甜瓜果實(shí)長度主基因+多基因遺傳分析

黃 松，李文龍，梁曉雪，李 瓊，胡建斌

（1.信陽農(nóng)林學(xué)院 河南 信陽 464001； 2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院 鄭州 450002）

甜瓜（L.）為葫蘆科一年生蔓生植物，其多樣性僅次于同科植物南瓜。近期進(jìn)化研究表明，栽培甜瓜歷史上經(jīng)歷了三次獨(dú)立馴化，第一次發(fā)生在非洲，隨后的兩次發(fā)生在亞洲，整個(gè)亞洲及地中海沿岸的北非和南歐等廣大地區(qū)都有可能是栽培甜瓜的馴化地。甜瓜豐富的多樣性主要表現(xiàn)在果實(shí)性狀上，其變異類型眾多，包括果實(shí)形狀、果皮底色、果面覆蓋物（網(wǎng)紋、覆紋、果皮毛）、果面特征（溝、棱、皺紋）、果肉厚度、果肉顏色、果肉品質(zhì)（糖、酸、維生素C 含量及香氣和質(zhì)地等）等性狀的變異。據(jù)此，Pitrat建議將栽培甜瓜分為長毛亞種（ssp.）和短毛亞種（ssp.）及其下屬的16個(gè)變種。其中，長毛亞種和短毛亞種分別對(duì)應(yīng)生產(chǎn)上的厚皮甜瓜類型和薄皮甜瓜類型。果實(shí)形狀（或果形指數(shù)）是甜瓜重要的外觀性狀，也是甜瓜變異最明顯的性狀之一，主要有圓形、蘋果形、卵形、橢圓形、圓柱形、棒形等6 種類型。生產(chǎn)上推廣應(yīng)用的厚皮甜瓜品種多以圓形和橢圓形為主，薄皮甜瓜品種以蘋果形和卵形為主。相關(guān)性研究表明，決定果實(shí)形狀的主要因素是細(xì)胞的縱向分裂速率，即果實(shí)長度。因此，探明甜瓜果實(shí)長度的遺傳基礎(chǔ)，對(duì)果實(shí)外觀性狀的遺傳改良具有重要意義。

早期Wall認(rèn)為，甜瓜長果形對(duì)圓果形是顯性遺傳。林碧英等對(duì)薄皮×厚皮甜瓜雜交后代進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，長果形或橢圓形對(duì)圓球形均為顯性遺傳。然而更多的研究表明，甜瓜果實(shí)長度是典型的數(shù)量性狀，無論是在自然群體還是在特定分離群體中，果實(shí)長度都會(huì)出現(xiàn)連續(xù)變異。目前，在甜瓜的12 條染色體上均發(fā)現(xiàn)有控制果實(shí)長度或果形指數(shù)的QTL，大約有130 個(gè)，但在不同的遺傳背景下，其定位結(jié)果不盡相同。其中，報(bào)道的第8 染色體QTL最多，達(dá)26 個(gè)，而第5 染色體僅有2 個(gè)QTL。這些研究結(jié)果表明，調(diào)控甜瓜果實(shí)長度的基因遍布整個(gè)基因組，且其效應(yīng)大小不一，遺傳基礎(chǔ)十分復(fù)雜。主基因＋多基因混合遺傳模型是解析復(fù)雜數(shù)量性狀遺傳基礎(chǔ)的有效方法，該方法通過分析特定群體的性狀表型，以檢測影響目的性狀的主基因和多基因數(shù)目，并評(píng)估其遺傳效應(yīng)，進(jìn)而揭示目的性狀的遺傳規(guī)律，已經(jīng)用于茄子、西葫蘆、黃瓜等果實(shí)形狀的遺傳分析。

筆者以果實(shí)長度差異明顯的2 份甜瓜材料構(gòu)建6 個(gè)世代群體，采用主基因+多基因混合遺傳模型分析方法，對(duì)春秋兩季甜瓜果實(shí)長度進(jìn)行遺傳分析，以期明確果實(shí)長度所屬的遺傳模型及其基因效應(yīng)，為甜瓜果實(shí)形狀遺傳改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料為圓果形自交系H581（P）和長果形H906（P），其果形指數(shù)分別為1.0 和12.0，花期子房長度差異也十分明顯（圖1），兩份材料均選自前期構(gòu)建的甜瓜核心種質(zhì)。2017 年秋季雜交配制F，2018 年春季自交獲得F，秋季回交獲得回交1 代B（F×P）和B（F×P）。為了準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)分離群體單株的果實(shí)表型，將B、B和F群體各單株分別自交構(gòu)建其家系（B、B和F）。

