西瓜砧木育種研究進(jìn)展

劉 廣， 羊杏平， 徐錦華， 張 曼， 李蘋芳， 姚協(xié)豐， 侯 茜， 朱凌麗

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所/江蘇省高效園藝作物遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210014)

近年來嫁接已成為了防治西瓜連作障礙及土傳病害最經(jīng)濟(jì)環(huán)保的一種途徑。隨著嫁接在西瓜栽培中的普遍應(yīng)用，關(guān)于嫁接的研究也越來越多，已不單單局限于西瓜砧木品種的抗性篩選及選育研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)開展了優(yōu)良砧木資源的篩選、引進(jìn)、選育、嫁接方法、嫁接育苗的溫光條件以及其嫁接苗的生理生化、栽培模式、抗病、抗逆、品質(zhì)影響等研究。本文對(duì)近3年西瓜砧木育種領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，旨在為農(nóng)業(yè)科技工作者提供一些參考。

1 優(yōu)良砧木資源篩選、引進(jìn)及評(píng)價(jià)

引進(jìn)優(yōu)良的砧木資源，篩選出適宜的砧木品種，對(duì)西瓜的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)具有重要意義。在抗病蟲優(yōu)良砧木篩選引進(jìn)方面，研究發(fā)現(xiàn)，嫁接植株不管用的是西瓜雜交種砧木還是印度南瓜與中國(guó)南瓜雜交種砧木，都呈現(xiàn)出對(duì)枯萎病的相似抗性[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)砧木黑點(diǎn)根腐病、黃瓜綠斑駁花葉病毒病、黃萎病、枯萎病及根結(jié)線蟲病的抗性進(jìn)行研究，篩選了抗病性優(yōu)良的南瓜砧木PEK-05、PES-07、PEC-01及葫蘆砧木H04、H10、H12、H13，抗根結(jié)線蟲病優(yōu)良的砧木RKVL野生西瓜、PI189225、PI482324、PI606135、PI482298和青農(nóng)2號(hào)[1-8]。

在產(chǎn)量品質(zhì)優(yōu)良砧木篩選引進(jìn)方面，通過從嫁接親和性、抗病性、果實(shí)性狀以及產(chǎn)量、品質(zhì)等方面進(jìn)行比較篩選和綜合評(píng)判，篩選出一批適宜武漢、上海、江蘇等地區(qū)的優(yōu)良砧木，如東方長(zhǎng)生、野郎、美力堅(jiān)、綠神嫁接王、青萌砧木一號(hào)、京欣砧3號(hào)、青研秀砧、甬砧5號(hào)、海砧1號(hào)、剛健1號(hào)、親抗水瓜、雪鐵王子、甬砧7號(hào)等[9-13]。

在抗逆優(yōu)良砧木篩選引進(jìn)方面，通過評(píng)價(jià)高溫、低溫、干旱脅迫下不同砧木及砧木嫁接苗的生長(zhǎng)和生理指標(biāo)，陳文明等篩選出了一批耐熱砧木(如H07、H10、H12、H13)、耐冷砧木(如NZ、CF、AS、RS、HG、QY)、耐旱性砧木(如日本綠霸和日本強(qiáng)力士)[3，13-16]。

2 不同嫁接方法研究

適宜的嫁接方法可以培育健壯的西瓜嫁接苗。通過對(duì)劈接法、插接法與砧木不斷根、斷根組合成常規(guī)劈接、斷根劈接、常規(guī)插接、斷根插接、無萌蘗嫁接方法等不同嫁接技術(shù)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，改良式劈接法[17]、砧木斷根劈接法[18]、無萌蘗貼接法[19]嫁接西瓜后，嫁接苗成活率高，發(fā)根多，根系活力強(qiáng)，長(zhǎng)勢(shì)健壯，可在生產(chǎn)上推廣應(yīng)用。任淑年等介紹了西瓜兩段砧雙貼嫁接育苗新技術(shù)，采用南瓜作根砧、葫蘆作中間砧，該方法既可以避免葫蘆嫁接西瓜的自毒問題，又能解決南瓜嫁接西瓜的質(zhì)量和口感差問題[20]。這些新技術(shù)進(jìn)一步完善了西瓜早熟栽培技術(shù)。

3 不同嫁接育苗因子研究

通過對(duì)接穗種子發(fā)芽率、嫁接后覆蓋薄膜處理、夜溫處理、光照處理等方面的研究，摸索最適宜的育苗條件，以增加嫁接苗的成活率。在接穗種子發(fā)芽方面，秦東等對(duì)嫁接西瓜砧木與接穗種子的浸種催芽技術(shù)進(jìn)行了探索和實(shí)踐，摸索出一套簡(jiǎn)單有效的浸種催芽技術(shù)[21]。

