叶面施用色氨酸对番茄果实品质的改良效应

赵海亮，左璐，侯雷平*，刘柯辉，3，刘勤，霍志勇，张毅，王玉萍*

（1.山西农业大学 园艺学院，山西太谷030801；2.山西省设施蔬菜协同创新中心，山西 太谷030801；3.河南恒拓实业有限公司，河南 南阳473000）

作为一种重要的蔬菜作物，番茄（Solanum lycopersicum）已成为人们餐桌上不可或缺的部分。为了保证番茄的四季供应，近年来设施番茄的种植比重一直处于较高水平；然而人们普遍认为设施番茄的口感风味却远不如露地番茄［1］。有研究表明，番茄的口感风味是番茄果实中可溶性糖、有机酸、糖酸比、可溶性蛋白等品质指标综合作用的结果［2］。因此综合提高番茄果实各类品质指标，是目前实现设施番茄优质生产的一条重要途径。

色氨酸根据其旋光性可分为L-色氨酸与D-色氨酸，L-色氨酸参与了蛋白质合成，而D-色氨酸则以游离态或结合态的形式存在于植物体内，且D-色氨酸含量要远低于L-色氨酸［3］。氨基酸是通过膜上载体的转运进入植物体内，这一过程属于主动运输的范畴；转运载体对于氨基酸的选择具有较强的专一性，研究表明植物主要吸收转运L-型氨基酸，少量D-型氨基酸进入植物体内也可以部分转化为L-型氨基酸［3，4］。植物体内的L-色氨酸不仅参与了蛋白质合成与分解，还是生长素、褪黑素等重要活性物质合成的前体物质［5，6］。

植物体内生长素的合成根据是否以色氨酸为合成底物，可以分为非依赖色氨酸途径与依赖色氨酸途径［3］。依赖色氨酸的合成途径包括4条支路：吲哚丙酮酸（IPA）途径、吲哚乙酰胺（IAM）途径、吲哚乙醛肟（IAOx）途径和色胺途径，其中IPA途径是植物体内生长素合成的主要途径［7］。作为一种重要的植物生长激素，生长素几乎参与了植物整个生命周期的各项生命过程，如种子的萌发、根系发育、叶序分化、维管束分化、花芽分化、果实发育等［8～10］。王卫平等［11～13］研究发现外源喷施吲哚-3-乙酸、2，4二氯苯氧乙酸等生长素类物质可以改善番茄等园艺作物果实的品质。蒋佳等［14］研究发现外源施用褪黑素可以诱导油菜体内IAA的积累，这意味着外源施用色氨酸可能会产生生长素类似的调控效应。

褪黑素也是一种广泛存在于动植物体内的激素类物质，并且在动植物中都是以色氨酸作为合成前体［15］。在植物中，色氨酸首先在色氨酸脱羧酶的作用下产生色胺，接着色胺的C-5位点在色胺-5-羟化酶的作用下羟化形成5-羟色胺，然后在5-羟色胺N-乙酰基转移酶催化下形成N-乙酰基-5-羟色胺，最后在N-乙酰基-5-羟色胺-甲基转移酶的作用下形成褪黑素［16］。褪黑素对植物生长发育的调控作用会产生类似于生长素的作用效应，虽然在根系等形态发育方面的调控强度要弱于生长素［17］，但是褪黑素在增强植物抗逆方面表现突出。已有的研究表明，褪黑素可以改善植物在干旱、盐胁迫、水分胁迫、低温、高温等非生物逆境胁迫 下 的 生理 活 性 状 态［15，18，19］。杜天 浩 等［20］的 研究发现，盐胁迫下施用褪黑素不仅可以缓解逆境对番茄植株的伤害，而且还可以改善番茄品质。因此施用褪黑素的合成前体-色氨酸也有可能会改善番茄果实品质。

尽管在一定浓度范围内施用生长素和褪黑素来生产园艺产品符合食品安全的要求，但是由于生长素和褪黑素都属于激素类物质，大众普遍对其具有排斥情绪。而色氨酸属于氨基酸类物质，是合成蛋白质的重要原料，大众对其具有较高的接受度。因此通过施用色氨酸来改善园艺产品的品质具有广阔的市场前景。本研究通过叶面喷施色氨酸，探究色氨酸是否会影响番茄品质，并系统研究色氨酸对番茄果实品质的调控效应，以期探索一条改善设施番茄果实品质的新途径。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2019年4～8月在山西农业大学园艺学院园艺站开展。试验选用山西主栽品种“粉霸”番茄，共设6个处理：CK、S100、S200、S300、S400、S500，每个处理90株番茄，设定3次重复，随机区组排列。当番茄果实进入膨大期时，处理S100、S200、S300、S400、S500分别叶面喷施浓度为100、200、300、400、500 mg·L-1的色氨酸溶液，CK喷施清水（喷施时间的间隔为10 d，共施用5次）。各处理于花后60 d随机选取各处理第二穗果10个，采用四分之一取样法，将各处理果实混匀后用于品质指标测定。

