乙烯利调控橡胶树胶乳产量和品质的阈值分析

Threshold Analysis of Ethephon to Control the Yield and Quality of Latex of Hevea brasiliensis

摘要

分析乙烯利（ETH）、乙烯利抑制剂1-甲基环丙烯（1-MCP）和半胱氨酸（CYS）对橡胶树胶乳产量和主要品质指标的影响，并计算剂量阈值。采用优化的正交试验设计分析三因素（ETH,1-MCP,CYS），四水平（3种试剂各4个含量），共14个处理，用于涂施橡胶割面橡胶树割面，分别测定橡胶树胶乳产量、干胶含量（干含）、分子量、塑性初值、塑性保持率和门尼黏度等关键指标，并分析指标之间的相关性。结果表明，14个处理橡胶树后产量、干含等均存在显著差异。相关分析表明数均分子量与重均分子量、门尼黏度正相关，相关系数分别为0.71和0.83，与多分散性负相关，相关系数为-0.91。塑性初值与门尼黏度正相关，相关系数为0.73。多分散性与门尼黏度负相关，相关系数为-0.89。分别建立以干含等指标为核心的回归方程，计算出的乙烯利的最高体积分数是0.15%,1-MCP的最高体积分数是1.08%,CYS的质量浓度是0.41 g/L。优化的正交试验方法可有效地计算排胶调节剂的阈值，为后续试验提供理论和实践指导。

关键词

橡胶树 / 乙烯利 / 1-甲基环丙烯 / 阈值 / 相关分析

Key words

Hevea brasiliensis / ethephon / 1-methylcyclopropene / theshold / correlation analysis

0 引言

橡胶树是大戟科（Euphorbiaceae）橡胶树属（Hevea）的高大乔木，其最初来自南美洲亚马孙河流域，自20世纪后半叶以来，在中国的海南和云南引种栽培^[1]。由于我国地处热带北缘，橡胶树种植存在产量低、品质差等问题。因此，深入解析天然橡胶生物合成的调控机制和研发配套排胶调控技术是全面提升我国天然橡胶产量和品质的关键，对我国天然橡胶安全供应具有重要的战略意义。天然橡胶（顺式-1，4-聚异戊二烯）是我国重要战略物资和工业原料，主要产自巴西橡胶树（Hevea brasiliensis）。干胶的品质特性是由干胶中天然橡胶（NR）的分子结构和非橡胶物质决定^[2]。不同橡胶树品种胶乳中的干胶含量、蛋白质、磷脂、糖类和金属离子含量等生理参数存在显著差异，从而导致干胶品质特性的差异，表现出品种的独特性。因胶乳中干胶含量和非胶组分含量的不同，不同品种的生胶性能和硫化胶物理机械性能存在差异^[3]。对橡胶树品种PR107、RRIM600、热研73397、热研88-13和热研879等生胶的分子量、分子量分布及生胶塑性初值（P ₀）、塑性保持率（PRI，P _RI）和门尼黏度等研究表明，热研879生胶的数均分子量较高，分子量分布较窄，硫化胶的拉伸强度高。RRIM600生胶的塑性初值和门尼黏度较高，硫化胶的拉伸强度较低^[4]。对橡胶树品种云研77-4、云研77-2、热垦628和湛试327-13等品种在不同割胶月份胶乳生理参数和生胶性能研究表明，各测定参数在品种间存在差异，同一品种生胶的相对分子量及分子量分布、门尼黏度、6项指标及硫化胶物理机械性能在不同割胶月份间也存在显著差异^[5]。

