西甜瓜砧木育種研究進展

攸學松 朱莉 曾劍波 陳艷利 李云飛 馬超 李婷 張瑩

摘要：西甜瓜是一種重要的經濟作物。我國是西甜瓜生產大國，面積和產量均位居世界首位。近年來，隨著西甜瓜的周年生產，連作障礙、土傳病害加劇，限制了西甜瓜的優質生產，采用嫁接育苗是目前克服西甜瓜連作障礙最簡單有效的措施，因此西甜瓜砧木育種越來越受到國內外科研單位的重視。本文就近年來國內外西甜瓜砧木發展與現狀、主要育種目標、遺傳性狀以及新型種質資源與育種方法進行了總結和展望，旨在為今后的西甜瓜砧木選育工作提供一些參考。

關鍵詞：西瓜;甜瓜;砧木育種;南瓜;葫蘆;研究進展

中圖分類號：S650.3?文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）20-0052-05

西甜瓜是世界上廣泛栽培的一種經濟作物，原產于非洲，被稱為夏季水果之王，在全世界范圍內均有種植。我國是西甜瓜大國，產量和面積居世界首位。近年來，北京地區西甜瓜種植面積逐年下降，2017年種植面積約為4 000 hm2，但仍然是北京的優勢產業之一。大興龐各莊、魏善莊等是傳統的西瓜優勢產區，由于常年周年生產，連作障礙，土傳病害加劇，西甜瓜嫁接已成為主流，甚至達到了90%以上[1]。目前北京地區小型西瓜主要選擇京欣4號作為砧木，其次是散裝南瓜籽;中型西瓜及薄皮甜瓜砧木均以散裝南瓜籽為主;厚皮甜瓜砧木則全部選擇散裝南瓜籽[2]。市場上適用于不同類型西甜瓜的專用砧木以及專用抗病砧木還比較少，迫切需要開發選育一批西甜瓜專用砧木。

因此，西甜瓜砧木材料的搜集、研究和開發利用，越來越受到各科研單位的重視，目前已投入大量人力、物力從事砧木新品種的選育。根據國家現代種業自主創新試驗示范區的定位，北京農業即將走到升級轉型的關頭，為保障北京市西甜瓜產業的持續發展，明確當前國內外砧木育種現狀，提出今后砧木選育的方向與技術需求，搜集、研究和開發西甜瓜砧木材料，進而研發各類西瓜、甜瓜專用砧木，將會是北京市西甜瓜創新團隊今后的重要工作方向之一[3]。

1?西甜瓜砧木的發展與現狀

1.1?西甜瓜砧木的發展

農業上利用砧木嫁接的歷史非常悠久，在古代歐洲，亞里士多德和古羅馬學者普利尼都曾提到過嫁接。5世紀在地中海地區，枝接和芽接技術的應用漸多。我國關于嫁接的早期記載見于西漢晚期的《氾勝之書》，內有用10株瓠苗嫁接成一蔓而結大瓠的方法。而北魏《齊民要術》中就有了對果樹嫁接中砧木、接穗的選擇，嫁接的時期以及如何保證嫁接成活的細致描述。

系統的砧木選育是從事嫁接的基礎工作，它相比于砧木嫁接起步要晚很多，大約在20世紀才有明確記載。在20世紀50年代一段時間，我國、蘇聯以及一些東歐國家關于砧木育種還曾受到錯誤的“米丘林學說”誤導，直到1956年蘇聯學界否定了此學說，毛澤東確定了“百花齊放，百家爭鳴”的方針，才逐步回到“孟德爾遺傳定律”的正軌[4-5];之后陸續發表了一些砧木嫁接研究和新品種選育研究[6]，起初以果樹方面的研究居多。西甜瓜砧木研究以日本、韓國、菲律賓以及我國臺灣等地區較多，其中日本研究起步最早，在20世紀80年代前日本一些機構就培育出了一批影響深遠的優良砧木品種，如米可多公司的瓠瓜雜交種——相生、大和農園株式會社育成的西瓜專用品種——新土佐等;其次韓國、菲律賓以及我國臺灣等地區也有許多研究，我國大陸在20世紀90年代中期才有西甜瓜砧木選育的研究報道。

