瓜果類蔬菜果皮厚度發(fā)育調(diào)控研究進(jìn)展

龔成勝 王述彬 劉金兵 潘寶貴 郭廣君 刁衛(wèi)平

（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，南京 210014）

引言

我國是世界上最大的蔬菜生產(chǎn)國、消費(fèi)國和出口國，蔬菜產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)步健康發(fā)展有助于保障民生、保證糧食安全、促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展?！鞍宋濉笨萍脊リP(guān)以來，“優(yōu)質(zhì)、高抗、高產(chǎn)”成為了蔬菜作物重要的育種目標(biāo)，并取得了顯著成效。在瓜果類蔬菜優(yōu)質(zhì)育種目標(biāo)中，果皮性狀是一個重要的評定指標(biāo)。果皮通常指的是果實(shí)的外皮或外殼，果皮厚度是與產(chǎn)量、品質(zhì)及耐存儲性等密切相關(guān)的重要農(nóng)藝性狀。通過與產(chǎn)量的相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)果皮厚度與西瓜、辣椒等瓜菜作物產(chǎn)量具有密切相關(guān)性，果皮越厚果實(shí)的產(chǎn)量也相對更高[1-4]。另外，果皮厚度與蔬菜品質(zhì)緊密相關(guān)，果皮中富含糖類、有機(jī)酸、氨基酸、類黃酮等豐富的代謝物[5]，能夠?yàn)槿梭w提供豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，且辣椒等蔬菜作物由于具有較厚的果皮而減少了農(nóng)藥的殘留[6]。此外，蔬菜果皮厚度與耐儲存性之間多存在正相關(guān)關(guān)系，如番茄的果皮厚度與外觀、手感、裂果性以及耐儲運(yùn)特性之間有緊密聯(lián)系[7-8]；西瓜果實(shí)的厚度與硬度和裂應(yīng)力之間具有正相關(guān)性[9]；外果皮越厚的加工番茄在放置一段時間后的腐爛率相對越低[10]。

隨著重要蔬菜基因組測序以及重測序工作的推進(jìn)，生物技術(shù)研究使蔬菜育種進(jìn)入‘高速’時代[11]，并獲得了多個與目標(biāo)性狀連鎖的關(guān)鍵QTL[12]。通過分子標(biāo)記輔助育種，開發(fā)出與西瓜果皮顏色、黃瓜果肉厚度等重要性狀連鎖的分子標(biāo)記，能夠在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)性狀的快速鑒定，節(jié)約了成本并大大提高了育種效率[13-14]。同樣，全面了解果皮厚度性狀的遺傳基礎(chǔ)，并利用現(xiàn)代分子手段對蔬菜果皮厚度目標(biāo)性狀快速篩選，可為優(yōu)質(zhì)品種改良奠定基礎(chǔ)。

近年來隨著消費(fèi)水平的提高，人們對具有適宜果皮厚度的優(yōu)質(zhì)蔬菜品種的需求在增加。不同蔬菜品種由于食用部位等方面的差異，往往對果皮的要求也存在差異。比如果皮較厚的西瓜在增加耐裂性的同時，可能會減少果實(shí)可食用部分以及改變風(fēng)味品質(zhì)；加工為主的辣椒多具有較薄的果皮厚度，而鮮食類型的甜椒品種的果皮厚度較厚。因而，基于實(shí)際生產(chǎn)需求的不同，生產(chǎn)合適果皮厚度的專用瓜菜新品種才能實(shí)現(xiàn)品種的多元化、特色化、優(yōu)質(zhì)化。全面深入開展果皮厚度形成的的生理機(jī)理及分子遺傳基礎(chǔ)研究，并通過與目標(biāo)性狀連鎖分子標(biāo)記的挖掘及利用基因編輯等技術(shù)實(shí)現(xiàn)基因的定點(diǎn)改造，有助于加速適宜果皮厚度的瓜果類蔬菜新品種的選育和生產(chǎn)。

