辣椒种间杂交遗传特性

2024-04-28 17:22张国儒唐亚萍石林媛袁雷张勇杨生保
新疆农业科学 2024年3期
关键词:育种种质资源辣椒

张国儒 唐亚萍 石林媛 袁雷 张勇 杨生保

doi:10.6048/j.issn.1001-4330.2024.03.013

摘  要:【目的】杂交育种是提高辣椒产量,改善辣椒品质的主要途径之一,为创制更多育种资源,提高辣椒杂交育种效率,通过种间杂交,测定辣椒种间杂交后代主要果实性状,分析主要性状的遗传特性,筛选高品质辣椒,为杂交育种和种质资源改良提供参考依据。

【方法】以不同栽培种辣椒为研究对象,通过种间杂交获得子代,采用Indel分子标记技术检测种间杂交的成功率,采用高效液相测定果实辣素含量,用紫外分光光度计检测色价,采用SPSS和Origin 2019等软件分析辣椒果实性状、品质性状的遗传多样性和相关性。

【结果】利用Indel标记对28份辣椒资源的杂交F1真实性进行鉴定,一年生辣椒均可与魔鬼椒(ZL-280)和灌木椒(HY-1)杂交成功,主要果实性状的遗传特性均表現了超显性效应、加性效益和显性效应。但与鸟椒(X-260)未杂交成功,可能存在种间杂交障碍。

【结论】辣椒不同种间杂交存在一定的杂交特性,一年生辣椒可顺利与魔鬼椒和灌木椒杂交,杂交后代的主要果实性状变异幅度大。

关键词:辣椒;Indel标记;育种;杂交检测;种质资源

中图分类号:S641.3    文献标志码:A    文章编号:1001-4330(2024)03-0632-10

收稿日期(Received):

2023-08-05

基金项目:

新疆维吾尔自治区青年科学基金项目(2022D01B170);新疆农业科学院青年科技骨干创新能力培养项目(xjnkq-2020003);国家自然科学基金项目(32060680);财政部和农业农村部:国家现代农业产业技术体系(CARS-24-G-29);新疆农业科学院重点培育项目(xjkcpy-2022005)

作者简介:

张国儒(1992-),男,甘肃武威人,助理研究员,研究方向为蔬菜遗传传育种,(E-mail)1594360005@qq.com

通讯作者:

杨生保(1980-),男,甘肃平凉人,研究员,博士,硕士生导师,研究方向为蔬菜遗传育种,(E- mail) ysb.jack@163.com

0  引 言

【研究意义】辣椒(Capsicum annuum L.)是茄科辣椒属一年生草本植物[1],目前栽培辣椒种类主要有5个,分别为一年生辣椒(Capsicum annuum L.) 、灌木辣(Capsicum frutescens L.) 、中国辣椒(Capsicum chinense Jacq)、柔毛辣椒(Capsicum pubesens Ruiz&Pavon) 和下垂辣椒(Capsicum baccatum var.Pendulum L.)。辣椒果实可鲜食,也可以加工成辣椒酱、辣椒油和辣椒素等。我国辣椒年种植面积约为133.33×104 hm2 [2]。辣椒产值和效益均高于多种蔬菜作物[3]。新疆独特的地理环境和气候条件,使得辣椒制品红素含量高[4,5]。在作物种质创新中,远缘杂交是导入外源有效基因的主要技术手段,种间杂交是拓宽栽培种、创制新种质,并快速培育新品种的有效方式,目前已用作在多个作物上。新疆是我国重要的制干辣椒产区,也面临着品种退化和同质化等问题,通过辣椒种间杂交试验,借助分子标记鉴定种间杂交的真实性,调查种间杂交F1主要农艺性状的遗传效应,对进一步利用不同辣椒栽培种创制新的种质资源有重要意义。【前人研究进展】利用种间杂交技术手段,拓宽了栽培辣椒的遗传基础,增强遗传潜力[6];在油菜上利用种间杂交,实现了甘蓝型油菜遗传物质的互相转移,并进行甘蓝型油菜新品种的选育[7]。分子标记技术[8,9]被应用于基因定位、群体遗传分析、辅助育种和杂交种纯度鉴定等方面,SSR[10]分子标记技术可实现新疆棉花种子纯度质量的检测,Pik-Indel分子标记可实现20份水稻抗病基因座与非抗病基因座的区分[11],此外,Indel分子标记被应用在玉米品种条形码的构建[12]和番茄良种纯度鉴定[13]。分子标记是核苷酸水平上遗传变异的直接反映,具有遗传稳定,位点丰富,操作简单,易于检测等特点[14]。SSR、Indel、AFLP、EST-SSR、KASP等分子标记技术的开发为杂交育种提供了技术支撑和参考依据[15-21]。对国内外857份椒种质资源的进行表型多样性和相关性分析,筛选出一批具有重要价值的核心种质[15]。【本研究切入点】尽管随着育种手段的不断提升,辣椒育种水平得到提升并选育了很多适宜于不同地区的特色辣椒新品种,但也出现了品种遗传背景狭窄、同质化严重的现象,需丰富辣椒种质资源的类型。【拟解决的关键问题】设置辣椒种间杂交试验,对28份辣椒种质资源进行种间杂交试验,运用InDel标记进行杂交真实性鉴定,采用高效液相测定辣素含量,采用分光光度计测定色价,分析主要果实表型性状和品质的测定和遗传力,为进一步利用不同辣椒栽培种创制新的种质资源奠定基础。

