辣椒核心種質研究進展

朱雪梅，郭廣君，潘寶貴，刁衛平，劉金兵，高長洲，高海濤，王述彬*

（1.江蘇省農業科學院 蔬菜研究所/江蘇省高效園藝作物遺傳改良重點實驗室，江蘇 南京 210014；2.南京農業大學 園藝學院，江蘇 南京 210095；3.江蘇蘇潤種業股份有限公司，江蘇 沛縣 221636）

辣椒（Capsicum spp.）起源于南美，作為蔬菜和調味品分布在世界各地，包括熱帶、亞熱帶和溫帶地區［1］。1983年Ibpgr［2］將辣椒劃分為32個種，明確了一年生辣椒（C. annuum L.）、灌木狀辣椒（C. frutescens L.）、漿果狀辣椒（C. baccatum L.）、絨毛辣椒（C. pubescens Ruiz. & Pav.）、中國辣椒（C.chinense Jacq.）等5個栽培種。世界蔬菜中心（原名亞洲蔬菜研究與發展中心，AVRDC）是世界上最大的辣椒種質資源庫，保藏了包括11個辣椒種共8665份材料，占全球辣椒種質資源的11%［3］。我國國家蔬菜種質資源庫保存有1904份辣椒種質材料，多為20世紀80年代全國各地收集保存的地方品種，以C. annuum種為主［4］。辣椒屬種質資源數量巨大，遺傳多樣性也極為豐富［5］，但是已被人類利用的種質材料仍較少［6］。

為了解決植物種質資源規模巨大，背景繁雜不清，育種家們很難進一步研究和利用這一難題，20世紀80年代，Frankel提出了構建核心種質的設想［7］。1995年，Brown進一步形成了核心種質的完整概念：從研究對象的所有種質材料中，按一定標準盡可能少地選取種質資源來代表研究對象盡量多的多樣性［8］。經過多年的研究發展，核心種質的構建已形成了一套系統的、科學的和有效的流程。已有50多種作物構建形成了60多個不同類型的核心種質，這些核心種質在種質創新和作物育種中發揮了重要作用［4］。相對于其他茄科植物，辣椒屬的種更多，基因組更大，遺傳信息更為復雜，進而導致其基礎研究、種質創制和品種選配更為困難。通過集中人力、物力、財力對辣椒核心種質材料進行深入研究，明確每份核心種質的表型特征和遺傳信息，有針對性地進行抗性研究、品質改良、種質創新、品種選育等工作，有利于構建辣椒的核心種質資源，提高辣椒資源的利用效率。本文在綜述核心種質構建方法、辣椒核心種質構建現狀及存在問題的基礎上，提出了辣椒核心種質研究的發展方向，以期為辣椒種質資源的深入研究與高效利用提供理論依據。

1 核心種質構建流程

核心種質的構建包括數據收集、數據分組、采樣策略及核心種質的有效性評價。下文將結合實際案例對各個步驟進行分析介紹。

1.1 數據收集

核心種質數據收集的類型包括基本數據、特征數據和鑒定評價數據3類。

1.1.1 核心種質的基本數據 基本數據主要是指地理起源、地理分布或育種體系、分類體系等，主要用于初步分組。如上文提及的5個辣椒栽培種起源于3個不同的中心，C. annuum的初級起源中心為墨西哥，次級起源中心是危地馬拉；C. chinense和C.frutescens的初級起源中心是亞馬遜河流域；秘魯和玻利維亞是C. pubescens的初級起源中心［1，9-12］。

1.1.2 核心種質的特征數據 特征數據包括表型和分子標記等數據，是構建核心種質的主要數據［13］。由于表型數據較容易獲得，早期蔬菜核心種質的構建大多是基于表型數據［14］。辣椒的表型數據主要包括莖色、莖節色澤、花冠色澤、花柱長短、嫩果色澤、老果色澤、株高、果重、果長、果寬等［15］。分子標記包括以Southern雜交為基礎的限制性片段長度多態性（RFLP）、DNA指紋技術和原位雜交，以PCR為試驗基礎的SSR、ISSR、RAPD和SRAP，以及以堿基序列為基礎的SNP［16］。分子標記較其他遺傳標記具有諸多優勢：檢測方法簡單、快捷；基因組變異豐富；大多數類型的標記呈共顯性，能夠區分純合還是雜合基因型；不同時期以及不同生物組織提取的DNA都可用來作為分子標記進行分析［4］。相較于表型性狀受環境影響較大而言，分子標記是建立在種質遺傳基礎之上的，因此其結果更加可靠。

