籽用南瓜育種研究進展

史玉滋 馬 瑋 孫廷珍 段 穎 王長林

（中國農業科學院蔬菜花卉研究所，農業農村部園藝作物生物學與種質創制重點實驗室，北京 100081）

南 瓜 為 葫 蘆 科（Cucurbitaceae） 南 瓜 屬（Cucurbita）一年生草本植物，其種子含有豐富的必需氨基酸、脂肪酸、礦質元素、抗氧化物等，具有較高的營養價值和藥用保健價值（王萍 等，2001；Nawirska-Olszańska et al.，2013）。籽用南瓜（seed-used pumpkin）是以種子作為主要食用器官或加工對象的南瓜類總稱，包括美洲南瓜（Cucurbita pepo）、中國南瓜（C.moschata）、印度南瓜（C.maxima）、黑籽南瓜（C.f icifolia）等（趙一鵬 等，2004）。

我國籽用南瓜年栽培面積約30 萬～40 萬hm2，生產主要集中在黑龍江、新疆和內蒙古三大產區，年產量約30 萬～40 萬t，年出口量達12 萬～ 15 萬t，主要銷往西歐、北美、中東、東南亞及我國港、澳地區，出口量約占世界籽用南瓜市場份額的70%，籽用南瓜產業已成為我國南瓜生產的優勢特色產業（魏照信 等，2013；任建忠和魏照信，2018）。籽用南瓜種質資源的農藝性狀呈現出較為豐富的遺傳多樣性，作為商品類型可分為光板（美洲南瓜）、毛邊（中國南瓜）、白板或雪白片（印度南瓜）、黃厚皮（印度南瓜）、裸仁（主要為美洲南瓜）和黑籽（黑籽南瓜）等（周鎖奎 等，1995；于紅茹和蘇國輝，2001；魏照信 等，2013）。我國籽用南瓜生產最初以地方品種或農家品種為主，瓜籽產量低且不穩定。20 世紀80 年代后期開始，經過廣大科技工作者的不懈努力，已育成了一系列的優良品種，其中包括平涼大白籽和平涼雪白籽（周鎖奎 等，1995）、甘南1 號（孫為民 等，2002）、銀輝1 號（張耀偉 等，2002）、梅亞雪城1 號（吉新文 等，2002）、梅亞雪城2 號（吉林 等，2007）和銀輝3 號（徐文龍 等，2018）等白板類型籽用印度南瓜品種；寶庫1 號（刁靜剛 等，2005）、綠農1 號（張艷紅，2007）、金無殼、金平果★★（魏照信 等，2013）等裸仁類型籽用美洲南瓜品種；金蘋果AA、金平果新1 號、瑞豐9 號以及晶瑩、晶板系列（魏照信 等，2013）、金龍瓜1 號（韓俊巖 等，2018）等光板類型籽用美洲南瓜品種，這些品種在生產中的相繼應用，為籽用南瓜的發展提供了有利的技術保障。目前生產上白板類型的籽用印度南瓜以常規品種為主，占90%以上，光板類型的籽用美洲南瓜90%以上為雜交品種，裸仁類型的籽用美洲南瓜雜交種使用比率較大，占95% 以上。

我國的籽用南瓜遺傳育種研究起步較晚，科研力量相對薄弱，相關基礎研究落后于肉用南瓜，限制了育種技術的提升與產業發展。目前，利用現代生物學手段培育優質、高產的南瓜新品種，是解決南瓜產業目前面臨問題的重要手段之一（鄭楊 等，2018）。近年來，南瓜屬多個栽培種的基因組和轉錄組測序工作相繼完成，一些籽用南瓜農藝性狀的研究也取得了突破性成果，為系統開展籽用南瓜品種選育工作奠定了基礎（Montero-Pau et al.，2017；Sun et al.，2017）。本文從籽用南瓜種質資源的評價與遺傳多樣性研究、產量相關性狀研究、種子農藝性狀的遺傳定位及調控機制等方面進行綜述，提出籽用南瓜育種面臨問題及對策，并對產業未來發展方向進行展望，以期為籽用南瓜育種工作提供參考。

