普通絲瓜果皮顏色性狀的遺傳研究

黃樹(shù)蘋(píng)，談 杰，陳 霞，張洪源，張 敏

（武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜科學(xué)研究所，武漢430065）

0 引言

絲瓜為葫蘆科絲瓜屬一年生攀援植物，果肉細(xì)膩鮮美，含有豐富的營(yíng)養(yǎng)，是一種藥膳兼?zhèn)涞墓项?lèi)蔬菜[1-2]。國(guó)內(nèi)絲瓜有普通絲瓜(Luffa cylindrical)和有棱絲瓜(Luffa acutangula)2個(gè)栽培種，其中有棱絲瓜主要在華南地區(qū)栽培，普通絲瓜在國(guó)內(nèi)大部分省市均有栽培[3-4]。普通絲瓜以幼嫩果實(shí)為主要的食用器官，果實(shí)性狀是絲瓜育種中最主要的研究方面[5-7]。果皮顏色是茄果類(lèi)蔬菜主要的商品性狀之一，也是人們選擇攝入更多營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的參考標(biāo)準(zhǔn)[8]，在當(dāng)前育種目標(biāo)轉(zhuǎn)向?qū)Ｓ没投嘣倪^(guò)程中，果皮色的研究引起越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注[9-10]。普通絲瓜幼嫩果實(shí)的果皮顏色多為綠色，白色果皮類(lèi)型絲瓜較為少見(jiàn)。隨著人們消費(fèi)習(xí)慣的變化，對(duì)白皮類(lèi)型絲瓜的需求量增大[11]，同時(shí)有研究報(bào)道白皮絲瓜果肉的褐變程度低于綠皮絲瓜[12]，由此加大絲瓜多元化育種，豐富市場(chǎng)上絲瓜品種類(lèi)型，滿足消費(fèi)者高品質(zhì)的生活需要成為絲瓜育種當(dāng)下需解決的問(wèn)題，而果皮顏色的遺傳規(guī)律研究對(duì)絲瓜種質(zhì)資源創(chuàng)新和開(kāi)發(fā)利用及多樣性育種具有重要的指導(dǎo)意義。

目前有關(guān)普通絲瓜果皮顏色的遺傳規(guī)律未見(jiàn)報(bào)道。林明寶[13]對(duì)有棱絲瓜深綠果色自交系與赤麻果色自交系的雜交后代果皮顏色的遺傳表現(xiàn)進(jìn)行研究。何志俊[14]對(duì)3個(gè)普通絲瓜雜交組合的6個(gè)世代群體的主要經(jīng)濟(jì)性狀進(jìn)行了綜合分析，將普通絲瓜的果皮顏色作為質(zhì)量性狀進(jìn)行研究，但沒(méi)有對(duì)遺傳規(guī)律進(jìn)行準(zhǔn)確的描述。植物數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型分析方法可以鑒別主基因，檢測(cè)多基因效應(yīng)，還能檢測(cè)基因間的交互作用和上位性，并涉及基因與環(huán)境間的互作[15]，該方法已經(jīng)在黃瓜[16]、甜瓜[17]、辣椒[18-19]、番茄[20]和茄子[21]等作物的果皮顏色遺傳規(guī)律分析上得到了應(yīng)用。

本試驗(yàn)以綠皮絲瓜材料YX014為母本，以白皮絲瓜材料LJ-01為父本，配制6個(gè)世代群體 P1、P2、F1、F2、BC1、BC2，利用主基因+多基因多世代聯(lián)合分析方法對(duì)普通絲瓜果皮顏色進(jìn)行遺傳分析，估測(cè)主基因的遺傳效應(yīng)和遺傳力，以期為絲瓜育種的世代選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

從絲瓜高代自交系材料中選擇具有代表性的綠果皮絲瓜材料YX014(P1)和白果皮高代自交系絲瓜材料LJ-01(P2)為親本，雜交獲得F1，分別與P1、P2回交得到B1和B2群體，F(xiàn)1自交得到F2群體。試驗(yàn)材料由武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所茄果研究室提供。

2018年春季將6個(gè)世代群體定植于武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院北部園區(qū)試驗(yàn)地，采用露地棚架栽培，田間管理同于一般常規(guī)。其中 P1、P2、F1各種植20株，B1、B2各種植120株，F(xiàn)2種植200株。6月下旬選擇雌花節(jié)位（第12節(jié)位）相近的植株，雌花開(kāi)放當(dāng)天掛牌，開(kāi)花后第9天選擇無(wú)病蟲(chóng)危害的商品果進(jìn)行取樣[12]，每株取1個(gè)果實(shí)。