圖1 親本材料H906 和H581 的果實(shí)和開花當(dāng)天的子房表型

1.2 方法

2019 年春季（3—7 月）和秋季（7—10 月）在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)毛莊科教園區(qū)試驗(yàn)基地進(jìn)行甜瓜各世代群體的育苗和田間種植。春季于日光溫室中育苗，秋季于塑料大棚中遮陽育苗。幼苗長至2 葉1心時(shí)定植，非分離群體P、P和F分別種植30 株，分離群體B、B和F分別種植96 個(gè)、110 個(gè)和140 個(gè)家系，每個(gè)家系包括7～10 個(gè)單株。每株在11～15 節(jié)選留1 個(gè)瓜，除去其他雌花及側(cè)枝，其他田間管理同常規(guī)。待果實(shí)成熟時(shí)采用直尺（最小刻度1 mm）測量果實(shí)長度。

1.3 數(shù)據(jù)分析

非分離群體（P、P和F）各單株的果長實(shí)測值為其表型值，分離群體（B、B和F）各單株的果實(shí)表型值以其對(duì)應(yīng)的家系單株實(shí)測值的平均值代替。

2 結(jié)果與分析

2.1 果實(shí)長度的變異分析

春秋兩季對(duì)甜瓜6 個(gè)世代群體的果實(shí)長度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。春季非分離群體P、P和F果實(shí)長度均值分別為10.2、110.9、43.4 cm，秋季果實(shí)長度均值分別為和9.7、98.8、39.4 cm，且群體內(nèi)變異較小（＜17%）。春季果實(shí)長度平均值普遍高于秋季，可能是春季果實(shí)生長發(fā)育時(shí)期比秋季長的緣故。F均值處于P和P之間，但無論是在春季還是秋季，其均值明顯偏向圓果親本P。分離群體（B、B和F）的果實(shí)長度變異較大，春季＞25%，秋季＞40%，秋季果實(shí)長度變異更明顯。無論是春季還是秋季，B果實(shí)長度均值最小，B果實(shí)長度均值最大，F(xiàn)果實(shí)長度均值介于二者之間。各分離群體的峰度均為負(fù)值，說明存在主效基因的作用。果實(shí)長度在3 個(gè)分離群體中呈現(xiàn)連續(xù)分布，春秋兩季B和F果實(shí)長度偏向圓果親本P，B偏向長果親本P2，且均呈現(xiàn)單偏峰分布（B和F偏度均為正值，B偏度為負(fù)值）（圖2），符合主基因+多基因表型變異的基本特征。

圖2 甜瓜果實(shí)長度在分離群體中的頻次分布

表1 甜瓜果實(shí)長度表型統(tǒng)計(jì)

2.2 遺傳模型的選擇和檢驗(yàn)

采用主基因+多基因混合遺傳模型對(duì)6 個(gè)世代群體果實(shí)長度表型值進(jìn)行遺傳分析，分別計(jì)算24種模型MLV 值和AIC 值，結(jié)果見表2。根據(jù)AIC值最小原則，選取最小AIC 值及與之差異不大的遺傳模型作為備選模型。春季3 個(gè)最小AIC 值分別為2 188.243、2 192.339 和2 184.243，所對(duì)應(yīng)的模型分別為C-0、D-0 和E-1，秋季3 個(gè)最小AIC 值分別為867.288、859.539 和860.129，所對(duì)應(yīng)的模型也是C-0、D-0 和E-1，即這3 種模型為春秋兩季所共有，均可作為果實(shí)長度的備選模型。C-0 對(duì)應(yīng)PG-ADI，為加性-顯性-上位多基因模型，無主基因效應(yīng)；D-0和E-1 分別對(duì)應(yīng)MX1-AD-ADI 和MX2-ADI-AD，受1 對(duì)或2 對(duì)主效基因控制，也受多種效應(yīng)的多基因影響。由此可見，備選的3 種遺傳模型存在一定的差異，特別是C-0 與D-0、E-1 的差異較大，需要進(jìn)一步檢驗(yàn)，以確定最適遺傳模型。

