甜瓜果實糖含量的主基因+多基因遺傳分析

葉紅霞，呂律，海睿，胡雨晴，汪炳良

（浙江大學農業(yè)與生物技術學院蔬菜研究所，杭州 310058）

甜瓜（Cucumis meloL.）是世界各地普遍栽培的一種水果型蔬菜，而中國是世界上甜瓜栽培面積最大、總產量最高的國家。優(yōu)質是甜瓜生產者和消費者的共同追求，也是甜瓜新品種選育的一個永恒目標。在構成甜瓜果實品質的諸多因素中，糖含量是最重要的因素之一[1]。甜瓜果實中最主要的可溶性糖是葡萄糖、果糖和蔗糖[2-3]，但在成熟果實中糖分含量存在明顯的變種間、品種間差異[4-6]，其中厚皮甜瓜果實中的可溶性糖，特別是蔗糖含量遠高于越瓜果實[7]。

無論是選育高糖型甜瓜品種還是選育低糖型甜瓜品種，其前提必須明確甜瓜果實糖分組分的遺傳規(guī)律。BURGER等于2002年報道，發(fā)現(xiàn)了一個控制甜瓜果實蔗糖積累的隱性基因[8]，但后來多數(shù)學者認為甜瓜果實糖含量屬于多基因控制的數(shù)量性狀[2,9-10]，且容易受環(huán)境因素影響[11-13]。本文以低糖自交系和高糖自交系構建的6個世代群體為材料，利用植物數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型分析方法，探討甜瓜果實糖組分的遺傳規(guī)律，旨在明確甜瓜果實糖組分的遺傳方式，為甜瓜優(yōu)質育種提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗以低糖越瓜（Cucumis melovar.conmmonMakino）自交系‘花皮菜瓜’（P1）和高糖厚皮甜瓜（Cucumis melovar.saccharinusNaud.）自交系‘XLH’（P2）為親本，通過雜交、自交和回交獲得P1、P2、F1、F2、B1（F1×P1）和B2（F1×P2）共6個世代的種子。其中：P1果實圓柱形，果皮墨綠色、具淺綠色斑紋，果肉淡綠色、質地松脆，瓜瓤淺橘紅色；P2果實橢圓形，果皮白色、具淡綠色斑紋，果肉橘紅色、質地脆；F1群體果形、皮色、肉色等性狀偏向P1（圖1）；F2、B1、B2群體的果形、皮色、肉色等性狀發(fā)生分離。

圖1 雙親及F1果實Fig.1 Fruits of the two parents and F1generation

1.2 試驗方法

將得到的6個世代的種子于2017年春季在浙江省湖州市吳興金農生態(tài)農業(yè)發(fā)展有限公司移沿山基地的塑料大棚中種植。2017年2月13日育苗，3月15日定植，畦寬（連溝）2.0 m、株距0.5 m。P1、P2、F1、F2、B1和 B2等 6 個群體分別定植 10、10、10、100、80和80株左右。田間管理同常規(guī)生產管理，棚架栽培，開花后人工授粉，單蔓整枝，選擇主蔓第11—13節(jié)位的側枝結果，待果實達到生理成熟時選擇生長正常、無機械傷害的果實逐株采收。果實采收當天運回實驗室取樣，取樣時切取果實赤道部分的果肉，厚度2 cm左右，每個果實重復取樣3次，保存于－80℃冰箱中，備用。

糖的提取參考管學玉的方法[14]，糖組分含量測定參考朱勇等的方法[15]。色譜儀為Waters 2695高效液相色譜儀（配Waters 2414型示差折光檢測器），色譜條件為：流動相V（乙腈）∶V（重蒸水）=80∶20，流速1.0 mL/min，柱溫40℃，檢測器溫度35℃，進樣量10 μL。柱型為美國Waters公司Spherisorb-5NH2柱。以色譜級果糖、葡萄糖和蔗糖標準品等比例混合配制標準工作液，進行液相色譜分析，以濃度為X軸，峰面積為Y軸進行線性回歸，制作標準曲線，并根據(jù)標準曲線計算糖組分含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2016對P1、P2和F1葡萄糖、果糖、蔗糖含量及總糖（葡萄糖+果糖+蔗糖）含量[16]進行差異顯著性分析，并對F2、B1和B2分離世代果實葡萄糖、果糖、蔗糖和總糖含量繪制頻次分布圖（同一糖組分在3個分離世代中均分成9組，組中值相同）。

