李瓊 梁曉雪 李文龍 侯娟 胡建斌 黃松

摘? ? 要：為了探明甜瓜幼苗下胚軸長度的遺傳規(guī)律，以下胚軸長度差異明顯的2個自交系329-1（P1）和Afgsnake（P2）為親本構(gòu)建1個F2和2個BC1群體（B1和B2分別為F1與P1和P2的BC1），通過多世代聯(lián)合分析法研究幼苗下胚軸長度的遺傳方式。結(jié)果表明，甜瓜幼苗下胚軸長度表現(xiàn)出明顯的數(shù)量性狀特征，其最佳遺傳模型為E-0，即2對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性-上位性多基因模型。2個主基因的加性效應(yīng)較弱，其顯性效應(yīng)和互作效應(yīng)較強(qiáng)，且易受環(huán)境因素的影響。春季B1：2、B2：2和F2：3世代主基因遺傳率分別為30.56%、67.56%和85.93%，秋季其主基因遺傳率分別為77.01%、78.35%和83.95%，多基因遺傳率（43.93%）主要存在春季B1：2世代。研究結(jié)果明確了甜瓜幼苗下胚軸長度遺傳方式，可為幼苗株型遺傳改良提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：甜瓜;下胚軸長度;主基因+多基因;遺傳分析

中圖分類號：S652 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-2871（2021）08-026-06

Joint genetic analysis of hypocotyl length of melon seedlings using multiple generations

LI Qiong1， LIANG Xiaoxue1， LI Wenlong1， HOU Juan1， HU Jianbin1， HUANG Song2

（1. Henan Key Laboratory of Fruit and Cucurbit Biology（Zhengzhou）/College of Horticulture， Henan Agricultural University， Zhengzhou 450002， Henan， China; 2. Xinyang Agriculture and Forestry University， Xinyang 464001， Henan， China）

Abstract： Melon seedling raising under high-temperature seasons easily causes rapid hypocotyl prolongation leading to seedling overgrowth， which further affects quality of the seedlings. In order to clarify the genetic low of hypocotyl length of melon seedlings， two melon inbred lines 329-1 （P1） and Afgsnake （P2）， which showed contrasting hypocotyl lengths at seeding stage， were used to develop one F2 and two BC1 populations （B1 and B2 act as the BC1 populations with F1×P1 and F1×P2， respectively）. A method involving joint genetic analysis with multiple generations was used to pinpoint out the genetic model controlling hypocotyl length of melon seedlings. The results showed that hypocotyl length of melon seedlings revealed the typical characters of quantitative traits but deviated from the normal distribution. Long hypocotyl trait tended to conduct in recessive inheritance. The optimal genetic pattern for this trait was E-0 model， i.e.， two pairs of additive-dominance-epitasis major genes + additive-dominant-epistasis polygenes. In this model， additive effects of the two major genes was comparatively small but the dominant effects played a main role; interactive effects were observed among these genes. These genetic effects were also most sensitive to environment. Three generations （B1：2， B2：2and F2：3） had major-gene heritabilities of 30.56%， 67.56% and 85.93% in spring and 77.01%， 78.35%and 83.95% in autumn， respectively. The heritability of polygene （43.93%） was only detected in B1：2 generation in spring. Selection efficiency of the major genes was much high in the early period of the generations （F2 and B2） and their self-bred progenies. B1 could be more suitable for selection for polygenes in special season. This study revealed the genetic pattern of hypocotyl length of melon seeding， offering a theoretical basis for genetic improvement of plant architecture for melon seedlings.

