“十三五”我國黃瓜遺傳育種研究進展

張圣平 苗 晗 薄凱亮 董邵云 顧興芳

（中國農業科學院蔬菜花卉研究所，北京 100081）

“十三五”期間，我國黃瓜年均播種面積122.97 萬hm2、產量6 623.08 萬t（www.fao.org），生產規模位居世界第一。黃瓜遺傳育種研究獲得了國家重點研發計劃、國家大宗蔬菜產業技術體系、國家自然科學基金以及地方產業技術體系等多個項目的支持，經過廣大科研工作者的努力，在黃瓜基礎研究領域、育種技術研發、育種材料創制和新品種選育等方面取得快速發展。創建了黃瓜分子標記聚合育種技術，并且在基因編輯技術上實現突破；創新出一批優良的育種材料，報道育成的不同類型、適合不同生態條件栽培的新品種超過50 個，在生產上大面積推廣應用，支撐了蔬菜產業的快速發展。發表中英文相關論文150 篇以上，授權國家發明專利約160 件，2 項成果“黃瓜基因組和重要農藝性狀基因研究”和“黃瓜優質多抗種質資源創制與新品種選育”榮獲國家級獎勵。

1 黃瓜重要農藝性狀功能基因挖掘研究

基于“十二五”期間我國在黃瓜基因組學和變異組學研究方面的積累，“十三五”期間黃瓜基礎研究得到了快速發展，發表了影響因子大于6 的SCI 論文超過30 篇，其中影響因子大于8 的高水平論文13 篇。黃瓜自交系9930 的V3.0 參考基因組組裝完成，獲得了總長度226.2 Mb，共包含174 contigs 的參考基因組（Li et al.，2019），可以更好地服務于黃瓜分子生物學及遺傳育種研究。完成了黃瓜抗病、抗逆、果實品質、植株性別等多個重要農藝性狀的基因定位，且在黃瓜植株性別與花發育、果實性狀發育和植株性狀的分子機理解析方面取得重要進展。

1.1 重要農藝性狀的基因定位

在黃瓜抗病性狀的基因定位方面，主要針對霜霉病、白粉病和蔓枯病開展了研究。Li 等（2018）和Wang 等（2018a）分別檢測到5 個和11 個與霜霉病抗性相關的QTL，其中dm5.1、dm5.2和dm5.3是主效QTL，貢獻率高達19.68%～30.97%。Wang 等（2018a）檢測到4 個與白粉病抗性相關的QTL，其中pm5.1是主效QTL。郝俊杰等（2018）在Chr.5 上檢測到1 個白粉病抗性基因PM74，貢獻率為41.95%。Zhang 等（2018a）在酸黃瓜漸滲系中鑒定到具有白粉病完全抗性的單隱性基因和具有霜霉病部分抗性的主效QTL。Xu 等（2016）將白粉病主效位點Pm1.1精細定位在Chr.1 上41.1 kb 區間，初步篩選出候選基因Csa1M064780和Csa1M064790。Zhang 等（2017a）檢測到5 個與莖部蔓枯病抗性相關的QTL，其中gsb-s6.2是主效位點。張旭等（2018）從黃瓜/酸黃瓜漸滲系IL77 中鑒定到蔓枯病抗性QTL。

在黃瓜抗逆境脅迫研究上，重點對耐低溫、耐熱和耐澇開展了研究。利用黃瓜核心種質進行全基因組關聯分析，檢測到4 個與幼苗耐低溫相關的位點（王偉平 等，2019），5 個與種子耐42 ℃高溫關聯的位點（張松 等，2019），7 個與幼苗耐50 ℃高溫相關的位點，其中位于4 號染色體上的gHII4.1和gHII4.2與幼苗耐熱性關聯最大，在此區段預測到67 個候選基因（魏爽 等，2019）。此外，還鑒定到6 個與黃瓜幼苗耐熱相關的QTL（Dong et al.，2020）、3 個發芽期耐低溫的QTL（Song et al.，2018）、3 個幼苗耐低溫QTL（Dong et al.，2019）。Wang 等（2019）將幼苗耐熱基因定位到550 kb 區間。陳雪倩（2020）利用熱敏感突變體hs1，將耐熱基因定位到1 號染色體上232.3 kb 區間內。鑒定出3 個與澇脅迫下黃瓜不定根形成相關的QTL（許學文，2017；Xu et al.，2017，2018）。