1.2 果皮顏色的測(cè)定與分級(jí)

通過(guò)調(diào)查各群體后代果實(shí)皮色的分離表現(xiàn)，盡可能覆蓋所有皮色表現(xiàn)類(lèi)型，根據(jù)白色果皮在果實(shí)表面所占比例，最終確定皮色分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。（各世代絲瓜果臍和瓜蒂處均為綠色，在分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)中不再描述）1級(jí)，綠色；2級(jí)，綠色，果實(shí)下部間雜不規(guī)則白色斑點(diǎn)；3級(jí)，果實(shí)上部綠色，綠色條紋延伸至果頂且間雜白色條紋和不規(guī)則白色斑塊；4級(jí)，瓜蒂至果長(zhǎng)1/4處為綠色，綠條紋延伸至果長(zhǎng)1/2～2/3處，果實(shí)中下部為白色；5級(jí)，瓜蒂處綠色，綠條紋延伸至果長(zhǎng)1/3處，果臍至中上部為白色；6級(jí)，瓜蒂處綠色，其他部位為白色（圖1）。

圖1 普通絲瓜果皮調(diào)查中的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)以上分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)查P1、P2、F1植株果實(shí)皮色的穩(wěn)定性，對(duì)B1、B2和F2分離群體各單株進(jìn)行分級(jí)。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

應(yīng)用蓋鈞鎰等[22]多世代聯(lián)合的數(shù)量性狀分離分析Ⅱ——P1、P2、F1、B1、B2和F2聯(lián)合分析方法，對(duì)各世代的果皮顏色級(jí)值進(jìn)行分析，通過(guò)極大似然法和IECM(iterated expectation and conditional maximization)算法對(duì)混合分布中的有關(guān)成分分布參數(shù)做出估計(jì)，獲得24種遺傳模型的AIC值和MLV值（極大似然函數(shù)值），從中選擇AIC值較小的若干模型初步作為適合模型，然后對(duì)適合模型做適合性檢驗(yàn)，從中選擇最佳遺傳模型，并由此估計(jì)出最佳遺傳模型下的有關(guān)遺傳參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 6個(gè)世代絲瓜果皮顏色的次數(shù)分布

由表1和圖2可以看出，親本P1和P2的果皮顏色級(jí)值差異顯著，F(xiàn)1群體的果色級(jí)值的平均值介于2個(gè)親本之間且明顯傾向與高值親本，目測(cè)觀察F1代群體果實(shí)除果柄下為綠色及延伸的較短的綠色條紋，果身其他部位為白色。由此推測(cè)，普通絲瓜白色果皮對(duì)綠色果皮為不完全顯性。

圖2 親本及F1果皮色表現(xiàn)

表1 6個(gè)世代果皮顏色的基本參數(shù)

2.2 F2群體及B1和B2褐變級(jí)值植株數(shù)量分布

B1、B2和F2群體果皮色次數(shù)分布（圖3）表明，B1和B2表現(xiàn)為偏態(tài)性連續(xù)分布，B1偏向于綠皮親本P1，B2偏向于白皮親本P2，F(xiàn)2世代的果皮色呈雙峰分布，表明普通絲瓜果皮顏色屬于數(shù)量性狀，控制果皮顏色性狀的基因?qū)儆诤嘶?。目測(cè)觀察，F(xiàn)2群體少數(shù)為親本顏色，多數(shù)果皮色為白、綠相間且白色部分面積較大，表明普通絲瓜白色果皮對(duì)綠色果皮為不完全顯性，而非完全顯性的質(zhì)量性狀。

圖3 B1、B2及F2群體的果皮顏色級(jí)值次數(shù)分布圖

2.3 最佳遺傳模型的選擇和檢驗(yàn)

以P1、P2、F1、B1、B2和F2各世代的果色級(jí)值為基礎(chǔ)，利用蓋鈞鎰等提出的植物數(shù)量性狀主基因+多基因遺傳模型6世代聯(lián)合分析方法，對(duì)各世代材料的果皮色遺傳進(jìn)行分析，共得到包括1對(duì)主基因（A類(lèi)模型）、2對(duì)主基因（B類(lèi)模型）、無(wú)主基因（C類(lèi)模型）、1對(duì)主基因+多基因（D類(lèi)模型）和2對(duì)主基因+多基因（E類(lèi)模型）共21個(gè)遺傳模型的AIC值和MLV值（表2）。從AIC值較小的模型中選出最優(yōu)遺傳模型，如果幾個(gè)模型的AIC值較小且差異不大，需要做適合性測(cè)驗(yàn)，選擇參數(shù)達(dá)到顯著差異數(shù)量最少的模型為最佳模型，并估計(jì)相應(yīng)的主基因和多基因效應(yīng)值、方差等遺傳參數(shù)。

