厚皮甜瓜果實長度的遺傳分析

王慶濤，賀玉花，2，唐伶俐，2，戶克云，孔維虎，2，張 健，2，李曉飛，2，徐永陽，2，趙光偉，2

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹研究所 鄭州 450009；2.三亞中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院國家南繁研究院 海南三亞 572000）

甜瓜（Cucumis meloL.）是葫蘆科黃瓜屬一年生蔓性草本植物[1]。我國是世界甜瓜生產(chǎn)和消費第一大國。據(jù)聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織FAO（www.fao.org）統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2021 年世界甜瓜產(chǎn)量達(dá)到2861 萬t，其中我國甜瓜總產(chǎn)量達(dá)1400 萬t，約占世界總產(chǎn)量的49%。甜瓜果實遺傳多樣性異常豐富。果實形狀不僅是一種重要的外觀品質(zhì)性狀，也是甜瓜果實多樣性的重要體現(xiàn)。果實長度是決定果實形狀的重要指標(biāo)，也與產(chǎn)量密切相關(guān)。開展果實長度遺傳機(jī)制研究是進(jìn)行品種改良的基礎(chǔ)。甜瓜不同種質(zhì)間果實長度差異大（5～200 cm），相差近40 倍，是研究果實長度遺傳機(jī)制較為理想的作物。

20 世紀(jì)60 年代以前，國內(nèi)外學(xué)者就開始對甜瓜果實形狀遺傳機(jī)制進(jìn)行研究。Wall[2]研究認(rèn)為，甜瓜長果形對圓果形為顯性遺傳。林碧英等[3]通過對薄皮×厚皮甜瓜遺傳群體研究發(fā)現(xiàn)，長果形和橢圓形對圓果形均為顯性遺傳。Monforte 等[4]通過研究甜瓜果實相關(guān)性狀的遺傳模式發(fā)現(xiàn)，甜瓜雌雄異花同株品種的果實一般比兩性花雄花同株品種的果實要長。但更多的研究發(fā)現(xiàn)，甜瓜果實形狀是數(shù)量性狀。Pan 等[5]匯總了前人報道的105 個甜瓜果實大小和103 個果實形狀QTLs，并篩選到在多群體共定位的26 個果實大小和33 個果實形狀QTLs。截至目前，關(guān)于甜瓜果實長度的研究鮮有報道，甜瓜果實長度變異豐富，遺傳背景差異較大，準(zhǔn)確解析其遺傳和調(diào)控機(jī)制是實現(xiàn)甜瓜品質(zhì)改良的關(guān)鍵。因此，開展基于不同甜瓜種質(zhì)構(gòu)建遺傳群體，研究甜瓜果實長度發(fā)育的遺傳規(guī)律，對進(jìn)一步豐富人們對厚皮甜瓜果實形狀遺傳機(jī)制的認(rèn)識具有重要意義。筆者以長果形甜瓜材料551 和短果形典型厚皮甜瓜材料B22 為親本，同時構(gòu)建6 個世代群體（P1、P2、F1、F2、BC1P1、BC1P2），通過對成熟期甜瓜群體果實長度調(diào)查及測定，并對其進(jìn)行遺傳規(guī)律解析，揭示甜瓜果實長度遺傳機(jī)制，以期為甜瓜種質(zhì)果形改良提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 材料

長果形厚皮甜瓜材料551[FL（果實長度）=165.0 cm，F(xiàn)SI（果形指數(shù)）=18.54]和短果形材料B22（FL=13.5 cm，F(xiàn)SI=1.00）均由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹研究所甜瓜遺傳育種課題組提供（圖1）。