1 籽用南瓜種質資源的鑒定評價與遺傳多樣性

對種質資源進行鑒定評價是獲得優異育種材料的必要手段。張巖等（2012）對內蒙古地區21 份籽用南瓜種質資源的耐旱性和白粉病抗性進行了研究，獲得抗白粉病材料5 份（中國南瓜2 份，美洲南瓜3 份），耐旱材料2 份（均為印度南瓜），為進一步挖掘和利用內蒙古地區籽用南瓜種質資源提供了理論基礎。周克琴等（2003）、趙茜和徐麗珍（2012）分別對不同籽用南瓜的抗疫病和抗白粉病能力進行了評價，均獲得抗病材料；靳娜（2012）對21 份籽用南瓜種質資源的農藝性狀、親緣關系和白粉病抗性進行調查研究，并從中選取6 個籽用南瓜品種進行脂肪酸、粗脂肪、蛋白質、氨基酸、淀粉等營養成分分析，結果表明參試的印度南瓜品種和美洲南瓜品種的種子中粗脂肪含量均達到50%以上。

對籽用南瓜的遺傳多樣性進行研究可以揭示不同種質之間的遺傳變異程度和親緣關系，為親本選擇和種質創制及利用提供依據。早期遺傳多樣性研究多以植物學性狀為主（曹麗霞和陳貴林，2009），張巖等（2010）對18 份籽用南瓜種質的36個農藝性狀進行研究，發現花萼形狀、葉片白斑、瓜面特征、種子周緣等質量性狀可作為區別不同籽用南瓜栽培種的主要形態指標。屈淑平等（2013）利用44 個形態學標記對2 個栽培種的76 份種質進行聚類，認為皮殼質量、種仁質量、千粒重、種子顏色、瓜型為籽用南瓜資源植物學描述評價的代表性狀。王豐豐等（2018）利用50 個形態學標記，對3 個栽培種38 份籽用南瓜種質的遺傳多樣性進行評價，發現在歐氏距離10.38 時，可將籽用南瓜分為4 個類群，并認為種子千粒重、老瓜肉厚和老瓜內腔縱徑可作為評價籽用南瓜品種的綜合性 指標。

采用細胞學標記、分子標記結合形態學分析法，可以提高對籽用南瓜種質資源多樣性評價的準確性。Liu 等（2013a）利用35 個SSR 分子標記，將來源于中國和俄羅斯的籽用南瓜種質劃分為2 個栽培種及亞群，并發現其與形態學聚類結果較為一致；王豐豐等（2017）利用SCoT（start codon targeted polymorohism）分子標記將3 個栽培種的44 份籽用南瓜進行系統分類，獲得2 份特異性較強的種質，通過與形態學聚類進行比較后，進一步肯定了多種分子標記結合形態學標記的方法在籽用南瓜遺傳多樣性分析上的可應用性。

2 籽用南瓜產量相關性狀

2.1 產量構成因素

種子產量是籽用南瓜最重要的農藝性狀之一。對籽用美洲南瓜（光板有殼）種質的產量構成進行研究，通過測定果實長寬、單瓜質量、單瓜種子產量、單瓜種子數、百粒重、籽粒長度、籽粒寬度、籽粒厚度等性狀并進行相關性分析和通徑分析，發現單瓜種子產量主要由百粒重和單瓜種子數決定（王萍 等，2012）。進一步的分析表明籽粒長度和籽粒寬度直接影響產量構成，其中籽粒長度與單瓜種子數密切相關，而籽粒寬度則與百粒重密切相關（Darrudi et al.，2018）。對籽用南瓜產量因子遺傳力的研究表明，單瓜籽粒數的遺傳力大于籽粒質量，因此，在早期世代選擇時，可以優先選擇單瓜籽粒數多的種質（趙福寬 等，2000）。

對籽粒長度和寬度的遺傳分析表明，印度南瓜籽粒長度和寬度受到核基因控制，與胞質遺傳無關，大籽粒對小籽粒表現為不完全顯性。籽粒長度和寬度均符合 D2 模型，且主基因效應明顯（向成鋼，2013）。對印度南瓜籽粒長和籽粒寬的配合力進行研究，發現這2 個性狀的一般配合力方差大于特殊配合力方差，說明這些性狀以基因加性效應占主導地位（徐東輝 等，2006）。研究還發現，籽粒大小與南瓜果實的大小呈正相關，而籽粒形狀與南瓜果實的形狀呈負相關（Paris & Nerson，2003），因此果形指數也會影響單瓜產量（王萍 等，2012）。