黃瓜果實品質性狀分子生物學研究方面，鑒定到數十個與黃瓜果實大小、形狀、網紋、空腔等相關的QTL（張微微 等，2016a；Pan et al.，2017；Gao et al.，2020；Sheng et al.，2020；Wang et al.，2020a；Wang et al.，2021）。此外，將瓜把長基因精細定位至Chr.7 上14.1 kb 的區間內，預測到2 個候選基因（Xu et al.，2020）。將心皮數基因CsCLAVATA3精細定位在Chr.1 上（Li et al.，2016），將果實多刺基因ns精細定位在Chr.2 上（Xie et al.，2018），將黃瓜果皮柵欄型細胞基因Pe定位在Chr.5 上227.5 kb 的區間，預測到26 個基因（Zhang et al.，2017b），將黃瓜無毛基因csgl-3精細定位在Chr2 上19.6 kb 區間（Cui et al.，2016）。

在黃瓜植株性別研究方面，重點對始花節位、雌花節率、開花時間、單性結實、雄性不育等性狀開展了研究。張微微等（2016b）檢測到與始花節位ffn 和雌花節率相關的QTL 位點15 個。Pan 等（2017）檢測到3 個調控開花時間的QTL，其中FT6.2是主效QTL，貢獻率最高可達83.5%。Han等（2018）將雄性不育基因精細定位到了76 kb區間；Wu 等（2016）檢測到7 個單性結實性狀QTL，其中Parth2.1是主效QTL 位點。張婷等（2016）對黃瓜單性結實主效QTL 區段內的基因進行分析，推測到6 個候選基因。

1.2 重要農藝性狀的基因克隆及分子機理解析

黃瓜植株性別與花發育方面的研究表明，激素調節和營養調節協調控制黃瓜花冠開放時間（Sun et al.，2016）；CsWIP1基因與CsACO2 的啟動子結合調控心皮發育（Chen et al.，2016a）；溫度依賴性性別決定與DNA 甲基化變化有關（Lai et al.，2017）；CsLFY基因與CsWUS 互作調節芽分生組織并促進花的發育（Zhao et al.，2018）；CsSPL基因與生長素信號傳導，調節黃瓜中花藥和胚珠的發育（Liu et al.，2018）；在開花位點CsFT上游兩個DNA 大片段缺失與CsFT較高表達和更早開花有關（Wang et al.，2020b）；CsGL2-LIKE基因調節黃瓜雄花發育（Cai et al.，2020）；提出了完整的黃瓜單性花發育調控模型（Zhang et al.，2020a）。

在黃瓜果實性狀發育方面，鑒定到控制黃瓜果實長度的關鍵基因CsFUL1（Zhao et al.，2019）；克隆了控制瓜把長度的基因CsFnl7.1（Xu et al.，2020）；揭示了調節乙烯劑量以控制果實發育中細胞分裂的機制（Xin et al.，2019）；確定了黃瓜短果表型是由黃瓜組蛋白去乙酰化酶復合體1（HDC1）中的單個核苷酸變化引起的（Zhang et al.，2020b）。克隆了軟刺基因ts（Guo et al.，2018）、超高密度果刺新位點fsd6.1（Bo et al.，2019）、黃瓜無毛基因Tril（Wang et al.，2016）；證明了CsMYB6-CsTRY 復合物負調控果實毛狀體起始發育（Yang et al.，2018a），Tril編碼HD-Zip 負責毛狀體和果刺的啟動（Du et al.，2020），CsMYB60控制果刺顏色（Liu et al.，2019）；CsTTG1 與Mict互作調控果瘤形成（Chen et al.，2016b），CsTu-TS1 復合體調控黃瓜果瘤形成的分子機制（Yang et al.，2019）。證明了WUSCHEL-CLAVATA3 通路調控黃瓜心室數（Che et al.，2020），CsERF025基因可以增加果實中乙烯的含量，進而導致果實發生彎曲（Wang et al.，2017）。明確了APRR2、TKN4和TKN23 個基因通過相互作用共同調節葉綠素含量的積累，從而調控嫩瓜果皮顏色（Jiao et al.，2017）。

