甜瓜果肉β-胡蘿卜素含量的遺傳分析

呂麗華 王懷松 付秋實(shí) 朱慧芹 張延國(guó)

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所，北京 100081）

甜瓜（Cucumis melo L.）營(yíng)養(yǎng)豐富，紅色果肉者富含β-胡蘿卜素。β-胡蘿卜素在人體內(nèi)可以轉(zhuǎn)化為VA，它是一種抗氧化劑，具有解毒作用，是維護(hù)人體健康不可缺少的營(yíng)養(yǎng)素，在抗癌、預(yù)防心血管疾病、白內(nèi)障及抗氧化上有顯著的功能，進(jìn)而能夠防止老化和衰老引起的多種退化性疾病。β-胡蘿卜素的存在令水果和蔬菜擁有了飽滿的黃色或橘色。β-胡蘿卜素也被用作食物（例如人造奶油）的著色劑。另外，β-胡蘿卜素在飼料、化妝品等方面也有重要用途。

β-胡蘿卜素含量是影響甜瓜品質(zhì)的重要因素之一。品質(zhì)及品質(zhì)有關(guān)的某種成分含量的性狀一般為數(shù)量性狀。植物數(shù)量性狀受少數(shù)主基因或（和）大量微效多基因控制。蓋鈞鎰等（2003）發(fā)展的多世代聯(lián)合的主基因與多基因的數(shù)量性狀遺傳分析方法已在番茄（李紀(jì)鎖 等，2006）、茄子（龐文龍 等，2008）、普通白菜（韓建明 等，2008）、甘藍(lán)（劉二艷 等，2009）、西葫蘆（陳鳳真 等，2010；陳鳳真，2011）等園藝作物上廣泛應(yīng)用。

本試驗(yàn)以兩種果肉顏色差異較大的甜瓜品系200930與200932為親本雜交，采用六世代聯(lián)合分析法，研究β-胡蘿卜素含量的遺傳特點(diǎn)，為提高甜瓜果實(shí)品質(zhì)育種效率和充分利用富含β-胡蘿卜素含量種質(zhì)資源提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所甜瓜課題組提供。父本200932（P1）：厚皮甜瓜，果皮深綠色，細(xì)網(wǎng)紋，果皮有溝，抗白粉病，果肉橙紅色，β-胡蘿卜素含量約為54.96 mg·kg-1；母本200930（P2）：厚皮甜瓜，果皮深綠色，細(xì)網(wǎng)紋，果皮無(wú)溝，易感染白粉病，果肉綠色，β-胡蘿卜素含量約為 0.41 mg·kg-1； P1（30 株）、P2（30 株）、F1（50 株）、F2（137 株）、BC1P1（43株）、BC2P2（22株）六個(gè)世代于2011年春季種植在本所大棚內(nèi)。

1.2 方法

1.2.1 β-胡蘿卜素含量的測(cè)定分析 β-胡蘿卜素的提取采用有機(jī)溶劑提取法：以1丙酮∶1石油醚為提取液，加入0.1%BHT（2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚）防止色素氧化。取5 g果實(shí)勻漿置于研缽中加入少許提取液及石英砂，快速研磨后全量轉(zhuǎn)移至抽濾漏斗進(jìn)行抽濾，收集提取液，重復(fù)進(jìn)行，少量多次抽濾，直至殘?jiān)鼰o(wú)色。合并提取液，轉(zhuǎn)移至分液漏斗，靜置片刻后，收集下層水相于燒杯中，上層有機(jī)相直接收集于圓底燒瓶中。用加入0.1% BHT的石油醚為萃取液對(duì)收集的下層水相進(jìn)行萃取，反復(fù)多次直至下層水相無(wú)色，與有機(jī)相合并，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸干，最后用5 mL的1丙酮∶1乙腈溶解，經(jīng)0.45 mm的微孔濾膜過(guò)濾后待測(cè)。