1.1.3 核心種質的鑒定評價數據 鑒定評價數據主要是指生育期、產量、品質等表型性狀數據，用于檢測核心樣品的有效性。如鄧學斌等［17］在加工番茄核心種質構建及其遺傳背景分析中對于加工番茄初始核心種質的評價時運用了表型代表性評價的方法，研究表明，所構建的302份GCC1核心種質各性狀分布較均勻，在去除遺傳冗余的同時保留了更多的變異，保存了原始資源群體較豐富的遺傳多樣性。

1.2 數據分組

數據分組的目的是通過對原始材料進行合理的分組來提高取樣的效率和所構建的核心種質的代表性［14］。核心種質構建中數據分組是對種質資源進行遺傳分組，根據分組結果選用最優的取樣策略和取樣比例，篩選出最具代表性的核心種質［18］。數據分組的方法包括隨機取樣分組和分層取樣分組。

1.2.1 隨機取樣分組 隨機取樣分組是指每個試驗材料被分配到不同處理組的機會均等。Casler［19］在研究多年生黑麥草種質資源的變異模式時，對375份種質材料采用完全隨機取樣分組方式進行評估，結果表明，通過隨機取樣分組獲得的材料代表性較差。

1.2.2 分層取樣分組 分層取樣分組是根據起源地、生態型、遺傳結構特點等因素把種質資源進行分類。雷剛等［15］依據果形指數Fs（果長/果寬）將603份辣椒種質分為5組，構建了包含91份種質的辣椒核心種質。高志紅等［20］在構建果梅核心種質時，把197份樣品按照白梅、紅梅和青梅進行了分組，構建了由20份樣品組成的核心種質，其中白梅、紅梅和青梅分別占核心種質的10%、30%和60%。劉闖萍等［21］將山葡萄按照省份-花型-多性狀組合聚類分組后，構建了由48個樣品組成的山葡萄核心種質。

1.3 取樣策略

取樣策略是指為了從初始樣品中選擇得到核心種質，根據預計的不同形勢來制定不同的取樣方案，并根據當前發展需要選擇更適合的取樣方案［15］，包括隨機取樣和系統取樣2種。

1.3.1 隨機取樣 隨機取樣是以相同的概率對全部樣品進行取樣。由于樣品起源地的環境不同，遺傳多樣性分布不均勻，不同的等位基因在全部樣品中重復的次數也不相同，所以這種取樣方法構建的核心種質代表性差，應用比較少［14］。胡晉等［22］以168個基因型5個纖維性狀為例，根據樹形圖，從遺傳變異相似的每組2個遺傳材料中隨機選取1個遺傳材料，再對所選取的所有遺傳材料再次聚類、取樣，直到所取遺傳材料的數量為總遺傳材料的20%～30%，最后構建了由41個基因型組成的棉花核心種質。

1.3.2 系統取樣 系統取樣為核心種質構建中的主要取樣方法，包括恒量法、對數法、平方根法、遺傳多樣性法和比例法。恒量法適用于各組類群多樣性分布比較均勻的情況，應用較少。Chandra等［23］基于同工酶數據，比較了采用5種取樣方法構建的馬鈴薯核心種質的優劣，結果表明，恒量法、對數法和平方根法均不適用于馬鈴薯核心種質的構建，而比例法相對來說為最優選擇。對數法主要應用于初始樣品數量較少，其對數值與核心種質數量基本一致，且遺傳背景不明晰的情況。鐘永達等［24］研究認為，利用對數法所構建的樟樹核心種質效果最好。平方根法可以在一定程度上修飾核心種質的遺傳多樣性的偏離。Huaman等［25］按照在安迪吉納每個地區采集的樣品數的平方根來確定取樣比例，建立了栽培種馬鈴薯的核心種質。趙樞紐［26］基于表型構建辣椒核心種質時，在25%的總體留樣規模下采用平方根法進行組內取樣，構建了由41份種質構成的預選表型核心種質。遺傳多樣性法是指按照遺傳多樣性的多少進行取樣，遺傳多樣性多則取樣多，遺傳多樣性少則取樣少。趙麗梅等［27］對6172份一年生野生大豆資源進行了系統的遺傳多樣性分析，比較5種取樣方法，確立了利用遺傳多樣性取樣方法構建野生大豆核心種質。侯志強等［28］基于表型數據構建初級菊芋核心種質時同樣采用了遺傳多樣性取樣策略。比例法主要應用于遺傳多樣性與資源數量呈正相關，各類群的數量相差較大的情況［14］。邱麗娟等［29］基于農藝性狀的數據，以比例法構建了我國栽培大豆的初級核心種質。