圖1 親本材料551 和B22 果實及其F2代典型果實表型

1.2 試驗設(shè)計及方法

試驗在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹研究所新鄉(xiāng)試驗基地進(jìn)行。分別以551（P1）和B22（P2）為母本和父本，構(gòu)建P1、P2、F1、BC1P1（B1）、BC1P2（B2）和F2六世代群體，于2021 年秋季在塑料大棚中吊蔓種植，其中親本P1、P2和F1各種植10 株，B1、B2各種植30 株，F(xiàn)2種植756 株，株距40 cm，行距60 cm。甜瓜果實長度、果實寬度、果形指數(shù)測量和統(tǒng)計參考馬雙武等[6]的《甜瓜種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用植物數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型多世代聯(lián)合分析方法[7-9]，對上述6 個世代群體的果長進(jìn)行聯(lián)合分析，通過極大似然法和IECM（iterated expectation and conditional maximization）算法對混合分布中的有關(guān)成分分布參數(shù)做出估算，然后利用AIC（Akaike's information criterion，AIC）準(zhǔn)則和一組適合性測驗，選擇最佳模型，并進(jìn)行適合性檢驗：共有5 個統(tǒng)計量，即U12、U22、U32、nW2和Dn，其中U12、U22、U32為均勻性檢驗，nW2為Smirnov 檢驗，Dn為Kolmogorov 檢驗，根據(jù)結(jié)果選擇最優(yōu)模型。采用SPSS 21.0、Excel 2016 和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳模型分析SEA V2.0 軟件包進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 群體果實長度次數(shù)分布

通過對6 個世代群體果實長度進(jìn)行平均數(shù)、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)計算，P1、P2、F1、F2、B1、B2的變異系數(shù)分別為4.43%、9.08%、10.32%、33.40%、19.27%和20.01%（表1）。6 個世代遺傳群體的變異系數(shù)比較相近，分離群體B1、B2、F2的果實長度呈連續(xù)分布，呈現(xiàn)偏正態(tài)分布（圖2），表現(xiàn)出明顯的主基因＋多基因遺傳特征。2 個甜瓜品系的平均果實長度差異明顯，通過6 個世代果實長度的次數(shù)分布以及變異分析，說明甜瓜果實長度適合進(jìn)一步進(jìn)行遺傳模型分析。

表1 甜瓜果實長度的變異分析

圖2 F2、B1、B2果實長度的頻數(shù)分布

2.2 植物數(shù)量性狀混合遺傳模型主基因＋多基因多世代聯(lián)合分析

2.2.1 果實長度遺傳模型 用植物數(shù)量性狀主基因＋多基因遺傳模型的多世代聯(lián)合分析方法對551和B22 構(gòu)建的6 個世代群體果實長度進(jìn)行聯(lián)合分析，通過IECM 算法獲得：1MG（One major gene）、2MG（Two major gene）、PG（Polygenes）、MX（One major gene & Polygenes）和MX2（Two major gene& Polygenes）共5 類24 種遺傳模型的極大似然函數(shù)值和AIC 值（表2）。根據(jù)AIC 準(zhǔn)則，AIC 值較低的 MX1-AD-ADI（6 939.631）、MX2-ADI-ADI（6 931.972）和MX2-ADI-AD（6 943.791）3 個模型可作為備選模型。

表2 甜瓜果實長度遺傳模型的極大似然函數(shù)值和AIC 值

2.2.2 果實長度的遺傳模型的適合性檢驗 由表3可知，甜瓜果實長度的 MX1- AD- ADI、MX2-ADI-ADI 遺傳模型參數(shù)均未達(dá)到顯著水平的個數(shù)；MX2-ADI-AD 遺傳模型參數(shù)達(dá)到顯著水平的個數(shù)為1 個，為回交群體B2的U32數(shù)值。依據(jù)模型參數(shù)達(dá)到的顯著水平個數(shù)最少且AIC 值最小，為甜瓜果實長度最適模型的原則[11]，確定甜瓜果實長度的最優(yōu)模型是MX2-ADI-ADI（2 對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性-上位性多基因）。

表3 甜瓜果實6 個世代果實長度的適合性檢驗

2.2.3 果實長度遺傳模型參數(shù)的估測 由表4 可知，最適模型MX2-ADI-ADI 的一階參數(shù)中，2 對主基因的加性值相等，第二個主基因的顯性效應(yīng)略高于第一個主基因；加性效應(yīng)高于顯性效應(yīng)；2 對主基因加性互作效應(yīng)明顯高于2 對顯性基因互作效應(yīng)。

