辣椒Capsicum annuum×Capsicum chacoense種間雜種的創(chuàng)制及鑒定

鐘洋敏 柴松琳 程遠(yuǎn) 阮美穎 王榮青 葉青靜 姚祝平 周國(guó)治 萬(wàn)紅建

摘 要：遠(yuǎn)緣雜交是導(dǎo)入外源有效基因的主要途徑之一，種間雜交是拓寬辣椒栽培種遺傳基礎(chǔ)和創(chuàng)制種質(zhì)資源的有效方式。為了拓寬栽培辣椒的遺傳基礎(chǔ)，增強(qiáng)遺傳潛力，以辣椒栽培種Capsicum annuum ‘PI194879為母本、野生種C. chacoense ‘PI639651為父本進(jìn)行雜交試驗(yàn)，通過(guò)形態(tài)學(xué)觀察、花粉育性觀察和SSR分子標(biāo)記分析對(duì)種間雜種F1的真實(shí)性進(jìn)行鑒定。結(jié)果表明：（1）種間雜種F1表型性狀與雙親有較大差異，多介于雙親之間;（2）種間雜種F1花粉活力僅為6.58%，遠(yuǎn)低于母本的97.08%和父本的94.51%;（3）SSR分子標(biāo)記擴(kuò)增結(jié)果顯示，5對(duì)引物擴(kuò)增的雜種F1譜帶既有父本的特征帶，又有母本的特征帶，呈共顯性，進(jìn)一步在分子水平上證明了雜種F1的真實(shí)性。獲得的C. annuum和C. chacoense種間雜種不僅拓寬了栽培辣椒的遺傳多樣性，而且為利用野生辣椒C. chacoense的優(yōu)異基因來(lái)改良栽培辣椒提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：辣椒;種間雜交;表型性狀;SSR

中圖分類號(hào)：S641.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-2871（2021）01-024-05

Creation and identification of interspecific hybrids between Capsicum annuum and Capsicum chacoense

ZHONG Yangmin1，2， CHAI Songlin2， CHENG Yuan2， RUAN Meiying2， WANG Rongqing2， YE Qingjing2， YAO Zhuping2， ZHOU Guozhi2， WAN Hongjian2

（1. College of Horticulture， Northwest A & F University， Yangling 712100， Shaanxi， China; 2. Institute of Vegetable， Zhejiang Academy of Agricultural Sciences， Hangzhou 310021， Zhejiang， China）

Abstract： Distant（Interspecific and Intergeneric）hybridization is an important method for introducing exogenous elite genes into cultivated crops. In pepper， interspecific hybridization is an efficient way to broad genetic basis of cultivated species and develop the excellent germplasm. In order to expand the genetic basis of cultivated pepper and further enhance genetic potential， interspecific hybrid F1（Capsicum annuum ×C. chacoense） was created with cultivated species（C. annuum ‘PI194879-female） and wild species（C. chacoense ‘PI639651-male） in this study. To identify the authenticity of interspecific hybrids， analysis of morphological observation， pollen viability and SSR molecular markers were employed on hybrid F1 and their parents. Our results showed that（1） remarkable difference was found in agronomic traits between hybrid F1 and their parents， and majority of phenotypic traits of hybrid F1 presented intermediate values，（2）the pollen viability of interspecific hybrid F1（6.58%） was less than that of female（97.08%） and male（94.51%）， and（3） analysis of SSR markers clearly indicated that interspecific hybrid F1 had bands from the paternal and maternal accessions， which confirmed that F1 hybrid was authenticity. Here， interspecific hybrids between C. annuum and C. chacoense will not only expand genetic diversity of cultivated pepper， but also provide the basis for transferring excellent genes from C. chacoense into cultivate pepper.

Key words： Pepper; Interspecific hybridization; Morphological descriptors; SSR

辣椒是我國(guó)重要的蔬菜作物，起源于美洲熱帶地區(qū)，屬于茄科（Solanaceae）辣椒屬（Capsicum），為一年生或多年生草本植物，在全球范圍內(nèi)廣泛種植[1]。辣椒栽培種、野生種的種類繁多[2]，包括5個(gè)栽培種（C. annuum、C. baccatum、C. chinense、C. frutescens、C. pubecens）和20多個(gè)野生種[3]。其中，一年生栽培辣椒（C. annuum）是我國(guó)種植面積最廣泛、品種類型最豐富的栽培種[4]，它在果實(shí)大小、形狀、氣味和顏色上與其他4個(gè)栽培種存在明顯的遺傳差異。然而，在高強(qiáng)度的人工選擇壓力下，C. annuum遺傳基礎(chǔ)漸趨狹窄，遺傳多樣性指數(shù)逐漸降低，阻礙了辣椒新品種培育的進(jìn)程[5]。

