苦瓜種質資源的研究與利用

萬新建　李作善　繆南生等

摘 要:對苦瓜種質資源的搜集、分類與遺傳多樣性分析、主要性狀遺傳規(guī)律及其相關性、功能基因的克隆、組織培養(yǎng)、營養(yǎng)及藥用價值與利用等的研究進展進行了綜述,并對今后苦瓜的研究方向進行了展望。

關鍵詞:苦瓜;種質資源

苦瓜(Momordica charantia L.)又名涼瓜,是葫蘆科苦瓜屬蔓性一年生草本植物,我國南北各地均有栽培,尤以華南及長江流域栽培較多?？喙系臓I養(yǎng)價值很高,其嫩果中含有豐富的礦物質、氨基酸和多種維生素,其中,維生素C的含量在瓜類蔬菜中最高。此外,苦瓜具有神奇的藥用保健價值,近年來,人們從其種子、果實、葉子中分離提取的多種活性成份,具有降低血糖、抗病毒、抗腫瘤、廣譜抗菌和提高人體免疫力等功效?；谌藗儗喙纤幨臣嬗秒p重功效的深入認識,市場對苦瓜的需求量逐年提高,栽培面積逐年擴大,人們對苦瓜的研究也日漸

深入。

1 種質資源的搜集

苦瓜起源于印度熱帶地區(qū),廣泛分布于熱帶、亞熱帶和溫帶地區(qū),在印度、日本和東南亞栽培歷史悠久,南宋時傳入我國,在我國已有幾百年的栽培歷史。經(jīng)過長期的訓化、自然雜交和人工選擇,苦瓜形成了豐富的品種和類型。20世紀50年代以來,我國曾兩次對蔬菜種質資源進行了大規(guī)模的考察和搜集工作,大部分省市陸續(xù)編寫出版了地方品種志,其中介紹了各地苦瓜品種的特征特性。根據(jù)戚春章[1]報道,至1997年,我國入庫保存的苦瓜種質資源有177份,主要分布在廣東、廣西、福建、湖南、江西、四川、貴州等省,其中,有名的優(yōu)良地方品種有江西的揚子洲苦瓜、吉安長苦瓜,湖南的藍山大白苦瓜、株州長白苦瓜、海參苦瓜,四川的成都大白苦瓜、漢中長白苦瓜,重慶草白苦瓜,云南玉溪苦瓜,貴州獨山白苦瓜,廣東的滑身苦瓜、江門大頂苦瓜,福建的永安大頂苦瓜,北京白苦瓜以及黑龍江白苦瓜等。長期以來,由于我國各地對苦瓜的消費習慣不同,不同地區(qū)栽培的苦瓜品種存在明顯地域性,一般綠色果皮類型苦瓜以華南栽培較多,而長江流域及臺灣地區(qū)以栽培白色和綠白色果皮苦瓜為主。

2 基礎理論研究

2.1分類及遺傳多樣性分析

我國苦瓜資源豐富,品種類型多樣,具有廣泛的遺傳變異基礎,果實的形狀、大小、色澤以至種子的顏色和形態(tài)都有很大差異?？喙系姆诸?依采收期果實果皮的顏色可分為綠色、綠白色和白色3種類型,依果實形狀可分為長棒形、紡綞形和圓錐形3類,依果皮瘤狀突起又可分為條形瘤、粒瘤、條粒瘤相間及剌瘤四種,根據(jù)果實大小有大型苦瓜和小型苦瓜之分,大型苦瓜果長15~85 cm,橫徑5~14 cm,單瓜重250~800g,小型苦瓜如廣東的一種野生苦瓜[2],果長僅6cm,橫徑4cm,單瓜重40g。根據(jù)苦瓜種子的顏色分為淡黃色和黑色兩種,種子千粒重大的有250g,小的僅50g。從熟性上來看,苦瓜分早熟、中熟和晚熟3種類型,在同等條件下,其始收時間可相差15天以上。

