖、有机酸和氨基酸等初生代谢物的含量常被用作评价果实品质的重要指标[7]。徐爱红等[8]发现不同授粉处理影响富士苹果果实中有机酸、苹果酸及柠檬酸的含量，进而影响果实风味品质。张弦[9]研究发现，苹果果实中苹果酸的含量随K含量上升而减少。

矿质元素是果树生长发育、产量形成和品质提高的物质基础[9]，闫忠业等[10]研究表明，富士果实中的Ca、K含量始终高于福岛短枝富士。王磊彬等[11]通过对富士苹果果实品质特性与矿质元素含量的相关分析和通径分析认为果实中矿质元素N、P、K、Mg对果实品质的形成影响较大。研究者针对不同土壤肥力[12]、不同激素[13]、不同采收期[14]、不同贮藏方式[15-16]对阿克苏富士苹果果实品质进行了研究，认为冰糖心苹果的糖心形成可能与Ca元素失调有关[17-18]；周小魏等[19]研究表明“糖心”果实的蔗糖和山梨醇含量分别是“无糖心”果实的1.8倍和1.4倍，且Ca、Cu、Zn、Si、Fe、B含量均高于“无糖心”果实，Mg元素含量低于“无糖心”苹果。

冰糖心苹果初生代谢产物和矿质元素对苹果果实的生理代谢具有极其重要的调控作用，而阿克苏冰糖心苹果初生代谢和矿质元素共同积累特征还未见报道，有关苹果冰糖心的形成及其内在的代谢机理仍不明确。研究冰糖心苹果糖心组织与非糖心组织之间初生代谢物含量和矿质元素含量的差异，有利于进一步探寻果实冰糖心的形成机理和糖心形成过程中特殊的代谢机制，为苹果选育工作中获得相关的优良性状的关键物质提供参考价值。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料采用阿克苏地区红旗坡农场苹果生产园的冰糖心苹果，树体定植24年，株行距5 m×6 m，以‘长富2号’为主栽品种，‘嘎啦’作为授粉品种，树体生长结果良好，树势较为均一。于2017年11月1日在树体中部外围四个方向均匀采果，选3株树，每株树采果30个，共采果90个。以冰盒带至实验室，并对糖心组织与非糖心组织分别进行取样，液氮速冻后保存于-80℃超低温冰箱备用。

1.2 试验方法

1.2.1 初生代谢物的测定

使用GC-MS对冰糖心苹果的糖心组织、非糖心组织的初生代谢物质进行测定，以确定冰糖心苹果初生代谢差异。

果实初生代谢物的提取：参照SHENG L等[20]的方法，并做适当修改。取果实组织约300 mg，加入液氮充分研磨成匀浆，加入2 700 μL-20℃预冷的甲醇，摇匀后加入300 μL（0.2 mg/mL-超纯水）的核糖醇内标，充分震荡至呈匀浆；将样品置于超声清洗仪中4℃超声处理15 min；70℃水浴孵育15 min，置于-20℃使溶剂冷凝；4℃，2.8×106r/min离心15 min；吸取100 μL上清液于1.5mL离心管中，30℃真空浓缩制干后置于-80℃超低温冰箱备用。

初生代谢物GC-MS分析的样品制备：真空浓缩制干的样品加入50 μL的盐酸甲氧胺（2 mg/mL溶于吡啶），50℃于真空干燥箱孵育30 min，加入50 μL BSTFA+1% TMCS（N,O-双（三甲基硅烷基）三氟乙酰胺+1% TMCS）于真空干燥箱中，60℃孵育40 min。过0.22 μm微孔滤膜，置于室温以待上样。

初生代谢物的GC-MS测定：气相色谱质谱联用仪GC-MS（Thermo，ISQ）的上样方法参照SHENG L等[20]的方法。采用DB-5MS毛细管柱（5%苯基/甲基聚硅氧烷，30 m×0.25 mm×0.25 μm，Agilents Tech⁃nologines），扫描范围：45～600 m/z，进样口温度：230℃，传输线温度：250℃，载气为高纯氦气（99.99%），载气流量：1.2 mL/min；程序升温：100℃开始，保持1 min，以3℃/min升至184℃，0.5℃/min升至190℃保持1 min，15℃/min升至280℃保持5 min；分流比为10∶1；手动上样，进样量为1 μL。