1.2?優良砧木及應用情況

西甜瓜砧木多為同科的野生西瓜類、南瓜類和葫蘆類等，他們的嫁接特性各不相同。一般地，野生西瓜、葫蘆與西瓜本砧嫁接西瓜的親和性最好，嫁接成活率最高，對嫁接后西瓜的品質影響較小，但對枯萎病沒有絕對抗性，秧苗中后期容易發生急性凋萎，耐寒性也不如南瓜;南瓜則生長勢強，對枯萎病有絕對抗性，耐寒性也很好，但品種間差異比較大，大部分對西瓜品質影響較大，容易造成西瓜皮厚增加、甜度下降等，親和性也不如野生西瓜和葫蘆。

關于西甜瓜砧木方面的研究日本起步較早，20世紀80年代之前日本米可多公司就培育出了瓠瓜雜交種——相生，大和農園株式會社則培育出西瓜專用品種——新土佐系列，并很快引入中國，在很長一段時間，甚至至今都是一些地區西甜瓜嫁接的常用砧木;其次韓國、菲律賓以及我國臺灣等地區也對西甜瓜砧木資源做過許多研究，獲得一批西甜瓜專用砧木，例如韓國神砧、甜香砧、力娃系列;臺灣農友種苗的勇士、壯士等。國內關于西甜瓜砧木可查的研究報道見于20世紀90年代以后，也推出了一系列的精品砧木，其中包括中國農業科學院鄭州果樹研究所的超豐F1[7]、西嫁強生，北京農林科學院京欣系列砧木[8-9]，寧波市農業科學研究院的甬砧系列砧木[10-13]，青島市農業科學研究院的青研砧木系列[14]，武漢市農業科學研究所的鄂砧系列[15]，甘肅省農業科學院的GKY野生西瓜砧木[16]，商丘市睢陽區農業技術推廣中心的雪金龍[17]等。

當今市場上已有的西甜瓜砧木比較多，有普通小白籽南瓜、大白籽南瓜、葫蘆等。從區域分布來看，南方葫蘆類型砧木多占有優勢，北方因為部分種植戶春搶早，考慮耐寒的因素，南瓜類型砧木應用較多。在北京地區，散裝南瓜籽是應用最多的西甜瓜砧木，約占54.88%;京欣砧4號占29.27%，京欣砧2號占15.85%，雪鐵王子占9.76%，其余砧木品種所占比例很小。從種植對象來看，小型西瓜主要選擇京欣4號作砧木，其次是散裝南瓜籽;中型西瓜及薄皮甜瓜砧木均以散裝南瓜籽為主;厚皮甜瓜砧木則全部選擇散裝南瓜籽[2]。

2?砧木育種的主要目標研究

2.1?嫁接親和性

不同砧木對應不同接穗嫁接的親和性不同。楊冬艷等通過對華鈴西瓜嫁接的研究，認為白籽南瓜類型砧木嫁接的西瓜苗期整體生長勢強于葫蘆、野生西瓜和籽用西瓜砧木，其中接穗莖粗度、地上部干質量、壯苗指數方面的差異最為顯著[18];葫蘆砧木嫁接西瓜的根冠比高于其他砧木和自根苗。尚建立等分別用厚皮和薄皮甜瓜做接穗，用南瓜、葫蘆和野生西瓜作砧木，通過嫁接成活率、植株長勢、單株果實平均質量等8個指標研究不同砧木與甜瓜嫁接親和性，結果顯示，南瓜類型砧木與甜瓜嫁接親和性最好，其次為葫蘆，野生西瓜親和性最差[19]。

2.2?品質影響

大多數南瓜砧木嫁接往往會對西瓜品質產生不利影響，如使果皮變厚，果實肉質變硬，可溶性糖含量降低，口感和風味變差等。而葫蘆、野生西瓜類砧木通常對品質影響較小。陳暉等利用南瓜類、葫蘆類以及野生西瓜類砧木作物分別做西瓜嫁接試驗，測量西瓜可溶性糖含量以及維生素C含量，結果顯示用葫蘆、野生西瓜為砧木嫁接的西瓜對其風味品質無影響，而用南瓜砧木嫁接的西瓜表現稍次，有少許纖維，口感也略有差異[20]。

