瓜類蔬菜矮生性狀的遺傳學研究進展

宋慧娟，龔詩琦，黎 豪，朱彩華，唐思琪，熊 程，孫小武

（湖南農業大學園藝學院 長沙 410000）

瓜類蔬菜是葫蘆科（Cucurbitaceae）植物中以果實為食用器官的一年生或多年生攀緣性植物的總稱，該類蔬菜種類繁多，營養保健價值高，在生產和消費上占重要地位。在群體生長中，理想株型的植株能均勻接受光照，提高植株光合作用，增加作物產量[1]，而瓜類蔬菜在生長過程中藤蔓不斷延伸，不宜高密度種植和機械化栽培管理，因此節間長度作為瓜類蔬菜的重要株型性狀之一，成為了世界各國瓜類遺傳改良的重點。目前，研究人員已在黃瓜、西瓜、南瓜和甜瓜等主要瓜類蔬菜中相繼開展了株型改良和矮化品種的選育工作，使產量和品質得到明顯提高[2-6]。筆者就國內外瓜類蔬菜矮化突變體的遺傳學相關報道進行綜述，以期為深入利用植物矮生性狀進行瓜類蔬菜種質資源改良和創制等研究提供參考。

1 黃 瓜

早年已經在黃瓜中報道了3 種不同類型的矮生突變體基因型：de、dw和W-sk[7-9]。21 世紀初，有關矮生突變體基因定位的研究開始被報道[10-12]。Fazio 等[10]利用171 份自交重組系和216 個F2個體構建了遺傳圖譜，通過遺傳連鎖和數量性狀位點（QTL）分析確定de的位置與SSR 標記CSWCTT14 之間的距離為0.8 cM；Nam 等[11]以黃瓜品種的自交系為材料，構建了2 個BAC 文庫，并運用9 個分子標記最終獲得了de的基因位點。嵇怡等[13-14]應用ISSR 分子標記技術和BSA（混合群體分組分析）法篩選到1 個黃瓜矮生性狀特異的多態性引物UBC818，連鎖關系分析表明，標記與黃瓜矮生基因間的遺傳距離為11.1 cM[13]；構建遺傳連鎖圖譜，采用復合區間定位分析,檢測到控制黃瓜株高性狀的2 個QTL 位點均位于第4 連鎖群上，控制節間距的1 個QTL 位點也位于第4 連鎖群上[14]。在黃瓜中發現較早的3 個不同表型的矮化突變體為cp、cp-2、scp。矮化突變體cp為隱性突變導致節間縮短，并在黃瓜4 號染色體區域中被精確定位[15]；矮化突變體cp-2的矮化表型需要與cp基因相互作用[16]；與前兩個突變體相比，超矮化突變體scp表現為主莖節間長度極度縮短，無側枝，葉色深且皺縮，此外雌蕊表現異常[17]。近幾年，由EMS 誘變獲得的si、scp-1和scp-2矮化突變體被先后報道[18-20]。2016年，Lin 等[18]分離鑒定了由EMS 誘變產生的1 個矮生突變體（si），并精確定位出了候選基因CsaVFB1，經基因組測序和遺傳連鎖分析表明，CsaVFB1中的1 個密碼子過早終止使F-Box 蛋白短截，導致黃瓜矮化。隨后，黃瓜突變體scp-1和scp-2中相應的候選基因Cs CYP85A1和Cs DET2被分離克隆[19-20]。2019 年，徐麗霖[21]以黃瓜矮化突變體（Csdw）及其野生型為材料經遺傳分析結果表明，Csdw 突變體矮生性狀由1 對隱性單基因隱性控制，采用Mutmap、KASP 等技術分離克隆了黃瓜矮化表型候選基因CsCLAVATA1，該基因可能參與黃瓜莖尖分生組織的生長發育過程，而影響蔓長。盡管目前已報道了許多黃瓜矮生性狀相關的突變體以及相應突變體候選基因的定位，但矮化表型與基因間的關系及基因作用機制仍需要進一步研究。