Key words： Melon; Hypocotyl length; Major-gene plus polygene; Genetic analysis

甜瓜（Cucumis melo L.）是一年生蔓生植物，為葫蘆科遺傳多樣性最為豐富的種之一。據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2018年世界甜瓜栽培面積為104.7萬 hm?，總產(chǎn)量達(dá)273.5萬t，其生產(chǎn)規(guī)模居世界十大果品之列[1]。作為一種世界性園藝作物，甜瓜的起源中心在非洲撒哈拉沙漠[2]，而馴化區(qū)域則十分廣泛，包括整個亞洲（尤其是南亞和東亞）及地中海沿岸的北非和南歐等地[3]，其馴化區(qū)域大多屬于熱帶和亞熱帶氣候區(qū)，光熱資源十分豐富。

作為典型的喜溫植物，甜瓜生長期間對溫度的要求較高，其生長適溫為28～32 ℃，而幼苗對溫度的要求更為嚴(yán)格，在10 ℃以下24 h內(nèi)就出現(xiàn)冷害。因此，在甜瓜育苗過程中需保持一定的環(huán)境溫度，以確保幼苗正常生長[4]。然而，在以塑料大棚和日光溫室為主要設(shè)施的條件下，甜瓜育苗環(huán)境的溫度難以精確控制（特別是夏季），設(shè)施內(nèi)的高溫容易導(dǎo)致下胚軸快速伸長和幼苗徒長，影響秧苗質(zhì)量。盡管可采用覆蓋遮陽網(wǎng)、增設(shè)水簾等方式降溫，但無疑增加了勞動投入，提高了生產(chǎn)成本。培育和推廣短下胚軸的甜瓜品種，可從根本上控制幼苗下胚軸的快速生長，解決甜瓜育苗過程中秧苗徒長的問題。

目前，關(guān)于甜瓜幼苗下胚軸性狀遺傳研究還未見報道，但在甜瓜的同屬植物黃瓜中有幾例報道。早期研究發(fā)現(xiàn)，黃瓜幼苗下胚軸長度受加性-顯性-上位性多基因控制，受環(huán)境影響很大[5]。Bo等[6]發(fā)現(xiàn)，控制西雙版納黃瓜短下胚軸基因為單隱性基因sh1，并將其定位在第3染色體的63 kb區(qū)段內(nèi)。張子默等[7]近期發(fā)現(xiàn)，黃瓜幼苗下胚軸長度的遺傳方式受溫度影響較大，在高溫（43 ℃）下符合2對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性多基因遺傳模型，而常溫（25 ℃）下則符合1對加性-顯性主基因+加性-顯性-上位性多基因遺傳模型。此結(jié)果說明，黃瓜幼苗下胚軸長度的遺傳受溫度、光照等環(huán)境因素影響，其遺傳機(jī)制較為復(fù)雜。栽培甜瓜與黃瓜的起源和馴化存在很大差異，其幼苗下胚軸的生長可能具有不同的遺傳調(diào)控機(jī)制。前期，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)西甜瓜課題組構(gòu)建了一個甜瓜核心種質(zhì)[8]，從中發(fā)現(xiàn)了幼苗下胚軸長度差異明顯的2份材料，并以此構(gòu)建了F2、BC1等分離群體。筆者采用主基因+多基因混合遺傳模型[9]，對多個世代群體甜瓜幼苗下胚軸長度進(jìn)行遺傳分析，旨在明確甜瓜幼苗下胚軸長度的遺傳規(guī)律，為下胚軸長度的遺傳改良提供理論依據(jù)，進(jìn)而為夏季育苗中的秧苗徒長問題提供解決方案。

1 材料與方法

1.1 材料

分別以下胚軸長度差異明顯的高代自交系329-1為母本（P1）、Afgsnake（P2）為父本（圖1），2017年田間雜交獲得F1，2018年通過自交、回交分別獲得F2、B1（F1×P1）和B2（F1×P2）群體。為了準(zhǔn)確統(tǒng)計分離群體單株的表型，將B1、B2和F2群體的單株分別自交構(gòu)建其家系群體（B1：2、B2：2和F2：3）。親本材料329-1和Afgsnake均由河南農(nóng)業(yè)大學(xué)西甜瓜課題組提供。