1.2.2 矿质元素的测定

冰糖心苹果的糖心组织及非糖心组织主要矿质元素含量的测定主要参考张秀芝等[21]的方法，采用HNO3-HClO4消煮法进行分析测定。

1.3 数据统计与分析方法

采用Excel 2010进行数据整理，应用IBM SPSS Statistics 20、DPS 7.0数据分析软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 冰糖心苹果的初生代谢物含量差异分析

采用GC-MS法对阿克苏冰糖心苹果的初生代谢物进行检测，共测出糖、酸、氨基酸等初生物质23种（如表1所示）。糖心组织与非糖心组织的初生代谢物中，苹果酸、蔗糖、苏糖酸的含量达到极显著差异；山梨醇、奎宁酸、苏氨酸、肌醇的含量具有显著性差异；其余初生代谢物的含量均无显著性差异。糖心组织的蔗糖含量极显著低于非糖心组织，但山梨醇含量显著高于非糖心组织，说明糖心苹果发生糖分异常积累时，主要是以山梨醇形式堆积在果实的维管束周围。糖心组织的苹果酸、苏糖酸的含量极显著低于非糖心组织，苏氨酸、肌醇的含量显著低于非糖心组织，可能是在糖心形成的过程中被消耗或者转化；奎宁酸显著高于非糖心组织，说明在糖心组织特有的代谢机制中，奎宁酸不能或是较少的被分解。

表1 糖心组织与非糖心组织的初生代谢物含量 单位：mg/kg

续表1

2.2 冰糖心苹果的矿质元素含量分析

对阿克苏冰糖心苹果的主要矿质元素含量进行检测（如表2所示）发现，糖心组织与非糖心组织N、P、K含量无显著差异，而糖心组织Ca含量极显著高于非糖心组织，这与前人研究结果不一致，说明冰糖心苹果糖分异常积累可能与果肉Ca元素代谢失调相关。

表2 糖心组织与非糖心组织的主要矿质元素含量

2.3 初生代谢物与矿质元素的相关性

阿克苏冰糖心苹果的初生代谢物与矿质元素的相关性分析（如表3所示）结果显示，Ca与苹果酸、苏氨酸存在极显著负相关，说明冰糖心苹果中Ca含量高可能会抑制苹果酸的积累；K与蔗糖和果糖呈显著正相关，与草酸、天冬氨酸含量呈极显著正相关；P与蔗糖、果糖1、草酸、亮氨酸、天冬氨酸含量呈极显著正相关，与果糖、果糖2、丝氨酸和肌醇呈显著正相关，与山梨醇含量则呈显著负相关，说明P和K可能有利于山梨醇向果糖和蔗糖转化。

表3 初生代谢物与矿质元素的相关性分析

3 讨论

3.1 初生代谢物含量对冰糖心苹果形成的影响

苹果等蔷薇科植物光合作用的产物主要以山梨醇的形式运输到果实中，在果实中山梨醇被山梨醇脱氢酶(sorbitol dehydrogenase，SDH)和山梨醇氧化酶(sorbitol oxidase，SOX)迅速转换为果糖和葡萄糖，进而脱水缩合为蔗糖，参与果实生长发育[22-24]。苹果的风味主要由果实中糖和有机酸的比例决定，冰糖心苹果优质口感还与糖心组织中极显著低的苹果酸含量有关，苹果酸是苹果中有机酸的主要成分，含量较低的苹果酸减弱了苹果的酸味，糖心组织中的含水量高且清甜的山梨醇含量高，苹果酸含量低，造成冰糖心苹果的特殊、优良的口感[23]。杜艳民等[22]研究发现糖心果实组织中山梨醇含量是正常果实组织的2.86倍，山梨醇含量的上升一定程度上诱导了冰糖心的形成。本研究中发现阿克苏冰糖心苹果的糖心组织与非糖心组织中初生代谢物含量存在一定差异性，对果糖、蔗糖、山梨醇等7种可溶性糖进行分析比较发现，糖心组织中山梨醇含量显著高于非糖心组织，蔗糖和苹果酸则相反。在糖心组织中山梨醇含量较高，推测可能是山梨醇在果实中转化受阻，山梨醇转运系统缺陷，阿克苏地区昼夜温差大，运输到果实中的山梨醇不能及时代谢转化，在细胞间隙大量积累，最终导致山梨醇在果实维管束周围积累。