表2 各遺傳模型的MLV 及AIC 值

對(duì)3 個(gè)備選模型進(jìn)行適合性檢驗(yàn)，結(jié)果見表3。C-0 模型在春秋兩季共出現(xiàn)7 個(gè)顯著性統(tǒng)計(jì)量，D-0模型在兩季共有3 個(gè)顯著性統(tǒng)計(jì)量，而E-1 模型在兩季未出現(xiàn)顯著性統(tǒng)計(jì)量。根據(jù)顯著性統(tǒng)計(jì)量數(shù)最少原則，E-1 模型可認(rèn)為是最適遺傳模型，即2 對(duì)加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性多基因模型。因此，甜瓜果實(shí)長度由主基因和多基因聯(lián)合調(diào)控，主基因的遺傳效應(yīng)包括加性、顯性和上位性效應(yīng)。

表3 備選模型C-0、D-0 和E-1 的適合性檢驗(yàn)

2.3 E-1模型遺傳參數(shù)的估測

基于最適遺傳模型E-1，各類參數(shù)估算結(jié)果見表4。一階參數(shù)估算表明，控制果實(shí)長度的主基因有2 對(duì)（、），其加性效應(yīng)（）在春秋兩季均為正值，但效應(yīng)值的差異較大。第1 對(duì)主基因（）的效應(yīng)值較大（春季12.22，秋季9.74），第2 對(duì)主基因（）的效應(yīng)值相對(duì)較?。ù杭?.06，秋季1.69），均能增加果實(shí)的長度。兩對(duì)主基因的顯性作用（）均為負(fù)向，能減少果實(shí)長度，但效應(yīng)值差異明顯?；虼杭撅@性效應(yīng)最強(qiáng)（-12.08），秋季則較弱（-3.67），基因在春秋兩季的顯性效應(yīng)不同，但效應(yīng)值均較低（||＜2），說明顯性效應(yīng)受環(huán)境影響較大。由此可知，基因的加性和顯性效應(yīng)明顯強(qiáng)于基因，且在春季的作用更為明顯，說明基因在春季能更好地發(fā)揮其育種價(jià)值。

表4 最適模型E-1 的一階和二階參數(shù)估算

注：：群體均方；、：第一、二主基因的加性效應(yīng)；、：第一、二主基因的顯性效應(yīng)；：兩主基因間的加性×加性互作效應(yīng)；：兩主基因之間的加性×顯性互作效應(yīng)；：兩主基因之間的顯性×加性互作效應(yīng)；：兩主基因之間的顯性×顯性互作效應(yīng)；：多基因方差；：主基因方差；：主基因遺傳率；：多基因遺傳率。

2 對(duì)主基因存在多種互作效應(yīng)，其中加性×加性互作效應(yīng)（）較強(qiáng)，秋季（14.11）高于春季（5.98），可用于增加果實(shí)長度。盡管2 對(duì)主基因的加性-顯性互作效應(yīng)（和）和顯性-顯性互作效應(yīng)（）均能被檢測到，但其效應(yīng)值均很低（||、||和||均小于5），且不同季節(jié)的作用方向不同，說明互作效應(yīng)對(duì)表型的貢獻(xiàn)甚微，且易受環(huán)境影響，難以用于果實(shí)長度的遺傳改良。

二階參數(shù)的估算結(jié)果表明，春季主基因在B、B和F群體中的遺傳率（）分別為42.67%、69.59%和81.05%，秋季3 個(gè)群體的分別為61.03%、70.42%和83.33%，主基因在B和F中表現(xiàn)出高遺傳率，說明B和F世代有利于果實(shí)長度的選擇與改良。多基因遺傳率（）相對(duì)較低，且僅在部分群體中被檢出。如春季B的最大，也僅為26.57%，其他群體很低（＜14%），秋季B和春秋兩季F的h均為0。由此可見，甜瓜果實(shí)長度主要受主基因控制，主基因遺傳率在各世代的比重較高，早期選擇能取得較好的效果。