β-胡蘿卜素含量分析采用高效液相色譜法（HPLC）。液相色譜分析條件：超高效液相色譜儀ACQUITY UPLC；分離柱：2.1 mm×100 mm；流動(dòng)相：1丙酮∶1乙腈；流速：0.25 mL·min-1；紫外檢測(cè)波長(zhǎng)：450 nm；進(jìn)樣量：2 μL。

1.2.2 遺傳模型統(tǒng)計(jì)分析 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用蓋鈞鎰等（2003）的植物數(shù)量性狀主基因 + 多基因混合遺傳模型進(jìn)行多世代遺傳聯(lián)合分析，通過(guò)極大似然法和IECM（Iterated Expectation and Conditional Maximization）估計(jì)各世代、各成分分布的參數(shù)，然后通過(guò)AIC（Akaike’s information criterion）值選擇供選的相對(duì)最佳模型，同時(shí)進(jìn)行一組適合性檢驗(yàn)〔包括均勻性檢驗(yàn)，Smirnov檢驗(yàn)（nW2），Kolmogorov檢驗(yàn)（Dn）〕，進(jìn)而選擇最優(yōu)模型。最優(yōu)模型采用最小二乘法估計(jì)出主基因與多基因效應(yīng)值、方差及遺傳參數(shù)。主基因遺傳率×100%，多基因遺傳率×100%。數(shù)據(jù)顯著性采用DPS V6.55（Duncan法）進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 P1、P2、F1的β-胡蘿卜素含量

經(jīng)測(cè)定，200932（P1）、200930（P2）及其 F1的β-胡蘿卜素含量的平均值分別為（54.96 ± 9.04）、（0.41 ± 0.10）、（37.36 ± 8.81） mg·kg-1（FW），差異達(dá)到顯著水平。其中 F1群體β-胡蘿卜素含量的平均值接近高值親本，即高β-胡蘿卜素含量對(duì)低β-胡蘿卜素含量為部分顯性。

2.2 BC1P1、BC2P2、F2群體β-胡蘿卜素含量的次數(shù)分布

圖1為BC1P1世代β-胡蘿卜素含量的分離范圍：0.08～30.67 mg·kg-1（FW），平均值為 7.21 mg·kg-1（FW）。β-胡蘿卜素含量范圍在0～1 mg·kg-1（FW）的株系最多。圖2為BC2P2世代β-胡蘿卜素含量的分離范圍：11.18～130.0 mg·kg-1（FW），平均值為63.41 mg·kg-1（FW）。β-胡蘿卜素含量范圍在30～60 mg·kg-1（FW）的株系最多，含量在0～30 mg·kg-1（FW）及120～150 mg·kg-1（FW）的株系相對(duì)較少，整體上BC2P2群體果肉β-胡蘿卜素含量較高，超過(guò)高值親本的植株較多。

圖1 BC1P1群體果肉β-胡蘿卜素含量的分布圖

圖2 BC2P2群體果肉β-胡蘿卜素含量的分布圖

圖 3為 F2群體β-胡蘿卜素含量的分離范圍：0.12～92.2 mg·kg-1（FW），平均值為28.66 mg·kg-1（FW）。F2群體 β-胡蘿卜素含量在 25～35 mg·kg-1（FW）范圍內(nèi)的株系最多，其次為15～25 mg·kg-1（FW）范圍內(nèi)，F(xiàn)2群體β-胡蘿卜素含量偏向高值親本。

2.3 最優(yōu)遺傳模型的選擇及適合性檢驗(yàn)

根據(jù)聯(lián)合分析原則，最優(yōu)遺傳模型從AIC值較小的模型中選出。同時(shí)有幾個(gè)模型AIC值較小且差異不大時(shí)，通過(guò)適合性檢驗(yàn)，選擇參數(shù)達(dá)到顯著差異數(shù)量最少的模型為最優(yōu)模型。

由表 1各遺傳模型的 AIC值可以看出，E-1模型、D-0模型、E-0模型、E-3模型的AIC值較低，對(duì)這4個(gè)模型進(jìn)行適合性檢驗(yàn)。