1 控制瓜果類蔬菜果皮厚度的關(guān)鍵因素

1.1 環(huán)境因素

光照、溫度、水分、肥料等因子是蔬菜作物正常生長發(fā)育的環(huán)境因素，通過改善這些環(huán)境因素可以對果蔬果皮厚度產(chǎn)生影響。優(yōu)化光照強(qiáng)度和光照質(zhì)量有助于改善作物的農(nóng)藝性狀，程群柱等[15]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)日平均溫度 19 ℃，日平均光照強(qiáng)度 504 μmol/(m2·s)處理時，果皮厚度和果實(shí)質(zhì)量等農(nóng)藝性狀要顯著高于其他處理；在肥料噴施的研究中發(fā)現(xiàn)，噴施諾普豐葉面肥和硒肥能夠減少西瓜果皮的厚度[16-17]；而灌溉量和灌溉方式等水分管理措施對西瓜、辣椒和甜瓜果皮厚度的影響較小[18-20]。因此，可以通過改變環(huán)境條件優(yōu)化果皮厚度，實(shí)現(xiàn)栽培管理措施對果皮厚度的有效調(diào)控。

1.2 外源化學(xué)物質(zhì)

近年來，外源化學(xué)物質(zhì)已被廣泛的應(yīng)用于作物生長發(fā)育的調(diào)控。植物生長調(diào)節(jié)劑同天然激素一樣，具有調(diào)控生長發(fā)育的作用，同樣可對果皮厚度產(chǎn)生影響；如外源噴施GA3增加了辣椒的果皮厚度，對果實(shí)的產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生了一定的影響[21]；噴施適宜濃度的α-萘乙酸鈉（α-NaNAA）顯著增加了脫落酸、赤霉素和玉米素的含量，且有助于辣椒果皮厚的增加[22]。另外，化學(xué)誘變劑調(diào)控果皮厚度的研究也取得了一系列進(jìn)展，適宜濃度的CaCl2處理能夠增加外果皮細(xì)胞壁的厚度，提高番茄果實(shí)的硬度[23]；化學(xué)試劑甲基磺酸乙酯（EMS）能夠誘導(dǎo)番茄果實(shí)大小和果皮厚度的變化[24]。隨著化學(xué)物質(zhì)對植株生長發(fā)育調(diào)控應(yīng)用的日益廣泛，挖掘更多能誘導(dǎo)果皮產(chǎn)生差異的化學(xué)物質(zhì)，定向改變果皮的厚度和產(chǎn)量，生產(chǎn)符合市場需求的果蔬。

1.3 遺傳調(diào)控

遺傳因素是導(dǎo)致果皮厚度差異的最關(guān)鍵因素。分析生物信息發(fā)現(xiàn)，番茄含糖量和果皮厚度的主分量占據(jù)總遺傳信息量的80.96%[25]。辣椒果皮厚度具有較高的遺傳和表型變異系數(shù)，說明性狀的遺傳范圍廣[26]。此外，劉仲齊等[8]研究發(fā)現(xiàn)，具有易裂基因型的番茄果皮相對更薄。易麗聰?shù)萚27]利用SNP 標(biāo)記將64 份西瓜材料劃分為4 個亞群，發(fā)現(xiàn)果皮厚度是區(qū)分不同亞群西瓜的關(guān)鍵指標(biāo)。果皮厚度作為重要的數(shù)量遺傳性狀，其遺傳因素是造成果蔬果皮厚度形成的關(guān)鍵調(diào)控因子。

2 蔬菜果皮厚度的細(xì)胞結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

果皮主要包括外果皮、中果皮和內(nèi)果皮三部分[28]。外果皮具有角質(zhì)層和氣孔，通常由1～2 層細(xì)胞組成；中果皮主要由相對較大的薄壁細(xì)胞組成；內(nèi)果皮位于最里層，細(xì)胞相對較小且多由多層石細(xì)胞構(gòu)成。對果皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)的研究有助于闡釋果皮厚度形成的生物學(xué)發(fā)育過程，可為果皮的細(xì)胞發(fā)育和遺傳調(diào)控提供理論研究參考。