1.2 测定方法

1.2.1 品质指标测定

可溶性固形物采用PAL-1数显折射仪测定，可溶性糖采用蒽酮比色法，可滴定酸采用酸碱滴定法，糖酸比=可溶性糖含量/可滴定酸含量，可溶性蛋白采用考马斯亮蓝G-250染色法［21］；Vc采用钼蓝比色法测定［22］；番茄红素采用石油醚浸提比色法［23］。

1.2.2 氨基酸、生长素及褪黑素含量测定

果实样品匀浆液氮冻存后采用冷冻干燥机低温干燥处理48 h。称0.1 g冻干样品于2%磺基水杨酸溶液中4℃浸提过夜12 h，4℃条件下12000 r·min-1离心20 min，上清液移至加有4 mL 0.02 mol·L-1HCL溶液的离心管中，混匀后用0.45μm水性滤膜过滤，滤液用L-8900氨基酸分析仪参照何子顺等的分析条件进行氨基酸含量测定［24］。生长素（IAA）与褪黑素采用酶联免疫吸附法测定［25，26］。

1.3 统计分析

试验数据采用Spass 20.0进行差异显著性分析（P＜0.05），采用Excel 2016制图。

2 结果与分析

2.1 色氨酸处理对番茄果实可溶性糖、可滴定酸、糖酸比的影响

如图1A所示，施用外源色氨酸会引起番茄可溶性糖含量的升高，但除S200、S300外，其余浓度的色氨酸处理与CK相比差异不显著。S200、S300番茄果实中的可溶性糖含量分别比CK提高了52.9%和15.9%，这说明促进番茄果实可溶性糖积累的色氨酸施用浓度在200～300 mg·L-1左右。

施用200～500 mg·L-1色氨酸导致番茄果实可滴定酸含量显著下降（图1B），变化趋势表现为随着色氨酸施用浓度的升高，番茄果实可滴定酸含量的下降幅度也在增大。除S100与CK相比差异不显著外，S200、S300、S400、S500中的可滴定酸含量分别比CK降低了23.8%、26.2%、33.3%、34.5%；而S400与S500相比差异不显著，说明导致番茄果实可滴定酸含量下降幅度最大的色氨酸施用浓度在500 mg·L-1左右。

糖酸比是衡量番茄果实酸甜口感的关键指标，试验结果表明，除S100与CK差异不显著外，其余浓度的色氨酸处理均会导致番茄果实糖酸比大幅上升（图1C），当色氨酸施用浓度在200～500 mg·L-1时，各处理的糖酸比表现为随着色氨酸施用浓度的升高而下降。相比CK，S200、S300、S400、S500处理的糖酸比分别比CK提高了97.2%、53.4%、45.1%、38.9%。

图1 外源色氨酸对番茄果实中可溶性糖含量（A）、可滴定酸含量（B）及糖酸比（C）的影响Fig.1 Effects of exogenous tryptophan on the contents of soluble sugar（A）and titratable acid（B），as well as the ratio of sugar and acid（C）in tomato fruits

2.2 色氨酸处理对番茄果实Vc及番茄红素含量的影响

色氨酸的施用导致番茄果实Vc含量下降，并且表现为随着色氨酸施用浓度的升高，Vc含量下降幅度进一步增大（图2A）。相较于CK，S100、S200、S300、S400、S500中Vc含 量 分 别 下 降 了8.6%、9.9%、10.8%、15.8%、17.3%；其中S400、S500的Vc含量与CK相比，差异显著（P＜0.05）。

叶面喷施色氨酸有利于番茄果实中番茄红素的积累（图2B），并且呈现明显的浓度效应，当色氨酸喷施浓度低于200 mg·L-1时，果实中番茄红素含量随着施用浓度的增大而升高，当喷施浓度高于200 mg·L-1时，番茄红素的含量随着施用浓度的升高而略有下降。相比CK，S100、S200、S300、S400、S500中Vc含量分别升高了31.6%、37.6%、25.2%、25.2%、23.9%，并且所有色氨酸处理组与CK的差异均达到显著性水平（P＜0.05），但色氨酸处理各组之间的差异不显著。

图2 外源色氨酸对番茄果实中Vc含量（A）、番茄红素含量（B）的影响Fig.2 Effects of exogenous tryptophan on the contents of Vc（A）and lycopene（B）in tomato fruits