試驗數(shù)據(jù)利用章元明教授課題組開發(fā)的Windows軟件包中的SEA-G6[17]在Lenovo PC機上運行，采用植物數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型分析方法對6個世代糖含量相關性狀進行聯(lián)合分析：先通過極大似然法（maximum likelihood method）和迭代期望條件最大化（iterated expectation and conditional maximization,IECM）算法對混合分布中的有關成分分布參數(shù)作出估計，根據(jù)赤池信息量準則（Akaike’s information criterion,AIC），選出 AIC值最小的模型及與最小值比較接近的模型作為備選模型，然后利用均勻性檢驗檢驗（nW2）和Kolmogorov檢驗（Dn）對選出的備選模型的各世代進行適合性檢驗，并選擇統(tǒng)計量達到顯著水平個數(shù)最少的模型作為該性狀的最優(yōu)模型，最后根據(jù)最小二乘法估計主基因和多基因效應值、方差等遺傳參數(shù)。

2 結果與分析

2.1 6個世代糖組分含量表型特點

由表1可知：雙親及F1葡萄糖含量無顯著差異；F1果糖和蔗糖含量介于雙親之間且偏向低親（P1），顯著低于高親（P2），但與P1差異不顯著；P2總糖含量顯著高于P1和F1，而F1總糖含量偏向低親但顯著高于低親。同時，在高糖親本甜瓜果實總糖構成中，蔗糖占比最高，達63.98%；而在低糖親本及F1中，蔗糖占比較低，分別為2.95%和18.54%。

表1 雙親及F1果實糖含量Table 1 Fruit sugar content in the two parents and F1generation mg/g

同時，從圖2可以看出，甜瓜果實葡萄糖、果糖、蔗糖及總糖含量在分離世代呈現(xiàn)單偏峰分布，符合主基因+多基因表型分布特征。

2.2 遺傳模型選擇與檢測

對6個世代果實的果糖、葡萄糖、蔗糖、總糖含量分別進行主基因+多基因混合遺傳模型分析，得到5類24種模型的AIC值（表2）。根據(jù)遺傳模型選取的AIC值最小原則，選取AIC值最小的模型及與最小AIC值差異不大的遺傳模型作為備選模型，其中：對于葡萄糖含量，AIC值最小的模型為E-1（MX2-ADI-AD，即2對主基因加性-顯性-上位性＋多基因加性-顯性模型），模型D-0（MX1-ADADI，即1對主基因加性-顯性＋多基因加性-顯性-上位性模型）的AIC值與E-1接近；對于果糖含量，AIC值最小的模型為E-0（MX2-ADI-ADI，即2對主基因加性-顯性-上位性＋多基因加性-顯性-上位性模型），模型E-1的AIC值與E-0接近；對于蔗糖含量，AIC值最小的模型為E-1，模型E-5（MX2-AED-AD，即2對主基因完全顯性＋多基因加性-顯性模型）的AIC值與E-1接近；對于總糖含量，AIC值最小的模型為E-1，模型D-0的AIC值與E-1接近。

圖2 甜瓜分離世代（F2、B1、B2）果實糖含量的頻次分布Fig.2 Frequency distribution for fruit sugar content in the segregation populations(F2,B1,B2)

表2 甜瓜果實糖含量相關性狀遺傳模型的赤池信息量準則（AIC）值Table 2 Akaike’s information criterion(AIC)value of various genetic models for fruit sugar content correlated traits in melon

對于甜瓜各糖組分含量中AIC值最低的2個備選模型進行適合性檢驗，以選擇最優(yōu)模型。對于葡萄糖含量，模型D-0和模型E-1的所有統(tǒng)計量均未達到顯著性水平（表3），但E-1模型的AIC值最小（表2），因此，在甜瓜果實中葡萄糖含量的最適遺傳模型為E-1，即2對主基因加性-顯性-上位性+多基因加性-顯性模型；對于果糖含量，模型E-1有2個統(tǒng)計量達到顯著水平，模型E-0所有統(tǒng)計量均未達到顯著水平（表4），且其AIC值最小（表2），因此，模型E-0（2對主基因加性-顯性-上位性+多基因加性-顯性-上位性模型）為甜瓜果實果糖含量的最優(yōu)遺傳模型；對于蔗糖含量，模型E-1的所有統(tǒng)計量均未達顯著水平，而模型E-5有4個統(tǒng)計量達顯著水平（表5），且E-1的AIC值最小，因此，甜瓜果實蔗糖含量的最適遺傳模型是E-1，即2對主基因加性-顯性-上位性+多基因加性-顯性模型；對于總糖含量，模型E-1和D-0的所有統(tǒng)計量均未達顯著水平（表6），但模型E-1的AIC值最小，因此，甜瓜果實總糖含量的最適遺傳模型為E-1。