表4 甜瓜果實6 個世代果實長度最適遺傳模型一階遺傳參數(shù)估計值

由表5 可知，最適模型MX2-ADI-ADI 的二階參數(shù)中，B1、B2、F2表型方差分別為55.061 0、2.354 0、252.863 0，環(huán)境方差均為23.836 0，主基因方差分別為199.078 7、0、167.353 1，B1、B2、F2主基因的遺傳率分別為86.118 8%、100%、60.482 1%；B1、B2、F2多基因方差分別為3.671 4、0、80.928 2，B1、B2、F2多基因的遺傳率分別為1.588 2%、0、29.247 8%；由此可知，分離群體主基因遺傳率均高于多基因遺傳率。

表5 甜瓜果實6 個世代果實長度最適遺傳模型二階遺傳參數(shù)估計值

3 討論與結(jié)論

果實形狀作為果蔬中一個重要的外觀品質(zhì)性狀，遺傳機(jī)制一直備受大家關(guān)注。Sinnot 研究發(fā)現(xiàn)西葫蘆的果形遺傳受雙基因控制[12]。而大多數(shù)植物的果形受多基因控制，如黃瓜（Cucumis sativus）[13]、西紅柿（Solanum lycopersicum）[14-15]和辣椒（Capsicum）[16-17]。甜瓜果實多樣性豐富，是研究果實形狀的理想材料。前人利用不同類型遺傳群體對甜瓜果實形狀的遺傳研究發(fā)現(xiàn)，甜瓜果形受多基因控制[18-23]。Switzenberg J A 等[24]研 究 表 明，過 表 達(dá)CRABS CLAW 家族基因CmCRC會導(dǎo)致甜瓜果實更長。Ma 等[25]定位了1 個調(diào)控甜瓜果實形狀的基因CmFSI8/CmOFP13，該 基 因 與AtOFP1和SlOFP20同源，編碼1 個OVATE 家族蛋白（OFP），并在擬南芥中對其進(jìn)行了功能驗證。Liu 等[26]定位到1 個CmCLV3基因，能夠影響甜瓜心室數(shù)目和果實形狀。Wang 等[27]研究發(fā)現(xiàn)，CmACS基因參與甜瓜植物性別的分化，進(jìn)而影響果實形態(tài)建成。Eduardo 等[28]發(fā)現(xiàn)，甜瓜果形具有較高的遺傳力，“基因與環(huán)境互作效應(yīng)”很低。黃松等[29]對甜瓜果實長度遺傳模型的研究表明，果實長度為多基因遺傳，最適遺傳模型是“2 對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性多基因”模型。

為探明厚皮甜瓜果實長度的遺傳方式，筆者利用果實長度差異極端材料配制遺傳群體，應(yīng)用“植物數(shù)量性狀主基因＋多基因混合遺傳模型多世代聯(lián)合分析”方法明確了厚皮甜瓜果實長度遺傳的主基因和多基因效應(yīng)，表明厚皮甜瓜果實長度遺傳主要受2 對主基因控制，并伴有多基因的修飾作用，但效應(yīng)相對較小，環(huán)境也存在一部分影響?？刂铺鸸瞎麑嶉L度的2 對主基因遺傳率在F2中為60.482 1%，多基因遺傳率在F2中為29.247 8%；環(huán)境及其他因素對甜瓜果實長度具有一定影響，在F2中占比為10.270 1%。本研究結(jié)果與黃松等[29]的研究結(jié)果存在一定差異，雖然都認(rèn)為該性狀的遺傳模型為“2 對主基因+多基因”，但在基因遺傳效應(yīng)方面表現(xiàn)不同。這可能與試驗材料遺傳背景差異和試驗栽培環(huán)境等因素不同有關(guān)。

筆者利用6 個世代遺傳群體研究發(fā)現(xiàn)，厚皮甜瓜果實長度的遺傳受“2 對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性-上位性多基因”控制，為后續(xù)厚皮甜瓜果實長度QTL 定位和分子育種提供了理論基礎(chǔ)。