2.3?抗枯萎病

西瓜枯萎病由鐮刀菌引起的，是一種維管束病害，一般南瓜砧木對其具有絕對抗性。張紅浩利用形態學分析對35個砧木南瓜種質資源進行抗南方根結線蟲和抗枯萎病砧木資源評價的研究中發現，質量性狀中，葉面白斑的變異系數最大;數量性狀中，雄花始花天數、果形指數、種型指數的變異系數較小，單果重的變異系數最大;進行遺傳學分類時，應首先考慮葉片大小、種子特征，其次是始花時間和花萼大小，最后是果形[21]。

而瓠瓜由于其良好的嫁接親和性以及對品質的較小影響，在砧木研究中越來越重要。陳文明等對來自我國和日本的32份砧用瓠瓜種質資源進行西瓜枯萎病抗性鑒定，并配制雜交組合分析抗性雜種優勢;通過比較研究砧用瓠瓜種質資源的幼苗性狀及其與西瓜的嫁接親和性、不同砧木對西瓜嫁接苗生長及果實性狀的影響，對砧用瓠瓜的嫁接適用性進行了鑒定;最后篩選出了4份高抗西瓜枯萎病砧用瓠瓜種質資源，用其配制出的F1表現出抗性雜種優勢，且與西瓜接穗具有良好的嫁接親和性及共生親和性，嫁接西瓜的單果質量增加，果實品質保持不變，抗病性和嫁接適用性綜合表現優良，可作為抗西瓜枯萎病的砧用瓠瓜育種資源[22-24]。

2.4?抗根結線蟲

隨著保護地栽培面積的不斷擴大以及連年重茬，南方根結線蟲在西甜瓜生產中表現出越來越高發的態勢，給西甜瓜生產帶來了嚴重損失。我國、日本以及韓國許多科研單位都開展了抗根結線蟲砧木機理、砧木資源的研究工作。李可通過對4種葫蘆科種質的不同材料鑒定，發現4種種質材料的平均病級指數從小到大依次為甜瓜野生近緣種、西瓜、南瓜、筍瓜;鑒定得到了4份中抗南方根結線蟲的野生西瓜種質，其中PI189225、PI482324與之前報道的研究結果一致，PI606135、PI482298之前未見報道，屬首次發現[25]。研究還發現轉錄因子AP2可能與角瓜抗南方根結線蟲基因密切相關。茉莉酸代謝、苯丙素合成和苯丙氨酸代謝等代謝途徑可能共同參與了角瓜的抗線蟲反應。

Thies等則開發了一種新型高抗根結線蟲（RKNs）的野生西瓜遺傳資源——RKVL-318，通過在飽受根結線蟲侵染的田間進行嫁接試驗，與新土佐、葫蘆砧木Emphasis以及未嫁接的Tri-X313無籽西瓜相比，表現出更少的根瘤[26]。在西瓜砧木中，已經鑒定出根部纖維性作為與RKN抗性相關的性狀?？傮w而言，RKVL-318砧木與三倍體無籽Tri-X313接穗具有較高的嫁接親和性，并且比商品葫蘆砧產生更高的西瓜果實產量（P<0.05）。在被RKN侵染的田間，在RKVL-318砧木上嫁接的Tri-X313無籽西瓜的產量比新土佐和Emphasis砧木平均高出73%和53%。

RKVL-318具有中等葉片類型的轉輪生長習性，植株雌雄異花，有雄花和雌雄同花。果實扁圓形，果實平均大小為20.9 cm×18.0 cm。成熟果實的外皮顏色為淺綠色，深綠色條紋，邊緣不規則;平均外皮厚度為2.7 cm，肉色淺綠至黃色，質地堅硬，不會出現空心。RKVL-318每株產生1.3個果實（每個果實6.8 kg）。在種植后90 d，水果已經準備好收獲。種子大小適中，紅色。

2.5?耐寒性

由于北方西甜瓜種植“春搶早”，往往需要砧木具有一定的耐寒能力。有研究發現，在葫蘆砧木嫁接西瓜過程中與 15 ℃ 和12 ℃相比，在18 ℃的夜間溫度下發生的愈合最快，在嫁接5 d后接穗與砧木在嫁接面處形成貫通的維管組織橋，夜間溫度下降，愈合速度減慢[27]，即葫蘆砧木嫁接苗最適夜溫應大于18 ℃。而對于南瓜砧木，耐低溫能力普遍較好，且對三葉一心幼苗進行5 ℃低溫處理24 h，結果顯示中國南瓜與印度南瓜雜交F1代的耐寒性最強，印度南瓜次之，中國南瓜最弱[28]。