乙烯利（ETH）可释放乙烯气体，是目前天然橡胶生产中最有效的产量刺激剂，通过促进乳管细胞中三磷酸腺苷（ATP）能量合成和延长排胶时间提高胶乳产量^[6-7]。乙烯利刺激不当和低温易引起橡胶树胶乳过度长流。我国的天然橡胶主栽区在10—12月处于低温季节，橡胶树胶乳过度长流会导致胶树养分的大量流失，甚至引发死皮和寒害^[8]。研究发现排胶过程中会引起活性氧含量激增、植物激素失衡和水分亏缺等生理现象^[9]。割胶后胶乳和水分的大量流失，首先导致割面受到失水胁迫，引发内源逆境相关激素合成，进一步导致活性氧增加，最终诱导橡胶树细胞程序性死亡，导致胶乳分子量减少和品质下降^[10]。因此，有必要在乙烯利中添加适量新型调节剂来减少高体积分数乙烯利带来的负面效应。据此，本研究采用简化的正交试验设计方案，分析乙烯利（ETH）、乙烯利抑制剂1-甲基环丙烯（1-MCP）和半胱氨酸（CYS）对橡胶树胶乳产量和主要品质指标的影响，并计算使用阈值，为橡胶树持续高产稳产提供理论指导和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用位于海南省儋州市中国热带农业科学院橡胶研究所试验场2队（19°51′51″N；109°55′63″E）橡胶树热研73397品种开割树为材料。该林段定植于2007年，2014年开割。割制为S/2 d3，即1/2树围、3 d 1刀^[11]。ETH（CAS No.：6672-87-0）、1-MCP（CAS No.：6914-76-7）和CYS（CAS No.：52-90-4）均购自中国北京默克有限公司。

1.2 试验设计

试验采用精简优化的正交试验设计（表1），ETH体积分数为0、0.5%、1.5%、2%，1-MCP体积分数为0、2.5%、5%、10%，CYS质量浓度0、0.25、0.5、1 g/L。

1.3 取样方法

田间试验选取长势均匀一致的开割橡胶树，第1天18：00在橡胶树割面涂施14种处理药剂，第2天6：00割胶采集胶乳，测定胶乳产量和干胶含量（干含），在第5天6：00割胶采集胶乳，测定胶乳数均分子量、重均分子量和塑性初值等品质指标。

1.4 测定方法

胶乳产量采用量筒测量，以烘干法测定干胶含量^[12]。分子量测定以四氢呋喃为溶剂，将10 mg样品溶解于10 mL四氢呋喃中。采用Agilent PL-220型高温凝胶渗透色谱仪，以四氢呋喃为洗脱剂、聚苯乙烯为标样绘制标准校正曲线进行测定，得到数均分子量（M _n）、重均分子量（M _w），采用M _w/M _n计算多分散系数（PDI）^[13]。塑性初值（P ₀）塑性保持率（P _RI）和门尼黏度ML（1+4） 100 ℃由上海微谱检测科技集团有限公司按照GB/T 3510—2023，GB/T 3517—2022和GB/T 1232.1—2016进行测定^[14]。

1.5 数据分析与统计

所有数据采用Excel365软件进行分析，具体分析方法为在Excel工具下拉菜单选择数据分析中选择回归，得到14个处理对产量等指标的三元二次回归方程，该方程为

y = b ₀ + b ₁ E _TH + b ₂ M _CP + b ₃ C _YS + b₄ E_{\mathrm{T}\mathrm{H}}^{\mathrm{2}} + b ₅ M_{\mathrm{C}\mathrm{P}}^{\mathrm{2}} + b ₆ C_{\mathrm{Y}\mathrm{S}}^{\mathrm{2}} + b ₇ E _TH M _CP + b ₈ E _TH C _YS + b ₉ M _CP C _YS。（1）