由表2可知：E-1模型有12個(gè)統(tǒng)計(jì)量達(dá)到顯著差異，D-0模型有13個(gè)統(tǒng)計(jì)量達(dá)到顯著差異，E-0模型有13個(gè)統(tǒng)計(jì)量達(dá)到顯著差異，E-3模型有20個(gè)統(tǒng)計(jì)量達(dá)到顯著差異。所以，E-1模型（兩對(duì)加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性多基因模型）為最優(yōu)模型。

圖3 F2群體果肉β-胡蘿卜素含量的分布圖

表1 β-胡蘿卜素含量各遺傳模型的AIC值

2.4 β-胡蘿卜素含量的最優(yōu)遺傳模型的參數(shù)估計(jì)

利用軟件分析結(jié)果得到β-胡蘿卜素含量遺傳模型（E-1）的分布參數(shù)估計(jì)1階參數(shù)，并利用提供的和的公式進(jìn)一步估計(jì)2階參數(shù)。

由表3中的1階參數(shù)可知，兩對(duì)主基因的加性效應(yīng)分別為13.37和-4.47，第1對(duì)主基因加性效應(yīng)為正值，第2對(duì)主基因加性效應(yīng)為負(fù)值，且|da|＞|db|，說(shuō)明以第1對(duì)主基因加性效應(yīng)為主。第1對(duì)主基因的顯性度|ha/da|=2.56并且大于1，說(shuō)明第1對(duì)主基因的遺傳以顯性效應(yīng)為主，第2對(duì)主基因的顯性度|hb/db|=0.78小于1，說(shuō)明第2對(duì)主基因的遺傳以加性效應(yīng)為主。此外，兩對(duì)主基因存在明顯的交互作用和上位性效應(yīng)，加性效應(yīng)×加性互作（i）值為-22.44，說(shuō)明兩對(duì)主基因間的加性互作存在抑制作用。顯性×顯性互作效應(yīng)（l）值為-25.76，說(shuō)明兩對(duì)主基因間的顯性互作存在抑制作用。兩對(duì)主基因間的加性×顯性互作（jab）為-38.00，說(shuō)明第1對(duì)主基因的加性效應(yīng)抑制了第2對(duì)主基因的顯性效應(yīng)；兩對(duì)主基因的顯性×加性互作（jba）為-48.54，說(shuō)明第 2對(duì)主基因的顯性效應(yīng)抑制了第1對(duì)主基因的加性效應(yīng)。多基因顯性度|〔h〕/〔d〕|=2.32大于1，說(shuō)明多基因遺傳以顯性效應(yīng)為主。

表2 β-胡蘿卜素含量遺傳模型的適合性檢驗(yàn)

綜上所述，第1對(duì)主基因效應(yīng)大于第2對(duì)主基因，第1對(duì)主基因遺傳以顯性效應(yīng)為主，第2對(duì)主基因遺傳以加性效應(yīng)為主；多基因效應(yīng)以顯性效應(yīng)為主。由2階參數(shù)可知（表 3），BC1P1、BC2P2、F2群體的主基因遺傳率分別為86.80%、59.88%、92.66%，多基因遺傳率分別為0、38.60%、5.40%。環(huán)境對(duì) 3個(gè)分離群體的影響分別為 13.20%、1.52%、1.94%，可見(jiàn)環(huán)境對(duì) BC1P1群體β-胡蘿卜素的含量有一定影響，但對(duì)BC2P2、F2群體β-胡蘿卜素的含量影響很小。