3?砧木的遺傳性狀研究

砧木的遺傳性狀與嫁接適應性直接相關，同時也是砧木初步分類篩選過程中的重要依據，通過研究其遺傳性狀與嫁接適應性的關系，對特定性狀材料進行抗性、適應性鑒定，可以更好地輔助人們進行育種。

3.1?莖蔓長短

南瓜栽培種可根據莖蔓長短分為蔓生和矮生。矮生品種因其高產、管理方便、節省土地等優勢越來越受到人們的青睞，砧木南瓜育種同樣如此。已知南瓜有短蔓（Bu）習性，節間短，幼苗階段對長蔓bu顯性。在美洲南瓜中，Bu存在于Giant Yellow Straightneck近等基因系Table Queen中，bu存在于圓錐南瓜（acorn）Table Queen中;在印度南瓜中，Bu來自于育種單系，bu來自于delicious;在中國南瓜中，Bu來自于自交系，最早由山西農業科學院周祥麟等報道，bu來自于未公開的親本材料[29]。

王瑞等利用SSR標記技術對南瓜長蔓自交系和無蔓自交系的F2代分離群體進行遺傳分析，測得純合無蔓群體與雜合無蔓群體遺傳距離為7.269 3 cm，純合無蔓群體與長蔓群體遺傳距離為10.142 6 cm，雜合無蔓群體與長蔓群體遺傳距離為8.084 7 cm，求出LOD值大于3時有5個標記可以有效連鎖。供試材料相似系數在閥值為0.63處正好可把F2代群體劃分為2個類群。第一類群為無蔓性狀南瓜，第二類群為長蔓性狀南瓜。第一類群包含了134份無蔓性狀群體，第二類群包含了24份長蔓性狀群體，從而印證了南瓜無蔓性狀是由顯性基因控制的，南瓜無蔓矮化突變體是由隱性逆轉顯性突變[30]。

3.2?葉片性狀

有的品種具有白斑，被茸毛，有的少白斑或者沒有白斑，這是南瓜種間分類的重要特征之一。葉片白斑由基因M控制，葉脈軸線附近銀灰色區域，對無白斑呈隱性。在印度南瓜中，M存在于Zuni，m存在于Buttercup和Golden Hubbard;在美洲南瓜中，M存在于Caserta和Striatod'Italia的自交系中，m存在于Early Prolific Straightneck和Early Yellow Crookneck;在中國南瓜中，M存在于Hercules和Golden Cushaw中，m存在于[JP3]Butternut類型品種中，與Wt弱連鎖。裂葉-1（lobed leaves-1）對全緣葉Lo-1隱性。

3.3?果實性狀

南瓜果實形狀可分為圓南瓜、長南瓜、橢圓形南瓜和長筒型南瓜等。幼果多為暗綠色、綠色、白綠色或白綠間色，老熟果灰綠色、橘紅色或者橘黃色等。其中，綠色果皮（Gr）對成熟果皮淺黃色（gr）顯性;Gr來自于Long Neapolitan，gr來自于Butternut。李鶴等在研究中發現砧木南瓜的嫩瓜皮色等8個質量性狀，可作為形態學性狀，輔助砧木南瓜的種質評價及新品種的選育[31]。

3.4?種子性狀

種子性狀包括百粒質量、種皮顏色、種皮表面光滑粗糙情況、種緣大小、種子長度和寬度等性狀，種子根據有無種皮可分為有皮南瓜和裸仁南瓜，其中裸仁南瓜受1對隱性基因n及一些修飾基因控制，多用作籽用南瓜[32];根據大小和種皮顏色有大白籽南瓜、小白籽南瓜、黑籽南瓜、裸仁南瓜等[33]。