2.2 重要產量構成因子的QTL 定位

利用不同的遺傳群體和分子標記，對南瓜種子寬度和長度的QTL 定位研究已經取得了一些進展。目前發表了7 個籽粒寬度位點和3 個籽粒長度位點。譚行之等（2013）以 F2群體為試材，運用 SSR、AFLP、EST-SSR 這 3 類分子標記技術構建南瓜遺傳圖譜，采用復合區間作圖的方法對粒寬進行QTL 定位，檢測到與南瓜粒寬性狀有關聯的4個QTL。毛曉微（2016）利用1 個F2遺傳群體，通過測序分型技術（genotyping by sequencing，GBS）建立了包含 456 個SNP 標記的遺傳連鎖圖譜，共檢測到3 個與南瓜籽粒粒長性狀相關的QTL，分別位于第1、3、10 號連鎖群上，命名為 qLms1、qLms2、qLms3；同時也檢測到3 個跟南瓜籽粒粒寬性狀有關的QTL，分別位于第 3、5、10號連鎖群上，命名為 qWms1、qWms2、qWms3。對這些位點的準確性進行預測將有助于進行大籽粒性狀的分子標記輔助育種。

目前對南瓜籽粒質量的研究較少，在葫蘆科其他作物中開展的研究表明，籽粒質量表現為數量性狀的遺傳特征。利用1 個西瓜F2遺傳群體構建CAPS 標記遺傳圖譜，共定位了23 個與西瓜種子性狀有關的QTL 位點，其中種子寬度和百粒重的主效位點共同定位在第6 號連鎖群2 個標記之間，說明該區域可能是種子性狀相關基因的富集區（周慧文 等，2016）。利用西瓜其他種質構建的遺傳群體進行研究，也獲得了一些與百粒重相關的QTL位點，如SHW6.1、SHW9.1（遲瑩瑩 等，2017）；在甜瓜和黃瓜中也檢測到一些與籽粒百粒重相關的QTL 位點（王賢磊 等，2011；王敏 等，2014）。南瓜籽粒質量可能表現出類似的遺傳調控機制，對此尚有待利用遺傳群體對南瓜種子相關性狀進行QTL定位和基因克隆等研究。

3 籽用南瓜種皮顏色性狀

籽用南瓜有殼品種根據種皮顏色不同可分為大白板（種皮白色）、光板（種皮白黃色）和黑籽南瓜（種皮黑色）等，對種皮顏色遺傳和調控機制進行研究，并開發相應的分子標記輔助選育，有助于加快優良性狀在不同種質材料之間的轉育和聚合，提高選育效率（Yan et al.，2009）。目前對于南瓜種皮顏色遺傳定位和致色物質成分分析等研究尚不多見，但在葫蘆科和其他物種中已經取得一些進展（Negi et al.，2000）。研究表明，甜瓜種子種皮顏色為1 對核基因控制的質量性狀，白色對黃色為顯性，并利用CAPS 標記將種皮顏色定位到5 號連鎖群（張可鑫 等，2018）。絲瓜種皮顏色的變異符合1 對基因控制的質量性狀遺傳特點，種皮黑色對白色為顯性（周慶友，2013）。西瓜種皮底色表現出質量性狀遺傳特征，但F2不符合孟德爾遺傳分離定律（尚建立 等，2015）。目前尚未在葫蘆科作物中克隆到直接調控種皮顏色的 基因。

關于種皮顏色調控機制，在擬南芥和油菜中研究較為深入（Zhang et al.，2009）。種皮致色物質主要是黃酮醇（f lavonol）和原花色素（proanthocynidins）等（Dean et al.，2011），與木質 素位于同一代謝途徑。該途徑起始底物來源于苯丙烷類代謝途徑的香豆酰輔酶A（coumaroyl-CoA）和來自乙酰輔酶A 的丙二酰輔酶A（malonyl-CoA），經一系列酶催化作用，形成花青苷（anthocyanin）、黃酮醇和單寧類物質，最終使種皮呈現深褐色（Debeaujon et al.，2003）。野生型擬南芥種皮呈深褐色，而突變體種皮呈現出黃色、灰褐色至透明等不同顏色。在種皮顏色突變體中，編碼類黃酮生物合成中的一些酶和蛋白質的基因突變導致植物體內合成不同的類黃酮終產物，或者使類黃酮的積累量發生改變，從而引起種皮顏色 變 異（Liu et al.，2013b；Liu et al.，2014）。目前在擬南芥中已經克隆到的種皮顏色基因主要有TT1（transparent testa gene 1）～TT19，TTG1、TTG2 以 及BAN、FLS1、FLOX 等（Chen et al.，2014），這些基因有一些是作為結構基因編碼類黃酮代謝途徑中的酶；也有一些編碼轉錄因子，對結構基因進行轉錄調控；還有部分編碼色素轉運蛋白參與類黃酮物質的轉運和積累。推測葫蘆科作物的種皮顏色可能也通過類似的合成代謝機制進行 調控。