多年生野生辣椒在自然選擇的長(zhǎng)期影響下形成了極其豐富的變異類型，遺傳方面未受到人工選擇的影響，許多特異性狀沒(méi)有因?yàn)槿斯みx擇而丟失，如抗病、抗逆和廣適應(yīng)性等，這些性狀對(duì)擴(kuò)大栽培辣椒的遺傳基礎(chǔ)具有重要意義。此外，野生辣椒也是辣椒系統(tǒng)發(fā)育和演化的研究載體之一，是辣椒生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要遺傳基礎(chǔ)。辣椒屬野生種C. chacoense主要分布于南美洲，其優(yōu)良特性可改良栽培品種，如抗瘡痂病、抗煙草花葉病毒（TMV）、耐熱性好、連續(xù)坐果率高等，其植株矮小，株高60～90 cm，果小，果實(shí)縱徑8～14 mm[6-7]。因此，利用C. chacoense創(chuàng)制種間雜種不僅能擴(kuò)大栽培辣椒的遺傳基礎(chǔ)，而且可以將其進(jìn)一步應(yīng)用于辣椒品種改良。

植物種間雜交是遠(yuǎn)緣雜交的方式之一，可以拓寬栽培種的遺傳基礎(chǔ)，創(chuàng)制新的種質(zhì)資源，加快新品種的培育進(jìn)程[8]。20世紀(jì)50年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就辣椒種間雜交技術(shù)開(kāi)展了大量研究，獲得了種間雜種[9-11]。筆者以栽培種C. annuum ‘PI194879為母本、野生種C. chacoense ‘PI639651為父本進(jìn)行種間雜交試驗(yàn)，對(duì)獲得的種間雜種F1及其親本植株進(jìn)行形態(tài)學(xué)觀察、花粉育性觀察和分子標(biāo)記分析。研究結(jié)果將為深入開(kāi)展辣椒種間優(yōu)異基因的轉(zhuǎn)移與新材料的創(chuàng)制提供重要依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料為栽培種C. annuum ‘PI194879和具有多種優(yōu)良性狀的野生種C. chacoense ‘PI639651，兩者均引自美國(guó)國(guó)家種質(zhì)資源實(shí)驗(yàn)室。上述材料均由浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所經(jīng)過(guò)多代自交保存。

1.2 方法

1.2.1 種間雜種F1的創(chuàng)制 試驗(yàn)在浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜所（楊渡科研創(chuàng)新基地）進(jìn)行。2019年3月4日，將辣椒材料播種于72孔穴盤內(nèi)，待幼苗生長(zhǎng)至5葉1心時(shí)（2019年4月10日）定植于塑料大棚。試驗(yàn)采用高壟覆膜栽培，雙苗定植，壟寬80 cm，株距45 cm。在開(kāi)花盛期，以C. annuum ‘PI194879為母本（P1）、 C. chacoense ‘PI639651為父本（P2）進(jìn)行雜交試驗(yàn)，采用徒手旋花去雄法雜交后包上棉花防止傳粉，并掛牌標(biāo)記，第2天上午重復(fù)授粉1次，50 d左右獲得成熟果實(shí)。為保證父本花粉的純度，在雜交前1 d的下午，用棉花包上次日要開(kāi)放的花蕾，防止異交。同時(shí)，母本植株應(yīng)盡量選擇生長(zhǎng)健壯且無(wú)病蟲(chóng)害的植株。

1.2.2 形態(tài)學(xué)觀察 2019年12月20日，將P1、F1和P2播種于浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院楊渡科研創(chuàng)新基地的塑料大棚內(nèi)，2020年3月18日定植。隨機(jī)選取雙親及其雜種F1各8株進(jìn)行形態(tài)學(xué)觀察，包括株高、始花節(jié)位、始花期、主莖色、莖絨毛、分枝性、葉柄長(zhǎng)、葉縱徑、葉橫徑、葉形指數(shù)、葉色、花冠色、花徑、柱頭顏色、果梗長(zhǎng)度、果縱徑、果橫徑、果形指數(shù)、果實(shí)朝向、青熟果色澤、老熟果色澤、果面光澤、單果質(zhì)量共23個(gè)指標(biāo)。其中葉形指數(shù)=葉縱徑/葉橫徑，果形指數(shù)=果縱徑/果橫徑，具體參照辣椒種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[12]進(jìn)行。