1.2 方法

試驗分別于2019年春、秋兩季在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科教園區(qū)試驗基地進(jìn)行。將各群體的甜瓜種子進(jìn)行常規(guī)浸種、催芽，播種于50孔穴盤中（V草炭∶V蛭石∶V珍珠巖= 1∶1∶1），春季（2月25日）于日光溫室中育苗，秋季（7月5日）于塑料大棚中遮陽育苗。非分離群體P1、P2和F1分別種植30～50株，分離群體B1：2、B2：2和F2：3分別種植122個、116個和140個家系，每個家系種植7～10個單株。待各群體幼苗長至2葉1心時（春季苗齡約30 d，秋季苗齡約 18 d），采用游標(biāo)卡尺（PD-151）測量各群體不同單株幼苗的下胚軸長度。

1.3 數(shù)據(jù)分析

非分離群體P1、P2和F1各單株下胚軸長度的實測值為其表型值;而對于分離群體（B1：2、B2：2和F2：3），各單株表型值以其對應(yīng)的家系單株下胚軸長度實測值的平均值代替。

利用SPSS 12.0統(tǒng)計各群體幼苗下胚軸長度的基本統(tǒng)計量，即極值、均值、變異系數(shù)（CV）、偏度和峰度，明確下胚軸長度的變異特點。采用蓋鈞鎰[9]提出的主基因+多基因混合模型和章元明等[10]提出的多世代聯(lián)合分析法，對6個世代（P1、P2、F1、B1、B2和F2）的下胚軸表型數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合遺傳分析。具體分析方法包括：1）候選模型選擇。采用模型中的IECM算法計算24個模型[包含1對主基因（A）、2對主基因（B）、無主基因（C）、1對主基因+多基因（D）、2對主基因+多基因（E）等設(shè)定基因效應(yīng)]的極大似然值（max-likelihood-values，MLV）和赤池信息量（Akaikes information criterion，AIC），采用最小AIC值判別準(zhǔn)則篩選候選模型。2）均勻性檢驗。對各種候選模型分別進(jìn)行適合性檢驗，包括均勻性檢驗、Smirnov檢驗和Kolmogorov檢驗，通過比較5個檢驗指標(biāo)（U12、U22、U32、nW 2和Dn）來確定最適模型。3）遺傳參數(shù)估算。依據(jù)最小二乘法計算最適模型的各成分分布參數(shù)，并估計模型中主基因和多基因的效應(yīng)值、方差及相關(guān)遺傳參數(shù)，計算遺傳率。上述分析采用曹錫文等[11]研制的Windows軟件包SEA。

2 結(jié)果與分析

2.1 各世代表型數(shù)據(jù)分析

對春、秋兩季6個世代群體下胚軸表型數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表1。春季3個非分離群體（P1、P2和F1）下胚軸長度均值分別為37.0、102.7和56.6 mm，秋季其均值分別42.5、124.7和62.5 mm，群體內(nèi)變異較?。–V<12%），秋季平均值普遍高于春季，可能是秋季育苗期間高溫所致。F1的均值處于P1和P2之間，但明顯偏向低值親本P1。

3個分離群體（F2：3，B1：2和B2：2）的下胚軸長度變異較大，其CV均超過20%，表現(xiàn)為連續(xù)變異。無論是春季還是秋季，F(xiàn)2：3的均值均介于B1：2和B2：2之間，B1：2和F2：3均偏向低值親本P1，而B2：2偏向性不明顯，說明甜瓜幼苗長下胚軸具有隱性遺傳的傾向。從群體單株的頻率分布來看，3個分離群體表型值均偏離了正態(tài)分布，B1：2為正偏分布（偏度>0），B2：2趨向負(fù)偏分布（偏度<0），F(xiàn)2：3則趨中分布（偏度接近于0），且各分離群體的峰度均高于正態(tài)分布值（峰度>0），說明存在主效基因的影響（圖2）。上述結(jié)果表明，在329-1 × Afgsnake遺傳背景下，幼苗下胚軸長度呈現(xiàn)出主基因+多基因的遺傳特征。