除了傳統(tǒng)的依據(jù)植物學性狀對苦瓜進行分類,分子標記技術的發(fā)展,為品種間的親緣關系的研究提供了有力的技術手段。溫慶放[3]以不同來源的24份苦瓜材料為試驗材料,運用RAPD技術分析其遺傳多樣性,以檢測具有不同植物學性狀的苦瓜材料之間的親緣關系,利用12條引物共擴增出79條帶,多態(tài)性帶的比例為70.89%,聚類分析顯示,在遺傳距離為0.343時,可將供試材料聚成3大類群。張長遠[4]則應用RAPD分子標記對國內外的45個苦瓜栽培品種進行了聚類分析,實驗結果將45個苦瓜品種分成滑身苦瓜和麻點苦瓜2大類,并建立了品種的遺傳性狀圖,弄清了品種之間的親緣關系及其系統(tǒng)關系。

2.2遺傳分析

2.2.1性狀遺傳規(guī)律及相關性分析。通過對種質材料進行遺傳分析,了解資源材料的利用價值,明確利用的方法,是種質資源研究的一項重要內容。胡開林[5]對苦瓜的果色遺傳規(guī)律進行了研究,以綠色自交系和白色自交系為親本,進行正交和反交,再用F1自交和回交,通過對比分析親本、F1代、F2代及雜種回交世代的顏色表現(xiàn),認為苦瓜商品果實顏色的遺傳屬于質量性狀,受一對核基因控制,綠色對白色表現(xiàn)為顯性,同時,針對F1代和回交后代的部分果實所表現(xiàn)的綠色較親本自交系稍淺的現(xiàn)象,提出了兩種可能,一是綠色對白色表現(xiàn)為不完全顯性,二是控制苦瓜果實顏色除主效基因外,還有修飾基因的存在。為苦瓜開展果色的品質育種提供了依據(jù)。張長遠[6]利用滑身苦瓜和大頂苦瓜為材料,通過雜交、自交和回交等手段,構建6個世代群體對果長的遺傳效應進行了研究,結果表明,苦瓜果長遺傳是屬受多基因控制的數(shù)量性狀遺傳,控制果長的最少基因數(shù)目為5對,果長性狀遺傳效應符合加性—顯性遺傳模型且以加性效應為主,加性效應占總遺傳成分的98.6%,顯性方差所占分量極少,屬不完全顯性。據(jù)此提出了開展苦瓜果長的品質育種宜采用雜交育種方法的思路。劉政國[7]對苦瓜葉長、莖粗、節(jié)間長3個主要植物學性狀的遺傳分析表明,葉長不符合加性—顯性遺傳模型,其加性效應比顯性效應重要,狹義遺傳力為0.1694,而莖粗和節(jié)間長符合加性—顯性遺傳模型,狹義遺傳力分別為0.6418和0.3679。

薛大煜[8]對湖南省35份苦瓜地方品種的14個主要性狀進行了相關分析,認為苦瓜熟性與第一雌花節(jié)位及果實發(fā)育有關,第一雌花節(jié)位低,果實發(fā)育快,熟性則早。在豐產(chǎn)性上,單株產(chǎn)量與果長、單果重及單株早期產(chǎn)量呈極顯著正相關,而與單株果數(shù)相關不顯著,據(jù)此提出了加強第一雌花節(jié)位及單果重等性狀選擇的苦瓜育種思路。張長遠[9]則提出了不同觀點,認為在苦瓜的豐產(chǎn)性選育中,應重點對結果數(shù)、延收期、單瓜質量3個性狀進行選擇,其中結果數(shù)是豐產(chǎn)性選育的首選性狀。高山[10]進一步對苦瓜產(chǎn)量及其相關性狀的配合力和遺傳力進行了研究,結果表明,雌花開花期、雌花率、單株結瓜數(shù)、前期產(chǎn)量、總產(chǎn)量5個性狀的廣義遺傳力和狹義遺傳力都較高,在苦瓜親本的選育時宜早代選擇,第一雌花節(jié)位和瓜長遺傳力較低,可通過選擇遺傳力高的性狀間接地獲得理想的表現(xiàn)型,肉厚性狀則非加性遺傳的作用較突出,受環(huán)境及栽培條件的影響較大。以上研究,為苦瓜新品種的選育提供了理論依據(jù),在一定程度上可提高苦瓜育種的可預見性,減少目標性狀選擇的盲目性。

此外,栗建文[11]對苦瓜白粉病抗性遺傳規(guī)律進行了研究,結果表明,苦瓜對白粉病的抗性受2對以上核基因控制,表現(xiàn)數(shù)量性狀遺傳特點,抗病相對感病為不完全隱性,兩對主基因的狹義遺傳力較高,以加性效應為主。提出在進行抗病育種時,應首先利用加性效應,通過系統(tǒng)選育或與抗病親本輪回,逐步累加抗性基因,使雙親均抗白粉病,然后配制雜交組合。