表3 β-胡蘿卜素含量遺傳參數(shù)估計(jì)值（E-1模型）

3 結(jié)論與討論

Clayberg（1992）指出中果皮的綠色和白色相對(duì)于橘紅色為隱性；Monforte等（2004）通過(guò)F2群體估計(jì)了甜瓜橘紅色中果皮顏色的遺傳，并且假設(shè)了3個(gè)位點(diǎn)可能控制甜瓜橘紅色的表達(dá)；Cuevas等（2008）應(yīng)用USDA846-1×Top Mark得到的RILs群體將β-胡蘿卜素定位在第1、2、4、6條連鎖群上；Cuevas等（2009）應(yīng)用Top Mark（橘紅色果肉）×Q 3-2-2（白色果肉）得到的F2-3群體為材料（種植于2006及2007年）將β-胡蘿卜素定位在第1、2、4、6、8、9條連鎖群上；Harel-beja等（2010）應(yīng)用RILs群體將β-胡蘿卜素含量的QTL定位于第2、6兩條染色體上。關(guān)于甜瓜β-胡蘿卜素含量的遺傳報(bào)道較少。張紅等（2009）利用多世代分析法通過(guò)甜瓜酸味突變自交系和黃皮脆雜交組合進(jìn)行分析，得到果實(shí)總糖、葡萄糖、果糖、檸檬酸、糖酸比受兩對(duì)主基因+多基因混合遺傳模型控制；蔗糖、總酸、酸度受一對(duì)主基因+多基因混合遺傳模型控制。糖含量、酸度和糖酸比性狀受主基因的影響較酸含量大，酸含量性狀受多基因影響較糖含量、酸度和糖酸比大。主基因+多基因效應(yīng)決定了糖含量、酸含量和糖酸比性狀變異的95.74%～99.45%，還有很小的變異是由環(huán)境因素決定的。林碧英等（2007）通過(guò)半輪配雙列雜交，對(duì)甜瓜可溶性固形物含量遺傳特性進(jìn)行研究。但該試驗(yàn)僅從總體上估測(cè)了基因綜合效應(yīng)，其性狀也只是一個(gè)綜合性狀，未對(duì)影響甜瓜品質(zhì)性狀因子的遺傳特點(diǎn)進(jìn)行探討，對(duì)指導(dǎo)甜瓜品質(zhì)育種有一定局限性。

本試驗(yàn)利用多世代聯(lián)合分離分析法，應(yīng)用植物數(shù)量性狀遺傳體系主基因+多基因混合遺傳模型分離分析法，將主基因與多基因遺傳效應(yīng)從總表型效應(yīng)中分離出來(lái)，能夠更清楚地了解甜瓜果肉β-胡蘿卜素含量的遺傳模式。結(jié)果表明，β-胡蘿卜素含量性狀屬于數(shù)量性狀，符合“兩對(duì)加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性多基因（E-1模型）”遺傳模型。第1對(duì)主基因以顯性效應(yīng)為主，第2對(duì)主基因以加性效應(yīng)為主，并且第1對(duì)主基因效應(yīng)大于第2對(duì)主基因效應(yīng)。多基因以顯性效應(yīng)為主。BC1P1、BC2P2、F2群體的主基因遺傳率分別為 86.80%、59.88%、92.66%，多基因遺傳率分別為0、38.60%、5.40%。環(huán)境對(duì)3個(gè)群體的影響分別為13.20%、1.52%、1.94%。

此外，本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)控制β-胡蘿卜素含量的兩對(duì)主基因的加性和顯性互作效應(yīng)較大，即存在明顯的上位性。F2群體主基因遺傳率較高（92.66%），多基因遺傳率較低（5.40%），因此，對(duì)甜瓜β-胡蘿卜素含量的性狀改良應(yīng)在早代進(jìn)行選擇。甜瓜果肉β-胡蘿卜素含量遺傳偏向父本（父本為高β-胡蘿卜素含量）遺傳，高β-胡蘿卜素含量對(duì)低β-胡蘿卜素含量為部分顯性作用，因此要配制高β-胡蘿卜素含量品種，應(yīng)選擇雙親均為高β-胡蘿卜素含量或親本之一為高β-胡蘿卜素含量品系。此外，在本試驗(yàn)中BC2P2群體的主基因遺傳率明顯低于BC1P1、F2群體，而多基因遺傳率明顯高于兩者，這可能與高β-胡蘿卜素含量親本的遺傳背景增加，以及高β-胡蘿卜素含量基因的部分顯性效應(yīng)有關(guān)，在其他作物的相似研究中（李紀(jì)鎖 等，2006），也出現(xiàn)這種群體間明顯的遺傳率差異現(xiàn)象。

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