2 西 瓜

西瓜的矮生性狀受4 個基因位點（dw-1、dw-2、dw-3、dw-4）控制，其中大多數為單基因隱性突變產生[22]。1956 年，美國學者Mohr[23]首次從長蔓西瓜品種‘WB-2’自交系中發現了表現為節間縮短的西瓜矮化突變體，隨后Liu 等[24]報道了另一類型西瓜矮化突變體，Guner 等[25]將2 個基因分別命名為dw-1和dw-2，并發現dw-1與dw-2為非等位基因。1987年，Dyutin 等[26]發現了一種介于蔓生和矮生之間新的西瓜矮化突變體，經遺傳學分析表明，該性狀為隱形遺傳，Guner 等[25]將其命名為dw-1s，并發現dw-1s和dw-1是等位基因。Huang 等[5]對1 個矮化、雄性不育的西瓜突變體研究表明，矮生性狀受新的矮化相關基因dw-3控制，該基因控制的矮生性狀與雄性不育同時出現，且dw-3的表達能被dw-1和dw-2所掩蓋。2010 年，隱性矮化基因dw-4被報道，dw-4與dw-1和dw-2是非等位的[27]。馬國斌等[28]對2 個矮生西瓜突變體進行遺傳學分析發現，其中1 個矮性狀是由2 對隱性基因（dw-1dw-1、dw-2dw-2）控制，該性狀表現為短蔓，另一個矮生性狀則受1 對隱性基因控制，其性狀表現為中蔓。2016 年，Li[29]等和李國申等[30]對西瓜矮生小果突變體dsh 的遺傳研究表明，該矮生突變受1 對隱性基因控制，遺傳方式符合孟德爾遺傳定律。目前，利用較多的矮生西瓜突變體主要分為dw1dw1型和dw2dw2型，均受1 對隱性核基因控制[21]，然而，西瓜矮化突變的分子基礎仍不清楚。最近，基于下一代測序（NGS）的塊狀分離分析（BSA）方法已在多種作物中證明是快速定位基因的方法，此方法使西瓜的矮化基因定位成為可能。2018 年，Dong 等[31]通過應用下一代測序技術分析西瓜矮小（dsh）植株，發現了1 個矮化候選基因Cla010726，并將其命名為ClaGA20ox；經PCR 檢測和SNP 分析結果初步證明Cla010726可能是矮化候選基因。Wei 等[32]利用正常系‘M08’和矮稈系‘N21’雜交F2 隔離群體，將隱性矮化等位基因（Cldf）精細定位在09 號染色體上的32.88 kb 地區，確定了Cldf 的最佳候選基因為編碼3β-羥化酶的Cla015407，并通過數據分析表明Cldf 是GA 缺陷型突變體。2020 年，Gebremeskel 等[33]的研究結果也表明，Cla015407可能是控制西瓜短節間表型的候選基因，并且該表型對外源GA3的施用有反應。

3 南 瓜

目前，已報道的南瓜屬植物矮化突變體的研究主要集中于西葫蘆（Cucurbita pepoL.）和筍瓜（Cucurbita maximaDuch.），南瓜（Cucurbita moschataDuch.）矮化突變體報道相對較少。Shifriss 在1947年發現了西葫蘆矮化性狀存在顯性發育逆轉（developmental reversal of dominance）現象（早期F2群體中矮蔓與長蔓比例為3∶1，后期兩者比例為1∶3）[34]。Grebenscikov[35]對西葫蘆矮化突變體的遺傳學分析表明，其矮化特征受1 個主效顯性基因加上幾個修飾基因控制，Edelstein 等[36]的研究表明矮化對長蔓表現完全顯性。Singh[37]發現筍瓜的矮生性狀主要受2 個隱性基因控制。Denna 等[2]認為這2 個隱性基因與西葫蘆中的矮生基因是同源的，也可能受其他微效基因的調控。隨著分子生物學的發展，國內外學者開始利用分子標記技術構建西葫蘆高密度遺傳連鎖圖譜，并對矮化基因進行定位。Gong 等[38]構建了西葫蘆和南瓜的基因圖譜，并將這些gSSRs用于西葫蘆的遺傳關系分析。Esteras 等[39]和Montero等[40]以2 個西葫蘆品種為親本，先后構建了2 個基于單核苷酸多態性（SNP）的遺傳圖譜，但在這2 個圖中都沒有檢測到與株高性狀相關的顯著QTL。2014 年，Wang 等[41]對筍瓜矮生突變體（dm1）進行遺傳分析表明dm1基因為隱性突變，矮化性狀受1 個單基因座控制，并利用AFLP 標記將矮化基因大致定位到遺傳距離為11.2 cM 的區域，此外，還鑒定出4 個與細胞分裂素或吲哚乙酸信號轉導有關的矮化相關轉錄衍生片段（TDF）。Zhang 等[42]構建了1 個筍瓜高密度遺傳圖譜，并利用該圖譜發現了3 個矮稈數量性狀位點（QTLs），認為位于連鎖群（LGs）3上的QTL（qCmB2）中1 個編碼赤霉素（GA）20-氧化酶的基因Cma004516可作為控制南瓜藤蔓生長的候選基因。2018 年，Xiang 等[43]構建了西葫蘆最高密度EST-SSR 遺傳圖譜，定位了西葫蘆矮生性狀（赤霉素敏感矮生型）的3 個QTL，覆蓋主要QTL的候選區域為1.39 Mb，其中含有一個預測的赤霉素2-β-氧化酶基因。南瓜的矮生性狀受顯性矮化基因Bu控制[44]，與矮化基因Bu連鎖的SCAR 標記已被報道[45]。王深浩等[46]利用黃瓜基因組序列，將南瓜矮生基因定位到黃瓜5 號染色體上,并開發了一個新的PCR 標記IF3629。Wu 等[47-48]在南瓜矮生型突變體的節間發育期利用cDNA-AFLP 技術，對差異表達基因進行了探索，得到4 條與矮生基因Bu差異表達的轉錄片段（TDFs，transcript derived fragments）[47]，并利用cDNA-AFLP 結合RACE 技術，克隆得到了1 個與南瓜蔓伸長相關的基因CmV1[48]。目前，南瓜屬植物矮生基因研究報道大多是關于遺傳規律分析和分子標記的定位，但控制南瓜矮生性狀的Bu基因還沒有被克隆，因此還需要進一步深入研究。