黃瓜植株性狀分子生物學研究方面，解析了分枝、花打頂、葉型、葉色等分子調控機制。CsBRC1是控制分枝的關鍵基因，通過抑制生長素運輸基因PIN3，導致側枝中生長素過量積累，從而抑制側枝的生長發育（Shen et al.，2019）。克隆了控制有限生長的關鍵基因CsTFL1，該基因通過與CsNOT2a互作來影響花發育（Wen et al.，2019）。克隆了小葉基因LL，LL編碼WD40 重復蛋白，與黃瓜器官大小的發育密切相關（Yang et al.，2018b）；克隆了圓形葉片基因CsPID，CsPID編碼絲氨酸/ 蘇氨酸蛋白激酶（Zhang et al.，2018b）。解析了CsWOX1基因調控葉片發育的分子機制（Wang et al.，2020c）；解析了TEN基因控制黃瓜卷須發育的分子機制（Yang et al.，2020）。將黃綠葉色基因v-1精細定位在Chr.6 上50.9 kb 區間內（Miao et al.，2016）。鑒定到1 個葉片黃化突變體，圖位克隆到CsHD基因，該基因影響葉綠體發育和葉綠素合成（Hu et al.，2020）。圖位克隆了葉片淡綠色基因v-2，該基因是葉綠素合成的關鍵基因（Zhang et al.，2020c）。

2 黃瓜育種技術研究

在黃瓜抗病、抗逆、果實品質等重要農藝性狀的分子標記開發、細胞工程育種技術研究、轉基因和基因編輯研究等方面取得新的進展，特別是在黃瓜基因編輯上獲得突破。

2.1 黃瓜分子標記研究

在抗病方面，獲得了與黃瓜白粉病抗性密切相關的SNP 多態性標記140 個（張鵬 等，2017）；與西葫蘆黃化花葉病毒（ZYMV）共分離的InDel 分子標記（楊義 等，2017）；與西瓜花葉病毒調控基因wmv緊密連鎖的標記SSRWMV60-23，用于分子標記輔助選擇（MAS）的準確率達94%（Tian et al.，2016）。在抗逆方面，獲得與耐熱基因連鎖的分子標記Indel-H90 和 Indel-H224（Wang et al.，2019）；與耐澇基因連鎖的分子標記SSR12898 和SNP25558853（Xu et al.，2017）。在果實品質方面，獲得了與瓜把長基因緊密連鎖的分子標記InDel05和SNP04（Xu et al.，2020）；與果實多刺基因ns連鎖的標記nsIndel55 和 nsIndel39（Xie et al.，2018）；與果皮柵欄型細胞基因Pe連鎖的標記Indelpe12 和SSR14611（Zhang et al.，2017b）；與無毛基因csgl-3連鎖的標記InDel-19（Cui et al.，2016）；與黃瓜無毛基因Tril連鎖的標記UW007192和UW007208（Wang et al.，2016）；與白色果皮基因w連鎖的標記LH39258 和ASPCR39250（Liu et al.，2016）；以及與黃綠葉色基因v-1連鎖的標記v1SSR8 和v1CAPs15（Miao et al.，2016）。

2.2 黃瓜單倍體育種研究

在黃瓜單倍體培養方面，周霞等（2020）在MS+0.06 mg·L-1噻苯隆（TDZ）培養基中培養黃瓜未授粉子房獲得再生植株。郭曉雨等（2020）篩選出旱黃瓜未授粉子房培養雌核誘導技術體系：以開花前1 d 未授粉子房為材料，在添加0.08 mg·L-1TDZ 的誘導培養基上進行35 ℃暗培養4 d。Deng等（2020）研究發現，黃瓜未授粉子房4 ℃低溫處理4 d、0.06 mg·L-1TDZ 可顯著提高植株再生率，華北類型黃瓜再生率最高。魏愛民等（2019）篩選出8 個與黃瓜離體雌核發育早期過程相關的重要基因，為進一步大幅提高黃瓜未受精子房培養胚胎誘導率奠定了理論基礎。

2.3 黃瓜轉基因技術研究

轉基因技術是研究黃瓜基因功能和品種改良的重要手段。黃瓜是較難進行轉基因的物種，為提高轉化效率，國內學者不斷優化遺傳轉化方法，研究了傳統農桿菌侵染法中影響轉化的預培養時間、乙酰丁香酮（AS）濃度、侵染時間、共培養時間等因素的作用效果（Sun et al.，2017）；探索了通過真空滲透原理對黃瓜開展遺傳轉化方法研究（Hu et al.，2017；Li et al.，2017）；使用綠色熒光蛋白檢測了不同侵染條件下的遺傳轉化過程，發現再生位點與侵染位點并不一致，使用真空負壓侵染方法，可將侵染比率提高到90%（楊麗，2018）；通過QTL 定位鑒定到4 個與黃瓜子葉再生相關的QTL，首次在遺傳機制方面證實了不同品種黃瓜再生能力的差異性（Wang et al.，2018b）。隨著轉基因技術的不斷優化，研究者在抗生物脅迫（任丹莉 等，2017）、抗非生物脅迫（劉艷，2016；潘玲玲，2017）、果實品質改良（劉斌，2017；劉漢強，2018；唐紅鈺，2018）、生長發育（倪蕾，2017）等基因的遺傳轉化工作中取得新進展。