4 籽用南瓜無殼性狀

無殼南瓜又稱為裸仁南瓜，最早在19 世紀發現于美洲南瓜中（Techermak-Seysenegg，1934）。由于無殼籽粒食用方便，易于加工處理，籽粒富含不飽和脂肪酸，對無殼南瓜的研究也日益深入（鄒伶威 等，2012）。解剖學研究發現有殼籽粒的種皮可分為5 層結構：表皮層、下皮層、厚壁組織層、薄壁組織層和綠色組織層（Zraidi，2003；Li et al.，2013）。隨著種子發育成熟，種皮的下皮層和厚壁組織木質化形成堅硬的外種皮。利用光學顯微鏡和掃描電鏡對不同發育時期的種皮結構進行研究，發現有殼種質的皮層細胞和通氣組織細胞出現纖維狀或網狀的細胞壁次生加厚結構；而無殼種質的種皮早期發育與有殼種質類似，但在發育中期種皮逐漸缺失，其表皮層、下皮層、厚壁組織層和薄壁組織層在發育過程中逐漸解體退化，且不同種質的皮層缺失位置不同（Murovec et al.，2012）。此外，種子邊緣結構也存在差異（Li et al.，2013）。種皮成分分析顯示無殼種質的種皮纖維素和木質素含量大幅度降低，與木質素合成有關的酶活性也降低（Stuart & Loy，1983；薛應鈺 等，2011），最終導致種子外僅存留一層薄 種皮。

利用遺傳群體對美洲南瓜無殼性狀進行遺傳分析，結果表明，無殼性狀是由1 對核基因控制的隱性性狀（薛應鈺 等，2011），而種皮厚度性狀則是數量性狀，受到一系列位點共同修飾（Teppner，2000；張仲保，2004）。我國南瓜育種家周祥麟通過連續自交，在中國南瓜中獲得1 個裸仁南瓜株系，通過遺傳分析發現中國南瓜種皮有無是由1 對單基因控制的隱性性狀，且薄種皮厚度由微效基因控制（周祥麟，1987），與美洲南瓜裸仁性狀的遺傳規律類似。目前尚未見裸仁印度南瓜種質的相關報道。

采用高效液相色譜法（HPLC）對有殼和無殼籽粒種皮成分進行分析，發現無殼籽粒的纖維素、半纖維素、木質素含量較低，而腐胺、精胺、亞精胺等多胺含量較高，推測這是由于種皮木質素合成速率低，導致多胺類物質與酚醛酸結合減少（Bezold et al.，2003）。木質素合成主要依賴苯丙烷代謝途徑，與類黃酮和花色素合成途徑密切相關，關鍵酶主要包括苯丙氨酸解氨酶（PAL）、4-香豆酰-CoA 連接酶（4CL）、肉桂酸-4-羥基化酶（C4H）、肉桂醇脫氫酶（CAD）和過氧化物酶（POD）等。研究表明CCR 與PAL 基因對美洲南瓜種皮發育與形成具有重要作用（陳剛 等，2013，劉佳，2014）。此外在有殼和無殼種皮中發現，谷胱甘肽還原酶、脫落酸響應蛋白、絲氨酸-蘇氨酸激酶等編碼基因的轉錄水平差異較為顯著，可能也參與到木質素合成代謝途徑中（Bezold et al.，2005）。近年來的研究表明，花色素代謝途徑中的重要轉錄因子MYB75 參與調控植株主莖中的木質素合成，MYB75 是否也有可能作為植物種皮結構與顏色的關鍵調控因子，有待于進一步深入研究（Bhargava et al.，2010）。

目前，對無殼性狀的定位研究也取得一定進展。早期利用ISSR、SRAP 和SSR 分子標記對無殼性狀進行關聯分析和集群分析，獲得了一些連鎖標記（武峻新，2011；Inan et al.，2012）。利用RAPD、AFLP 和SSR 等標記，在2 個不同的美洲南瓜遺傳群體中對無殼基因n 進行比較定位，共獲得7 個與n 連鎖的標記，其中最近遺傳距離為3 cM（Zraidi et al.，2007）。隨后，李智媛等（2011）在另一個美洲南瓜有殼與無殼親本雜交的F2遺傳群體中，利用集群分析法篩選到4 個與美洲南瓜裸仁基因n 連鎖的AFLP 標記，最近遺傳距離為8.9 cM。鄒伶威（2013）采用SSR 標記方法獲得4 個與裸仁性狀基因n 緊密連鎖的標記，最近遺傳距離為5.7 cM。