2.2.2功能成分基因的克隆與轉化?？喙献鳛橐环N藥食兼用植物,科研人員對其功能成分基因的研究表現(xiàn)出極大的興趣?？喙虾颂求w失活蛋白(MAP30)具有抗病毒、抗腫瘤等多方面的藥理活性,并具有良好的特異性,只對病毒感染的細胞或腫瘤細胞有效,對未感染的人正常細胞無毒性,通過克隆和表達該蛋白的核心片段,可進一步研究基因的功能。莊東紅、林育泉[12、13]分別通過PCR技術從苦瓜總DNA中擴增出了編碼成熟MAP30蛋白基因的功能性片段,進而成功克隆并構建了含該基因的表達載體,在轉化到E.coli RosettaTM(DE3)pLysS中后表達出了預期的重組蛋白,該重組蛋白對小鼠和S180腫瘤細胞株具有明顯抑制作用。楊洲平[14]則對不同苦瓜品種的MAP30基因進行了克隆和序列分析,發(fā)現(xiàn)了BC-MAP30和YT-MAP30變異基因,為大量開發(fā)、生產(chǎn)具有活性的重組MAP30蛋白藥物奠定了基礎。左萱[15]應用農(nóng)桿菌介導的方法,將MAP30基因轉化番茄子葉得到轉錄水平上表達MAP30基因的轉基因番茄植株,為苦瓜核糖體失活蛋白的應用開辟了新途徑。α-苦瓜素是苦瓜中的另一種活性蛋白,具有抗腫瘤、抗HIV-1活性和抗菌活性。歐陽永長[16]利用PCR技術從苦瓜基因組中擴增出了成熟的α-苦瓜素蛋白基因,通過表達載體的構建和遺傳轉化,在大腸桿菌中大量表達該基因,獲得了α-苦瓜素重給蛋白,從而為進一步研究和改造α-苦瓜素的功能與活性奠定了基礎。

3 組織培養(yǎng)與離體繁殖

采用離體繁殖保存苦瓜種質資源及對苦瓜進行多倍體的離體誘導和抗病、延遲成熟、品質改良的遺傳轉化等轉基因研究,首先要建立良好的高效再生體系。唐琳[17]將苦瓜無菌種子苗莖尖和帶芽莖段依次接種于培養(yǎng)基MS+ZT4～6mg·L-1、MS+ZT0.05mg·L-1及1/2MS中,形成了完整小植株。潘紹坤[18]以苦瓜實生苗頂芽及帶芽莖段為外植體,進一步開展了苦瓜離體快速繁殖技術體系的研究,結果表明,MS培養(yǎng)基附加BA、KT和IBA,有利于不定芽發(fā)生,適當增加NO3--N、NH4+-N含量,可提高增殖率,AgNO3在生根誘導中,可抑制愈傷組織形成。

除可通過莖尖或帶芽莖段進行快速繁殖獲得再生植株,也有研究利用苦瓜的胚軸和子葉離體培養(yǎng)成功獲得再生植株。對苦瓜子葉不定芽的誘導,李靖[19]研究發(fā)現(xiàn),以9d左右的苗齡誘導不定芽效果最好,適合不定芽誘導培養(yǎng)基是MS+BA1.0 mg·L-1 +NAA0.2 mg·L-1,以子葉基端外植體臨近下胚軸的部位誘導效果最好,不定芽誘導率為54.21%,暗培養(yǎng)對子葉不定芽誘導有顯著促進效果,而AgNO3 對不定芽再生有明顯的抑制作用。林義章[20]研究比較了不同基因型、苗齡、不同激素濃度配比和肌醇濃度對不定芽誘導率的影響,結果表明,不同基因型的誘導率有差異,苗齡以子葉直立、略微分開、顏色呈淺綠色時誘導率最高,培養(yǎng)基以MS+6-BA3.0 mg·L-1 +IAA0.2 mg·L-1誘導率最高且形成的叢生芽數(shù)量多、生長快,研究還發(fā)現(xiàn),基本培養(yǎng)基添加100～200 mg·L-1 肌醇,不定芽誘導率和叢生芽數(shù)顯著增加,同時愈傷組織的發(fā)生量也多。