1.4 核心種質的有效性評價

核心種質的有效性評價是對核心種質構建方法和有效性的檢驗，包括遺傳多樣性的符合性檢驗和實用性檢驗。

1.4.1 遺傳多樣性的符合性檢驗 遺傳多樣性的符合性檢驗是根據不同的數據類型分別選擇原始群體和核心種質的各項指標判斷其代表性。Diwan等［30］認為，如果核心種質與原始群體在平均數及變異幅度上存在顯著差異的性狀少于30%，且核心種質各性狀變異幅度占原始群體變幅平均值的70%以上，則認為該核心種質基本代表了原始群體的遺傳多樣性。Gu等［31］構建了一個包括344份材料的核心種質，代表了原材料81%的等位基因，說明該核心種質具有較高的代表性。根據不同類型的原始數據將遺傳多樣性的符合性檢驗分為離散性指標多樣性和連續性指標多樣性2種。評價離散性指標多樣性的數據包括質量性狀、同工酶、分子標記等，常用多態性位點數、Nei’s多樣性指數、Shannon-Weaver多樣性信息指數等評價指標進行評價。評價連續性指標多樣性的數據包括產量、品質、生理生化等數量性狀，常用平均數、方差、變異系數等評價指標進行評價［14］。

1.4.2 實用性檢驗 實用性檢驗是指檢驗所建立的核心種質對已知農藝性狀的保留情況以及在實際應用中是否能找到目的性狀或基因。趙紅［32］對344份辣椒核心種質的48個園藝性狀進行了調查分析和評價，并且基于全基因組SNP關聯分析定位了與果實辣味等20個園藝性狀顯著關聯的94個SNPs。賈會霞等［33］利用231份黃瓜核心種質進行了白粉病抗性鑒定和全基因組SNP關聯分析，檢測到12個與黃瓜白粉病抗性顯著關聯的SNPs。

2 辣椒核心種質的構建

辣椒屬可劃分為32個種，包含栽培種、已被開發利用的其他種和未被利用的野生種［34］。種質資源作為科學研究的材料基礎，各個國家和科研單位極為重視種質材料的收集和保存工作［35］。分析辣椒種質資源的遺傳多樣性，構建辣椒核心種質，有利于深入挖掘和利用辣椒種質資源中的優異性狀［31，36］。核心種質構建方法在不斷的更新和完善，辣椒核心種質構建處于不斷進步，急需深入的階段。近年來，隨著基因組測序水平的逐步提高，測序成本有所降低，分子標記進入以堿基序列為基礎的第三階段，其中SNP標記同樣應用于辣椒核心種質的構建［35］。

由于表型性狀受環境影響較大，數據采集不穩定，基于表型數據構建辣椒核心種質的研究較少。2004年，Zewdie等［37］基于21個表型性狀利用分層分組代表性取樣法，以美國農業部（USDA）1202份辣椒種質為試材，以約10%總體取樣規模建立了包含137份材料的辣椒核心種質。雷剛等［15］利用603份辣椒種質材料，基于21個質量性狀和7個數量性狀進行了辣椒核心種質的構建研究。該研究建立的最優取樣方案：首先按照果形指數將603份辣椒種質分為5個組；然后在組內采用遺傳多樣性比例確定取樣量，總體取樣規模為15%，使用歐氏距離最遠距離法進行組內聚類抽樣，最終選取了91份核心種質，遺傳多樣性指數（I）、變異系數（CV）、表型保留比例（PRP）和極差符合率（CR）都達到最大值，對原始樣品具有較好的代表性。劉子記等［38］針對146份海南黃燈籠椒種質資源，基于10個表型性狀，利用馬氏距離，采用優先取樣法和類平均法構建了包含43份黃燈籠椒材料的核心種質。

