多倍體西瓜的特性及其應用研究進展

李娟 李煥秀

（四川農業大學園藝學院，四川雅安，625014）

多倍體西瓜的特性及其應用研究進展

李娟 李煥秀

（四川農業大學園藝學院，四川雅安，625014）

在蔬菜作物中，西瓜多倍體育種研究取得的成果最多，多倍體育種技術在西瓜生產上發揮的作用最大。介紹了多倍體西瓜的特點，對多倍體西瓜的誘導技術、鑒定技術、微體擴繁和田間種植及西瓜多倍體的應用研究進展進行了闡述。

西瓜 多倍體 研究進展

在植物中，多倍體是適應性變化和物種形成的主要機制，是高等植物染色體進化的顯著特征[1]。在西瓜的育種研究中，除了二倍體水平的研究外，人們對三倍體、四倍體水平的研究日漸深入，應用也越來越廣泛。特別是三倍體無籽西瓜的大面積生產，使西瓜育種者備受鼓舞。染色體加倍技術的更新和離體培養方法的改進和完善，使人們獲得四倍體更容易。利用多倍體可孕性低來獲得無籽或少籽果實在無核果業上具有特別的價值，三倍體無籽西瓜是目前生產上利用同源多倍體生產面積最大的植物品種之一。近年來對西瓜中茄紅素含量的研究顯示，多倍體西瓜茄紅素的含量要比二倍體西瓜高，可考慮從多倍體西瓜中提取茄紅素，應用前景非常廣闊。

1 多倍體西瓜的特性

1.1 三倍體西瓜的特性

三倍體無籽西瓜是三倍體水平的雜交一代西瓜，具有多倍體和雜交一代的雙重優勢，適應性和抗逆性強、含糖量高、無籽、耐貯運、產量高[2]。三倍體西瓜的最大特點是無籽。三倍體細胞進行減數分裂時，三組同源染色體聯會時，就某一號染色體來說，可能形成一個三價體或一個二價體和一個單價體。同源染色體分向兩極時，無論哪種情況，都難以均等的分配，難以形成染色體數均等的配子，從而造成配子的不育。三倍體的不育程度比四倍體的更高。因為四倍體中染色體如果按2/2分向兩極，則形成配子體數均等的配子，這部分配子是可育的，而三倍體幾乎不可能形成配子體數均等的配子。因此，三倍體的不育程度比四倍體的更高。在生產上，通常把四倍體西瓜叫少籽西瓜，把三倍體西瓜叫無籽西瓜。

1.2 四倍體西瓜的特性

四倍體西瓜含糖量高、品質優良、抗逆性強，可直接作為商品瓜，更重要的是它可作為四倍體母本與優良二倍體西瓜雜交生產三倍體無籽西瓜[3～7]。四倍體西瓜的最大特點是種子少，這是由它的染色體數決定的。它的細胞中含有4組同源染色體，在減數分裂過程中，同源染色體要聯會，就某一點或區段來說，4個中只能2個連在一起。例如第一號染色體的某一區段第一組與第二組聯會，因此，2組染色體聯會可能很松弛，從而有可能形成一個四價體、一個三價體和一個單價體、兩個二價體、一個二價體和兩個單價體，染色體分向兩極時，就會出現2/2或3/1等分離方式。3/1分離造成了配子內染色體數和組合成分的不平衡，從而造成部分配子不育。因此，四倍體西瓜的種子數量比二倍體西瓜的少。

2 西瓜四倍體獲得的主要途徑

2.1 常規的西瓜四倍體誘導方法

在化學誘變中，以秋水仙素誘導多倍體最有效，因其能阻止正在分裂的植物細胞內紡錘絲的形成，而使染色體加倍，形成多倍體。傳統的秋水仙素誘導西瓜四倍體的方法主要有：浸種法、滴芽法、羊毛脂涂抹法。用秋水仙素誘導多倍體，必須注意以下4點：①藥劑濃度；②處理時間；③細胞分裂時期；④植物生長的速度。其中處理濃度、時期和時間是關鍵。秋水仙素處理西瓜的有效濃度為0.2%～0.4%，經秋水仙素處理后，一般變異率只有1%左右[8]。譚素英等[9]對二倍體西瓜品種進行了提高秋水仙素誘導率的試驗研究，結果表明，剝去生長點幼葉后用秋水仙素溶液滴苗或涂抹處理，變異率有所提高。柴興容等[10]在甜瓜上采用秋水仙素誘導生長點的分裂細胞，進行種子和幼苗處理，選用適宜的藥劑濃度和方法，獲得了高于1%的誘導率，但部分植株為嵌合體，誘變當代植株生長勢弱，穩定周期長。