2.4 黃瓜基因編輯技術研究

“十三五”期間，黃瓜基因編輯技術獲得突破，給新種質的創制與定向改良帶來更多的便利。Hu 等（2017）利用CRISPR/Cas9 編輯了抑制黃瓜心皮發育的基因WIP1，成功獲得了全雌系材料，提高產量。SF1編碼葫蘆科特異的RING-type E3連接酶，ACS2編碼乙烯生物合成的限速酶，Xin等（2019）成功獲得了這2 個基因的基因編輯突變體，并研究其調控乙烯合成和黃瓜果實長度的分子機制。Zhang 等（2020c）成功實現對短瓜基因SF2的CRISPR/Cas9 編輯，驗證了SF2（編碼組蛋白去乙酰化復合體）通過促進細胞增殖調控黃瓜果實伸長的功能。Yang 等（2020）成功獲得TEN基因的CRISPR/Cas9 突變體ten，揭示了TEN通過直接調控乙烯的合成來控制卷須的形態和攀援。

3 黃瓜種質資源評價篩選與育種材料創新

“十三五”期間，利用表型評價或分子鑒定技術對黃瓜種質資源的遺傳關系、單性結實、抗病性、抗逆性等進行了評價篩選，獲得了一些具有優良性狀的種質。李翔等（2016）利用64 對多態性SSR 引物，將39 份云南地方黃瓜種質資源分為6 個亞類群。張微等（2016）利用149 對多態性InDel 引物，對473 份種質資源進行遺傳多樣性分析，建立起黃瓜多樣性固定核心樣本集，分別來自15 個國家和國內18 個省市。研究者還對黃瓜核心種質耐低溫性、耐高溫性、耐旱、耐弱光性、抗病性、抗蟲、下胚軸長度、種子含油量、果實性狀等進行了鑒定，篩選出對應的抗逆、抗病、抗蟲、優質的種質資源（王紅飛 等，2016；王偉平 等，2019；魏爽 等，2019；張松 等，2019；蔡和序 等，2020）。

利用系譜法創制了一批優質多抗的育種材料，成為新品種選育的重要親本。包括耐低溫弱光的自交系：1254 和141708（顧興芳 等，2017a）、1101和1107（顧興芳 等，2017b）、Y3-6 和H15-2（毛愛軍 等，2017）、117D507-2 和QF19（曹明明 等，2018）、A143-5 和TBL-2（鄧強 等，2018）、11-c64 和11-c25-6（劉立功 等，2018）、N62-5（毛愛軍 等，2019）、NB-1 和A143-5（楊瑞環 等，2019）、H08-26 和DE-2（劉楠 等，2020）、72 和R34（宋鐵峰 等，2020）、216 和45（許春梅 等，2020）、1024-21（孔維良 等，2020）、Z-1（熊艷 等，2020）等；耐高溫的自交系：10-c1-12（劉立功 等，2016）、冠農-863（林毓娥 等，2017）、10-c66 和10-c11-29（郭乃笑 等，2019）等；優質自交系：Y08-2-5-6-1（陳遠良 等，2016）、T09-37-4（韓毅科 等，2016）、131-1-1 和C602-2（古松 等，2016）、P09（韓靖玲 等，2016）、Calb02122-1-0和qb213-0（岳宏忠 等，2016）、10-1-5 和10-23-1（張利東 等，2016）、D1158 和D0708-2（秦智偉 等，2018）、H7704 和01104-1-2-0-0（趙福順 等，2019）、S16 和S26（宋瑞生 等，2019）、渝亮3 號（梁肇均 等，2019）、Q812（孔維良 等，2020）、H52 和L12（魏愛民 等，2020）、C-27 和H-13（李巖 等，2020）等；抗多種病害自交系：C20（韓靖玲 等，2016）、10-c11（劉立功 等，2016）、Y08-10-1-8-12（陳遠良 等，2016）、21-4-9（韓毅科 等，2016）、081048 和02465（顧興芳等，2017c）、H1121 和12-9（柳景蘭 等，2017）、揭陽烏皮青-311（林毓娥 等，2017）、12173 和09676（張圣平 等，2018）、2431 和12-9（張作標等，2018）、CA-110-31 和I3-1-28（韓毅科 等，2019）、BC244856-3（毛愛軍 等，2019）、G3 和M118（王航 等，2019）等，豫優4 號（梁肇均 等，2019）、86G（熊艷 等，2020）等。