4?砧木種質資源與方法研究

4.1?種質資源的評價與利用

種質是指能從親代傳遞給子代的遺傳物質。攜帶種質的載體可以是群體、個體，也可以是部分器官、組織、細胞等。種質主要包括一些主栽品種、地方品種、近源野生種群、野生種質資源以及育種材料等。種質資源評價是育種的基礎工作，評價內容包括抗病性、抗逆性、嫁接親和性、豐產性、對品質影響的程度等。

砧木南瓜常見的栽培種有中國南瓜、印度南瓜、美洲南瓜、灰籽南瓜和黑籽南瓜5種;根據《南瓜基因目錄》，南瓜中含有3個雄性不育基因，分別是ms-1、ms-2、ms-3。其中印度南瓜類型南瓜Golden Hubbard與ms-1有關，雜交后代表現為雄花開花前敗育，無粉，且ms-1對雄性可育Ms-1隱性;另一種印度南瓜類型則含有ms-3雄性不育基因;美洲南瓜Eskandarany（PI228241）則與ms-2有關，表現為雄花敗育，特點是開放前雄蕊就褐化。

野生西瓜嫁接可以降低對嫁接西瓜品質的影響，Cohen等通過對22份野生西瓜利用盆栽試驗研究了由尖孢鐮刀菌引起的枯萎病，由黃瓜根腫鐮刀菌、爪哇根結線蟲、南方根結線蟲引起的鐮刀菌素冠腐病以及對試驗田中殼球孢菌和黑點根腐病菌的反應進行了評價，結果表明，選育高抗多種病害和對果實品質無不良影響的西瓜砧木具有可能性，最有前途的種質為PI457916、PI459075和BDA[34]。2015年，美國農業部農業研究局的Thies等開發了一種新型高抗根結線蟲（RKNs）的野生西瓜遺傳資源[35]。

4.2?雜交育種

雜交育種是當前砧木育種最主要的育種手段，市場上很多成果都是種內雜種一代，南瓜種間雜交種作為西瓜砧木在韓國已經很成熟，它在耐鹽堿、抗疫病和枯萎病方面更有優勢，而在我國種間雜交種作砧木應用還不多[36]。

4.3?單倍體育種

單倍體材料具有重要的遺傳研究價值和育種實踐意義。單倍體育種避免了育種工作中繁瑣的多代自交程序，單倍體技術的研究和應用將會提高配子體的選擇效率（尤其適于數量性狀的選擇），縮小育種群體，極大地縮短了育種周期，提高了育種效率。瓜類單倍體獲得途徑包括離體雄核發育-花藥培養及小孢子培養、離體雌核發育-輻射花粉誘導及未受精子房培養、活體雌核發育-外源正常花粉誘導及輻射花粉誘導和未成熟胚培養等，近年來，離體雄核發育途徑生產單倍體技術逐漸受到重視，離體雄核發育途徑有花藥離體培養和游離小孢子培養，其效果可以媲美輻射花粉授粉技術[37]。目前，小孢子培養技術在十字花科、茄科、禾本科作物上已得到實際應用，在葫蘆科作物上仍處于實驗室試驗階段[38]。黃瓜、西瓜、甜瓜、西葫蘆、絲瓜等瓜類作物已經利用花藥培養、游離小孢子培養技術和未授粉子房培養技術等獲得了單倍體植株[39-40]。

4.4?分子標記輔助育種

分子標記主要應用在資源親緣關系分析，構建遺傳圖譜、對具有特定性狀試材的篩選、雜種純度鑒定等方面。近年來在西甜瓜砧木育種中應用越來越廣泛。目前我國已經開發出瓜類多種病害的抗病標記、雌性性狀標記以及一些品質性狀標記，為分子標記輔助新品種選育奠定了基礎。

王迎兒等通過利用SSR—BAS法和RAPD—BAS法，篩選到了1個與南瓜耐鹽相關的RAPD標記，李鶴等[31]在研究中發現所收集到的47份南瓜砧木中，SSR標記CMTm11具有極高的多態性，可用于今后砧木南瓜種質分子標記的輔助選擇[41]。王深浩利用黃瓜基因組序列，開發了一批與新的中國南瓜矮生基因Bu緊密連鎖的PCR標記IF5-3629、IF5-2和SSR19719，這些標記不僅可以用于分子標記輔助選擇育種，而且為Bu基因的克隆奠定了基礎;在南瓜矮生基因Bu比較定位的黃瓜5號染色體端粒區域里，發現了與赤霉素相關的3個基因，并且發現黃瓜主蔓節間長度的QTL位點和黃瓜瓜把長短性狀連鎖的標記CSWTA04也存在于該區域[42]。劉勇通過篩選利用已開發的南瓜屬SSR標記LySSR121和LySSR138，對2份南瓜親本材料及其雜交F1代進行實時熒光定量PCR（qRT-PCR）進行分析，證明了運用SSR-HRM技術可以更加高效地進行南瓜屬種質資源的遺傳多樣性及雜種純度鑒定[29]。