由表2可以看出，21個(gè)遺傳模型中B-1模型和B-2模型的AIC值較小且差異不大。對(duì)上述2個(gè)遺傳模型進(jìn)行適合性檢驗(yàn)（表3）可知，B-1模型的統(tǒng)計(jì)量中有19項(xiàng)達(dá)到顯著或極顯著差異，B-2模型有20項(xiàng)達(dá)到顯著或極顯著差異。由此可見(jiàn)，B-1模型較B-2模型有較少的適合性檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量與分布群體不一致。因此，B-1模型應(yīng)為最適遺傳模型，即普通絲瓜果皮色性狀符合模型加性-顯性-上位性遺傳模型。

表2 各遺傳模型的AIC值和MLV值

表3 遺傳模型的適合性檢驗(yàn)

2.4 最適模型的遺傳參數(shù)估計(jì)

上述分析表明，普通絲瓜果皮色性狀是由2對(duì)主效基因控制，并表現(xiàn)主基因加性-顯性-上位性遺傳（B-1模型）。普通絲瓜組合YX014×LJ-01估算B-1遺傳模型的一階和二階遺傳參數(shù)見(jiàn)表4。由遺傳參數(shù)的估計(jì)值可以看出，第一主效基因和第二主效基因的加性效應(yīng)分別是-2.50和0.00，說(shuō)明第一對(duì)主基因在加性效應(yīng)中占主導(dǎo)地位，且為負(fù)向效應(yīng)；第一主基因的顯性效應(yīng)和顯性度分別為0.50和-0.20，第二主基因的顯性效應(yīng)和顯性度分別為0.48和-5.67，表明2對(duì)主基因均有顯性效應(yīng)，第一主基因?yàn)椴糠诛@性，第二主基因的顯性效應(yīng)明顯，表現(xiàn)為負(fù)向超顯性；在上位性作用中，2個(gè)主基因的加性-顯性效應(yīng)(jab)和顯性-加性效應(yīng)(jba)分別為1.00和-1.00，2個(gè)主基因的加性-加性互作效應(yīng)(i)和顯性-顯性互作效應(yīng)(l)分別為0.00和0.10，表明2個(gè)主基因的加性-顯性互作效應(yīng)和顯性-加性互作效應(yīng)較大，而加性互作效應(yīng)和顯性互作效應(yīng)小。由表4中的二階遺傳參數(shù)可知，組合YX014×LJ-01果皮色性狀在B-1遺傳模型中的B1、B2和F2主基因遺傳率分別是96.4%、99.1%、99.4%，說(shuō)明普通絲瓜組合YX014×LJ-01的果皮顏色主要受主基因控制，皮色遺傳改良可以在早期分離的世代中選擇。

表4 B-1模型的遺傳參數(shù)估計(jì)值

3 結(jié)論與討論

3.1 果皮色的測(cè)定方法與分級(jí)

果皮顏色是瓜果類(lèi)蔬菜重要的外觀性狀，受到很多學(xué)者和育種工作者的關(guān)注[23-25]。目前果皮顏色的測(cè)定方法主要包括目測(cè)法[17,26-27]、色素含量測(cè)定[28-29]、色差儀測(cè)定[18]、色素含量與色差儀結(jié)合[10]及目測(cè)與色差儀結(jié)合[8,21]。其中，目測(cè)法在測(cè)定過(guò)程中不需要任何儀器設(shè)備，簡(jiǎn)捷、快速，所測(cè)數(shù)據(jù)能夠直接反映普通大眾的直觀感覺(jué)，缺點(diǎn)是試驗(yàn)結(jié)果易受調(diào)查者主觀因素影響。色素含量測(cè)定和色差儀測(cè)定需要借助儀器設(shè)備測(cè)定，獲得系列數(shù)據(jù)客觀反映果皮顏色，適合測(cè)定果皮顏色均勻且表面平滑的試驗(yàn)材料。色差儀能夠測(cè)出顏色的深淺和光澤的差異[18]，適合表面光滑、色澤均勻的果皮色測(cè)定。本研究原計(jì)劃采用色差儀測(cè)定果皮色，在預(yù)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)普通絲瓜綠皮與白皮絲瓜雜交后的分離群體果皮色白、綠相間，果皮顏色分布不均勻，色差儀測(cè)定小面積果皮顏色的色澤參數(shù)不能反映白、綠相間的果皮特征，本試驗(yàn)最終采用目測(cè)法進(jìn)行分級(jí)。結(jié)合預(yù)備試驗(yàn)和本試驗(yàn)分離群體果色性狀的表現(xiàn)，原計(jì)劃是制定7級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其中發(fā)現(xiàn)一個(gè)級(jí)別存在果皮色不同于其他分類(lèi)群體，表現(xiàn)為白綠色，且果實(shí)表面明顯的綠色細(xì)紋，由于出現(xiàn)單株極少，最終將其并入相近級(jí)別，最終制定的分類(lèi)級(jí)別為6級(jí)。

