水分虧缺對番茄果實外觀品質和糖酸組分的動態調控

王 瑞,劉曉奇,頡博杰,李 菊,張 丹,唐中祺,武 玥,肖雪梅,,郁繼華,

(1.甘肅農業大學 園藝學院,蘭州 730070;2.省部共建干旱生境作物學國家重點實驗室,蘭州 730070)

番茄(LycopersiconesculentumMill.)是一種非常重要的蔬菜,其種植面積逐年增加,因其含有多種維生素、有機酸、番茄紅素及碳水化合物而備受青睞[1-2]。近年來,隨著栽培管理技術的進步,番茄產量有了很大提升,但果實風味逐步變淡,明顯影響了食用口感[2]。研究表明,土壤水分對番茄的生長及品質均有顯著調控作用,過高或過低的灌水量會影響番茄的生長發育進程及品質的形成[3]。調虧灌溉作為一種新型的生理節水和栽培方式,不僅能實現節水,提高水分利用率,還能刺激植物根系生長,有利于干物質的分配,在一定程度上改善果實的風味品質[1,4]。

適度的水分虧缺能通過調節果實發育和營養物質代謝,提高果蔬的營養和風味品質。有研究表明,番茄在水分虧缺條件下糖、酸及類黃酮類物質的合成及代謝均顯著變化[5]。在適度虧水的條件下,番茄體內可溶性糖顯著增加[4,6],甜瓜果實品質明顯改善[7],草莓[8]、蘋果[9]口感明顯提升,可溶性糖含量顯著增加。劉海濤等[10]研究表明,虧缺灌溉可提高番茄果實的可溶性糖及糖酸比,且隨著水分虧缺的加重,效果愈加明顯,而單果質量、單株產量均隨著虧缺程度的加大而降低。劉明池等[11]研究表明虧缺灌溉提高了番茄果實內可溶性固形物、糖、有機酸的含量,硬度隨著水分虧缺程度加大而增加。殷韶梅等[12]通過對番茄結果期進行不同程度的虧缺灌溉試驗表明,虧缺灌溉導致番茄平均單果質量下降,但品質明顯得到改善。王歡[13]研究發現番茄品質的提高與水分虧缺時期有很大關系,番茄苗期水分虧缺對產量的影響程度最低,而在果實成熟與采摘期水分虧缺對產量的影響最大。迄今為止,水分虧缺研究大部分集中于其對番茄成熟果實品質的影響,而對果實發育與品質形成的關系及動態變化規律鮮有報道。

本試驗以‘181’番茄為材料,研究不同水分虧缺處理下,番茄果實發育過程中外觀品質和糖酸含量的動態變化,以期明確水分虧缺調控番茄果實發育和品質形成的生理機制,為建立番茄高品質栽培的合理灌溉制度提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2019年9月-2020年4月在蘭州市榆中縣李家莊田園綜合體六區3號日光溫室內進行,供試番茄品種為高糖‘181’,購于甘肅省農科院。2019-09-15播種,待植株長至三葉一心進行定植(2019-11-02)。栽培方式為基質槽式栽培(長9.0 m,寬0.4 m,深0.3 m),基質為“綠能瑞奇”,購買于甘肅省綠能科技股份有限公司。

1.2 試驗設計

試驗從第一穗果中第一個果坐果率達到80%時進行水分虧缺處理。采用隨機區組設計,共設4個處理:對照 (CK),灌水上限為90%田間持水量,下限為75%田間持水量;輕度水分虧缺(T1) 、中度水分虧缺(T2)和重度水分虧缺(T3)。處理與CK同時進行灌溉,灌溉量分別為CK的80%、60%、40%。每個處理4個(槽)重復,每槽33株。在水分處理過程中用 TRIME PICO 32水分速測儀實時監測基質含水量,含水量隨時間變化如圖1所示。灌水量由水表讀出,壓力由回水裝置控制。灌水量計算公式為:

圖1 基質含水量隨時間的變化

M=S×r×h×Q× (q1-q2)[14]

式中M為計劃灌溉量(m3),S為試驗小區面積(3.6 m2),r為基質體積質量(583.91 kg/m3),h為計劃濕潤層深度(0.2 m),Q為田間最大持水量(76.55%,體積比),q1、q2分別代表灌水上、下 限(田間持水量百分比)。各處理的灌水量如表1所示。

