西瓜果實番茄紅素含量的遺傳分析

路緒強，高 磊，趙勝杰，何 楠，劉文革

（中國農業科學院鄭州果樹研究所 鄭州 450009）

西瓜[Citrullus lanatus(Thunb.)Matsum.&Nakai]屬于葫蘆科西瓜屬的一年生蔓性草本植物，因其營養豐富，味甜多汁，有夏季“水果之王”的美譽，已成為重要的世界性園藝作物。中國作為世界上最大的西瓜生產與消費國，產量占世界總產量的60%以上［1］。據聯合國糧農組織2013年統計，世界上西瓜的收獲面積達到了水果收獲面積的5.4%，產量占13.4%，分別居世界水果收獲面積和產量的第7位和第1位。

西瓜果實富含番茄紅素、瓜氨酸、維生素C等多種對人體健康有益的功能性成分，其中番茄紅素是西瓜果實中的主要類胡蘿卜素，是造成西瓜果實呈現紅色的主要因素，作為一種功能性天然色素，具有淬滅活性氧、消除自由基、預防癌癥及心血管疾病等對人體有益的功能［2-3］。西瓜果實中的番茄紅素比番茄中的更容易被人體吸收，其有效性比番茄高出 40%［4］。

隨著人們飲食結構的轉變，對優質西瓜品種的選育顯得尤為重要，番茄紅素作為西瓜的重要品質屬性，成為研究人員關注的焦點。近幾年來對西瓜番茄紅素的研究主要集中在發育過程中番茄紅素含量的動態變化［5-6］、無籽西瓜果實發育過程中番茄紅素合成代謝酶基因的表達［7］、西瓜內源激素與番茄紅素積累的相關性研究［8］及西瓜果實番茄紅素含量的QTL定位研究［9］等方面，而對西瓜果實番茄紅素含量遺傳規律的研究還未見報道。品質或與品質相關的某種成分含量一般具有數量性狀的特征，對其遺傳規律的研究主要通過章元明等［10］、蓋鈞鎰等［11］開發的多世代聯合的主基因與多基因的數量性狀遺傳分析方法，已在番茄、茄子、普通白菜、青花菜和甜瓜［12-16］等蔬菜作物上進行廣泛應用。

筆者以高番茄紅素和低番茄紅素西瓜自交系雜交衍生的六世代群體為研究對象，采用主基因+多基因混合遺傳的六世代聯合分析法，對西瓜果實番茄紅素含量的遺傳規律進行解析，為西瓜果實高番茄紅素優異基因的挖掘、種質資源創新和選育優質新品種提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

以中國農業科學院鄭州果樹研究所多倍體西瓜育種課題組從美國引進的品種‘Cathay Belle’經多年自交篩選出的具有高番茄紅素含量的西瓜自交系‘花貝雷’(鮮紅瓤)和從‘京欣1號’分離后代中經多年自交選育出的的低番茄紅素含量的自交系‘13-3-3’（粉紅瓤）為試驗材料。

1.2 方法

1.2.1 群體構建 2013年3—7月，將西瓜高番茄紅素含量自交系‘花貝雷’與低番茄紅素自交系‘13-3-3’種植于鄭州果樹研究所新鄉綜合試驗基地，二者進行雜交獲得F1；2014年3—7月，兩親本分別與F1回交獲得B1（F1×P1）和B2（F1×P2），同時F1自交獲得F2。2015年3—7月，將親本及F1各設3個重復，分別定植于B1、B2及F2群體內，進行標記，以便于控制環境條件的一致性，雙蔓整枝，第2雌花留單瓜，在新鄉基地按露地常規栽培方式進行管理，最終獲得P1（15株）、P2（15株）、B1（116株）、B2（94株）、F1（15株）及F2（112株）六世代群體。

1.2.2 番茄紅素含量的測定 授粉35d果實完全成熟后取樣，取果實中心部位不包含種子的果肉，用榨汁機勻漿，放-20℃冰箱備用。番茄紅素含量（FW）的測定參照萬學閃等［5］的方法。

1.2.3 統計分析 試驗數據采用曹錫文等［17］植物數量性狀的主基因+多基因混合遺傳分析軟件，對‘花貝雷’和‘13-3-3’組合的六世代單株數據進行分析，通過 1對主基因（A）、2對主基因（B）、多基因（C）、1對主基因+多基因（D）、2對主基因+多基因（E）等5類24種遺傳模型的極大似然估計，結合AIC（極大似然函數）準則、似然比檢驗及一組適合性測驗（均勻性檢驗 U12、U22、U32、Smirnov 檢驗、Kolmogorov檢驗），從中選出最優的遺傳模型（AIC值相對較小，適合性較好）。根據最優模型采用最小二乘法估計出主基因與多基因的效應值、方差及遺傳參數。

2 結果與分析

2.1 各世代番茄紅素含量次數分布

在‘花貝雷’ב13-3-3’組合的6個世代群體中，高番茄紅素含量的親本（‘花貝雷’，P1）單株中心果肉番茄紅素含量的平均值為49.38 mg·kg-1，低番茄紅素含量的親本（‘13-3-3’，P2）單株中心果肉番茄紅素含量的平均值為28.08 mg·kg-1，F1單株平均番茄紅素含量為51.30 mg·kg-1，高于高番茄紅素親本‘花貝雷’，即高番茄紅素含量對低番茄紅素含量為超顯性。6個世代群體平均番茄紅素含量及變異系數如表 1，可知：P1、P2及 F1變異系數較小，各單株的番茄紅素含量差異不明顯；而B1、B2及F2變異系數較大，各單株的番茄紅素含量差異明顯。分離群體B1、B2、F2各單株番茄紅素含量的頻率分布如圖1，可以看出：B1、B2、F2單株番茄紅素含量的次數分布均呈現出偏態分布，表明番茄紅素含量是數量性狀遺傳，具有明顯的主基因+多基因遺傳效應。

