天然橡胶与合成橡胶相比,在通用性能、抗撕裂性能等方面表现优良,在军工和国民经济建设中起着不可或缺的作用,是重要的工业原料和不可替代的战略资源。商用天然橡胶99%来源于巴西橡胶树,通过获取其胶乳加工而成[1]。新鲜胶乳一般呈白色,是一种胶体的复合物,其物理性质、化学组成和胶态化学结构都非常复杂。胶乳除大量的水、橡胶烃外,还存在5%~8%的非橡胶组分,如蛋白质、脂类、糖、无机盐等[2]。这些非胶组分对天然橡胶,特别是硫化后的天然橡胶物理性质有不容忽视的影响[3],其中无机盐对胶乳稳定性、老化性能、酶活性等重要影响[4]。灰分是存在于天然橡胶的无机盐（钾、钠、钙、镁、铝等元素的磷酸或硫酸盐）和杂质等的燃烧产物,是天然橡胶常规的化学检测项目,也是重要的质量指标之一[5],天然生胶技术分级橡胶（TSR）对灰分含量要求不高于1.00%[6]。天然橡胶分子链中有大量不饱和碳碳双键,在紫外光、热、氧气、臭氧、应力和金属离子条件下,极易发生老化,老化后的天然橡胶使用性能下降[7]。早有研究注意到铜、锰、铁对橡胶氧化性有影响[8],铜、锰、铁等金属及其盐类可以催化天然橡胶氧化和热降解,加速氧化过程的引发,引起天然橡胶耐老化性能明显下降[9,10,11]。
植胶业一直在我国热区种植业中占有独特而重要的地位。橡胶树种质资源是育种、生物科学研究和植胶生产的基础,为我国橡胶树品种良种化和产业发展升级提供了重大支撑。受我国天然橡胶工业发展对原料巨大需求的引导,长期以来,鉴定评价重点一直在产量、抗逆性、抗病虫性等方面[12]。华元刚等[13]研究了不同施肥处理对天然橡胶胶乳及生胶性能的影响,发现N、P、K、Mg肥料施用对制品性能有一定影响。但对于原生胶乳组分和特性方面的遗传性状和指标体系一直处于空白。本研究对不同来源的13份橡胶树种质原生胶乳中的Cu、Mn、Fe、Ca、Mg 5种离子进行分析,探讨其年度变化规律以及遗传特性,以期为橡胶树种质资源胶乳特性鉴定性状的建立、橡胶树选育种和天然橡胶加工等提供依据。
1 材料与方法
1.1 材料
试验材料为中国热带农业科学院试验场三队国家橡胶树种质资源圃鉴定评价基地2008年定植的种质。参试种质13份,其中少花橡胶1份、光亮矮生橡胶1份、巴西橡胶野生种3份（AC/F/6B 40/110、AC/S/12 42/543、AC/S/11 41/298）、巴西橡胶栽培种8份,见表1。这些种质种植集中,基本连片,具有较好的气候、土壤的均一性,且由同一胶工割胶,抚管、割胶条件基本一致,未使用刺激剂。
表1 参试种质清单Tab. 1 List of germplasms |
| 种质Germplasms | 统一编号Accession No. |
|---|---|
| 少花橡胶 | XJP00001 |
| 光亮矮生橡胶 | XJNV0002 |
| AC/F/6B 40/110 | XJA00965 |
| AC/S/12 42/543 | XJA01686 |
| AC/S/11 41/298 | XJA01499 |
| RRIM600 | XJWE0360 |
| PR107 | XJWE0335 |
| GT1 | XJWE0309 |
| 热研7-33-97 | XJWD0678 |
| 热研7-20-59 | XJWD0675 |
| 云研77-4 | XJWD0763 |
| 云研77-2 | XJWD0762 |
| 热研217 | XJWD0639 |
1.2 方法
1.2.1 采样 2018年5—12月割胶期间进行采样,每月上、中、下旬根据天气情况采样2~3次。每份资源采样时,对同一种质的胶乳混合后取样,带回实验室倒入培养皿,室温抽湿干燥。
1.2.2 5种离子的测定 按照《乳胶制品中重金属含量测试 电感耦合等离子体原子发射光谱法》（GB/T 33324—2016）的方法[14]测试。其中,Ca、Mg、Fe使用Optima8000型ICP-OES（美国PE公司）测试,Cu、Mn使用Perkinelmer NexION 2000B型 ICP-MS（美国PE公司）测试。
1.2.3 灰分的测定 按照《橡胶 灰分的测定 第1部分：马弗炉法》（GB/T 4498.1—2013）的方法测定[5]。设备采用SXL- 1308C型马弗炉（杭州卓驰仪器有限公司）。
1.3 数据处理
使用Excel 2016和SPSS V.20.0.0软件进行数据处理与分析。
2 结果与分析
2.1 5种离子含量差异显著性分析