2.2 最適遺傳模型的選擇和檢測

基于以上6個世代群體的下胚軸表型值，計算24種模型的MLV和AIC值，結(jié)果見表2。根據(jù)AIC值最小值判別規(guī)則，春季D-0、E-0和E-1模型的AIC值最低，而秋季具有最低AIC值的模型為C-0、E-0和E-1。結(jié)合2個季節(jié)的分析結(jié)果，表明E-0和E-1模型為春秋兩季所共有。這兩種模型所對應(yīng)的遺傳方式分別為2對主基因（加性-顯性-上位性）+多基因（加性-顯性-上位性）、2對主基因（加性-顯性-上位性）+多基因（加性-顯性）。因此，無論春季還是秋季，甜瓜幼苗下胚軸長度均受主基因和多基因調(diào)控，且具有多種遺傳效應(yīng)。

采用U12、U22、U32、nW2、Dn等5個檢驗指標(biāo)對候選模型（E-0和E-1）進(jìn)行適合性檢驗，結(jié)果見表3。春秋兩季E-0模型均未出現(xiàn)顯著性的統(tǒng)計量，而E-1模型在春季和秋季分別出現(xiàn)2個和1個顯著性統(tǒng)計量。由于E-0模型在不同環(huán)境下未出現(xiàn)顯著性統(tǒng)計量，且其AIC值較E-1小，根據(jù)檢驗參數(shù)的顯著性統(tǒng)計量最少原則，選擇E-0為最適遺傳模型。此結(jié)果說明，甜瓜幼苗下胚軸長度受主基因和多基因聯(lián)合調(diào)控，其遺傳效應(yīng)包括加性、顯性和上位性，遺傳方式較為復(fù)雜。

2.3 最適模型遺傳參數(shù)的估測

對最適模型E-0的一階參數(shù)和二階參數(shù)分別進(jìn)行估算，結(jié)果見表4。對于性狀遺傳改良，主基因的作用方式和效應(yīng)十分關(guān)鍵。在春秋兩季試驗中，控制甜瓜幼苗下胚軸長度的2個主基因（a、b）的加性效應(yīng)相等，分別為0.73（春季）和7.96（秋季），能夠增加下胚軸長度，容易導(dǎo)致幼苗徒長，其中秋季的遺傳效應(yīng)最為明顯;春季2對主基因的顯性效應(yīng)分別為-15.52和-13.19，秋季分別為-5.09和-0.15，均能抑制幼苗下胚軸伸長，有利于防治幼苗徒長，其中春季遺傳效應(yīng)更明顯。春季主基因的顯性效應(yīng)較大，且為負(fù)向作用，而秋季主基因加性效應(yīng)較大，為正向作用。因此，主基因的加性和顯性效應(yīng)在不同季節(jié)的作用方式差異較大。

此外，2對主基因還存在多種互作效應(yīng)，其中春季加性×加性互作效應(yīng)（i）為-11.13，而秋季i為11.06，效應(yīng)較大但方向相反，說明i容易受到季節(jié)影響;春秋兩季顯性×顯性互作效應(yīng)（l）較大，效應(yīng)值分別為31.71和11.02，且方向相同，說明其在不同季節(jié)表現(xiàn)較穩(wěn)定，明顯地促進(jìn)下胚軸伸長，致使幼苗生長難以控制。加性和顯性之間的互作效應(yīng)jab和jba在春秋兩季均為負(fù)值，可防止幼苗徒長，但效應(yīng)值較低（<10），且在不同季節(jié)間差異較大。因此，對于互作效應(yīng)，無論基因之間還是季節(jié)之間，其效應(yīng)值或方向存在較大的差異，也反映了甜瓜下胚軸長度遺傳基礎(chǔ)的復(fù)雜性。

