庫爾勒香梨粗皮果礦質(zhì)元素和氨基酸的含量分析

曹藝潔,史智勇,玉蘇甫·阿不力提甫,艾沙江·買買提

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝作物研究所,烏魯木齊 830091;2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院,烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】庫爾勒香梨是薔薇科(Rosaceae)梨屬(Pyrus)新疆梨系統(tǒng)(PyrussinkiangensisYü)植物[1]、汁多甘甜,耐貯藏[2],香梨產(chǎn)業(yè)主要分布于巴音郭楞蒙古自治州和阿克蘇地區(qū)[3]。香梨粗皮果的果面凸凹不平,果皮與正常果相比較為粗糙,果肉中石細(xì)胞多,是一種生理疾病,發(fā)病率通常在20%以上,輕者癥狀只發(fā)生在萼端,重者可遍及大部分果面,影響庫爾勒香梨的風(fēng)味和品質(zhì)[4-5]。研究分析庫爾勒香梨粗皮果礦質(zhì)元素和氨基酸的含量,對研究庫爾勒香梨粗皮病與礦物質(zhì)元素和氨基酸的關(guān)系有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前主要集中在正常果和粗皮果品質(zhì)和形態(tài)差異,礦物質(zhì)元素與粗皮果形成的關(guān)系以及噴施植物生長調(diào)節(jié)劑對粗皮果形成的影響等方面[5-8],翟曉東等[8]研究發(fā)現(xiàn),香梨粗皮果的形成與土壤干旱有關(guān)。干旱影響植物對養(yǎng)分的吸收、運輸和積累,而礦質(zhì)元素在植物滲透調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用,可以提高植物的抗旱能力[9]。植物礦物質(zhì)元素和氨基酸在果樹生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)形成中起著非常重要的作用,樹體中礦物質(zhì)元素和氨基酸缺失或過量都將影響果樹的品質(zhì)和產(chǎn)量[10,11]。香梨粗皮病的發(fā)生與礦物質(zhì)元素含量相關(guān)[12]?！颈狙芯壳腥朦c】目前對香梨粗皮果的形成方面研究較少。需研究比較庫爾勒香梨粗皮果和正常果中礦物質(zhì)元素和氨基酸的差異?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以庫爾勒地區(qū)15 a生的香梨樹為材料,分析比較庫爾勒香梨粗皮果和正常果果實之間礦物質(zhì)元素和氨基酸含量的差異,并進(jìn)行主成分分析,研究影響香梨粗皮果和正常果果實發(fā)生差異的礦質(zhì)元素和氨基酸,為減少粗皮病的發(fā)病率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 材料

庫爾勒香梨果實采自于庫爾勒市阿瓦提鄉(xiāng)哈拉亞尕齊村,樹齡為15 a,株行距為5 m×6 m。于2020年香梨果實成熟期(落花后140 d)在梨園隨機取30個正常果和30個粗皮果,分別將香梨粗皮果和正常果的果肉切成1～2 mm的厚片,立即使用液氮冷凍,保存在-80℃的冰箱中,后續(xù)試驗使用。試驗過程中的香梨粗皮果和正常果均設(shè)置3組重復(fù),每個重復(fù)10個果實。圖1

注:A: 粗皮果;B:正常果

1.1.2 儀器與試劑

電感耦合等離子質(zhì)譜儀(7700X,Agilent),離心機(LG16-WA,北京京立),超低溫冰箱(Forma 900 series,Thermo Fisher Scientific),純水儀(Simplicity,Millipore),高效液相儀(1290 Ininity II series UHPLC System,Agilent),質(zhì)譜(6460 Triple Quadrupole Mass Spectrometer,Agilent),超聲儀(YM-080S,深圳市方奧微電子有限公司),研磨儀(JXSTPRP-24);甲酸、乙腈、甲醇等溶液。

1.2 方 法

1.2.1 果實樣本處理

分別稱取1 g粗皮果和正常果的果肉,并蒸干。在樣品中加入濃硝酸,于200℃下消解48 h,并蒸干。加入30%硝酸于150℃提取樣品后,加入內(nèi)標(biāo),用去離子水稀釋至。設(shè)置空白溶液:試驗過程中使用去離子水代替樣本同步進(jìn)行前處理。