細(xì)胞層數(shù)和細(xì)胞大小等都是造成果皮厚度差異的生理基礎(chǔ)。在蔬菜作物中，細(xì)胞結(jié)構(gòu)差異往往與其生物學(xué)功能相適應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，不同物種、不同品種以及不同倍性的瓜菜果皮厚度及細(xì)胞結(jié)構(gòu)均存在差異。加工番茄的果皮由外果皮、中果皮和內(nèi)果皮三部分組成，薄壁細(xì)胞形態(tài)由外果皮到內(nèi)果皮由圓變方，內(nèi)果皮細(xì)胞以小而緊密排列的形式存在[29]。在具有較厚果皮的加工黃瓜品種中發(fā)現(xiàn)[30]，其表皮細(xì)胞小且排列緊密，薄壁細(xì)胞由小到大的過渡較為緩慢，而果皮較薄的品種基本上無明顯的表皮層。劉春香等[31]研究發(fā)現(xiàn)，黃瓜表皮細(xì)胞的厚度與果實(shí)硬度之間具有極顯著相關(guān)性，并提出選育合適表皮厚度的黃瓜新品種既能提升感官評價，又能夠增加果實(shí)的耐儲運(yùn)特性。詹園鳳等[9]研究發(fā)現(xiàn)，厚果皮的西瓜品種果皮的細(xì)胞排列致密且形成了清晰的細(xì)胞團(tuán)結(jié)構(gòu)，而果皮薄的西瓜品種的表皮組織則具有更長的表皮細(xì)胞以及更大的外果皮和中果皮細(xì)胞。另外，果皮的厚度與果實(shí)的裂應(yīng)力以及果實(shí)的硬度之間呈現(xiàn)顯著相關(guān)性，在抗裂型西瓜表皮存在從小細(xì)胞到大細(xì)胞的轉(zhuǎn)變[32]。劉鵬等[33]研究發(fā)現(xiàn)，多倍體西瓜的果皮厚度要顯著大于其同源二倍體西瓜，這種差異性與表皮中的石細(xì)胞等組織細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。

3 遺傳基礎(chǔ)研究進(jìn)展

3.1 蔬菜果皮厚度的遺傳分析

不論是自然群體還是分離群體，果皮厚度的分布規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)該性狀是典型的數(shù)量性狀。如在自然群體中，番茄的果皮厚度呈正態(tài)分布[34]；在F2S7重組自交系群體中，西瓜果皮厚度總體上呈正態(tài)分布，為典型的數(shù)量性狀[35]；在F2分離群體中，甜瓜的果皮厚度呈現(xiàn)正態(tài)分布[36]。

在經(jīng)典遺傳學(xué)中，數(shù)量性狀的形成受到基因型和環(huán)境的共同調(diào)控[37]，開展遺傳分析是從基因?qū)用娼馕龉ず穸刃纬傻幕A(chǔ)。果皮厚度是連續(xù)變異的數(shù)量性狀，并受基因調(diào)控。在對西瓜果皮厚度的遺傳分析中發(fā)現(xiàn)，其西瓜果皮厚度遺傳符合C-0 模型，具有正向的加性和顯性效應(yīng)，且多基因上位性效應(yīng)累計也表現(xiàn)為正向，為典型多基因控制的數(shù)量性狀[38]；江海坤[39]通過孟德爾遺傳對西瓜（L-103 和X-101）果皮綠皮皮層的厚度進(jìn)行遺傳分析，發(fā)現(xiàn)該性狀主要受1 對顯性等位基因控制，而通過數(shù)量性狀主基因+多基因遺傳分析則認(rèn)為該性狀受2 對加性-顯性-上位性主基因和加性-顯性多基因控制。因此，盡管果皮厚度在不同樣本中的遺傳模型存在一定的差異，但分析結(jié)果表明果皮厚度的形成可能受到多個基因的調(diào)控且可能受到主基因的控制。

3.2 基于正向遺傳學(xué)進(jìn)行基因定位研究

隨著宏基因組測序以及重測序工作的完成，為蔬菜作物重要農(nóng)藝性狀的多樣性研究提供了豐富的遺傳變異信息[40]，基于正向遺傳學(xué)手段解析蔬菜果皮厚度的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展（表1）。全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）、遺傳圖譜和集團(tuán)分離分析法（BSA）是最為常見的基因定位方法，且前兩種方法更適合對數(shù)量性狀進(jìn)行基因定位研究。全基因組關(guān)聯(lián)分析主要應(yīng)用于對自然群體中目標(biāo)性狀的基因定位，并搭建起表型與基因型之間的橋梁[41]。袁欣捷等[42]以194 份辣椒為研究材料，在2、4、8、10 號染色體上獲得了與果肉厚度關(guān)聯(lián)的SSR 標(biāo)記，且最高貢獻(xiàn)率達(dá)到20.48%，為辣椒優(yōu)異基因的挖掘與分子標(biāo)記輔助育種奠定了理論支撐。LEE 等[43]結(jié)合GWAS 和RIL 群體構(gòu)建的遺傳圖譜獲得了與辣椒果實(shí)相關(guān)的主要馴化性狀（果實(shí)長度、寬度、質(zhì)量、果皮厚度和果實(shí)位置）的關(guān)聯(lián)位點(diǎn)，并完成了候選基因的預(yù)測。Xie 等[44]在完成了對冬瓜基因組測序的基礎(chǔ)上，也通過全基因組關(guān)聯(lián)分析獲得了在2、3、11 和12 號染色體上與果皮厚度關(guān)聯(lián)的SNP 位點(diǎn)。Kim 等[34]對162 份番茄種質(zhì)資源的果實(shí)性狀進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析，并在2、9、12 號染色體上獲得了果皮厚度顯著關(guān)聯(lián)位點(diǎn)。