在嫁接后覆蓋薄膜處理方面，李剛等研究不同掀膜處理對(duì)西瓜嫁接苗的影響，結(jié)果表明，嫁接后第8～10天掀膜，嫁接苗成活率高，莖矮壯不徒長(zhǎng)，植株長(zhǎng)勢(shì)良好，達(dá)到壯苗要求[10]。

在嫁接后夜溫處理方面，夜溫對(duì)西瓜嫁接苗接穗下胚軸徒長(zhǎng)影響較大，較低的夜溫有利于抑制西瓜嫁接苗徒長(zhǎng)，Yang等建議，在嫁接苗成活期管理上，夜溫不得低于 18 ℃[22]；而黃雯等認(rèn)為，夜溫12 ℃效果最好[23]。在光照處理方面，黃蕓萍等在早春持續(xù)低溫陰雨寡日照的天氣下，利用發(fā)光二極管(LED)燈、高壓鈉燈對(duì)剛長(zhǎng)出心葉的嫁接西瓜進(jìn)行連續(xù)25 d的補(bǔ)光，結(jié)果表明，人工補(bǔ)光能明顯促進(jìn)西瓜嫁接苗的生長(zhǎng)，且可使嫁接苗生物量積累加快，葉片光合能力增加，嫁接苗成活率提高，苗期猝倒病等發(fā)病率降低；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，LED燈的效果優(yōu)于高壓鈉燈[24]。

4 砧木嫁接機(jī)理的研究

4.1 防御酶活性

王文英等研究了京欣砧3號(hào)、新土佐、超豐F1、勇士、抗生王等砧木對(duì)嫁接西瓜成活率和產(chǎn)量的影響，通過測(cè)定葉片中的葉綠素含量、丙二醛含量、過氧化物酶活性等生理指標(biāo)分析不同砧木的嫁接效果及各生理指標(biāo)與成活率、產(chǎn)量之間的相關(guān)性，結(jié)果表明，以勇士、抗生王為砧木時(shí)，葉片中的葉綠素含量較高，嫁接成活率與其體內(nèi)過氧化物酶活性存在正相關(guān)關(guān)系，與丙二醛含量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系[25]。

4.2 抗病性

嫁接通常用于克服土傳疾病，而它是如何影響有關(guān)作物的根相關(guān)微生物以及微生物和土傳病抗性之間的關(guān)系仍然未知。Ling等研究認(rèn)為，嫁接西瓜根相關(guān)的細(xì)菌具有更廣泛的生態(tài)位重疊，嫁接西瓜可以運(yùn)用根際的最大化占有提高土傳病抗性，而不是招募更多的有益細(xì)菌[26]。Mahmud等利用核磁共振光譜來識(shí)別抗白粉病砧木對(duì)感病西瓜接穗的反式代謝物，包括膽堿、延胡索酸酯、5-羥基吲哚-3-乙酸鹽和褪黑激素，且這些代謝物從抗白粉病砧木到相應(yīng)的白粉病感病接穗發(fā)生了改變，這可能與白粉病抗性相關(guān)[27]。Avramidou等使用甲基化敏感擴(kuò)增多態(tài)性(MSAP)分析研究了黃瓜、甜瓜和西瓜接穗異源嫁接到南瓜砧木上時(shí)總DNA甲基化變化，觀察到總DNA甲基化在黃瓜和甜瓜接穗中顯著增加，在葫蘆科異源嫁接中存在一個(gè)表觀遺傳效應(yīng)；在不同砧穗組合中，利用微分表觀遺傳標(biāo)記可能導(dǎo)致表觀分子標(biāo)記的發(fā)展[28]。

4.3 抗逆性

在低溫脅迫方面，研究發(fā)現(xiàn)，砧木材料“黃金搭檔”是較有潛力的西瓜砧木，其根系活力、可溶性糖含量、脯氨酸(Pro)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性和過氧化物酶(POD)活性亦不同程度高于其他砧木，而丙二醛(MDA)含量則顯著低于其他砧木[29]。