1.2.2 果實礦質(zhì)元素種類含量測定

使用電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)儀測定香梨果肉礦物質(zhì)元素種類。分析送檢平臺:ICP-MS(7700X,Agilent)由上海百趣生物醫(yī)學(xué)科技有限公司檢測。

1.2.3 果實氨基酸種類含量測定

采用超高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)合分析(UHPLC-MRM-MS/MS)方法測定香梨不同類型果實中的氨基酸種類和含量,由上海阿趣生物科技有限公司檢測。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)整理使用Excle 2010,主成分分析使用SPSS25.0。主成分系數(shù)計算:各自主成分載荷向量除以各自主成分特征值的算術(shù)平方根。主成分得分計算:相應(yīng)的因子得分乘以相應(yīng)的方差的算術(shù)平方根。綜合得分計算:各成分(因子)得分與其權(quán)重的乘積加和而得出,即綜合得分=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分別表示各主成分的權(quán)重。

2 結(jié)果與分析

2.1 庫爾勒香梨果實礦物質(zhì)元素種類和含量

研究表明,從庫爾勒香梨不同類型果實樣本中共檢測出14種礦質(zhì)元素,其中有差異的礦物質(zhì)元素10個。植物生長必需的礦物質(zhì)元素5種,包括硅(Si)、鈣(Ca)、鉀(K)、磷(P)、鎂(Mg);微量元素8種,包括硼(B)、鎳(Ni)、鐵(Fe)、鉬(Mo)、鈉(Na)、銅(Cu)、錳(Mn)、鋅(Zn)。其他元素1種,硒(Se)。庫爾勒香梨正常果和粗皮果礦物質(zhì)元素具有顯著差異的共有10種,差異倍數(shù)為0.70～3.17倍,其中不同類型果實中差異倍數(shù)較大的礦質(zhì)元素為Si、B、Ni,B元素在香梨粗皮果中含量高,Na、Mg、P、K、Ca、Mn、Cu這8種礦質(zhì)元素在香梨正常果中含量高,香梨粗皮果和正常果中沒有顯著差異的礦質(zhì)元素共5種,分別為Si、Fe、Ni、Se、Mo。表1

表1 粗皮果和正常果果實礦物質(zhì) 元素含量差異Table 1 Differences in mineral element contents between rough-skinned and normal fruits(mg/kg)

2.2 庫爾勒香梨粗皮果與正常果氨基酸種類和含量差異

研究表明,從庫爾勒香梨不同類型果實中共檢測23種氨基酸。其中谷氨酸族氨基酸9種,天冬氨酸族氨基酸5種,芳香族氨基酸3種,丙酮族氨基酸2種,絲氨酸族氨基酸1種,組氨酸族氨基酸3種。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顯著差異的氨基酸有19種,其差異倍數(shù)范圍為1.11～6.61其中谷氨酸族8種,天冬氨酸族4種,芳香族3種,丙酮酸族2種,組氨酸族2種。脯氨酸、組氨酸等雜環(huán)氨基酸和鳥氨酸、瓜氨酸的非蛋白氨基酸含量在不同類型果實中的差異倍數(shù)較高。23種氨基酸在粗皮果和正常果的總量分別為37 664.837和33 102.39。其中谷氨酸族氨基酸含量分別占粗皮果和正常果氨基酸總量的10.46%和9.08%,天冬氨酸族氨基酸含量分別占粗皮果和正常果氨基酸總量的76.26%和76.87%,芳香族氨基酸含量分別占粗皮果和正常果氨基酸總量的0.27%和0.19%,丙氨酸族氨基酸含量分別占粗皮果和正常果氨基酸總量的6.30%和6.39%,絲氨酸族氨基酸含量分別占粗皮果和正常果氨基酸總量的6.31%和7.33%,絲氨酸族氨基酸含量分別占粗皮果和正常果氨基酸總量的0.40%和0.13%。天冬酰胺在粗皮果和正常果氨基酸總量中占比最高,分別占48.44%和50.84%。表2,表3