1  材料与方法

1.1  材 料

试验设在新疆农业科学院安宁渠综合试验场,试验地前作为番茄,土壤为沙壤土,肥力中等。材料为一年生辣椒(Capsicum annuum L.)、ZL-280中华辣椒魔鬼椒(Capsicum chinense Jacq)、HY-1为灌木椒(Capsicum frutescens L.)和X-260为鸟椒(Capsicum pubesens Ruiz&Pavon),供试材料28份,14组杂交组合均由新疆农业科学院园艺作物研究所提供。表1

2021年种植父母本并进行杂交,收获F1代种子。于2022年3月将父母本及F1代播种育苗,同年5月将材料种植于辣椒试验田。将每份材料按编号设置小区栽培,整个生育期间,田间管理措施同大田一致。待幼苗长至四叶一心时,采集嫩叶,液氮速冻后保存至-80℃冰箱备用,每个样品重复3次。图1

1.2  方 法

1.2.1  分子标记检测

采用Indel标记对父母本和F1代进行检测,从分子层面验证父母本杂交结果,试验使用的DNA由新型植物基因组DNA提取试剂盒提取(天根生化科技(北京)有限公司),提取完成后用核酸检测仪(N6纳米光度计)检测DNA质量,将质量合格的DNA保存在-20℃冰箱备用。

引物选用前期筛选的23对Indel引物,对28份辣椒材料进行PCR检测,选用条带清晰,特异性好,可以直观比较的Indel引物。PCR扩增体系为10 μL,Tap Mix 5 μL;ddH2O 3 μL;上游引物/下游引物:各0.5 μL;DNA模板:0.5 μL。扩增反应程序为:94℃预变性3 min;94℃变性30 s,退火30 s,72℃延伸1 min,30个循环;然后72℃延伸5 min,4℃保存产物。采用6%的聚丙烯酰胺凝胶电泳(200 V,400 mA,100 W,1∶20 min)银染检测后在照胶灯上进行观察记录,扩增材料在同一引物中,出现单条带为亲本材料,双条带为杂合子代,在相同迁移率位置上,位点较低记“1”,位点较高的记“2”,两条带均出现的“3”,条带缺失记“0”,拍照记录。表2

1.2.2  主要果实性状测定

8月下旬开始采摘番茄,分别对F1代辣椒以及父母本在果实成熟期进行果实长度、宽度和重量等指标测定,每组3次重复,统计数据后利用SPSS软件进行数据分析。

1.2.3  主要果实品质形状测定

参照食品安全国家标准,GB-1886.34-2015《食品添加剂辣椒红紫外分光光度计检测辣椒红》、GB/T 21266-2007《辣椒及其辣椒制品中辣椒素类物质测定及辣度表示方法》和高效液相色谱法测定辣椒红素[22]检测色价、辣椒辣度以及红素含量。

1.3  数据处理

所用图形使用Origin 2018制作。果实表型性状的分级采用陈雪燕等[23]描述的分级方法,根据数据的平均值(M)和标准差(S)将数据分为10级,第一级为Xi <(M - 2S)、第二级为(M - 2S)≤ Xi <(M - 1.5S)、第三级为(M - 1.5S)≤ Xi <(M - S)、每0.5 S为1级直至第10级Xi ≥(M + 2S),计算果实表型性状的频率分布。

2  结果与分析

2.1  杂交真实性鉴定

研究表明,从23对引物中筛选出5对条带均完整无杂带,带型清晰整齐,且扩增产物大小与预测大小一致的引物,分别为Indel136、Indel331、Indel249、Indel314、Indel11-66,最终检测出5对特异性引物,检出率为21.7%。图2