分子標記作為一種穩定、可靠和高效的檢測技術，被廣泛應用于科學研究中，在核心種質構建中同樣得以廣泛應用。2013年，Nicola等［35］利用來源于89個國家11個種的1352份辣椒種質，基于28個SSR分子標記信息，構建了包含332份辣椒種質的核心種質。2015年，Mongkolporn等［39］基于10個SSR位點，對230份辣椒種質進行了遺傳多樣性分析，篩選出28份具有代表性的辣椒種質,構成了核心種質。2016年，Lee等［36］利用48個SNPs對來源于97個國家11個種的4652份辣椒種質資源進行了遺傳多樣性和群體結構分析，結合32個表型性狀數據，構建了包含240份辣椒種質的核心種質‘CC240’。

我國辣椒育種工作進展較快，但是核心種質的構建起步較晚。2015年，何建文等［40］針對90份典型貴州地方辣椒種質和7份省外種質，利用SSR分子標記遺傳變異信息，比較分析利用不同遺傳距離和抽樣方法構建了辣椒的核心種質庫，最終在歐氏距離下，按10%比例進行抽樣，采用多次聚類隨機取樣法取樣、最短遺傳距離法進行聚類分析，從97份辣椒種質中篩選得到9份核心種質。2016年，中國農科院蔬菜花卉研究所利用29個SSR分子標記針對我國蔬菜種質資源庫中的1904個辣椒種質資源進行了分析，構建了包括334份種質的核心種質并對其進行了鑒定和評價［4，32］。2017年，吳茵［41］利用21對多態性豐富的SRAP引物對512份辣椒種質進行了分析，構建了288個樣品的初級核心種質；進一步利用65對SSR標記對初級核心種質進行壓縮，構建了包含200個樣品的辣椒核心種質。2019年，譚放軍等［42］利用98份辣椒種質，根據葉綠體trnH-psb A序列歐式距離得到的聚類分析結果，結合7個重要的農藝性狀，篩選獲得了31份核心種質，應用于育種生產。

3 存在問題及展望

上文分析了近20年來辣椒核心種質構建的研究進展，近10年來利用分子標記技術進行核心種質構建進入到快速發展階段，通過對國內外研究比較發現，我國在辣椒核心種質構建方面仍存在一些問題，有待進一步改進。

（1）我國構建的辣椒核心種質數量較少且質量有待進一步提高。雖然在表型和分子水平方面對我國現有辣椒資源進行了大量研究，但是遵循科學方法進行核心種質構建的研究不多。目前報道的僅有中國農業科學院蔬菜花卉研究所、海南大學和江西農業大學基于SSR標記利用我國部分辣椒資源構建了核心種質［4，27，42］。相對于法國和韓國，我國所用種質資源主要為C. annuum種，大部分為我國20世紀80年代收集的地方品種或項目組自有的育種材料，來源地單一，缺乏其他栽培種及野生種的資源材料。同時，所用標記仍為第二代的SSR分子標記，相對于第三代的SNP標記，遺傳信息鑒定的精準度不足。

（2）構建完成的核心種質利用率不高。核心種質的實質是該物種的基因庫，從中挖掘與利用優質基因（高產、優質、抗病蟲和抗逆基因）是構建核心種質的重要目標之一。利用重測序深度解析核心種質的遺傳信息，挖掘優異基因是最為高效和精準的方法。但是由于辣椒基因組過大，重測序成本偏高，很多構建完成的核心種質無法利用該技術進行深入研究。大部分科研單位構建的核心種質處于閑置狀態，無后續利用的相關文獻和報道。

針對以上問題，筆者認為可以從以下幾個方面進行提高和改進：（1）應引進和收集其他種的辣椒材料，開發辣椒野生資源，擴大種質資源的遺傳范圍；（2）借鑒國外辣椒核心種質研究的經驗和成果，加強對外合作交流，進行種質材料的引進和技術交流；（3）國內各單位加強合作，集中種質資源，建立有針對性的核心種質，滿足科研和育種對不同類型資源的需求；（4）以構建完成的高質量核心種質為基礎，加強單位間分工合作，共同開發利用核心種質數據，健全資源分發和數據共享體制，減少各單位的重復工作，減少人力和財力的浪費，以保障種質資源利用渠道的暢通。