2.3 庫爾勒香梨果實中礦物質(zhì)元素主成分變化

研究表明,針對不同類型果實礦物質(zhì)含量共提取出2個成分(累計貢獻(xiàn)率≥90%且特征向量值>1),其中PC1的特征向量值為12.24,貢獻(xiàn)率為87.41%,PC2的特征向量值1.08,貢獻(xiàn)率為7.69%,PC1和PC2的累計率為95.10%,涵蓋大部分信息。前兩個主成分能夠代表最初的14個指標(biāo)來分析庫爾勒香梨兩種類型果實表型差異。其中Se、Na、K、Mg、P、Ca、Mn、Zn在PC1上有較高載荷,相關(guān)性強。B、Si、Ni、Fe、Mo、Cu在PC1上有較高載荷,相關(guān)性強。PC1中Ca、K、Na等元素的分?jǐn)?shù)較高,PC2中Se、Cu、B等元素的分?jǐn)?shù)較高。在不同類型庫爾勒香梨果實礦質(zhì)元素綜合得分中植物必需的大量元素高于微量元素,其中得分最高的為Ca元素,Si的得分最低。2種類型果實礦物質(zhì)元素按因子綜合得分排名順序為鈣Ca、Mn、K、Fe、Na、Mg、Zn、P、Cu、Mo、Se11種礦質(zhì)元素。PC1和PC2綜合得分較高的元素為Ca、Mn、K等元素,此類礦物質(zhì)元素對2種類型果實表型差異的貢獻(xiàn)較大。表4,表5

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

表3 各族氨基酸組分在總氨基酸中的比例變化Table 3 Proportions of different class of amino acids in total amino acids

表4 礦質(zhì)元素主成分總方差解釋Table 4 Explanation of the total variance in principal component analysis on mineral elements

2.4 庫爾勒香梨果實中氨基酸主成分變化

研究表明,不同類型果實中23種氨基酸含量共提取出2個主成分(提取條件:累計貢獻(xiàn)率≥90%且特征向量>1),其中PC1的特征向量值為19.65,貢獻(xiàn)率為85.42%,PC2的特征向量值為2.45,貢獻(xiàn)率為10.64%,累計貢獻(xiàn)率為96.06%,涵蓋大部分信息。前2個主成分能夠代表最初的23種氨基酸來分析庫爾勒香梨2種類型果實表型差異。其中Thr、Hyp、Orn、His、Gly和Met等18種氨基酸在PC1上有較高載荷,相關(guān)性強。Thr、3-MeHis 、Asp 、Glu和Ser在PC2上有較高載荷,相關(guān)性強。PC1中4-Hyp、Orn和His等的分?jǐn)?shù)較高,PC2中Ser、Glu、3-Mehis等的分?jǐn)?shù)較高。Thr、Ala、Hyp、Orn、His、Gly、Met、GABA、Lysine、Try 10種氨基酸綜合得分較高。表6、表7

表6 氨基酸主成分總方差解釋Table 6 Total variance interpretation o principal component analysis of amino acids

表7 庫爾勒香梨果肉氨基酸含量主成分變化Table 7 Principal component analysis of amino acids in the pulp of Korla fragrant pear