表1 6個世代群體平均番茄紅素含量及變異系數

圖1 花貝雷’ב13-3-3’組合分離群體番茄紅素含量的次數分布

2.2 番茄紅素含量的遺傳模型

根據六世代群體番茄紅素含量結果的實際分布，采用數量性狀主基因+多基因混合遺傳的六世代聯合分析法，對‘花貝雷’ב13-3-3’組合6世代群體番茄紅素含量進行分析，得到1對主基因（A）、2對主基因（B）、多基因（C）、1對主基因+多基因（D）、2對主基因+多基因（E）等5類24種遺傳模型AIC值（表2）。其中等加性主基因+加性—顯性多基因模型（E-3）、一對加性—顯性主基因+加性—顯性—上位性多基因模型（D-0）和加性—顯性—上位性主基因+加性—顯性多基因模型（E-1）的AIC值相對較低，為最優模型的候選模型。對D-0、E-1和E-3模型進行適合性檢驗，結果表明，D-0、E-1和E-3模型達到顯著水平的統計量分別為0個、2個和1個。結合單株番茄紅素含量的次數分布圖，選擇D-0模型即“一對加性—顯性主基因+加性—顯性—上位性多基因”模型為‘花貝雷’ב13-3-3’組合的最優遺傳模型。

表2 各遺傳模型的AIC值

2.3 候選模型的遺傳參數估計

利用軟件分析結果得到番茄紅素含量模型D-0的一階遺傳參數估計值，‘花貝雷’ב13-3-3’組合主基因的加性效應為6.43，主基因的顯性效應為-4.00，主基因的顯性度為 0＜∣h/d∣＜1，為部分顯性。主基因的加性效應為正向效應，即隨著主基因加性效應的增加，番茄紅素含量增多。

在一階參數的基礎上，進一步估計二階參數。由表 3可知，B1、B2和F2主基因的遺傳率分別為21.76%、3.99%、27.28%；多基因的遺傳率分別為77.65%、94.64%、72.09%。各群體的多基因遺傳率都大于相應的主基因遺傳率，可見西瓜果實番茄紅素含量的遺傳是多基因和主基因共同控制的，并且以多基因的遺傳為主。

表3 二階遺傳參數估計

3 討論

對番茄紅素含量遺傳模型的研究主要集中在番茄作物上，受試驗材料和栽培環境的影響，不同研究人員得出的遺傳模型并不相同。周永健［18］和陳慶生［19］一致認為加工型番茄果實中番茄紅素含量遺傳模型以基因加性效應為主，顯性效應不顯著，并有少量上位性效應；而孫保娟［20］通過對櫻桃番茄主要數量性狀的遺傳效應研究，指出櫻桃番茄果實中番茄紅素含量的遺傳符合加性—顯性模型，其基因效應為隱性增效，但又存在超顯性現象，狹義遺傳力為21.46%；李紀鎖等［12］的研究認為番茄紅素含量遺傳符合一個主基因和加性—顯性—上位性多基因模型，這與本研究以西瓜作為試驗材料得出的番茄紅素含量遺傳模型相一致。

從西瓜果實番茄紅素含量的遺傳模型及二階參數的估計可以看出，B1、B2和F2共3個世代番茄紅素含量多基因遺傳率遠遠大于主基因遺傳率，說明其遺傳主要是由多基因控制的；Chen［21］通過QTL定位找到一個與番茄果實番茄紅素含量有關的主效QTL位點，可以解釋24%的表型變異，7個微效QTL占表型變異總數的5.2%～8.7%，這與筆者在B1和F2世代得到的主基因和多基因遺傳率相接近，因此可以說明番茄紅素含量的遺傳符合一對主基因+加性—顯性—上位性多基因模型。歐承剛等［22］采用F2分離群體研究胡蘿卜中的番茄紅素含量，通過構建連鎖圖譜檢測到1個與番茄紅素含量相關的主效QTL，為加性效應，可以解釋14.61%的表型變異，同時還檢測到1對上位性QTL，這與本研究得到的遺傳模型相一致。劉識等［23］在對西瓜果實番茄紅素含量初步定位的基礎上將主效QTL定位在4號染色體0.2cm區間內，包含一個控制瓜瓤是紅色還是黃色的候選基因Cla0050011，同時獲得的連鎖標記可用于分子標記輔助育種。將本研究獲得的西瓜果實番茄紅素含量的遺傳規律和分子標記相結合，可以顯著提高選擇效率，為培育高番茄紅素含量的西瓜新品種奠定了重要基礎。

西瓜果實番茄紅素的含量受遺傳和環境因素的共同影響，因此在選育高番茄紅素西瓜品種時要綜合考慮遺傳和環境雙重因素。在保證良好的栽培環境條件下，番茄紅素含量遺傳受多基因影響較大，因此高番茄紅素含量的西瓜自交系及品種適宜連續多代選擇，避免早期世代選擇的盲目性，才能更好地為西瓜生產和消費服務。