2.3 色氨酸处理对番茄果实可溶性蛋白含量的影响

叶面喷施色氨酸对番茄果实可溶性蛋白的影响呈现明显的浓度效应，具体表现为低浓度的色氨酸对果实可溶性蛋白的积累有促进效应，且促进效应随着色氨酸施用浓度的升高而降低；而高浓度的色氨酸则会降低果实中的可溶性蛋白含量（图3）。相比CK，S100、S200、S300的可溶性蛋白含量分别提高了33.9%、21.6%、13.3%，而S400、S500中可溶性蛋白的含量则分别下降了22.6%和21.4%；并且所有色氨酸处理与CK之间的差异达到显著水平（P＜0.05）。以上数据说明施用100 mg·L-1左右的色氨酸对番茄果实中可溶性蛋白积累的促进作用最大。

图3 外源色氨酸对番茄果实中可溶性蛋白含量的影响Fig.3 Effects of exogenous tryptophan on the contents of soluble protein in tomato fruits

2.4 色氨酸处理对番茄果实可溶性固形物含量的影响

番茄果实中的可溶性固形物含量随色氨酸施用浓度的升高表现为先升高后降低，并略有波动（图4）。与对照相比，S200与S300处理的可溶性固形物含量分别提升了8.7%和5.5%，而S400却下降了7.9%；并且3个色氨酸处理与对照的差异达到显著性水平（P＜0.05）。S100与S500中可溶性固形物含量相比CK分别下降了1.6%和3.9%，但3个处理间的差异不显著。以上数据表明，叶面喷施200～300 mg·L-1的色氨酸溶液有利于番茄可溶性固形物含量的提升。

图4 外源色氨酸对番茄果实中可溶性固形物含量的影响Fig.4 Effects of exogenous tryptophan on the contents of soluble solid in tomato fruits

2.5 色氨酸处理对番茄果实游离氨基酸含量与组成的影响

叶面喷施色氨酸导致番茄果实中的17种氨基酸含量发生明显变化（表1），其中天冬氨酸、苏氨酸、丝氨酸、谷氨酸、甘氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸、精氨酸、脯氨酸等10种氨基酸的含量均严格表现为随着色氨酸施用浓度的升高而下降，并且除S100处理的苯丙氨酸外，其余所有色氨酸处理中的这10种氨基酸含量与CK相比，差异均达到显著水平。胱氨酸、异亮氨酸及亮氨酸含量除S100与CK相比差异不显著外，其余处理均显著低于CK，且3种氨基酸的含量随着色氨酸施用浓度的升高而下降。施用100 mg·L-1的色氨酸可以导致番茄果实中丙氨酸、缬氨酸、酪氨酸含量分别比CK升高21.9%、25.3%、23.4%，并且差异达到显著水平；但当增大色氨酸的施用浓度却会导致这3种氨基酸含量的剧烈下降。接下来对氨基酸组成的分析表明（表2），17种氨基酸的总含量、非必需氨基酸含量、鲜味氨基酸含量、甜味氨基酸含量、苦味氨基酸均随着外源色氨酸施用浓度的升高而梯度下降。芳香族氨基酸的含量除S100与CK差异不显著外，其余处理均显著低于CK，并且也表现为随着外源色氨酸施用浓度的升高而梯度下降。接下来本研究对各类型氨基酸的占比进行了分析，结果表明必需氨基酸、苦味氨基酸及芳香族氨基酸等3类氨基酸含量占氨基酸总含量的比值表现为先是随着外源色氨酸喷施浓度的升高而升高；当色氨酸施用浓度高于400 mg·L-1后，这3类氨基酸的占比又略微下降，但仍高于CK。非必需氨基酸、鲜味氨基酸、甜味氨基酸等3类氨基酸的各自占比均因外源色氨酸的施用而下降。

表1 外源色氨酸对番茄果实游离色氨酸含量的影响Table1 Effects of exogenous tryptophan on the contents of free amino acid in tomato fruits 单位：mg·g-1

表2 外源色氨酸对番茄果实游离氨基酸组成的影响Table2 Effects of exogenous tryptophan on the constitution of free amino acid in tomato fruits

2.6 色氨酸处理对番茄果实IAA及褪黑素含量的影响

叶面喷施色氨酸在一定程度上提高了番茄果实中IAA水平。色氨酸处理果实中的IAA含量相比CK提高了11.6%～18.7%，除S100外，其余色氨酸处理中IAA含量与CK之间的差异显著，不同色氨酸处理间的差异不显著（图5A）。叶面喷施色氨酸诱使番茄果实中褪黑素的含量较CK提高7.6%～26.3%，色氨酸施用浓度为200～500 mg·L-1时，各处理果实中褪黑素的水平与CK之间的差异达到显著水平（图5B）。

图5 外源色氨酸对番茄果实中IAA含量（A）、褪黑素素含量（B）的影响Fig.5 Effects of exogenous tryptophan on the contents of IAA（A）and melatonin（B）in tomato fruits