在鹽脅迫方面，有研究認(rèn)為，瓠瓜砧木嫁接可有效防止Na+的大量累積，在體內(nèi)維持較高的K+/Na+和吲哚-3-乙酸(IAA)/玉米核苷的總量(Z+ZR)比值，從而防止離子毒害的發(fā)生，有效維持鹽脅迫下西瓜嫁接植株體內(nèi)的離子穩(wěn)態(tài)，提高西瓜嫁接植株的鹽脅迫耐性[30]。在鹽脅迫下砧木嫁接增加了葉片中的葉綠素含量，尤其是增加了葉綠素b含量，并最小化光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)反應(yīng)中心和氯化鈉脅迫對(duì)類囊體結(jié)構(gòu)的有害影響；此外，砧木嫁接增強(qiáng)二磷酸核酮糖羧化酶的含量和活性，從而提高在鹽脅迫下西瓜接穗葉片的碳固定能力[31]。此外，有研究開發(fā)了轉(zhuǎn)基因葫蘆系表達(dá)擬南芥H+焦磷酸酶AVP1基因，在葫蘆中AVP1的表達(dá)可以改善溫室的鹽脅迫，西瓜植株嫁接到轉(zhuǎn)基因葫蘆砧木上后，通過生成較高的生物量和提高光系統(tǒng)Ⅱ量子產(chǎn)率表現(xiàn)出更大的鹽脅迫抗性[32]。在鎂離子(Mg2+)脅迫下，研究發(fā)現(xiàn)，0.4 mmol/L Mg2+處理對(duì)植株生長(zhǎng)沒有影響，而0.04 mmol/L Mg2+處理則抑制植株生長(zhǎng)，但南瓜砧嫁接Mg2+吸收量顯著高于葫蘆砧嫁接，且植株長(zhǎng)勢(shì)較好[33]。

4.4 嫁接對(duì)產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

嫁接能增強(qiáng)西瓜的生長(zhǎng)速率，提高單瓜質(zhì)量和產(chǎn)量，但對(duì)西瓜品質(zhì)的影響因砧木不同而有所差異。以葫蘆、野生西瓜為砧木的嫁接西瓜，其可溶性糖、維生素C含量及風(fēng)味品質(zhì)未受到顯著影響，而以南瓜為砧木的嫁接西瓜表現(xiàn)稍次，有少許纖維和口感略有異[34]。而應(yīng)泉盛等研究認(rèn)為，與對(duì)照相比，不同葫蘆砧木處理的西瓜果實(shí)果糖、葡萄糖含量顯著降低，可溶性固形物、蔗糖、維生素C含量提高，草酸含量、酸性轉(zhuǎn)化酶活性降低[35]。

嫁接西瓜對(duì)皮厚和可溶性固形物含量的影響不僅與砧木品種有關(guān)，還與西瓜接穗品種緊密相關(guān)[36]。砧木改善了采后肉硬度和番茄紅素含量，增加果肉顏色。嫁接提高了果實(shí)的品質(zhì)和可存儲(chǔ)性，減少含糖量有限，對(duì)果實(shí)品質(zhì)無害[37]。適宜砧木嫁接可以增加嫁接苗對(duì)礦質(zhì)元素的吸收。研究發(fā)現(xiàn)，南瓜砧木嫁接植株根、莖、葉、果皮、果肉中N、K、Ca、Fe、Mg和Mn的吸收量和濃度高于對(duì)照，葫蘆和南瓜嫁接植株果實(shí)發(fā)育期對(duì)營(yíng)養(yǎng)素的吸收量分別提高了30.41%和49.14%，果實(shí)成熟期則分別提高了21.33%和47.46%[38]。

4.5 蛋白質(zhì)組研究

在嫁接過程中，機(jī)械損傷和嫁接行為都可以刺激植株的細(xì)胞反應(yīng)。Wang等采用iTRAQ蛋白鑒定技術(shù)，分析了機(jī)械損傷和嫁接行為對(duì)葫蘆嫁接苗蛋白水平的影響，發(fā)現(xiàn)2種刺激行為對(duì)嫁接結(jié)合部及其鄰近的西瓜莖組織的蛋白均有影響，而嫁接行為的影響顯著高于機(jī)械損傷，建議可以將過氧化氫作為異源嫁接的信號(hào)分子[39]。Muneer等對(duì)不同光照強(qiáng)度[25、50、75、100 μmol/(m2·s)]下生長(zhǎng)的葫蘆嫁接西瓜維管束連接的蛋白質(zhì)組進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，在不同的光強(qiáng)度下，“Sambok Honey”和“Speed”分別有24、27個(gè)差異表達(dá)蛋白質(zhì)；這些鑒定的蛋白主要參與離子束縛、氨基酸代謝、轉(zhuǎn)錄調(diào)控和防御反應(yīng)；這些生物過程中關(guān)鍵酶的積累似乎在嫁接幼苗維管束連接中發(fā)揮重要作用；此外，發(fā)現(xiàn)在嫁接幼苗中 100 μmol/(m2·s) 的蛋白質(zhì)表達(dá)反應(yīng)結(jié)果更好[40]。Song等比較了西瓜、葫蘆嫁接西瓜和葫蘆的根系分泌物，發(fā)現(xiàn)嫁接改變了西瓜根系分泌蛋白的組成，且葫蘆嫁接西瓜根系分泌蛋白的多樣性顯著高于西瓜和葫蘆；嫁接特異性地誘導(dǎo)了與生物和非生物脅迫相關(guān)蛋白At4g27190、callose synthase、HVA22和Clp protease的表達(dá)，該研究揭示了嫁接提高植株抗病的機(jī)制[41]。