3.2 環(huán)境對(duì)果皮色的影響

果皮顏色的表現(xiàn)受色素的組成和含量[30-31]、調(diào)控基因等內(nèi)在因素影響[32-33]，此外還受環(huán)境因素如溫度、光照的影響[8,34-35]。筆者在絲瓜育種和栽培工作中發(fā)現(xiàn)，有綠皮遺傳背景的白皮絲瓜雜交組合和創(chuàng)新材料，果皮顏色在不同的環(huán)境下表現(xiàn)不同，如早春和秋季栽培果皮綠色面積比例大于夏季高溫環(huán)境栽培的絲瓜，環(huán)境對(duì)果皮色表現(xiàn)的作用機(jī)理還有待下一步研究。據(jù)報(bào)道，有棱絲瓜同一深綠果皮的品種，春秋季栽培果皮較夏季顏色深[13]，由此推測(cè)環(huán)境因素對(duì)絲瓜的果皮顏色表現(xiàn)有一定影響，這可能與控制果皮色的基因在某些環(huán)境下表現(xiàn)不穩(wěn)定有關(guān)。夏季是湖北地區(qū)絲瓜的主栽季節(jié)，為了增加試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，本研究果皮色調(diào)查時(shí)間安排在夏季的6月下旬和7月上旬，盡量減少環(huán)境影響造成的誤差。筆者只做了2018年夏季的絲瓜果皮色試驗(yàn)，不同生產(chǎn)年份和栽培季節(jié)的果皮色的影響，還需要進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)補(bǔ)充和驗(yàn)證。

3.3 果皮色的遺傳規(guī)律

果皮顏色性狀的研究起始于對(duì)果皮色遺傳規(guī)律的分析[10]，主基因+多基因多世代聯(lián)合分析法在葫蘆科作物的數(shù)量性狀遺傳上得到了廣泛應(yīng)用[36-38]。本試驗(yàn)利用主基因+多基因多世代聯(lián)合分析法對(duì)綠皮絲瓜和白皮絲瓜遺傳規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)普通絲瓜果皮色性狀符合加性-顯性-上位性遺傳模型（B-1模型），這一結(jié)果與深綠皮黃瓜和黃白皮黃瓜的遺傳模型相同[39]；但從其后代果皮色表現(xiàn)來(lái)看，絲瓜 F1、B1、B2和F2世代群體的果皮色出現(xiàn)白色和綠色鑲嵌遺傳，這一遺傳類(lèi)型在印度南瓜[40]的和美洲南瓜[41]中也有出現(xiàn)，但不同于黃瓜分離世代單株嫩果果皮顏色均勻一致分布的表現(xiàn)形式。胡明寶[13]以深綠色材料與赤麻色材料為親本，研究有棱絲瓜的果色遺傳表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在有棱絲瓜中赤麻果色的遺傳受一對(duì)顯性核基因控制；段穎[10]在南瓜果皮的遺傳規(guī)律中指出，較淺色性狀相對(duì)于較深色性狀表現(xiàn)為上位效應(yīng)，如白色對(duì)于其他顏色均為上位效應(yīng)。在本試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)普通絲瓜的果皮色受核基因控制，且白色果皮對(duì)綠色果皮表現(xiàn)為不完全顯性。本研究獲得的遺傳模型僅為理論性結(jié)果，不能確定控制果皮顏色相關(guān)基因的染色體定位，后續(xù)研究需要借助分子生物學(xué)技術(shù)對(duì)控制絲瓜皮色的基因進(jìn)行定位，挖掘相關(guān)調(diào)控基因并開(kāi)發(fā)連鎖標(biāo)記，為選育不同皮色的絲瓜品種提供理論指導(dǎo)。