3.2 矿质元素含量对冰糖心苹果形成的影响

目前多数研究认为缺Ca是“糖心”形成的诱导因子。王颖达[23]在对‘岳冠’苹果果实水心病发生研究中发现，水心病果实中Ca含量显著低于未发病果实。杜艳民等[22]结果中显示糖心组织中K和B含量显著高于非糖心组织，而Ca、Zn及Fe含量则相反。本研究中糖心组织中Ca含量则显著高于非糖心组织，与前人研究的结果不一致。在周小魏[25]的研究中，红旗坡“糖心”果实中Ca元素含量高于“无糖心”果实中Ca元素含量，此结果肯定了阿克苏冰糖心苹果并不是由于缺Ca引起的。山梨醇依靠SDH转化为果糖，有报道指出对植株施加Ca肥能显著提高SDH的活性，进而推动了山梨醇的转化，而在本文初生代谢物与矿质元素的相关性分析中显示，Ca元素与山梨醇的含量并无显著相关性。

秦伟等[26]研究结果表明矿质元素中K对新疆红富士苹果总糖含量影响最大，P次之，且P和K对总糖含量有正交互作用。申长卫[27]在研究K对梨叶片和果实糖的合成及分配的影响中发现，K利于梨叶片和果实中山梨醇、果糖、葡萄糖和蔗糖的积累。本研究表明，K和P含量在糖心和非糖心组织中并无显著差异，但相关性分析表明K和P含量的升高会降低山梨醇含量，利于果糖和蔗糖积累，其中P含量对糖代谢的影响较大。

3.3 初生代谢物与矿质元素之间的关系

矿质元素的积累决定了初生代谢物积累特征，多数研究发现Ca元素的积累调控山梨醇的含量。山梨醇的含量随着Ca含量上升呈下降的趋势，王颖达[23]发现喷施少量钙肥有利于增加‘岳冠’苹果果实中基因MdSOT3和MdSOT4的表达量，加快山梨醇的转运，减少其在细胞间堆积。张新生等[28]在研究中表明苹果果梗中草酸与充足Ca反应形成的草酸钙能够减少或阻止山梨醇的运输，在缺Ca或低Ca下则不存在这种阻碍。本试验中发现糖心组织中山梨醇含量和Ca含量均高于非糖心组织，但两者之间相关性并不显著。

张雯[29]对‘嘎啦’M26苹果果实品质及糖代谢进行研究，结果发现K元素能够间接影响果实中蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合酶活性，进而促进蔗糖和果糖的生成。温志静[30]研究发现在苹果果实发育过程中，施K能提高果实中山梨醇含量，降低果糖、葡萄糖和蔗糖的含量。王国义[31]在主产区苹果园矿质营养与果实品质研究中发现，苹果叶片和土壤中P均与苹果果实有机酸呈显著正相关，其中土壤P与果实中的糖也存在正相关。本研究发现K和P对蔗糖和果糖的含量影响较大，其中P与蔗糖和果糖相关系数最大且与山梨醇呈显著负相关。本文认为在糖代谢过程中，P含量的增加，促使果实中山梨醇向果糖和葡萄糖的分解速率加快，进一步推动蔗糖的合成，最终导致山梨醇含量降低，果糖和蔗糖的含量升高，进而推测P可能与糖心形成有一定的联系。

4 结论

与非糖心组织相比，糖心组织初生代谢物中山梨醇含量较高，而苹果酸和蔗糖的含量则显著较低，验证了山梨醇含量在一定程度上利于糖心形成，同时也是冰糖心苹果口感优越的原因；糖心组织的矿质元素中Ca元素含量显著高于非糖心组织，证实了糖心的形成并不是缺Ca引起的。P和K与果糖、蔗糖显著相关，其中P与果糖和蔗糖呈极显著正相关，与山梨醇则呈显著负相关，认为P与阿克苏冰糖心苹果中糖心形成可能存在某种相关性。