4.6 基因組研究

評(píng)估一個(gè)物種基因組大小可以為基因組文庫(kù)構(gòu)建、測(cè)序深度和基因組組裝提供理論依據(jù)。采用流式細(xì)胞術(shù)測(cè)定4份來自我國(guó)不同地區(qū)的瓠瓜基因組大小，測(cè)得瓠瓜種質(zhì)資源的基因組大小為329.11～344.56 Mb[42]。DNA甲基化與表觀遺傳中轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)移失活、miRNA表達(dá)、基因印記等存在密切關(guān)系，同時(shí)還與生物及非生物脅迫抗性等有關(guān)。邢乃林等研究發(fā)現(xiàn)，嫁接總體上提高了幼苗期和開花期的全甲基化水平，但明顯降低了半甲基化水平；嫁接對(duì)西瓜接穗甲基化水平的影響大于對(duì)砧木的影響；嫁接對(duì)開花期DNA甲基化狀態(tài)改變的影響最大，嫁接導(dǎo)致的甲基化狀態(tài)改變方式主要為未甲基化與全甲基化狀態(tài)之間的改變[43]。基于測(cè)序技術(shù)，Xu等對(duì)低溫脅迫下嫁接西瓜植株的轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行了測(cè)序，在砧木嫁接苗中鑒定到702個(gè)差異表達(dá)基因，且其中164個(gè)在砧木嫁接苗中特異性表達(dá)，為提高嫁接植株耐冷性研究提供了分子基礎(chǔ)[44]。Liu等發(fā)現(xiàn)，葫蘆砧和南瓜砧嫁接分別誘導(dǎo)了787、3 485個(gè)差異表達(dá)基因，這些基因參與了初級(jí)和次級(jí)代謝、信號(hào)傳導(dǎo)、轉(zhuǎn)運(yùn)和應(yīng)激響應(yīng)等系列生理活性，為研究嫁接體的生理活性提供了豐富的基因資源[45]。

5 砧木新品系/品種的選育

霍玉娟等通過多年努力，以X02-015自交系作母本、Y02-004自交系作父本，培育出適合河南地區(qū)的早熟西瓜嫁接砧木新品種“青桿金鋼”；該砧木耐寒能力強(qiáng)，嫁接西瓜親和性好，成活率高，根系發(fā)達(dá)，高抗枯萎病和急性凋萎病，對(duì)西瓜的品質(zhì)影響小，適宜早春西瓜嫁接栽培[46]。

6 肥水、種植密度對(duì)嫁接西瓜生產(chǎn)的影響

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)整枝方式、種植密度、施肥量等配套栽培技術(shù)進(jìn)行了深入研究。研究結(jié)果表明，中果型嫁接西瓜 667 m2宜栽500株，并采用三蔓整枝方式[47]；鉀肥施用量為 525 kg/hm2時(shí)，嫁接西瓜表現(xiàn)較好[48]。Ozmen等研究了水分缺乏對(duì)嫁接和非嫁接西瓜氮消耗、產(chǎn)量、品質(zhì)的影響，結(jié)果顯示，赤字灌溉沒有顯著影響產(chǎn)量和質(zhì)量；嫁接西瓜有更高的產(chǎn)量，但是嫁接輕微影響果實(shí)的品質(zhì)；可以考慮在半干旱地區(qū)使用低灌溉處理；此外，應(yīng)用嫁接處理增加了西瓜的產(chǎn)量[49-51]。陳貽釗等建議選擇海鮮菇、茶樹菇菌糠進(jìn)行西瓜砧木育苗復(fù)合基質(zhì)的進(jìn)一步研發(fā)[52]。

7 嫁接栽培技術(shù)的應(yīng)用

隨著保護(hù)地設(shè)施栽培的擴(kuò)大，西瓜連作障礙發(fā)生嚴(yán)重，包括西瓜的自毒作用或化感效應(yīng)、病原菌的侵染、土壤次生鹽漬化、土壤有益菌群減少、西瓜生理生化代謝的改變以及與病原菌互作等，謝玲玲等提出了用嫁接的方法來防治的策略[53-54]。河北省承德市、浙江省寧波市等地都積極開展了西瓜嫁接技術(shù)的應(yīng)用，并從接穗選擇、砧木選擇、育苗、嫁接關(guān)鍵技術(shù)、定植前準(zhǔn)備、定植、定植后管理、病蟲害防治等方面探索適于本地區(qū)的嫁接西瓜栽培模式[55-58]。