式中：E _TH为乙烯利的体积分数，%；M _CP为1-甲基环丙烯体积分数，%；C _YS为半胱氨酸的质量浓度，g/L；b ₁—b ₉为回归系数。

首先对方程求导数，得到如下方程组为

a ₁ E _TH+b ₁ M _CP+c ₁ C _YS=d ₁。 _（2）

a ₂ E _TH+b ₂ M _CP+c ₂ C _YS=d ₂。 _（3）

a ₃ E _TH+b ₃ M _CP+c ₃ C _YS=d ₃。 _（4）

式中：a ₁—a ₃、c ₁—c ₃、d ₁—d ₃均为回归方程系数。

进一步采用MINVERSE计算反矩阵，采用MMULT解方程，计算各种试剂的最高用量。采用OriginPro2021绘图软件（OriginLab Corporation，Northampton，MA，UNITED STATES）进行相关分析。

2 结果与分析

2.1 14种处理对橡胶树产量和干含的影响

由图1可以看出，14种处理后橡胶树胶乳产量和干含存在显著差异。橡胶产量结果显示，与TR1（对照）相比，TR3处理的产量最低，为208.33 mL，TR9处理的产量最高，达到423.33 mL。橡胶干含分析结果显示，与TR1干含相比，TR8处理的干含最低，占比为38%，TR14处理最高，占比为46.98%。

2.2 14种处理对橡胶树生胶指标的影响

由图2可以看出，TR2处理的数均分子量最低，为2.96×10⁵，TR4和TR7的数均分子量最高，为4.39×10⁵。TR10的重均分子量最低，为12.87×10⁵，TR4重均分子量最高，为14.72×10⁵。多分散系数TR7最低，为3.27×10⁵，TR2最高，为4.61×10⁵。结果表明14种处理后的胶乳分子量存在显著差异，这种差异程度可能与乙烯利体积分数有关。

由图3可以看出，TR11的塑性初值最低，为37%，TR1最高，为45%。TR10的塑性保持率最低，为79.5%，TR14最高，为89.2%。TR2门尼黏度最低，为58.9，TR4门尼黏度最高，为83.1。结果表明14个处理对塑性初值、塑性保持率和门尼黏度的影响差异显著，并且塑性初值与门尼黏度的变化趋势基本一致。

2.3 橡胶树产量和品质指标的相关分析

由图4可以看出，数据分子量与重均分子量和门尼黏度呈正相关，相关系数分别为0.711和0.83，与多分散系数负相关，相关系数为-0.91。门尼黏度与塑性初值正相关，相关系数为0.73，与多分散系数负相关，相关系数为-0.89。

2.4 3种试剂的使用阈值

采用回归方程求导数的方法可以根据不同的指标计算出3种试剂的最高使用阈值。由表2可以看出，针对干含指标，乙烯利的最高体积分数是0.15%，1-MCP的最高体积分数是1.08%，CYS的质量浓度是0.41 g/L。针对重均分子量指标，乙烯利的最高体积分数是0.84%，1-MCP的最高体积分数是1.35%，CYS的质量浓度是0.02 g/L。针对塑性初值指标，乙烯利的最高体积分数是11.48%，1-MCP的最高体积分数是18.89%，CYS的质量浓度是7.63 g/L。