表1 不同處理每次灌水量

1.3 測定項目與方法

1.3.1 果實外觀品質 每槽選取6株,每個處理共計24 株,每株3個果,用游標卡尺測量果實橫徑和縱徑,并計算果形指數,果形指數為縱徑與橫徑之比[15-16],用電子天平測果實單果質量;采用GY-4-J數顯式硬度計(浙江托普云農科技股份有限公司,杭州市,中國)測定番茄果實硬度,每個樣本隨機選取5個果;采用CR-10 Plus色度計(Konina Minolta Inc.Japan)測定果實的色澤參數,每個處理隨機選取3個果,分別在每個水果的肩部、與赤道面平行的點和頂部進行測量,記錄番茄果實表面顏色參數L*、a*、b*,分別表示亮暗程度、紅綠程度和黃藍程度[17]。

1.3.2 番茄果實糖和酸組分的測定 糖組分的提取參照魏鑫等[18]的方法,并稍加改動。將待測定番茄果實洗凈,去除果蒂后切碎,準確稱取5 g,研磨至勻漿后轉移至50 mL離心管中并用超純水定容至25 mL。30 ℃下超聲振蕩60 min后置于4 ℃,10 000 r/min離心10 min,過濾。取 2 mL濾液用0.45 μm微孔水膜過濾,濾液使用高效液相色譜法(HPLC)進行測定。檢測器為安捷倫示差遮光檢測器(Aglient series 1100,USA),色譜柱LC-NH2(460 mm×250 mm),柱溫30 ℃,流動相乙腈∶水=3∶1(V∶V),流速 1.0 mL/min,進樣體積25 μL,每個處理3次重復。

有機酸組分測定參照Coelhoa等[19]的方法,并稍加改動。將待測番茄果實洗凈,去除果蒂后切碎,準確稱取5 g,磨至勻漿后轉移至50 mL離心管中,用超純水定容至25 mL。勻漿在4 ℃, 10 000 r/min 離心10 min,過濾。取2 mL濾液并用0.22 μm微孔濾膜過濾后使用高效液相色譜法(HPLC)測定。色譜條件為:使用四元梯度超快速液相色譜儀(EMpower3 2998 AcQuITY Arc,USA)進行樣品上機測定,色譜柱為Hi-PiexH(300 mm×7.7 mm);紫外檢測波長為 210 nm;流動相為0.2 mmol/L磷酸二氫鈉,流速0.5 mL/min,柱溫25 ℃,進樣體積10 μL,每處理重復3次。

2 結果與分析

2.1 水分虧缺對番茄果實發育過程中外觀品質的影響

2.1.1 對果實大小和果形指數的影響 如圖2所示,隨著坐果后時間的增加,番茄果實發育前期的單果質量快速增加,至54～58 d之后,果實大小基本不變。水分虧缺對番茄果實單果質量始終有顯著的抑制作用,坐果后30 d時達到最強,T1、T2、T3處理的番茄單果質量分別比對照減少 23.24%、 34.40%和38.59%。同一時間點的番茄單果質量均隨水分虧缺程度的增加而減少。番茄采收前(坐果后66 d)T1、T2、T3處理分別低于對照6.56%、9.84%和13.65%。番茄的果形指數在整個生育期均在0.62～0.72,水分虧缺對果形指數無顯著影響。單果質量中T3處理擬合參數最優,為0.987 2,而果形指數中T2處理擬合參數最優,為0.932 1。

圖2 不同灌水量下番茄果實單果質量和果形指數的動態變化

2.1.2 對硬度的影響 由圖3可知,番茄果實硬度在整個發育過程中呈下降趨勢,同一時間點的番茄硬度均隨水分虧缺程度的增加而增加。坐果后10～40 d各水分虧缺處理之間沒有差異。坐果后50～66 d,T3處理與對照之間差異顯著, 66 d比對照顯著增加13.21%。T3處理擬合參數更好,說明水分虧缺增加了果實硬度,尤其是重度水分虧缺。