2.2 利用西瓜組織離體培養創造四倍體變異

在西瓜幼胚子葉、幼苗子葉和無性胚再生植株中觀察到了四倍體變異，這些無性系變異在植物組織培養繼代增殖過程中倍性穩定，育種者可利用組培方法將所獲得的四倍體無性變異進行快速繁殖，從而加速育種進程[11～13]。

利用離體培養創造四倍體從3個方面可以提高效率：①提高再生植株群體四倍體的頻率；②能夠將組織培養材料通過一些室內鑒定方法在移入溫室前有效地識別四倍體變異，以極大地減少管理二倍體試管苗所花費的勞力和費用；③通過離體懸浮培養等手段使細胞高度分散，直至變成單個細胞群，可以克服嵌合體現象。

西瓜再生植株中四倍體的變異頻率較低，一般在5%左右。且從再生植株中觀察到的四倍體均為非嵌合體，這對育種者進行有效選擇是很有利的，更重要的是這些四倍體變異在組織培養繼代增殖過程中倍性穩定，育種者可利用這個特點，將所獲得的四倍體無性系變異進行快速繁殖，從而大大加快育種進程。張興平等[14～15]通過組織培養，在西瓜幼胚子葉不定芽再生的前7 d，在再生培養基中添加0.05%秋水仙素，使再生植株的誘導四倍體頻率從對照（不加秋水仙素）的8%提高到52%，大大提高了利用組織培養技術誘導西瓜四倍體的頻率和效率，但在再生培養的初期使用秋水仙素會顯著抑制不定芽的再生，故選擇適宜的誘變時期是十分必要的。

3 三倍體和四倍體西瓜的鑒定方法

在誘導多倍體過程中，準確及時鑒定出多倍體植株可以縮短培養周期，提高多倍體育種工作效率。目前常用的幾種鑒定方法如下。

3.1 形態學鑒定法

形態學鑒定法又稱間接鑒定法，是最直觀的鑒定方法。多倍體西瓜幼苗表現粗壯，節間較短，分枝力差；葉片鈍圓，小而厚，茸毛較多，顏色深，葉緣多鋸齒；花色較濃，花粉粒較大，孕性較二倍體低，有的甚至完全不孕，抗性增強，外果皮增厚，果實比二倍體小，呈圓形或多角形，果肉厚，肉質較緊密；種子少而大，種仁不飽滿，臍部寬，種皮厚而硬[16]。Compton等[17]研究發現子房直徑、雌花的花瓣、花粉囊直徑、葉長與葉寬是西瓜倍性水平很好的標志，四倍體子房直徑是二倍體子房直徑的1.4倍。

3.2 細胞學鑒定法

根據氣孔保衛細胞長度、氣孔保衛細胞中葉綠體數目、單位面積內氣孔數、花粉粒發芽孔數目，花粉粒形態、花粉母細胞四分體時的小孢子數及小孢子所含的核仁數進行判定。Sari等[18]在西瓜上發現葉片保衛細胞葉綠體個數與植物倍性呈正相關，可作為鑒定西瓜植株倍性快速、有效的方法。劉文革等[19]利用掃描電子顯微鏡對不同倍性西瓜花粉粒形態進行了系統觀察。結果表明，二倍體花粉多為近長球形，花粉整齊一致；四倍體花粉為圓球形，有異形花粉、粘連花粉和空癟花粉等；三倍體花粉全部為空癟花粉。

3.3 條件鑒定法

郭啟高等[20]設計的增殖系數法、高溫脅迫法、低溫脅迫法鑒定西瓜試管苗四倍體平均符合程度分別為88%，90%，80%，是快捷高效的四倍體鑒定方法，可以節省大量時間與人力。

3.4 流式細胞儀分析法

該方法可迅速測定細胞核內DNA含量和細胞核大小，是大范圍試驗中鑒定倍性的快速有效的方法。此方法測定細胞核DNA含量不受外部因素，如光密度、植物組織水含量的影響[21]。