在InDel136引物下有4份材料ZL-74、LZ-80、ZL-70、LZ-88扩增出共显性标记,种间杂交成功,6份材料杂交F1的条带或与母本一致或与父母本无差异。在InDel331引物下有10份材料LZ-67、ZL-74、LZ-76、LZ-79、LZ-80、LZ-83、LZ-84、ZL-70、ZL-72、LZ-88可以清晰的扩增出共显性标记,即杂交成功,2份材料显示与双亲之一杂交相同,1份杂交检测结果不清晰。在InDel249引物下有5份材料LZ-67、LZ-77、LZ-79、ZL-72、LZ-88可以清晰的扩增出共显性标记,杂交成功,6份材料显示与双亲之一杂交相同。在InDel314引物下有7份材料LZ-67、LZ-77、LZ-79、LZ-80、LZ-84、ZL-70、ZL-72可以清晰的扩增出共显性标记,即杂交成功,5份材料显示与双亲之一杂交相同。在InDel11-66引物下有6份材料LZ-67、ZL-74、LZ-76、LZ-77、LZ-80、ZL-70可以清晰的扩增出共显性标记,即杂交成功,4份材料显示与双亲之一杂交相同,1份杂交检测结果不清晰。表3

2.2  辣椒主要果实性状遗传表现

研究表明,在果实重量上杂交F1代LZ-76、LZ-88比父母本分别高出0.833、2.251 6 g和0.880、2.321 g,存在显著性差异,表现为超显性效应。杂交F1代LZ-67、LZ-83、LZ-69、ZL-74、LZ-84、ZL-71、LZ-77、ZL-70、ZL-79、LZ-72、ZL-86、LZ-80均與父本存在显著性降低,与母本存在显著性升高,表现为加性和显性效应。LZ-80、LZ-83和LZ-84的果重最重,分别为9.93、11.83和11.64 g。

辣椒果实纵径:杂交F1代LZ-83比父母本分别高出4.08、4.52 cm,存在显著性差异,表现为超显性效应。LZ-76、LZ-88、LZ-67、LZ-69、ZL-74、LZ-84、ZL-71、LZ-77、ZL-70、ZL-79、LZ-72、ZL-86、LZ-80均与父本存在显著性降低,与母本存在显著性升高,表现为加性和显性效应。LZ-67、LZ-83和LZ-88的果实最长,分别为9.39、9.55和9.71 cm。

辣椒果实横径:杂交F1代ZL-74、LZ-88、LZ-76、ZL-71、LZ-77均比父母本宽,其中ZL-74与母本、LZ-88与父母本存在显著性差异,表现为超显性效应。LZ-67、ZL-74、ZL-79、LZ-80、LZ-83、LZ-84、ZL-70、LZ-72均比父本窄比母本宽,表现为加性和显性效应。杂交F1代ZL-86、LZ-69均没有父母本宽,杂交F1代LZ-77、LZ-71、ZL-86、LZ-69与父母本未存在显著性差异,表现为隐性效应。LZ-67、ZL-74和ZL-70的果实最宽,分别为2.27、2.45和2.26 cm。表4

2.3  辣椒果实主要品质性状遗传表現

研究表明,通过对辣椒主要品质性状遗传分析发现在辣椒色价方面,杂交F1代均与父母本存在显著性差异,其中LZ-77、LZ-79、LZ-83、ZL-84、ZL-70、ZL-72、LZ-88、LZ-86与父母本存在显著性降低,而LZ-67、ZL-71与父母本存在显著性提高,表现为超显性效应。杂交F1代LZ-69、ZL-74、LZ-76、LZ-80与双亲之一存在显著性升高或降低,表现为加性和显性效应。其中LZ-71、LZ-76和LZ-67的色价最高分别为23.95、21.85和21.078。

辣椒辣素:杂交F1代均与父本存在显著性差异。ZL-70、ZL-72、LZ-88、LZ-86与双亲存在显著或不显著的降低。杂交F1代LZ-74、LZ-69、LZ-71、LZ-67、LZ-76、ZL-77、LZ-79、ZL-80、LZ-83、ZL-84与双亲之一存在显著性升高或降低,表现为加性和显性效应。其中总辣椒素超过20万SHU的F1代有LZ-71(548875.5 SHU)、LZ-80(298908 SHU)、LZ-86(234270 SHU)、LZ-77(203670 SHU)、LZ-67(201132SHU)。