1.2.3 花粉育性觀察 利用醋酸洋紅染色法對(duì)辣椒雜種F1及其親本植株的花粉進(jìn)行染色，并用顯微鏡觀察花粉活力。在辣椒的盛花期，隨機(jī)采集上午8：00—10：00的雜種F1及其親本花3朵，取少量花粉置于載玻片上，加1～2滴醋酸洋紅溶液，蓋上蓋玻片染色20 min后吸去多余染液在顯微鏡下觀察，每朵花鏡檢5個(gè)視野，3次重復(fù)，統(tǒng)計(jì)花粉活力，取其平均值。

1.2.4 分子標(biāo)記分析 辣椒DNA提取：采集父母本及F1新鮮幼嫩葉片50 mg，參照Paterson等[13]改良CTAB法提取DNA，用1% （m/V）瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA，并用超微量核酸蛋白測(cè)定儀檢測(cè)DNA濃度，將DNA質(zhì)量濃度稀釋至20～30 ng·μL-1，置于-20 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

SSR標(biāo)記分析：選用多態(tài)性好、條帶清晰穩(wěn)定的40對(duì)SSR引物對(duì)P1、F1和P2進(jìn)行SSR分子標(biāo)記分析。SSR引物由生工生物工程（上海）股份有限公司合成。PCR反應(yīng)體系為10 μL，其中，2×T5 Super PCR Mix（PAGE） 5 μL，正反引物各1 μL，模板DNA 1 μL，ddH2O 2 μL。Mix和Marker均購(gòu)自北京擎科新業(yè)生物技術(shù)有限公司，PCR擴(kuò)增程序?yàn)椋?94 ℃ 3 min，30個(gè)循環(huán)（94 ℃ 30 s，55 ℃ 30 s，72 ℃ 1 min）， 72 ℃ 5 min，然后4 ℃保存。采用8%聚丙烯酰胺凝膠電泳觀察PCR結(jié)果，電泳緩沖液為0.5×TBE，在180 V、150 mA、50 W恒壓下電泳2.5 h。銀染方法：①電泳結(jié)束后取出凝膠用無(wú)菌水漂洗1次。②將凝膠放入硝酸銀（0.1%，m/V）染色液中搖床染色20 min，染色完成后無(wú)菌水漂洗凝膠3次。③加入由氫氧化鈉（1.5%，m/V）、硼砂（0.1%，m/V）和甲醛（0.4%，φ）組成的顯影液顯色3～5 min（搖床上晃動(dòng)至可見(jiàn)清晰條帶時(shí)停止顯色），顯色完成后無(wú)菌水漂洗凝膠2次。④撈出包膠并拍照保存。

2 結(jié)果與分析

2.1 種間雜種F1的獲得

在浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院楊渡科研創(chuàng)新基地的自然條件下，C. annuum ‘PI194879和 C. chacoense ‘PI639651均能正常開(kāi)花結(jié)果，經(jīng)人工去雄雜交，雜交33朵花，授粉后50 d左右成功獲得5個(gè)F1成熟果實(shí)，種間雜交坐果率為15.2%。共得到26粒F1種子，種子飽滿度不一改，F(xiàn)1發(fā)芽率38%。

2.2 形態(tài)學(xué)觀察

對(duì)得到的種間雜種F1代植株及其雙親進(jìn)行田間農(nóng)藝性狀調(diào)查，發(fā)現(xiàn)雜種F1表型性狀與雙親有較大差異，多介于雙親之間（圖1～2，表1）。其中始花節(jié)位、葉縱徑、葉橫徑、花徑、果梗長(zhǎng)度、果縱徑、單果質(zhì)量都介于雙親之間，初步表明所獲雜種F1是真實(shí)的雜交種。

2.3 花粉育性觀察

利用醋酸洋紅染色法，對(duì)雙親和F1的花粉進(jìn)行染色。通過(guò)顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，雜種F1平均花粉可染率為6.58%，而親本C. annuum ‘PI194879和C. chacoense ‘PI639651的花粉可染率分別為 97.08%和 94.51%（圖3）。雜種F1的花粉可染率明顯低于雙親。

2.4 SSR分子標(biāo)記分析

SSR分子標(biāo)記具有多態(tài)性高、重復(fù)性好、共顯性等特點(diǎn)，常被用來(lái)鑒定雜種的真實(shí)性。利用40對(duì)SSR引物對(duì)父母本及雜種F1進(jìn)行擴(kuò)增，其中5對(duì)引物（Primer ID：3-11、4-20、5-17、11-4、12-13）在F1雜種中均擴(kuò)增出2條帶，分別表現(xiàn)為父母本的特征帶，擴(kuò)增條帶表現(xiàn)為雙親互補(bǔ)型，即在分子水平上證明了辣椒種間雜種的真實(shí)性（表2，圖4）。