同一种植年份中,Mg离子含量>Ca离子含量> Fe离子含量>Mn离子含量>Cu离子含量。从表2可见,以‘RRIM600’作为对照,Cu离子低于对照的有9份,包括‘热研7-33-97’‘云研77-4’等主推品种,光亮矮生橡胶最低,仅为对照的47.3%;Cu离子高于对照的有3份,最高的‘GT1’超过对照44.4%。Mn离子含量高于对照的有6份,低于对照的6份,其中光亮矮生橡胶含量最高,超过对照24.3%,其次为‘PR107’,‘热研7-33-97’含量最低,低于对照20%,‘GT1’‘云研77-2’和‘云研77-4’与对照相当;12份种质的Fe离子和Ca离子均低于对照,其中‘GT1’‘PR107’与对照相当,‘云研77-2’的Fe离子含量最低,仅为对照的60%左右,热研‘7-33-97’和‘热研7-20-59’的Fe离子含量处于中等水平,‘云研77-2’的Ca离子含量最低,而‘云研77-4’的Ca离子则处于中等偏上水平,‘热研7-33-97’和‘热研7-20-59’的Ca离子含量处于中等偏下水平;除了‘热研7-33-97’,其他种质Mg离子均低于对照,‘热研7-33-97’的Mg离子含量较‘RRIM600’高出84.2%,少花橡胶Mg离子含量最低,为对照的17.3%,其次为‘热研217’和光亮矮生橡胶,‘云研77-2’‘云研77-4’和‘热研7-20-59’处于中等水平。
表2 13份种质Cu、Mn、Fe、Ca、Mg离子含量Tab.2 Contents of Cu, Mn, Fe, Ca, Mg ions in 13 germplasms |
 |
方差分析表明,Cu、Mn、Fe、Ca、Mg离子含量每次测定间均达到极显著水平。Cu、Mn、Mg离子含量在不同种质间达到极显著差异（P< 0.01）,Fe、Ca离子含量仅达到显著差异（FFe=1.91,PFe<0.05;FCa=2.00,PCa<0.05）,但5种离子在野生种和栽培种间无显著性差异。
2.2 5种离子含量年度变化趋势
2.2.1 Cu离子含量年度变化趋势 从全年变化情况看（图1）,各种质Cu离子含量5—8月总体上保持平稳,变化幅度不大,9月至停割前变动幅度加大,基本保持上升态势。年度内变异系数0.33~0.72。
2.2.2 Ca离子含量年度变化趋势 从全年变化情况看（图2）,各种质材料Ca离子5—6月小幅波动,6月下旬上升后一直保持下降态势,至9月保持平稳,从开割期到停割期总体上呈现逐渐下降的趋势。与Cu离子相反,Ca离子在5—8月各种质材料间变化幅度较大,9—12月变化幅度缩小,年度变异系数0.37~0.51。
2.3 5种离子与灰分相关性分析
对13份种质灰分的测定表明,灰分全年平均值都在1%以下。相关性分析表明（表3）,灰分与5种离子中含量最高的Mg离子呈极显著正相关,与Cu离子呈显著正相关。Cu离子与Ca离子呈极显著负相关,与Fe离子呈极显著正相关,Mg离子和Mn离子也呈现出极显著相关,但相关系数均不大。
表3 灰分与5种离子相关性分析Tab. 3 Correlation analysis of ash and five ions |
| 项目 Item | 灰分 Ash content | Cu离子 Cu ion | Mn离子 Mn ion | Fe离子 Fe ion | Ca离子 Ca ion | Mg离子 Mg ion |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 灰分 | 1 | |||||
| Cu离子 | 0.144* | 1 | ||||
| Mn离子 | -0.034 | 0.078 | 1 | |||
| Fe离子 | 0.109 | 0.181** | 0.154* | 1 | ||
| Ca离子 | 0.061 | -0.321** | 0.088 | 0.003 | 1 | |
| Mg离子 | 0.288** | -0.147* | -0.169** | -0.035 | 0.104 | 1 |
注：**表示在0.01水平（双侧）上显著相关;*表示在0.05水平（双侧）上显著相关。 | |
Note: ** indicates a significant correlation at the 0.01 level (bilateral); * indicates a significant correlation at the 0.05 level (bilateral). |
2.4 5种离子测试代表性月份分析
对13份种质胶乳的5种离子全年平均值与每月测定1次,或5月、7月、9月的上、中、下旬各测定1次,或6月、8月、10月的上、中、下旬各测定1次进行相关性分析（表4）,Cu、Mn、Ca、Mg离子均达到极显著正相关,Fe离子与测试时间的相关性不如其他4种离子。
表4 测试月份分析Tab. 4 Correlation analysis of test month |