圖3 不同灌水量下番茄果實硬度的動態變化

2.1.3 對色澤的影響 圖4顯示,隨著果實發育,番茄果實色澤參數L*值和b*值總體呈降低的趨勢,a*值從坐果后30～66 d成熟期呈上升的趨勢,整體變化呈由慢到快的趨勢,表明果皮的顏色越來越接近于紅色。同一時間點的番茄L*值均隨水分虧缺程度的增加而減小,a*值均隨水分虧缺程度的增加而增加,b*均隨水分虧缺程度的增加呈現先增加后降低趨勢,T1處理值最高。L*值坐果后10～20 d,T3處理與對照之間差異顯著。采收前(坐果后66 d) T3處理L*值顯著低于對照8.06%。a*值坐果后30 d各處理之間差異不顯著,坐果后58 d,T2、T3處理a*值為正值,相比于對照顯著增加了487.53%、614.76%。b*值坐果后10～20 d各處理之間差異不顯著,坐果后54 d,T3處理與對照之間差異顯著,顯著降低8.72%。L*值和b*值的擬合參數中較高的處理是T1,而a*值中T2處理擬合值更好。

圖4 不同灌水量下番茄果實色澤的動態變化

2.2 水分虧缺對番茄果實發育過程中糖酸組分含量的影響

2.2.1 對糖組分含量的影響 番茄果實在發育過程中蔗糖十分重要,蔗糖可以較快地改變滲透勢,較高的蔗糖積累能夠提升作物對溫度脅迫、水分脅迫的抵抗作用。如圖5所示,果糖、葡萄糖在番茄發育后期含量較高,蔗糖在生長初期含量高,其中果糖、葡萄糖含量在坐果后62 d達到最大值,蔗糖含量40 d達到最高水平。同一時間點的番茄果糖含量隨水分虧缺程度在不同生育期呈現不同變化趨勢。坐果后10～40 d各處理之間沒有顯著性差異,采收前(坐果后66 d)T1、T2、T3處理與對照之間差異顯著,分別低于對照 22.88%、17.80%和9.32%。同一時間點的番茄葡萄糖和蔗糖含量均隨水分虧缺程度在不同生育期呈現不同變化趨勢,坐果后10～30 d呈先減少后增加的趨勢,且各處理之間差異不顯著。坐果后40～62 d呈先升高后降低的趨勢,T2處理與對照之間差異顯著。坐果后10～40 d蔗糖含量呈增加的趨勢,各處理之間差異顯著。坐果后50～58 d呈現先增加后降低的趨勢,T1處理含量最高,顯著高于對照22.89%～81.85%。坐果后62～66 d呈下降趨勢,各處理與對照之間差異顯著。對照的果糖和葡萄糖含量擬合參數更好,蔗糖含量中T1處理擬合參數更好。

圖5 不同灌水量下番茄果實糖組分的動態變化

2.2.2 對酸組分含量的影響 由圖6可知,番茄果實發育過程中,檸檬酸、奎寧酸、琥珀酸和乙酸含量均呈現先增加后降低再增加的變化趨勢,莽草酸含量總體呈降低趨勢,其他有機酸組分含量均呈現先降低后升高的變化趨勢。同一時間點,果實中檸檬酸含量在坐果后10～30 d時T1處理顯著高于對照,坐果后66 d時T1處理達到最大值,較對照增加14.97%。蘋果酸含量坐果后 58 d,各處理均下降到最低,T3處理顯著低于對照。坐果后66 d時,T3處理與CK相比顯著降低 6.01%。草酸含量在坐果后40 d下降至最低,隨后升高,坐果后62～66 d,各處理之間差異顯著,T2處理顯著高于對照50%～200%。坐果后66 d各處理酒石酸含量達到最大值,且處理間差異顯著,T2處理顯著高于對照62.90%?？鼘幩岷侩S著果實的發育整體呈先增加后降低再增加的變化規律,坐果后10 d時各處理含量最低。莽草酸坐果后10 d各處理含量最高,坐果后66 d時各處理間差異顯著。琥珀酸含量的變化規律與奎寧酸相似,但其輕度水分虧缺可以增加含量。富馬酸含量在坐果后66 d時達到最大值。整個果實發育過程中,CK的富馬酸含量始終最高。乙酸含量在坐果后66 d達到最大值,且處理間差異不顯著。水分虧缺均不同程度提高了酸組分的擬合度。