通過估算最適模型E-0的二階參數(shù)，發(fā)現(xiàn)春季B1：2、B2：2和F2：3群體的主基因的遺傳率（hmg2）分別為30.56%、67.56%和85.93%，秋季其hmg2分別為77.01%、78.35%和83.95%，特別是在B2：2和F2：3中遺傳率較高。春季B1：2的多基因遺傳率（hpg2）最高（43.93%），而B2：2和F2：3的hpg2分別為12.52%和0;秋季B1：2和B2：2的hpg2均為0，F(xiàn)2：3的hpg2也僅為6.78%。由此可見，甜瓜幼苗下胚軸長度主要受主基因的控制，hmg2占有絕對主要比重，早期世代選擇能夠收到較好效果，但多基因在B1：2群體也具有一定的遺傳率。因此，針對甜瓜幼苗下胚軸長度的遺傳改良，在F2、B2及其自交后代中主基因具有較高的選擇效率，B1及其自交后代可在春季用于多基因選擇。

3 討論與結(jié)論

下胚軸雖然是一種結(jié)構(gòu)相對簡單的株型器官，但其影響因素眾多，除了受遺傳因素調(diào)控外，還受光照、溫度、植物激素、重力等因素影響[12]。在擬南芥等植物中，下胚軸生長主要依賴于細(xì)胞的縱向伸長[13-14]，因此下胚軸也是研究細(xì)胞伸長的模式器官。在瓜類蔬菜中，下胚軸遺傳調(diào)控研究報道相對較少，主要集中在黃瓜上且研究結(jié)果差異較大[5-7]，說明下胚軸的遺傳基礎(chǔ)較為復(fù)雜。Bo等[6]從西雙版納野生黃瓜中克隆到一個受紫外光調(diào)控的短下胚軸基因sh1，發(fā)現(xiàn)該基因在黃瓜進(jìn)化歷史中經(jīng)受了人工馴化選擇，為黃瓜下胚軸遺傳改良提供了依據(jù)。但在甜瓜中還未見相關(guān)報道。

筆者在本研究中采用下胚軸長短差異明顯的兩份甜瓜材料構(gòu)建了6世代群體，對2個環(huán)境下下胚軸長度進(jìn)行遺傳特性分析。結(jié)果表明，下胚軸長度在非分離群體（P1、P2和F1）的變異較?。–V介于5%～12%之間），而在分離群體（B1：2、B2：2和F2：3）趨向正態(tài)分布且變幅較大（CV>20%），各種基本統(tǒng)計參數(shù)在春秋兩季差異明顯，說明甜瓜下胚軸長度是典型的數(shù)量性狀，對環(huán)境敏感。為了進(jìn)一步探討其遺傳規(guī)律和基因作用方式，筆者采用經(jīng)典的數(shù)量性狀遺傳分析方法——主基因+多基因混合遺傳分析法[9-10]，對2個季節(jié)甜瓜下胚軸長度進(jìn)行遺傳分析，發(fā)現(xiàn)其符合2對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性-上位性多基因模型（E-0），說明甜瓜下胚軸長度既受主基因的控制也受多基因的修飾，主基因的效應(yīng)包括加性、顯性、上位性多種效應(yīng)，其作用方式在不同季節(jié)間差異較大，進(jìn)一步證實了甜瓜下胚軸遺傳基礎(chǔ)的復(fù)雜性。值得注意的是，2對主基因在春秋兩季的加性效應(yīng)均為正值但絕對值較小，說明通過加性效應(yīng)（育種值）來改良甜瓜下胚軸長度的難度較大。雖然主基因的顯性效應(yīng)及其互作效應(yīng)具有較大的絕對值，但其作用方向不同，且顯性效應(yīng)和互作效應(yīng)均是非固定的遺傳效應(yīng)[15]，遺傳操控的難度很大，說明通過田間有性雜交途徑來改良甜瓜下胚軸長度存在較大的不確定性。但由于2對主基因在特定的世代群體（B2：2和F2：3）中的遺傳率較高（>60%），且多基因遺傳率很低（<13%），因此，甜瓜下胚軸性狀的遺傳改良可考慮在F2、B2及其自交后代中開展，選擇特定基因型的理想單株。在早期世代對主基因進(jìn)行選擇的同時，要特別注意摒棄顯性互作效應(yīng)（尤其是春季），選擇適宜基因型后代以充分利用負(fù)向高值的加性效應(yīng)和顯性互作效應(yīng)，從而選育出理想的短下胚軸的育種材料。同時，也要注意保持一定的群體規(guī)模，增加各種基因型出現(xiàn)的機(jī)會，以減少選擇的不確定性。