4 甜 瓜

目前，甜瓜中曾報道了3 個有關矮生性狀的隱性基因：si-1、si-2和si-3[49-50]。1984 年，Paris 等[49]以2 份矮生甜瓜資源的遺傳規律進行了研究發現，這2 個矮生性狀分別由2 個不同的隱性基因控制，把其中1 個矮生基因命名si-1（short-internode-1），另1個矮生基因命名為si-2（short-internode-2），且si-1和si-2為非等位基因。1990 年，矮生基因si-3被報道，si-3與si-1或si-2為非等位基因[50]。21 世紀初，白戈等[51]發現甜瓜矮生性狀并不符合3∶1 的分離規律，而是呈雙峰曲線分布，說明該性狀不受單基因控制，可能存在基因間互作。王建設等[52]發現其研究的2 份矮生甜瓜資源均被1 對隱性基因控制，且彼此間互為非等位基因。最近幾年，關于甜瓜矮生性狀相關基因的定位開始被報道。Hwang 等[53]的研究表明甜瓜短蔓性狀是由單隱性基因mdw1控制，通過SSR 標記構建遺傳圖譜將其定位在7 號染色體上，并將候選基因ERECTA和UBI分別精細定位在到mdw1兩側的基因組區域0.6 cM 和1.2 cM處。齊振宇[54]利用RAD-seq（RestrictionAssociation Site DNA Sequencing）技術將甜瓜節間長相關聯的SNP 定位于1 號、10 號染色體。熊姜玲[55]利用分子標記在2 份甜瓜材料雜交后代群體中發現，有4 個與甜瓜節間長度相關的SSR 標記，其中DE1185 標記和DE1957 標記連鎖，標記間的距離為17.5 cM，但定位區間較大，作者并未確定最終的候選基因。2018 年，張肖靜[56]將甜瓜短蔓基因si精細定位在標記d CAPS1 和d CAPS4 之間，距離為110 kb，在此候選區段開發了4 對d CAPS 標記，并推測d CAPS2 為控制短蔓性狀的候選基因。2020 年，馬建等[57]對矮生甜瓜突變體Z8 進行遺傳分析表明，該性狀受一對隱性核基因Cmdm1控制，并將Cmdm1精細定位于7 號染色體短臂標記c7-112 和s2 之間，距離約為56 kb，推測此區間內的MELO3C016916為Cmdm1最終的候選基因。

5 展 望

綜上所述，瓜類蔬菜短蔓性狀研究取得了一定進展，但其分子育種研究還很有限。目前僅對部分矮生性狀進行了遺傳分析，不同株型的矮生性狀利用還有待于深入研究。矮生基因的分子標記、矮化基因精確定位以及分離克隆等的研究尚待加強。此外，現已知的矮生瓜類蔬菜突變體尚存在一些不良性狀，對其遺傳改良和應用價值開發尚缺乏深入系統的研究，如一些突變體在黃瓜和甜瓜等作物中表現為矮化表型，但這些矮生突變體常伴有畸形，限制了短蔓育種的應用，所以發掘新的矮生性狀、克隆和利用新的矮生基因將是今后瓜類蔬菜矮生育種工作的重要內容，具體主要表現在以下幾個方面：①通過發掘新的矮化突變體來豐富瓜類蔬菜的矮生資源，解決部分瓜類蔬菜矮化資源單一化等問題。②分子標記輔助選擇聚合有利矮生性狀，同時滿足多個育種的目標，加速矮生育種進程。③定位克隆矮化基因，并利用基因工程技術，獲得藤蔓長度合理的葫蘆科植株，這將成為未來生產的重要手段。