在植物組織培養(yǎng)中,通過體細胞胚發(fā)生是實現(xiàn)植株再生的另一種主要途徑,但愈傷組織的形成和生長受激素、外植體、培養(yǎng)條件等多種因素影響。宣樸[21]將無菌苗的上胚軸、下胚軸、子葉、真葉及莖尖切割成0.5㎝左右的小段作為外植體,接種到脫分化培養(yǎng)基上,誘導產(chǎn)生了愈傷組織,將愈傷組織及時接種到再分化培養(yǎng)基中培養(yǎng),發(fā)育形成了胚狀體。王小榮[22]研究發(fā)現(xiàn),2,4-D有利于外植體愈傷組織的誘導,但誘導的愈傷組織難以分化不定芽,而添加6-BA、NAA的培養(yǎng)基中愈傷組織形成雖較慢,但有利于愈傷組織不定芽的分化,研究還發(fā)現(xiàn),添加6-BA2.0 mg·L-1 +NAA0.5 mg·L-1的MS培養(yǎng)基對子葉外植體直接誘導叢芽效果較好。宋莉英[23]研究也表明,ZT是苦瓜愈傷組織誘導最主要因素,最佳外植體為子葉。黃勇[24]則認為,苦瓜組織培養(yǎng)盡可能選用下胚軸為外植體,有利于愈傷組織分化不定芽。

總的來看,苦瓜外植體易于形成愈傷組織,而再生不定芽較困難。為此,宋莉英[25]進而對苦瓜組織培養(yǎng)過程中內源激素含量的變化進行了研究,認為苦瓜外植體中IAA含量較高,而iPAs含量過低是苦瓜易于產(chǎn)生愈傷組織而不定芽再生困難的主要原因,提出了在離體培養(yǎng)過程中,保持外源細胞分裂素類物質(如ZT)的適當濃度并及時繼代,有利于苦瓜不定芽的分化的觀點。

4 價值與利用

4.1營養(yǎng)價值及在食品上的應用

苦瓜作為蔬菜栽培,在我國已有幾百年的歷史。其營養(yǎng)豐富[26、27],據(jù)分析,每100g嫩苦瓜中含干物質6~8g、蛋白質0.9~1.0g、碳水化合物2.6~3.5g、粗纖維1.1~1.4g、維生素A 17~22mg、維生素C 56~120mg、維生素E 0.85mg、鈣18~22 mg、磷19~35 mg 、鐵0.6~0.7 mg、鉀256 mg。其中,維生素C在瓜類蔬菜中含量最高,是黃瓜的14倍,番茄的7倍,鈣、磷、鐵、鎂的含量也比其它蔬菜如黃瓜、番茄高幾十倍。此外,苦瓜中含16種氨基酸如谷氨酸、丙氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸等,其中,8種必需氨基酸含量達氨基酸總量的38%?？喙先赓|脆嫩,味稍苦而清香可口,有增進食欲的作用。除食用嫩瓜外,在印度及東南亞地區(qū),人們還食其嫩梢和葉。因苦瓜適應性強,病蟲害少,生產(chǎn)上不需或很少需要藥物防治,對環(huán)境污染少,是一種天然綠色食品。

除鮮食外,苦瓜作為一種藥食兼用的保健食品具有很高的深加工開發(fā)價值,目前已生產(chǎn)出苦瓜飲料[28、29]、保健苦瓜粉[30]、苦瓜酒、苦瓜茶、苦瓜蜜餞、苦瓜果脯、苦瓜泡菜、醬辣苦瓜、甘草苦瓜、速凍苦瓜等深加工產(chǎn)品[31]。