2.3 最適模型的遺傳參數(shù)估計

根據(jù)最小二乘法原理對甜瓜果實果糖、葡萄糖、蔗糖、總糖選擇的最優(yōu)模型進行一階和二階遺傳參數(shù)估計，結果如表7和表8所示。

從表7可以看出，控制葡萄糖含量的2對主基因加性效應均為正向且效應值相等（0.542）；2對主基因顯性效應值分別為－4.669和－5.620，均大于正向的加性效應，且第2對主基因的顯性效應大于第1對主基因的顯性效應，說明主基因以第2對的負向顯性效應為主；多基因以正向顯性效應為主（2.889）。在主要互作效應中，顯性×加性互作為負向，加性×加性、加性×顯性和顯性×顯性互作均為正向，其中顯性×顯性互作的作用最明顯（7.940）。由表8可知，在B1、B2、F2中控制葡萄糖含量的主基因遺傳率分別為0.773、0.852和0.862，而多基因遺傳率幾乎為0，表明主基因對控制葡萄糖含量遺傳的作用較大。

表3 甜瓜果實葡萄糖含量備選模型適合性檢驗Table 3 Fitness test of alternative inheritance models for fruit glucose content in melon

表4 甜瓜果實果糖含量備選模型適合性檢驗Table 4 Fitness test of alternative inheritance models for fruit fructose content in melon

由表7可知，控制甜瓜果實中果糖含量的2對主基因的加性效應和顯性效應均為負向增效，2對主基因的加性效應值和顯性效應值分別相等，且加性效應值（－4.083）比顯性效應值（－3.532）稍大，說明主基因以負向增效的加性效應為主。在上位效應作用中，主基因的互作效應均為正向，顯性×顯性互作效應的值最大（7.725），加性×顯性互作效應的值最?。?.751）。由表8可知，在B1、B2、F2中控制果糖含量的主基因遺傳率均高于多基因遺傳率，分別為0.569、0.543和0.857，表明主基因在F2中對控制果糖含量的遺傳作用較大。

表5 甜瓜果實蔗糖含量備選模型適合性檢驗Table 5 Fitness test of alternative inheritance models for fruit sucrose content in melon

表6 甜瓜果實總糖含量備選模型適合性檢驗Table 6 Fitness test of alternative inheritance models for fruit total sugar content in melon

從表7可以看出，控制蔗糖含量的2對主基因的顯性效應一正一負，負向的顯性效應（－3.478）稍大于正向的顯性效應（3.214），2對主基因的加性效應值相等（－6.024）且均大于顯性效應，說明主基因以負向的加性效應為主。多基因也以負向的加性效應（－12.383）為主。在主要互作效應中，加性×加性和顯性×加性互作為正向，加性×顯性和顯性×顯性互作為負向，其中顯性×加性互作（10.488）的作用最強。在B1、B2、F23個世代中，控制蔗糖含量的主基因遺傳率分別為0.652、0.786、0.927（表8），表明主基因在F2中對控制蔗糖含量的遺傳作用較大。

從表7還可以看出，控制總糖含量的2對主基因的加性效應值均為－4.150，2對主基因的顯性效

應值均大于加性效應值，第2對主基因顯性效應值（－5.691）稍大于第1對主基因顯性效應值（－5.009），說明主基因以第2對主基因的負向顯性效應為主。而多基因加性效應值（－19.614）大于顯性效應值（－16.523），說明多基因以負向加性效應為主。此外，4個主要互作效應均為正向作用，其中顯性×顯性互作（19.130）作用最大，加性×加性互作（10.343）作用也較大。由表8可知，在B1、B2、F23個世代中控制總糖含量的主基因遺傳率分別為0.630、0.647和0.850，說明主基因在F2中對控制總糖含量的遺傳作用較大。

表7 甜瓜果實糖含量的一階遺傳參數(shù)估值Table 7 Estimates of first order genetic parameters for fruit sugar content in melon

表8 甜瓜果實糖含量的二階遺傳參數(shù)估值Table 8 Estimates of second order genetic parameters for fruit sugar content in melon