3 讨论

番茄果实的品质风味受多种因素的影响，其中甜味与酸味是决定其口感的重要品质指标。番茄中甜味主要取决于果实中可溶性糖含量的高低，而番茄果实中的可溶性糖则主要包括果糖、葡萄糖以及蔗糖［11，27］。王卫平［11］研究表明花期施用外源生长素类物质可以降低番茄果实中果糖激酶的活性，促进果糖的积累。Sun等［28］研究表明，外源施用褪黑素会引起番茄果实己糖激酶（PK 2）与丙酮酸激酶（PK 2）蛋白丰度的下降，从而减弱葡萄糖的磷酸化反应。本研究结果表明果实膨大期施用200～300 mg·L-1色氨酸可以提高番茄可溶性糖含量，这可能与色氨酸进入植物体内后促进了IAA与褪黑素的积累，进而影响了番茄果实的糖代谢进程有关。酸度的强弱也是影响番茄品质风味的重要指标之一，试验结果表明，色氨酸的应用导致番茄果实可滴定酸含量显著下降。杜天浩等［20］研究发现，外源施用褪黑素也会导致番茄果实可滴定酸含量的下降。蛋白组学的研究表明，褪黑素会降低磷酸烯醇式丙酮酸激酶（PEPC）的表达丰度而提高苹果酸脱氢酶的表达丰度［28］。这意味着色氨酸的施用可能提高了番茄内源褪黑素的水平，因此抑制了苹果酸的生成，并加速了苹果酸的转化，从而导致果实酸度下降。番茄果实的口感不仅受果实中糖和酸的绝对含量的影响，更是决定于二者的强度比值。本试验的结果表明，当色氨酸施用浓度在200～500 mg·L-1时，均会显著提高番茄果实的糖酸比。

番茄红素是一种类胡萝卜素，具有较强的抗氧化性，其含量的高低不仅会影响番茄果实的着色深度，而且还会影响番茄的保健价值［29，30］。已有的研究表明，褪黑素溶液浸种会提高番茄果实中番茄红素的含量［31］。本试验结果表明，叶面喷施褪黑素的合成前体色氨酸也会促进番茄果实中番茄红素的积累，这可能是因为色氨酸的施用提高了番茄内源褪黑素的水平，进而促进了番茄红素的积累。Vc也具有较强的抗氧化性，然而色氨酸的施用却导致了番茄果实中Vc含量显著下降。前人的研究表明，施用褪黑素和生长素类物质普遍会促进Vc的积累［20，31］。这说明色氨酸对Vc的调控作用可能不是通过褪黑素与生长素途径来实现，但具体机制仍需进一步研究。

叶面喷施外源色氨酸也会影响番茄果实中可溶性蛋白的含量，当施用浓度在100～300 mg·L-1时，将有利于提升可溶性蛋白水平；但当施用浓度进一步升高时，则会导致可溶性蛋白含量的下降。可溶性蛋白是一类重要的渗透调节物质，对于维持细胞的渗透压具有重要的作用；因此可溶性蛋白不仅体现了番茄的营养价值，还反映植株的抗逆特性［32］。褪黑素可以提高作物的抗逆性已被广泛证明［15，18，19］，色氨酸的施用提高了内源褪黑素的水平，因此施用适当浓度的色氨酸不仅可以改善番茄果实品质，并有利于提升番茄的抗逆性。色氨酸的施用对果实中游离氨基酸的含量也产生了复杂的影响，除丙氨酸、缬氨酸、酪氨酸外，色氨酸的施用会导致其它种类氨基酸含量的下降，并显著改变了游离氨基酸的组成比例。蛋白组学研究表明，施用褪黑素会影响氨基酸代谢相关蛋白的丰度［28］。这意味着色氨酸对果实中游离氨基酸的调控可能与其代谢产物褪黑素有一定的联系。可溶性固形物在一定程度上可以反映果实品质的优劣。试验表明，施用200～300 mg·L-1的色氨酸有利于提升番茄果实可溶性固形物的含量，但色氨酸施用浓度进一步升高，却会引起可溶性固形物含量的下降。这是由于可溶性固形物包含了糖类物质、酸类物质、蛋白以及维生素等多种物质，而色氨酸对不同物质的调控规律却不一致引起的。

4 结论

综上所述，施用色氨酸会提升番茄果实生长素及褪黑素的水平，导致番茄果实中可滴定酸、Vc、氨基酸水平的下降，然而适宜浓度的色氨酸却有利于提升可溶性糖、可溶性蛋白、番茄红素、可溶性固形物的含量及糖酸比，改变各类氨基酸的组成比例。总的来说，施用200～300 mg·L-1色氨酸对番茄果实综合品质的提升效果最好。