本研究中甜瓜自交系329-1具有短下胚軸特征，但其主基因的遺傳效應(yīng)以顯性效應(yīng)和互作效應(yīng)為主，因而僅僅通過傳統(tǒng)的有性雜交來改良下胚軸長度不免存在費(fèi)時、費(fèi)力的問題。因此，在明確其遺傳方式的基礎(chǔ)上，充分利用現(xiàn)代生物學(xué)研究手段和方法，采用正向遺傳學(xué)方法（如連鎖作圖）和現(xiàn)代高通量基因分型技術(shù)[16-17]，發(fā)掘該材料中具有較強(qiáng)遺傳效應(yīng)的QTL，通過分子育種的途徑可有針對性地實現(xiàn)甜瓜下胚軸性狀的遺傳改良。

參考文獻(xiàn)

[1] FAOSTAT.http：//faostat. Fao. org，2018.

[2] KERJE T，GRUM M.The origin of melon，Cucumis melo：a review of the literature[J].ISHS Acta Horticulturae，2000，510：37-44.

[3] 林德佩.中國栽培甜瓜植物的起源、分類及進(jìn)化[J].中國瓜菜，2010，23（4）：34-36.

[4] 許傳強(qiáng)，齊紅巖.甜瓜高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

[5] 李丹丹，司龍亭，羅曉梅，等.弱光脅迫下黃瓜苗期下胚軸性狀的遺傳分析[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，37（11）：113-119.

[6] BO K L，WANG H，PAN Y P，et al.SHORT HYPOCOTYL 1 encodes a SMARCA3-like chromatin remodeling factor regulating elongation[J].Plant Physiology，2016，172（2）：1273-1292.

[7] 張子默，盧俊成，齊曉花，等.高溫下黃瓜幼苗下胚軸長度遺傳效應(yīng)的研究[J].分子植物育種，2019，17（4）：1326-1332.

[8] 胡建斌，馬雙武，王吉明，等.基于表型性狀的甜瓜核心種質(zhì)構(gòu)建[J].果樹學(xué)報，2013，30（3）：404-411.

[9] 蓋鈞鎰.植物數(shù)量性狀遺傳體系的分離分析方法研究[J].遺傳，2005，27（1）：130-136.

[10] 章元明，蓋鈞鎰，張孟臣.利用P1、P2、F1和F2或F2∶3世代聯(lián)合的數(shù)量性狀分離分析[J].西南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000，22（1）：6-9.

[11] 曹錫文，劉兵，章元明.植物數(shù)量性狀分離分析Windows軟件包SEA的研制[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，36（6）：1-6.

[12] SCHERES B，WOLKENFELT H，WILLEMSEN V，et al.Embryonic origin of the Arabidopsis root and root meristem initials[J].Development，1994，120：2475-2487.

[13] GENDREAU E，TRAAS J，DESNOS T，et al.Cellular basis of hypocotyl growth in Arabidopsis thaliana[J].Plant Physiology，1997，114（1）：295-305.

[14] BORON A K，VISSENBERG K.The Arabidopsis thaliana hypocotyl，a model to identify and study control mechanisms of cellular expansion[J].Plant Cell Reports，2014，33（5）：697-706.

[15] 朱軍.遺傳學(xué)[M].3版.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2006.

[16] 胡仲遠(yuǎn)，楊景華，張明方，等.基于重測序的超密遺傳圖譜揭示甜瓜蔓枯病抗性相關(guān)基因[J].中國瓜菜，2019，32（8）：251-252.

[17] 郭曉雨，宋曉飛，李曉麗，等.黃瓜果瘤位置性狀遺傳與QTL分析[J].中國瓜菜，2020，33（9）：12-17.