表1 近年來部分瓜果蔬菜果皮厚度基因定位信息

在分離群體中，利用遺傳圖譜對果皮厚度等數(shù)量性狀的基因定位提供了有效工具，并在蔬菜作物果皮厚度的基因定位研究中取得了進(jìn)展。如Ren等[45]通過整合4 個遺傳圖譜，實(shí)現(xiàn)了西瓜果實(shí)長度、糖含量等12 個農(nóng)藝性狀的關(guān)鍵QTL 位點(diǎn)，包括位處2、5、6 號染色體上與果皮厚度相關(guān)的QTL 位點(diǎn)RTH2-1、RTH5、RTH6。楊天天[46]基于遺傳圖譜也在2 號染色體上獲得了一個與西瓜果皮厚度相關(guān)的QTL 位點(diǎn)RTH2。Zhong 等[47]完成了對南瓜高密度遺傳圖譜的構(gòu)建，并獲得了與果皮厚度等12 個重要農(nóng)藝性狀連鎖的QTL 位點(diǎn)，為候選基因的挖掘與分子標(biāo)記育種提供了理論支撐。在冬瓜、甜瓜等作物中也獲得了與果皮厚度相關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵QTL 位點(diǎn)[36,48-50]。

3.3 關(guān)鍵基因調(diào)控果皮厚度的形成

基因?qū)Υ筇镒魑锶缬衩鬃蚜７N皮厚起到重要的調(diào)控作用[51]，也調(diào)控樹木的增粗[52]。關(guān)鍵基因同樣對園藝作物的果皮厚度起到重要的調(diào)控作用。果皮厚度往往和細(xì)胞的分裂和擴(kuò)張密切相關(guān)，調(diào)控細(xì)胞擴(kuò)張的結(jié)構(gòu)基因在調(diào)控果皮厚度形成的進(jìn)程中起到了重要的調(diào)控作用。在番茄細(xì)胞的復(fù)制與分化研究中，SlCCS52A基因表達(dá)水平與番茄細(xì)胞的核內(nèi)復(fù)制特異相關(guān)，該基因的下調(diào)導(dǎo)致番茄細(xì)胞減小，果實(shí)尺寸較小[53]；Musseau 等[54]結(jié)合細(xì)胞水平、轉(zhuǎn)錄水平以及代謝水平的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)SlGBP1控制細(xì)胞的增殖和細(xì)胞分化，在調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡的進(jìn)程中發(fā)揮重要作用，該基因的突變導(dǎo)致番茄的中果皮細(xì)胞變薄。在細(xì)胞擴(kuò)張的研究中，Mori 等[55]研究發(fā)現(xiàn)SlBIM1a過表達(dá)的番茄能夠?qū)е鹿ぜ?xì)胞變小，而SlBIM1a沉默的植株的果皮細(xì)胞變大，且SlBIM1a能夠與SlBZH1相互作用來影響B(tài)R 靶基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，進(jìn)而表明SlBIM1a是果皮細(xì)胞擴(kuò)張的關(guān)鍵調(diào)控因子；Swinnen 等[56]研究發(fā)現(xiàn)SlKIX8和SlKIX9功能的缺失導(dǎo)致番茄細(xì)胞的擴(kuò)張以及果皮厚度的增加；CDKA1的過表達(dá)能夠通過調(diào)控番茄細(xì)胞的大小，改變果皮的厚度[57]。