4.5?轉基因技術

我國在西瓜、甜瓜、黃瓜等瓜類作物上已經開展了轉基因技術的研究，并取得了一些成果。王慧等以云南黑籽南瓜和黃誠根2號為材料，利用同源克隆與RACE相結合的方法克隆得到了硅轉運蛋白基因（CmLsi3）cDNA全長[43]。王雪通過CRISPR-Cas9系統構建敲除甜瓜ACC合成酶基因的表達載體，然后通過農桿菌對老漢瓜進行遺傳轉化，從而得到陽性轉基因甜瓜T0代[44]。

4.6?新品種保護

宋慧等以市場上同類型產品為對照，對甬砧系列葫蘆類型砧木品種進行RAPD和SSR分子指紋圖譜構建[45]。在104個RAPD、240對甜瓜SSR和100對瓠瓜SSR中，共篩選到7個RAPD引物、2對甜瓜SSR引物和5對瓠瓜SSR引物，在6份砧木材料中穩定擴增出18個多態性位點。3種分子標記揭示供試砧木材料的多態性比例分別為0.98%、0.48%和 1.54%。通過合并相同賦值的差異引物和位點，得到由9個差異引物產生的13個多態性位點構成的甬砧系列分子指紋圖譜。該圖譜出現概率為1/115 736 040 000，足以將甬砧系列及其對照區分開來，起到品種鑒定與保護的作用。

有研究表明，SRAP分子標記技術可成功地繪制南瓜屬種質資源DNA指紋圖譜。陶愛芬等采用SRAP與DNAMAN對88份南瓜屬種質資源（包含美洲南瓜、中國南瓜、印度南瓜）進行分子指紋圖譜繪制。結果表明，35對SRAP引物擴增出多態性條帶438條，多態性條帶比率高達87.8%。根據擴增出的條帶成功繪制出88份南瓜屬種質資源的DNA指紋圖譜，可以使每份種質都有自己獨特的“身份”，方便彼此區別。所有供試材料用5對多態性SRAP引物即可全部區別開來[46]。此項技術研究對今后南瓜屬種質資源鑒定、分子數據庫構建及新品種知識產權保護具有重要的意義。

5?研究展望

5.1?種間雜交

利用抗病南瓜種間雜交種作砧木，比品種間雜交種作砧木更能顯著增強西瓜的生長勢、抗逆性，有效防止西瓜土傳病害的發生，降低設施連作障礙的不良影響，最終達到抗病、優質、高產的目的。南瓜種間雜交種作為西瓜砧木在韓國已經很成熟，它在耐鹽堿、抗疫病和枯萎病方面更有優勢，而在我國種間雜交種作砧木應用還不多，應重視開展中國南瓜和印度南瓜遠緣雜交種砧木的選育。

5.2?西甜瓜野生本砧的選育

一般的西甜瓜本砧嫁接對西甜瓜的品質影響最小，且野生西甜瓜經過長期自然選擇，通常具有良好的環境適應性和抗病性，應加強選育野生西瓜、野生甜瓜本砧品種[47]，注重改良現有砧木品種的抗病性，注重選育專用抗病砧木，如抗枯萎病、白粉病、根結線蟲、細菌性果腐病等一種或幾種病害。針對不同栽培條件、不同栽培時間、不同類型西甜瓜，選育專用砧木品種[48]。

5.3?生物技術的應用

生物技術在將來育種中的地位將會越來越重要，結合新型生物技術進行輔助育種如單倍體技術、誘變技術、分子標記技術等的應用，可以有效創新種質資源，縮短育種年限，從而壯大我國的育種產業。

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