3 討論與結(jié)論

具有高度抗逆境和抗病蟲(chóng)害脅迫能力的作物野生近緣種常在育種中被作為優(yōu)異性狀的變異來(lái)源[14-15]。1997年，據(jù)國(guó)際水稻研究所報(bào)道[16]，印度、泰國(guó)、菲律賓等國(guó)將Xa21基因（來(lái)源于非洲的長(zhǎng)雄蕊野生稻）成功轉(zhuǎn)入栽培稻中，培育出高產(chǎn)且具白葉枯病廣譜抗性的品種，如‘Swarna‘Triguna‘Mahsuri‘Khao Dak Mali‘Pusa Basmati-1‘PR106等;2003年，謝一芝等[17]將甘薯栽培種與不同倍性的野生種I. trifida雜交，選育出高產(chǎn)抗病、抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)范圍廣的甘薯品種‘蘇渝303。這些研究結(jié)果證實(shí)了野生近緣種中的優(yōu)良性狀已經(jīng)在作物栽培種中得到廣泛的利用。

辣椒為茄科辣椒屬作物，該屬具有5個(gè)栽培種和20多個(gè)近緣野生種[3]。與辣椒栽培種相比，野生種在植株形態(tài)、葉片、花和果實(shí)等性狀上表現(xiàn)出極豐富的多樣性[18-20]。由于長(zhǎng)期的人工選擇，辣椒栽培種的遺傳基礎(chǔ)日趨狹窄，因此，將野生種的優(yōu)異基因轉(zhuǎn)移到栽培種中對(duì)辣椒新品種的選育具有重要意義。辣椒野生種C. chacoense具有抗煙草花葉病毒（TMV）、抗瘡痂病、耐熱性好、連續(xù)坐果率高等優(yōu)良特性[6]。筆者以栽培種C. annuum ‘PI194879為母本、野生種C. chacoense ‘PI639651為父本進(jìn)行種間雜交，創(chuàng)制種間雜種F1，結(jié)果可為通過(guò)有性雜交轉(zhuǎn)移野生種C. chacoense優(yōu)異基因提供“橋梁”。

前人研究發(fā)現(xiàn)，與親本相比，作物種間雜種F1的花粉活力普遍較低。例如，1990年，王志寧等[21]發(fā)現(xiàn)棉屬三元和四元種間雜種的花粉活力低于雙親;2012年，王雪芬等[22]測(cè)定了南瓜屬種間雜種后代的花粉活力，結(jié)果顯示雜種F1的花粉活力為28.0%，低于母本材料的72.8%和父本材料的65.2%;2019年，Martin等[23]觀察了亞麻薺屬（Camelina microcarpa×Camelina sativa）種間雜種及其親本的花粉活力，分別為1.3%～45%、97%和90%。筆者對(duì)辣椒種間雜種F1的花粉育性進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)其花粉活力僅為6.58%，遠(yuǎn)低于父母本的94.51%和97.08%。這與大多數(shù)作物種間雜種F1花粉活力低于親本的情況相似。低花粉活力將直接影響F1植株產(chǎn)生后代的能力，為此，研究者對(duì)辣椒種間雜種F1的生殖特性進(jìn)行了研究，推測(cè)可能與授粉受精時(shí)染色體易位或細(xì)胞在減數(shù)分裂過(guò)程中的異常有關(guān)[24-26]。因此，研究者通常使用秋水仙堿誘導(dǎo)F1植株進(jìn)行染色體加倍，進(jìn)一步提高花粉活力，從而增強(qiáng)F1植株的授粉受精能力[27]。此外，還可以采用回交法恢復(fù)雜種花粉活力，從種間雜種后代中篩選花粉活力有所恢復(fù)的單株，逐代提高雜種后代的育性[22]。

利用遠(yuǎn)緣雜交，向栽培種C. annuum中轉(zhuǎn)移野生種的優(yōu)異性狀是辣椒種質(zhì)創(chuàng)新的重要方法。筆者以C. annuum ‘PI194879為母本、C. chacoense ‘PI639651為父本，開(kāi)展了C. annuum與C. chacoense 種間雜交并成功獲得種間雜種F1，為進(jìn)一步對(duì)C. chacoense優(yōu)異基因的鑒定與轉(zhuǎn)移、新材料創(chuàng)制奠定了基礎(chǔ)。

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