5 籽用南瓜油用性狀

籽用南瓜種仁油脂含量高，是油類和蛋白質的優質源泉，是營養保健佳品。并且，對于含油量較高的籽用南瓜品種，其單位面積的產油量要顯著高于大豆，可以作為新型的油料作物進行栽培（張耀偉 等，2005）。印度南瓜種子粗脂肪含量（含油量）達到37.94%～59.36%，不飽和脂肪酸含量28.35%～80.84%，亞油酸含量20.87%～58.10%；美洲南瓜種子粗脂肪含量達到29.33%～53.02%，不飽和脂肪酸含量56.44%～61.34%，亞油酸含量10.37%～51.19%。中國南瓜種子粗脂肪含量達到48.61%～51.71%，不飽和脂肪酸含量71.64%～79.29%， 亞 油 酸 含 量31.47%～57.73%（王萍 等，1997；張耀偉 等，2005；Meru et al.，2018）。籽用南瓜不同栽培種以及相同栽培種的不同品種之間，種子的粗脂肪含量及組成成分間差異顯著，這也為定向選育含油量高及不飽和脂肪酸等保健功能成分含量高的品種提供了資源保障。

Meru 等（2018）的研究表明，美洲南瓜的種子含油量與種子大小呈正相關，而與種子蛋白質含量呈負相關，且裸仁類型品種的含油量顯著高于有殼類型品種。Murkovic 等（1999）研究發現，美洲南瓜雜交后代種子粗脂肪、油酸、亞油酸含量介于雙親之間，硬脂酸含量高于雙親，棕櫚酸含量低于雙親，并提出可以通過培育叢生習性的品種來提高種子含油量。

6 籽用南瓜育種存在問題與展望

我國籽用南瓜的育種工作已經取得了顯著進步，但隨著籽用南瓜產業的快速發展，對品種也提出了更多、更高的要求，這給籽用南瓜的育種工作提出了新的課題。目前籽用南瓜育種尚存在以下 問題。

種質資源匱乏，遺傳背景狹窄。缺少優異的具有重大突破性的種質材料是限制籽用南瓜育種的關鍵問題。由于種質資源材料類型少、創新不夠，導致選育出的優良品種較少，新品種更新換代慢，尤其針對不同區域、不同栽培模式的優勢品種不多，許多品種趨同性強。生產中之所以缺少優良的印度南瓜類型和中國南瓜類型籽用南瓜雜交品種，也主要是由于可直接利用的種質資源過少。因此，加大搜集、整理種質資源力度，發掘與創制籽用南瓜優異種質，拓展種質基礎仍將是當前籽用南瓜育種工作的首要任務。

基礎研究薄弱，導致籽用南瓜育種進展緩慢。由于對主要病害（如疫病、病毒病和白粉病等）抗病性和主要營養品質（如口感、含油量、主要功能成分等）的遺傳規律和遺傳機制研究較少，優異性狀的挖掘及轉育工作滯后，導致生產上綜合性狀優異的抗病品種、高品質品種和加工專用品種等嚴重缺乏。目前，疫病、病毒病和白粉病等病害仍對籽用南瓜的生產威脅嚴重；籽用南瓜種子含油量高且不同品種間差異較大，部分種質資源的單位面積產油量甚至高于大豆，但目前市場上尚沒有專門的油用籽用南瓜品種。此外，開展適宜大面積機械化栽培的矮化株型育種、適宜我國高寒地區種植的早熟育種，以及高保健或藥用成分含量的功能育種等工作，都將受到籽用南瓜育種工作者的重視。

育種方法亟需改進，育種效率有待提高。籽用南瓜育種起步晚，種質資源遺傳背景狹窄，育種方法主要以傳統手段為主，田間工作量大，育種效率不高，品種選育年限長。現代生物技術手段與傳統選育方法相結合，可以大大提高育種效率。如在資源創新上，通過單倍體培養、大孢子培養、遠緣雜交、輻射誘變等手段進行種質資源的擴增、改良與創新，采用分子生物學及生物信息學等技術手段鑒定和解析影響產量、熟性、品質、抗病蟲害等重要農藝性狀的基因功能，開發實用的分子標記輔助育種等。相信這些工作的展開，將為我國籽用南瓜的品種選育及種質創新提供更為豐富的理論依據，極大地提高育種效率，加快育種進程，促進我國籽用南瓜產業的發展。