3 討論與結(jié)論

果實(shí)長度是決定果實(shí)形狀的重要因素，也是果實(shí)重要的外觀性狀。作為遺傳多樣性最豐富的葫蘆科植物之一，甜瓜果實(shí)形狀變化多樣，不同果形的商業(yè)品種也十分常見，如長果形的羊角蜜，橢圓形的西州密25，圓果形的玉菇。因此，果實(shí)長度也是甜瓜重要的商品性狀。甜瓜果實(shí)長度除了受遺傳因素調(diào)控外，還受光照強(qiáng)度、花期溫度、土壤營養(yǎng)狀況等環(huán)境因素影響。盡管前人已經(jīng)對(duì)甜瓜果實(shí)形狀（果實(shí)長度、果形指數(shù)等）進(jìn)行了大量遺傳研究，如通過配制各種作圖群體（BC、F、RIL 等），并在可控的條件（如溫室、大棚等）下觀測果實(shí)表型性狀以減少環(huán)境影響，但至今仍然未克隆到調(diào)控甜瓜果長的關(guān)鍵基因，這從側(cè)面反映了甜瓜果實(shí)長度遺傳基礎(chǔ)的復(fù)雜性。

作為剖析復(fù)雜數(shù)量性狀遺傳結(jié)構(gòu)的一種有效方法，主基因＋多基因混合遺傳模型已經(jīng)應(yīng)用于果實(shí)形狀的遺傳基礎(chǔ)分析。如甜瓜同屬植物黃瓜，其果實(shí)長度符合2 對(duì)加性-顯主基因模型（B-2）,主基因遺傳率最高達(dá)88.09%。茄子和辣椒的果實(shí)長度均符合2 對(duì)加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性上位性多基因模型（E-1），主基因遺傳率較高（＞50%）。西葫蘆果實(shí)長度受1 對(duì)加性主基因+加性-顯性多基因（D-2），但主基因遺傳率較低（＜30%）。不同種類植物的果實(shí)長度遺傳模型不盡一致，但大多受少數(shù)主基因和多基因聯(lián)合調(diào)控，為挖掘果實(shí)長度調(diào)控基因提供了理論依據(jù)。筆者從前期構(gòu)建的甜瓜核心種質(zhì)中鑒定了一份果實(shí)極長的種質(zhì)材料H906，該種質(zhì)為甜瓜長毛亞種（ssp.）下的蛇瓜變種（var.），是目前所知的甜瓜中果實(shí)最長的類型，可能包含了控制果長的關(guān)鍵基因。筆者通過主基因+多基因混合遺傳模型分析發(fā)現(xiàn)，甜瓜果實(shí)長度符合2 對(duì)加性-顯性-上位性主基因＋加性-顯性多基因模型（E-1），受主基因和多基因的聯(lián)合調(diào)控，且包含多種遺傳效應(yīng)，與前人研究結(jié)果基本一致。

在本試驗(yàn)中，E-1 模型中主基因的遺傳效應(yīng)顯得更為復(fù)雜。其中，加性和顯性效應(yīng)對(duì)果實(shí)長度起主要調(diào)控作用，尤其是春季的作用更明顯，且以第1對(duì)主基因（）為主，互作效應(yīng)影響較小（除加性互作效應(yīng)外）。由于加性和顯性效應(yīng)在育種實(shí)踐中有較大的利用價(jià)值，因此甜瓜果實(shí)長度的遺傳改良可從關(guān)鍵的基因入手，在特定季節(jié)（如春季）加強(qiáng)對(duì)基因的選擇。由于主基因的遺傳率較高（除春季B外均高于60%），多基因遺傳率較低（除春季B外均低于14%），因此，甜瓜果實(shí)長度的遺傳改良可考慮在F、B及其自交后代中開展，在早期世代加強(qiáng)對(duì)主基因（特別是基因）的選擇，以便快速獲得所需的單株。同時(shí)，考慮到主基因的加性和顯性效應(yīng)均發(fā)揮重要作用，而顯性效應(yīng)是不可固定的遺傳變量（隨世代推移可能會(huì)消失），遺傳操控難度較大，因而在實(shí)際選擇育種過程中，應(yīng)盡量擴(kuò)大群體規(guī)模，選擇同時(shí)具備加性和顯性效應(yīng)的基因型單株，從而獲得理想的育種材料。

盡管本試驗(yàn)探明了甜瓜果實(shí)長度所屬的遺傳模型，證實(shí)了果實(shí)長度具備遺傳改良的潛力，但僅僅通過傳統(tǒng)的田間性狀重組來改良果實(shí)長度不可避免的存在盲目性。因此，在明確其遺傳方式的基礎(chǔ)上，借助現(xiàn)代高通量基因分型技術(shù)，采用正向遺傳學(xué)方法鑒定控制果實(shí)長度的主效基因或QTL，通過分子標(biāo)記輔助選擇可實(shí)現(xiàn)果實(shí)長度的精準(zhǔn)改良。