| 名称 Name | 5、7、9月 May, July and September | 6、8、 10月 June, August and October | 每月上旬 The first ten-day period of a month | 每月中旬 The middle ten- day period of a month | 每月下旬 The last ten-day period of a month |
|---|---|---|---|---|---|
| Cu离子 | 0.913** | 0.967** | 0.940** | 0.974** | 0.987** |
| Mn离子 | 0.984** | 0.954** | 0.923** | 0.959** | 0.938** |
| Fe离子 | 0.833** | 0.466 | 0.603* | 0.546 | 0.809** |
| Ca离子 | 0.792** | 0.808** | 0.760** | 0.899** | 0.700** |
| Mg离子 | 0.991** | 0.997** | 0.996** | 0.996** | 0.996** |
注：**表示在0.01水平（双侧）上显著相关;*表示在0.05水平（双侧）上显著相关。 | |
Note: ** indicates a significant correlation at the 0.01 level (bilateral); * indicates a significant correlation at the 0.05 level (bilateral). |
3 讨论
3.1 5种金属离子和灰分测定代表性月份的可能性
橡胶树产量和干胶含量的测定除了采取每月上中下旬测产3次,还有通过代表性月份,即每月测定1次,或代表性月份进行测定[15],如5月、7月、9月3个月或者6月、8月、10月3个月。本研究发现Mg、Mn、Cu、Ca 4种离子和灰分也可以通过代表性月份或每月1次测定代表全年平均。
金属离子的测试需要采取电感耦合等离子光谱法（ICP）,目前单次测试费用较高,采取代表性月份测产或每月测产一次较全年每旬测试节约近2/3的费用。Fe离子的相关性表现不好,一方面可能是由于Fe离子受胶刀割胶等影响易污染[6],另一方面可能是由于测试中氩氧的形成干扰了Fe离子的测定。
3.2 5种金属离子作为胶乳特性指标的可行性
Mn离子的变异系数低于30%,而除‘PR107’外,Mg离子变异系数不到40%,且种质间差异达到极显著水平,可以初步筛选作为胶乳特性的遗传指标。在橡胶树育种中,一般选用‘RRIM600’‘PR107’和‘GT1’作为对照。对于Mn离子,对照可以选用‘RRIM600’,而对于Mg离子,对照可选择‘PR107’或‘GT1’。Ca离子的变异系数在50%左右,Fe离子测试结果不够稳定,且种质间差异仅达到显著水平,不适宜作为遗传指标。Cu离子在种质间差异虽然达到极显著水平,但年度内变异太大,也不适宜作为遗传指标。此外,由于橡胶树属多年生乔木,且其胶乳产品需要连续多次收获,对这些离子和灰分年度之间的变异是否也这么高,有待于进一步的观察和测定。
3.3 Cu离子和Ca离子与橡胶树年度生产的相关性
本研究发现Cu离子与Ca离子在年度内变化呈显著的负相关。其中Cu离子是多种氧化酶的组分,参与细胞体内的氧化过程,有研究证明,对橡胶树施用刺激剂会大大提高胶乳中铜离子浓度,当铜离子增加到一定浓度时,NADP磷酸酶活性受抑制,从而弥补了介质中NADP的不足,有利于橡胶的合成,认为铜离子是橡胶树中异戊二烯合成代谢的调控机制[16]。胶乳中Cu离子的持续升高与橡胶树体内不断活跃的橡胶合成有关。钙离子参与很多的生命活动,研究表明,植物遭受逆境胁迫后,钙离子浓度升高,是遭遇逆境重要的调节机制[17],而割胶被认为是对橡胶树的伤害[18]。随着割胶的进行,胶乳中Ca离子减少,这可能是导致死皮不断增加的一个原因。
3.4 金属离子含量与高端天然橡胶制备的相关性
金属离子对于橡胶制品性能有重要影响,袁天元[7]发现Cu、Mn、Fe离子对天然橡胶的耐老化性能影响较大,其中Cu>Mn>Fe,Na、K、Ca、Mg 4种金属离子基本不影响。本研究发现,总体上8—9月的5种金属离子含量相对全年较低。高端用胶中也有“掐头去尾”的说法,这与其中这些金属离子含量的变化可能存在重要关联,因此对其科学依据需要进一步研究加以明晰。此外,5种金属离子在不同种质材料间差异也较大,这些差异对其制品理化性能的影响也有待于进一步深入研究。
Ca、Mg对胶乳的稳定性也有重要影响[2]。‘热研7-33-97’已成为我国植胶区的主栽品种,目前推广面积超过18万hm2。本研究发现‘热研7-33-97’胶乳中的Mg离子含量远高于其他种质。对于‘热研7-33-97’制备浓缩胶乳,还应进一步研究其K离子含量水平,考虑是否加入可溶性磷酸盐,使过量Mg离子沉淀而提高稳定性。