3 討 論

粗皮果的發(fā)生與樹勢、光照、營養(yǎng)及土壤水分等環(huán)境因素密切相關(guān)[4-6,8,13],粗皮果的產(chǎn)生是被非生物脅迫誘導(dǎo)的樹體對環(huán)境脅迫的積極反應(yīng)。庫爾勒香梨粗皮果形成時期,果實細(xì)胞處于迅速膨大期,可能受樹體營養(yǎng)和干旱等環(huán)境因素的影響,為了適應(yīng)逆境環(huán)境機體可能通過細(xì)胞凋亡來維持果實正常發(fā)育。研究發(fā)現(xiàn),香梨不同類型果實中所檢測出的14種礦物質(zhì)中果樹生長所需要的5種大量元素(P、K、Ca、Mg、S)及3種微量元素(Mn、Cu、Zn)在正常果中的含量顯著高于粗皮果,而B 和Si在粗皮果中積累得多。干旱條件下作物對Ca2+、P、K+的吸收嚴(yán)重受阻,即使在輕度干旱脅迫下,磷向地上部的轉(zhuǎn)運也受到嚴(yán)重限制[9,14-16]。S被認(rèn)為調(diào)控植物在正常和脅迫環(huán)境下的生長發(fā)育[15,16]。Mg2+對植物光合作用非常重要的離子,在葉綠素合成、光合產(chǎn)物的分配及能量代謝等過程中起到關(guān)鍵作用[17]。缺失上述任何一種礦物質(zhì)元素,植物的生長發(fā)育將受到極大的抑制,對作物產(chǎn)量和品質(zhì)都產(chǎn)生不利影響[18-20]。施用含這些礦物質(zhì)元素的肥料都可以減輕干旱對植物生長的不利影響[21-23]。粗皮果中這些礦物質(zhì)元素普遍顯著低于正常果,香梨果實發(fā)育后期這些礦物質(zhì)可能與粗皮果的產(chǎn)生有一定的關(guān)系。香梨粗皮果中B和Si含量明顯高于正常果,B含量過多影響果實的著色出現(xiàn)“黃果病”,影響果實品質(zhì)發(fā)生變化;硅可以參與植物葉片角質(zhì)層表皮組織里角質(zhì)-雙硅層結(jié)構(gòu)的形成,這種結(jié)構(gòu)可降低氣孔的蒸騰速率和水分或水汽的滲透,減少葉面失水,可提高植物的抗旱性,粗皮果果皮著色差有可能是果實B和Si含量過高多導(dǎo)致的[8,24]。香梨粗皮果是7月干旱所引起的,果實發(fā)育后期部分樹體或果實處于局部干旱條件下,干旱脅迫影響樹體對礦物質(zhì)元素的吸收,導(dǎo)致部分果實中礦物質(zhì)元素的缺、失,影響果實的正常發(fā)育。香梨果實中P、K、Ca、Mg、S、Mn、Cu、Zn含量的缺失和B、Si含量的過高可能是導(dǎo)致兩種果實發(fā)生差異的原因,與前人的研究結(jié)果:庫爾勒香梨粗皮果中氮、磷、鉀積累得多,而正常果中鈣、鎂、硼積累得多[25,26]有不同,可能是因為檢測手段或取樣地點不同所造成的。

外源氨基酸能顯著減輕非生物脅迫造成的傷害[3,27-29]。干旱條件下脯氨酸、天冬氨酸、絲氨酸和甘氨酸等含量增加1.5～4.5倍[30,31]。氨基酸還在黃酮類化合物、異黃酮類化合物、角質(zhì)、軟木脂,木質(zhì)素,苯丙烯,?；喟泛驮S多其他生物堿衍生物等活性物質(zhì)的合成過程中起到關(guān)鍵作用[32]。這些活性物質(zhì)作為抗氧化物質(zhì)在植物對逆境的適應(yīng)過程中起到關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用。粗皮果中黃酮類、酚類物質(zhì)含量顯著高于正常果,尤其是果皮中這些物質(zhì)的含量差異更顯著[33]。氨基酸通過三種機制在非生物脅迫耐受中發(fā)揮作用:作為滲透物質(zhì)、調(diào)節(jié)pH值或作為氮或碳儲備。果實中氨基酸含量的差異可能是導(dǎo)致兩種果實發(fā)生差異的原因之一。

4 結(jié) 論

庫爾勒香梨不同類型果實中礦物質(zhì)元素和氨基酸含量具有顯著差異,礦物質(zhì)元素中的Ca、Mn、K和氨基酸中的Thr、Ala、4-Hyp綜合的分?jǐn)?shù)較高,庫爾勒香梨不同類型果實中礦物質(zhì)元素氨基酸含量具有差異,其中植物大量元素在正常果含量高,常見蛋白質(zhì)氨基酸在粗皮果中含量高。礦物質(zhì)元素中的Ca、Mn、K和氨基酸中的Thr、Ala、4-Hyp綜合得分較高,此類物質(zhì)的含量的差異是導(dǎo)致兩種果實發(fā)生差異的原因。