3.5 染色體計數法

觀察誘變株根尖或花粉母細胞的染色體數目（西瓜三倍體染色體數目2=3=33，西瓜四倍體染色體數目2=4=44），這是最直接、最準確的鑒定方法。實踐證明,取根尖和莖尖有一定困難，故一般用幼葉作為鏡鑒材料,上午9：00取樣固定最好。

3.6 雜交鑒定法

利用反交法，以待鑒定的誘導植株為母本，已知二倍體植株為父本進行套袋隔離雜交，單瓜留種，結果表明：采用雜交鑒定法判斷四倍體變異株的準確率達到100%[22]。而且利用此法當代即可確認四倍體并獲得三倍體，可以免去工作繁瑣復雜的染色體記數法。

3.7 分子生物學鑒定法

隨著分子生物學技術的發展，人們開始從分子水平入手研究多倍體，對其倍性、來源進行鑒定。目前，分子技術主要應用在西瓜多倍體育種材料的選擇，植株種子、幼苗的純度鑒定等領域。劉文革等[23]以蜜枚和JM西瓜品種的純合二倍體及其人工誘導的同源四倍體、三倍體為材料，對不同倍性西瓜AFLP標記的分子遺傳變異進行了比較。其中，蜜枚品種西瓜具有多態性的條帶有3條，四倍體、三倍體和二倍體各有一條特異帶；JM西瓜具有多態性的條帶有7條，3條為JM4x特有帶，2條為JM3x特有帶，2條為JM2x特有帶。

4 微體擴繁和田間種植

于田間選擇生長勢強、品質優良、育性較強的四倍體植株個體上所有頂芽和側芽，用流水沖洗2 h，于0.5%次氯酸鈉溶液中表面消毒8～10 min，無菌水沖洗3～4次，接種到誘導不定芽再生培養基上培養，誘導出的再生芽在擴繁培養基上擴繁。經誘導生根即可獲得大量的再生四倍體小植株。

人工誘變多倍體的方法必須與雜交和選擇結合應用[24]。在適當的季節，將鍛煉后的再生四倍體植株定植于大田。田間栽培管理同一般二倍體西瓜，無特殊要求。由于經微體擴繁而獲得了大量的，具有穩定表現的四倍體植株，育種者在當年即可進行親本自交擴繁、田間育性檢測和試配多個組合。選擇優良的四倍體自交系或雜交系與優良二倍體西瓜種雜交，從而能較快地培育出適用于生產和消費的無籽西瓜新品種。

5 三倍體西瓜的產生

獲得四倍體后，要獲得三倍體就比較容易了。只要以四倍體西瓜作母本，與二倍體西瓜雜交便可得到三倍體。但要獲得經濟性狀比較好的三倍體則有許多工作要做。首先必須選配適當的親本。三倍體實際上是四倍體西瓜品種或自交系與二倍體西瓜品種或自交系的雜種一代，利用的遺傳效應是加性效應和非加性效應。因此，應根據兩親本的配合力的高低選配親本。四倍體與二倍體的配合力雖不能完全根據四倍體的來源親本（二倍體）與該二倍體西瓜自交系或品種的配合力來推測，但可以作為參考。此外，還要注意考慮父本的其他性狀。二倍體父本一般應選用小籽品種，因為父本的這一性狀與它的三倍體雜種果實中不發育種子的大小和硬度有關，也同樣直接影響到三倍體果實的無籽性。其次應選用與母本四倍體雜交受精率高的品種，使母本單瓜種子不少于150粒。四倍體西瓜的果皮一般都很厚，為了使三倍體西瓜的果皮比較薄，應選用果皮比較薄的二倍體西瓜作父本。

獲得三倍體后，還需對三倍體西瓜進行選擇。理想的三倍體西瓜品種的標準為：①種子發芽率在80%以上，且盡量做到播種時無需人工破殼；②瓜瓤中無著色的秕粒；③瓜瓤中未發育的白色秕子少而小，大小在0.3 cm×0.2 cm以下，且白而嫩；④果皮厚度不超過1～1.2 cm；⑤可溶性固形物含量在12%以上，且糖的分布梯度小；⑥制種用的四倍體母本結籽良好；⑦無異味；⑧無空心，耐貯運；⑨其他性狀達到或略低于同類二倍體的優良品種的水平[25]。