3 讨论与结论

乙烯利是橡胶产业最重要的刺激剂之一，研究其作用效果和副作用是至关重要^[15]。例如，乙烯利刺激后，割线由排胶正常逐渐发展为割线内缩，胶乳黄色体破裂指数、硫醇、无机磷和蔗糖等生理参数也发生显著变化，最后导致死皮出现^[16]。剂量效应是指植物激素、农药和药品等在低剂量下具有增产作用，高剂量下产生抑制作用的现象。植物激素油菜素内酯诱导与乙烯利产量相关的黄化豌豆幼苗生长剂量依赖性的强抑制效应^[17]。施用激素剂量的草甘膦在不损害甘蔗产量和再生芽的情况下促进成熟^[18]。随着植物生理学和分子生物学的发展，对乙烯利的作用研究日益深入。例如，2%乙烯利处理两年生的橡胶树品种PB217和PB260品种，在PB217中，乙烯利处理导致胶乳细胞中HbSUT1B基因的积累高于树皮内部组织。相反，HbSUT1B基因在PB260树皮内组织中的表达强于在乳胶细胞中的表达。HbSUT1B基因转录物积累与乳胶产量增加正相关，其在品种PB217乳管细胞中的低表达进一步支持了这一观点^[19]。这说明乙烯利刺激橡胶树增产具有显著的品种特异性。本研究采用不同体积分数的乙烯利和不同体积分数的乙烯利抑制剂处理10 a割龄的橡胶树热研73397品种，处理后橡胶树产量、干含等均存在显著差异。在前人研究中采用3%乙烯利处理10年生的橡胶树热研73397品种后发现，乙烯利可能通过调节一些关键蛋白的积累来刺激乳胶的产生。橡胶延伸因子（REF）和小橡胶粒子蛋白（SRPP）亚型的磷酸化修饰可能对橡胶生物合成至关重要，小橡胶粒子可能是一个复杂的天然橡胶生物合成机器^[20]。最近，采用1.5%乙烯利处理橡胶树品种热研73397，通过转录组学和代谢组学的综合分析发现，这些差异表达的基因和差异积累的代谢物主要与氨基酸生物合成和碳水化合物代谢有关。基因和代谢物的相关性分析显示，ET刺激期间氨基酸生物合成之间存在很强的相关性^[11]。可见，分析和确定橡胶树不同品种中的最适乙烯利体积分数对生产具有重要意义。

1-MCP是乙烯利抑制剂，也是有效的抗菌剂^[21-22]。其与乙烯利存在显著的交互作用。在冷库中保存苹果添加1-MCP可延长苹果的寿命，但会抑制贮藏后成熟过程中酯类物质的再生。在1-MCP处理后，通过1次或2次增加乙烯利处理可使苹果果实中总酯的再生显著增加，达到果实增香效果^[23]。由此看出苹果总酯对乙烯利的要求较高。在乙烯利和1-MCP联合处理草莓果实成熟研究表明，草莓需要的乙烯利体积分数低，但足以调节果实成熟过程，表明草莓对乙烯利的体积分数要求低^[24]。半胱氨酸处理后果实会保持较高的抗氧化活性，具有调控次生代谢^[25]、增加保鲜^[26]和延缓采后成熟^[27]等多种功能。本研究表明，对于橡胶干胶含量指标而言，0.15%乙烯利为最高体积分数。但对于品质指标而言，需要的乙烯利体积分数高达11.48%，这在生产中会导致橡胶树大量死皮。因此，可以采用低体积分数乙烯利、1-MCP和CYS混合施用的方法增加橡胶胶乳产量，减少乙烯利的副作用。

分子量及其分布是天然橡胶的重要参数，其变化对橡胶制品的加工和物理机械性能影响很大^[28]。高分子量部分使橡胶有高弹性和强力，而低分子量部分起着增塑剂的作用使橡胶容易加工。橡胶具有一定比例的高分子量和低分子量，不同分子量的橡胶为产品生产提供了理想的力学性能和加工性能。本研究中不同处理在分子量分布上存在明显差异，TR4处理的数均分子量和重均分子量最高，多分散系数较小。而TR2处理的数均分子量最低，但多分散系数最高。这些差异与后期加工性能还需进一步地研究。本研究相关分析表明数均分子量与重均分子量、门尼黏度正相关，与多分散性负相关，塑性初值与门尼黏度正相关。在不同橡胶品系研究中也表明塑性初值与门尼黏度正相关关系^[29]。本研究建立了以干含等指标为核心的回归方程，计算出的乙烯利的最高体积分数是0.15%，1-MCP的最高体积分数是1.08%，CYS的质量浓度是0.41 g/L。这不仅可以提高橡胶产量，还有利于减少高体积分数乙烯利带来的负面影响，为天然橡胶提高产量和质量奠定理论基础和提供技术指导。

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基金资助

海南省重大科技计划项目(ZDKJ2021004)

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(1630022024004)