此外，轉(zhuǎn)錄因子能夠通過控制結(jié)構(gòu)基因改變細(xì)胞大小及果皮厚度。如bHLH 家族轉(zhuǎn)錄因子基因SlPRE2的沉默導(dǎo)致番茄果皮厚度和果實(shí)大小等性狀的減小[58]；SlARF7的mRNA 水平降低轉(zhuǎn)基因番茄的細(xì)胞擴(kuò)張，并形成了較厚的果皮[59]；RNA 干擾（RNAi）策略沉默Sl-IAA17產(chǎn)生比野生型番茄更大的果實(shí)，結(jié)合果實(shí)器官組織學(xué)分析表明這種表型的差異與較厚的果皮有關(guān)[60]。

4 果皮厚度的研究應(yīng)用與發(fā)展前景

果皮厚度作為反映蔬菜果實(shí)品質(zhì)的重要指標(biāo)，在輔助預(yù)測雜種優(yōu)勢以及輔助群體種質(zhì)資源劃分等方面得到了研究應(yīng)用。在輔助預(yù)測雜種優(yōu)勢方面，由于果實(shí)質(zhì)量和果皮厚度是育種中兩個重要的農(nóng)藝性狀，Bahari 等[61]通過計算瓜皮厚度、果實(shí)質(zhì)量等農(nóng)藝性狀的一般配合力（GCA）和特殊配合力（SCA），篩選了適合商業(yè)栽培的西瓜雜交組合。在輔助蔬菜種質(zhì)資源的劃分研究方面，陳萍等[62]研究發(fā)現(xiàn)，果皮厚度在119 份西瓜種質(zhì)中的變異系數(shù)較大，為31.4%，并根據(jù)果實(shí)質(zhì)量、果皮厚度以及含糖量這三個重要的農(nóng)藝性狀將這些種質(zhì)劃分為了10 類，為種質(zhì)資源的創(chuàng)新與利用提供了理論參考。

隨著特色專用型果蔬品種需求的增多，立足產(chǎn)業(yè)實(shí)際發(fā)展需求，培育更符合市場需求的果蔬新品種勢在必行。表型特征的形成被認(rèn)為是環(huán)境與基因相互作用的結(jié)果，通過環(huán)境因素改變性狀、加速育種進(jìn)程約在150 年前已有相關(guān)的研究[63]，積極探究適宜的光照、溫度、水肥等事宜條件，可縮短傳代周期，加速新品種選育。另外，在明確果皮厚度結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，可以深入挖掘與果皮厚度形成相關(guān)聯(lián)的其他農(nóng)藝性狀和代謝物等，既有望實(shí)現(xiàn)對多個關(guān)聯(lián)性狀的改良，加速聚合育種技術(shù)發(fā)展；反之亦然，又可以通過對關(guān)聯(lián)代謝物的內(nèi)源調(diào)控或者外源噴施，實(shí)現(xiàn)對果皮厚度的定向調(diào)控。

瓜果類蔬菜果皮厚度的分子調(diào)控研究中，目前缺乏有效的分子標(biāo)記，以及難以精準(zhǔn)定位調(diào)控主基因，因而需要通過加強(qiáng)正向遺傳學(xué)手段對蔬菜果皮厚度進(jìn)行基因定位。筆者認(rèn)為在基因定位研究方面，既可以擴(kuò)大遺傳作圖群體，并結(jié)合自然群體和分離群體進(jìn)行多群體分析以獲得更多的遺傳變異信息，進(jìn)而明確果皮厚度的遺傳規(guī)律；也可以通過重測序技術(shù)構(gòu)建高密度遺傳圖譜、整合圖譜，并結(jié)合GWAS、BSA 等定位方法實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)性狀的定位；可通過結(jié)合多組學(xué)（基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組等）數(shù)據(jù)，挖掘確定調(diào)控目標(biāo)性狀差異的關(guān)鍵候選基因[64]；針對有效分子標(biāo)記較少的問題，需要通過精細(xì)定位縮小候選區(qū)間，挖掘與性狀關(guān)聯(lián)或者開發(fā)連鎖的有效標(biāo)記，并進(jìn)一步結(jié)合基因編輯、轉(zhuǎn)基因等技術(shù)鑒定候選基因的功能，培育符合市場需求的新品種。

果皮厚度作為與產(chǎn)量、品質(zhì)、抗性等相關(guān)的農(nóng)藝性狀，具有重要的研究應(yīng)用價值。在未來，隨著蔬菜果皮厚度在生理生化代謝、遺傳調(diào)控基礎(chǔ)以及分子輔助育種等方面深入研究，果皮厚度性狀的生物學(xué)機(jī)理將會更加清晰，可用于實(shí)現(xiàn)果皮厚度人工栽培調(diào)控。