6 西瓜多倍體研究的應用

6.1 利用多倍體的巨大性獲得西瓜高產

多倍體植株由于染色體的加倍[26]，使植株的器官和細胞表現出“巨型性”的顯著特征，能增加作物的營養器官，生產上利用多倍體可以提高西瓜的產量。多倍體西瓜由于種子較少或不形成種子而減少了營養物質和能量的消耗，且能一株多果，多次結果和結大果。所以多倍體西瓜和二倍體西瓜相比，表現出高產的特性。

6.2 利用多倍體可孕性低獲得少籽、無籽果實

由于多倍體育性低，尤其是三倍體幾乎不育，可以獲得無籽或少籽果實。如三倍體無籽西瓜具有多倍體和雜種優勢雙重優勢，適應性更強，含糖量高、無籽、耐貯運、高產，深受廣大消費者喜愛。

利用四倍體可以直接育成穩定品種，也可以在四倍體水平上進行雜種優勢育種。直接利用四倍體西瓜品種（系）之間的雜交也可以培育少籽西瓜，并且還能夠克服三倍體無籽西瓜發芽率低和成苗率低等缺陷。如邵陽農科所利用該途徑育成雪峰少籽西瓜，鄭州果樹研究所也育出四雜一號等品種。

6.3 利用多倍體強抗逆性，擴大栽植區域和栽植周期

劉文革等[27～29]對不同倍性西瓜的耐鹽性、耐淹性及預冷處理后的耐冷能力等進行測定結果都得出了多倍體西瓜高于二倍體西瓜的結論。Bang H等對二倍體西瓜Summer Flavor 710，Summer Flavor 800和三倍體西瓜Summer Sweet 5244，Super Seedless 7187等分別用1.0 ET、0.75 ET、0.5 ET進行灌溉，測定灌水量對其含糖量的影響，結果表明，在0.5 ET條件下，三倍體西瓜的可溶性固形物含量增加，二倍體則沒有[30]。多倍體西瓜抗鹽、耐濕以及耐低溫特性能夠擴大西瓜的種植區域和種植周期。

6.4 創造種質材料

通過各種途徑獲得的四倍體對于育種工作者都是種質材料，由于染色體結構和數量的變異以及基因突變，其原始四倍體在若干世代后都將產生分離，這些分離出的不同類型也是重要的種質材料。在西瓜的多倍體育種中，已獲得了西瓜四倍體的短秧系、無缺刻葉系、黃苗系、無杈系、雄性不育系等種質材料[31]。

7 問題及展望

西瓜離體染色體加倍技術研究相對較少，系統而又完善的技術體系尚未建立，因此研究一套適于西瓜愈傷組織再生與分化的培養體系，為誘變西瓜多倍體提供新的再生途徑，提高誘變成功率很重要。另外，利用組織培養誘變四倍體西瓜，秋水仙素會顯著抑制不定芽的直接再生，故探索更好的誘變方法或尋找更有效的誘變替代物十分必要。在組織培養過程中，如能發現四倍體和二倍體再生芽在形態或細胞學上的差異，使育種者在早期就可確定四倍體再生芽，這將能極大的提高鑒別四倍體的效率。最近的研究表明，西瓜中不僅含有大量茄紅素，其平均含量甚至超過許多鮮食番茄品種，而且鮮食西瓜茄紅素就可以發揮其生理作用[32]。飲食結構的改變是防癌抗癌的強有力的手段，現在人們已經普遍接受這樣的觀點。隨著科技的發展，茄紅素的醫療保健作用必將被更多人了解。因此，如何提高西瓜中的茄紅素含量將是今后西瓜多倍體育種中品質育種的一個重要方面。利用多倍體西瓜茄紅素的含量比二倍體西瓜高的特性，培育出高茄紅素含量的多倍體西瓜新品種，滿足消費者的需要。

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Progress of Study on Characteristic of Polyploidy Watermelon and Its application

LI Juan,LI Huanxiu

In the vegetables,the studies of breeding on polyploidy watermelon have gotten much achievements.The polyploidy has the most important effect on the watermelon production.The characteristics of polyploidy watermelon were introduced.The inducement technique,identifying technique,micropropagation and field growth of polyploidy watermelon and the application of polyploidy watermelon were expounded.

WatermelonPolyploidy;Development

10.3865/j.issn.1001-3547.2009.22.001

李娟（1985-），女，碩士，研究方向是蔬菜遺傳育種與生物技術

李煥秀（1962-），女，通信作者，博導，教授，系主任，電話：0835-2882563，13981607531。E-mail：hxli@sicau.edu.cn

2009-03-23