4 黃瓜新品種選育

2017—2020 年通過非主要農作物品種登記的黃瓜品種共有1 215 個。目前已進行黃瓜品種登記的省（市）共有25 個，排名前十的為天津、山東、黑龍江、遼寧、北京、四川、廣東、吉林、河南、福建等。

相對于品種登記，黃瓜新品種保護權的授權比率較低，僅有不到3%的新品種獲得新品種保護權。2016—2019 年申請植物新品種保護的黃瓜品種共有126 個，授權37 件。通過數據分析發現從2017年開始品種權申請爆發式增長，從2016 年的9 件增長到39 件，增幅達到76.9%，隨后幾年品種權申請數量也都維持在30 件以上。

“十三五”期間，經過育種家的不懈努力，報道育成的黃瓜新品種超過50 個。這些新品種的外觀品質有了明顯優化，特別是在商品瓜光澤度上大幅度提升。另外，在產量和抗病性方面也比以往推廣的品種具有較大優勢（表1）。就類型而言，華北密刺型黃瓜仍是選育重點，但華南型黃瓜的選育日益受到重視，逐漸成為重要的育種方向。2020年育成的黃瓜新品種中，華南型品種的數量首次超過了華北型品種的數量，占到總數量的55.5%，這也反映了近年來黃瓜市場需求的新變化，消費需求越來越多樣化。

具有代表性的華北型保護地黃瓜新品種有：津優358 號（張利東 等，2016）、新農黃1 號（陳遠良 等，2016）、中農37 號（顧興芳 等，2017a）、中農50 號（顧興芳 等，2017c）、京研118（毛愛軍 等，2017）、津優319（曹明明 等，2018）、中農33 號（張圣平 等，2018）、津美79（鄧強 等，2018）、京研優勝（劉立功 等，2018）、科潤99（韓毅科 等，2019）、津優336（楊瑞環 等，2019）、京研109（毛愛軍 等，2019）、綠園7 號（宋鐵峰 等，2020）、津優316（孔維良 等，2020）、津冬365（劉楠 等，2020）。華北型露地耐熱黃瓜新品種有：津優409（韓毅科 等，2016）、京研夏美（劉立功 等，2016）、中農38 號（顧興芳 等，2017b）、京研春秋綠2 號（郭乃笑 等，2019）、粵豐（梁肇均 等，2019）。

表1 “十三五”期間育成的主要代表性黃瓜新品種

續表

具有代表性的華南型黃瓜新品種有：甘豐春玉（岳宏忠 等，2016）、唐秋209（韓靖玲 等，2016）、百福10 號（古松 等，2016）、力豐（林毓娥 等，2017）、龍早1 號（柳景蘭 等，2017）、東農812（秦智偉 等，2018）、盛秋2 號（張作標等，2018）、吉雜17（趙福順 等，2019）、唐雜6號（宋瑞生 等，2019）、龍園黃冠（許春梅 等，2020）、龍園翼劍（李巖 等，2020）、燕青（熊艷 等，2020）。水果型黃瓜新品種有：京研迷你9 號（王航 等，2019）、津美11 號（魏愛民 等，2020）等。

5 問題與展望

“十三五”期間，我國黃瓜遺傳育種研究雖然取得重要進展，但仍不能滿足快速發展和變化的蔬菜產業需求，不能滿足人民日益增長的對優質、營養、安全黃瓜產品的需求。下一步的科研工作要堅持問題導向和需求導向，應用基礎研究方面要加大具有重要育種價值的基因挖掘和調控網絡解析研究；育種技術方面，要在高通量大規模基因分型技術、基因編輯技術、大孢子培養技術上盡快實現突破；育種材料創制和新品種選育方面，要強化抗重大和新型病害育種、優質育種、適合輕簡化栽培育種、國外品種替代等方面的工作。同時，要加大對黃瓜種子生產技術、種子加工檢測技術的高度重視，不斷縮小與國外公司在種子質量上的差距。還要加大知識產權保護力度，嚴厲打擊假冒侵權、套牌種子現象，保障我國黃瓜種業行穩致遠。