3 討論

植物多數(shù)經(jīng)濟性狀屬于由多基因控制的數(shù)量性狀。利用數(shù)量性狀遺傳研究的傳統(tǒng)方法[18-20]可以獲得加性方差、顯性方差、表型方差及環(huán)境方差等參數(shù)，進而估算性狀的遺傳力。由于控制數(shù)量性狀的基因有主效基因和微效基因，因此，將控制數(shù)量性狀的多基因看作整體進行分析的傳統(tǒng)方法，獲得的信息量有限，分析結果對指導育種實踐存在一定的局限性。蓋鈞鎰等在借鑒前人研究的基礎上，利用混合模型建立了數(shù)量性狀主基因+多基因多世代聯(lián)合分析法[21]，并開發(fā)了Windows版本軟件包SEA[17]，以方便研究者使用。這種主基因+多基因多世代聯(lián)合分析法已成為人們對數(shù)量性狀進行遺傳研究的主要方法，并在甜瓜[22-24]、西瓜[25]、花椰菜[26]、甘藍型油菜[27]、大麥[28]、花生[29]等作物中得到普遍應用。

甜瓜果實糖含量是一個重要的品質性狀，葡萄糖、果糖、蔗糖是甜瓜果實中主要可溶性糖組分。迄今為止，有關甜瓜果實糖含量的研究報道不多。林碧英等采用雙列雜交方法研究發(fā)現(xiàn)，甜瓜可溶性固形物含量的基因加性效應和顯性效應均達到顯著水平，且加性效應占相對優(yōu)勢[30]；但該試驗估測的是基因的綜合效應，且可溶性固形物含量包含了可溶于水的糖、酸、維生素、礦物質等，是一個綜合性狀，并不能完全代表甜瓜果實的糖含量，其研究結果對甜瓜糖含量育種的指導存在局限性。張紅等對以甜味自交系與酸味自交系為材料構建的P1、P2、F1、F2等4世代群體研究發(fā)現(xiàn)，甜瓜果實糖（葡萄糖+果糖+蔗糖）含量受2對相等加性主基因+加性-顯性多基因控制，并以主基因為主，其遺傳力達到88.8%[16]；由于該試驗所用群體只有1個分離世代（F2），且僅對總糖進行遺傳分析，研究結果存在一定的局限性。張寧等以低糖的野生薄皮甜瓜和高糖的厚皮甜瓜為親本，對構建的6個世代群體利用比色法測定了果糖、葡萄糖、蔗糖、總糖含量，發(fā)現(xiàn)果糖、葡萄糖、總糖含量均受2對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性-上位性多基因控制，主基因在F2中的遺傳率分別達到90.32%、82.42%和94.66%，蔗糖含量受1對加性主基因+加性-顯性多基因控制，主基因在F2中的遺傳率為83.76%[31]。本試驗以屬于薄皮甜瓜類型的低糖型（特別是低蔗糖含量）越瓜自交系與屬于厚皮甜瓜類型的高糖型（特別是高蔗糖含量）自交系為材料，對通過雜交、自交、回交構建的6世代材料采用高效液相色譜法測定各種糖組分含量，利用主基因+多基因混合模型進行果實葡萄糖、果糖、蔗糖、總糖含量的遺傳分析，發(fā)現(xiàn)果糖含量受2對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性-上位性多基因控制，這與張寧等的報道[31]基本一致；葡萄糖、蔗糖和總糖含量受2對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性多基因控制，這與前人研究結果[16,31]不同，其原因可能與試驗所涉及的甜瓜自交系遺傳背景、聯(lián)合分析的世代群體和糖分測定方法等不同有關。在F2中，果糖、葡萄糖、蔗糖和總糖的主基因遺傳率分別達到85.7%、86.2%、92.7%和85.0%，表明在F2中主基因遺傳力較高，對果實糖分的遺傳起主導作用，而多基因的貢獻較小，這與張寧等的研究結果[31]也基本一致。

4 結論

研究甜瓜不同糖組分含量的遺傳規(guī)律是甜瓜品質育種的必要前提。本研究結果表明：果糖含量受2對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性-上位性多基因控制；葡萄糖、蔗糖和總糖含量則受2對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性多基因控制，與前人報道[16,31]有所不同；控制甜瓜果實糖組分含量的遺傳效應可以區(qū)分為主基因效應與多基因效應，在F2中主基因起主導作用，多基因的貢獻較小，其中果糖、葡萄糖、蔗糖和總糖的主基因遺傳率分別達到85.7%、86.2%、92.7%和85.0%，而環(huán)境對甜瓜果實糖組分的影響相對較小。因此，在甜瓜育種中，對果實糖組分含量的選擇宜在早世代進行。