圖6 不同灌水量下番茄果實酸組分的動態變化

2.2.3 對可溶性總糖、有機酸含量和糖酸比的影響 由圖7可知,水分虧缺處理可增加番茄果實成熟過程中可溶性總糖的含量,坐果62 d時各處理的可溶性總糖達到最大值,番茄采收前(坐果后66 d)T1、T2、T3處理與對照之間差異顯著,分別低于對照21.96%、17.65%和6.27%。有機酸含量在坐果后10～20 d,T1處理顯著高于對照,采收前(坐果后66 d)各處理與對照之間差異顯著,T1處理顯著高于對照7.24%。水分虧缺處理在果實成熟過程中能顯著提高果實糖酸比,坐果后58 d各處理糖酸比含量最高,T2和T3處理分別顯著高于對照4.72%和8.17%,番茄采收前(坐果后66 d)各處理間差異顯著,T3處理顯著高于對照10.24%?？扇苄钥偺呛吞撬岜葦M合參數更優的是對照,總酸含量中擬合參數更好的是T1處理。

圖7 不同灌水量下番茄果實可溶性總糖、有機酸含量和糖酸比的動態變化

3 討論與結論

隨著社會的日益發展及水資源的不斷緊缺,水分虧缺與番茄果實品質提升之間的矛盾日益加劇,因此,在不降低番茄果實品質的前提下進行水分虧缺栽培成為當前栽培的主要模式。本研究發現番茄的外觀品質、單果質量、果形指數、硬度、色澤與水分虧缺息息相關。單果質量是決定產量的重要因素,岳霆等[20]研究表明設施番茄單果質量均隨生育進程的進行不斷增加,在成熟期達到最大值。劉明池等[11]研究表明虧缺灌溉降低了番茄單果質量。本研究結果與其一致,且重度水分虧缺最為明顯,主要原因是果實主要成分為水分,水分虧缺條件下顯著降低了果實中的水分含量,進而影響果實單果質量。本研究表明,水分虧缺對果形指數無顯著影響,這與趙霞等[21]研究結果一致。同時,水分虧缺提高了果實的硬度、紅綠色差和顏色飽和度。坐果后50～66 d,重度水分虧缺顯著提高了果實硬度、紅綠色差,亮度降低,與前人研究結果一致[22]。

糖、酸的含量和比例是形成果實風味品質的重要因素[23]。番茄果實中的糖類主要包括蔗糖、果糖、葡萄糖,這些糖共同決定了番茄的甜度[24-25]。番茄果實中的有機酸主要包括蘋果酸和檸檬酸,檸檬酸的酸味比蘋果酸更加濃郁,而蘋果酸則能夠增強人體口腔對甜度的感受[26]。中度水分虧缺和輕度水分虧缺均提高了番茄果實中果糖和葡萄糖含量,發育前期增加了蔗糖含量,后期降低了蔗糖含量,原因可能是適當的水分虧缺可以提高番茄果實中酸性轉化酶和中性轉化酶的活性,促進蔗糖水解為葡萄糖和果糖[27-29],從而改變果糖、葡萄糖和蔗糖的含量和比例,但這有待進一步研究[28]。一定灌水范圍內,隨灌水量的減少,果實中檸檬酸、蘋果酸的含量增加,其余酸變化趨勢不一致。張規富[30]研究發現水分虧缺處理均導致‘椪柑’和‘溫州蜜柑’兩個柑橘品種的主要有機酸濃度顯著增加,本研究結果與其一致。王麗娟等[31]研究表明水分虧缺處理提高了番茄果實中可溶性糖、有機酸的含量和糖酸比。高佳等[32]針對辣椒研究發現,結果盛期輕度水分調虧顯著提高第2次采收辣椒可溶性糖9.8%～ 10.6%。徐斌等[33]的研究證明葡萄轉色成熟期水分虧缺可使含糖量增加,降低含酸量。本研究中,坐果后10～62 d水分虧缺可以提高番茄果實總糖含量和糖酸比,但輕度水分虧缺提高有機酸含量,中度、重度虧水則降低有機酸含量。這與前人研究結果一致。整體來看,T2和T3處理的擬合效果更好。

綜上所述,水分虧缺顯著降低番茄單果質量,但對果形指數影響不顯著。中度、重度水分虧缺能夠有效改善果實色澤。重度水分虧缺在果實發育前期促進了蔗糖含量的增加,對其他品質均有負面影響。而輕度、中度水分虧缺處理均不同程度提高番茄果實品質。其中,中度水分虧缺處理在不影響果形指數、硬度和色澤的基礎上,顯著增加果實中可溶性總糖含量,維持合理的酸度,提高糖酸比,是最優的水分虧缺處理。