4.2藥用價值及在醫(yī)學上的應用

苦瓜作為藥用在我國和印度等地歷史悠久,其根、莖、葉、花、果實及種子等各部分都有藥用的記載?！侗静菥V目》中描述苦瓜“祛邪熱、解勞乏、清心明目,種子益氣壯陽”,《髓息居飲食譜》中記載苦瓜有清熱解毒、清心明目、開胃健脾、養(yǎng)血補腎、清肝火兼有補益作用之功效?，F(xiàn)代藥理學研究進一步證實,苦瓜中含有多種活性成分,具有多種藥用功效。盛清凱[32]從苦瓜種子中分離出稱為植物胰島素的多肽―P,經(jīng)皮下注射可降低四氧嘧啶糖尿病模型鼠的血糖。除苦瓜多肽外,具降低血糖作用的還包括苦瓜皂苷及從苦瓜汁中提取的活性物[33]。據(jù)此,治療糖尿病的苦瓜針劑、苦瓜降糖含片等已應用于臨床,其有效率達80%左右。近年來,國內外學者對苦瓜素的功能研究取得很大進展,研究表明,苦瓜素具有抗腫瘤、抗病毒和提高人體免疫力的功能[34]。1998年,美國研究人員從苦瓜中提取出極具生物活性成分——高能清脂素,藥理研究證實,高能清脂素在人體內能阻止脂肪、多糖等高熱量大分子物質吸收,加速小分子營養(yǎng)吸收,因而具有良好減肥瘦身功效。目前,中國科學院上海研究所已成功攻克高能清脂素萃取難關,使高能清脂素保持90%以上生物活性并萃取濃縮成膠囊?？喙线€是一種良好的天然廣譜抗菌劑[35],苦瓜提取液對革蘭氏陽性球菌(金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌)、革蘭氏陽性桿菌(枯草桿菌)和革蘭氏陰性桿菌(大腸桿菌、綠膿桿菌、痢疾桿菌、變形桿菌、肺炎桿菌、產(chǎn)氣桿菌、陰溝桿菌、傷寒桿菌)都具有抗菌作用。傅明輝[36]研究指出,苦瓜對白色葡萄球菌、黑腐霉菌和軟腐菌有抑制作用。因而苦瓜作為食品本身具有抑菌防腐作用,可作為天然的食品防腐劑利用。此外,香港醫(yī)學家從苦瓜籽中提取出具有生理活性的蛋白質,能抑制艾滋病毒感染的淋巴細胞和巨噬細胞。而美國醫(yī)學家已用苦瓜提取液對艾滋病患者進行治療并收到一定效果[37]。

5研究方向

就某種作物而言,收集盡可能多的種質資源,并進行廣泛和深入的研究,是對其利用和開展育種工作的基礎。因此,進一步加強對國內外苦瓜種質資源包括其近緣種和野生種的搜集和引種工作,在對其性狀進行鑒定和評價的基礎上,開展創(chuàng)新性研究,仍是今后育種工作的重要內容。相對而言,苦瓜的繁殖系數(shù)較低,雜交制種工序繁瑣,成本較高,通過創(chuàng)新種質,選育優(yōu)良強雌系作母本是苦瓜雜種優(yōu)勢大面積利用的有效途徑。一個好的強雌系,除具備優(yōu)良自交系的基本條件,還必須具有雌花率高(雌花率96%以上)、強雌株率100%、雌性穩(wěn)定、雄化分布規(guī)律性強(分布于主蔓基部或基部側蔓或高節(jié)位側蔓上)等特點。葉君營[38]對“夏豐苦瓜”進行7代連續(xù)自交分離、系譜選擇后獲得強雌系“90―01A”,以其為母本配制成的“早豐2號”苦瓜,具有早熟、豐產(chǎn)、雌花率高、抗逆性強等優(yōu)點。萬新建[39]通過對一長白苦瓜材料變異單株連續(xù)4代自交分離,定向選育成強雌系Q11-2,是選育早熟、豐產(chǎn)雜交苦瓜新品種的重要育種材料。為適應苦瓜生產(chǎn)的快速發(fā)展,今后應選育更多類型的強雌系應用于苦瓜雜種優(yōu)勢育種。

加強生物技術在苦瓜育種中的應用研究,以提高育種效率和創(chuàng)新優(yōu)異種質。如應用分子標記技術探查、挖掘重要農(nóng)藝性狀基因,構建分子遺傳圖譜,進而應用分子標記輔助選擇,提高性狀選擇的效率和準確性;通過誘變育種、體細胞培養(yǎng)等技術,獲得大量突變體,并在培養(yǎng)過程中加入一定的選擇壓(病菌毒素或粗毒素),篩選獲得有益的抗病種質;應用基因工程技術轉殖ACC合成酶基因,培育耐貯運苦瓜;通過基因操作,提高功能蛋白基因(MAP30蛋白基因、α-苦瓜素基因等)劑量,或改變基因啟動子或操作子結構,使功能蛋白基因大量表達,以培育具有某一特殊用途的加工專用型苦瓜品種等。

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