辣椒红素:杂交F1代ZL-76、LZ-79、LZ-80、LZ-72、ZL-69、ZL-71与父母本存在显著性升高,表现为超显性效应,杂交F1代ZL-83、LZ-84、LZ-88、ZL-86与父母本存在显著或不显著的降低,杂交F1代ZL-67、LZ-70、LZ-74、ZL-77与双亲之一存在显著性升高或降低,表现为加性和显性效应。其中LZ-72、LZ-79和LZ-69的辣椒红最高分别为12.36、9.8367和9.58 mg/g。表5

2.4  变异分析

研究表明,6个指标的变异系数均值为32.78%,果实表型性状变异系数普遍较小,而果实品质性状变异系数普遍较大。

3个果实性状的平均变异系数21.63%。以变异系数从大到小排序,果实重量(26.3%)>果实纵径(21.50%)>果实横径(17.1%)。其中果实重量的变异幅度(6.9768)和变异系数(26.3%)均最高,说明辣椒种质中果实重量存在丰富的遗传变异。

3个果实性状的平均变异系数44%。辣椒素素(65%)>红素(43%)>色价(23.8%)其中辣椒素的变异幅度(1 972.42)和变异系数(65%)均最高。其中辣椒素含量、在50%以上,在14份辣椒素种质中辣椒素遗传多样性最为丰富,而辣椒红素含量和色价变异系数均低于45%,2个指标在该份辣椒种质资源中丰富性不高。

6个性状均属于正态分布。其中果实重量在4级附近出现高峰,辣椒;辣素在6级附近达到高峰。6个性状的分布频率出现高峰时等级不一致,6个指标相关性不是很强。图3

3  讨 论

种间杂交是远缘杂交的一种杂交方式,通过人工授粉实现种间杂交,扩大基因交换,提高遗传多样性,为培育优良新品种奠定基础[24]。Indel标记带型简单、密度高、变异稳定、多态性强、检测容易,与其他分子标记相比,在基因组的同一位置出现相同大小的Indel标记的概率非常低,从而避

免了统计重复的问题[25]。Indel标记具有丰富的多态性、操作简单性、结果可靠性而被越来越多的应用于作物遗传研究中[26]。利用微辣型一年生辣椒自交系B9431为母本(P1) 、高辣野生灌木辣椒H108为父本(P2) 进行种间杂交,获得了其种间杂交种。对种间杂交种进行表型性状观察比较 ,结果表明,F1兼具双亲的形态特征,大多数表型性状介于P1与P2之间[27]。针对不同果

形、不同果色、经过多代选择的辣椒自交系作亲本材料结果显示,10个主要品质性状中辣椒单果重、可食部分果重、纵径和横径等商品品质性状具有较强的正向优势,可利用杂种优势来提高辣椒的商品品质[28],试验研究发现,28份辣椒种质资源的6个指标的变异系数均值为32.78%,果实表型性状变异系数普遍较小,而果实品质性状变异系数普遍较大。但研究中F1代果实纵径、果实横径和

果重3个主要果实表型性状的变异系数均值仅为21.63%,F1辣椒种质在果实表型方面种质资源类型不够丰富,而色价、辣椒红素含量、辣椒素含量这3个果实品质性状的变异系数均值高达44%,F1辣椒种质在果实品质方面具有丰富的遗传多样性。研究还从23对Indel引物中筛选出5对Indel引物,

对辣椒种间杂交进行了检测分析,5对引物可扩增出清晰的条带。并辅助田间表型鉴定结果表明,一年生辣椒与魔鬼椒、灌木椒所杂交的F1代辣椒双亲形态特征较为明显,一年生辣椒与鸟椒所杂交的F1代辣椒双亲形态特征不明显,一年生辣椒与魔鬼椒、灌木椒均可成功杂交,一年生辣椒与鸟椒未杂交成功,可能存在种间杂交障碍,可能是由于双亲的亲缘关系较远,遗传差异较大,生理上也不协调,从而影响受精过程。使雌雄配子不能结合形成合子。也可能是杂交中虽然产生了受精卵,但因其与胚乳或母本生理机能不协调,在个体发育中表现出一系列不正常的发育。种间杂交可以实现不同种间基因相互交换,达到种质创制和品种改良的目的,其在作物品种选育过程中发挥出越来越重要的作用[29]。

4  结 论

5对Indel标记引物,对28份辣椒杂交后的F1代果实,植株生长势较强,株型好,分枝能力强,叶片小,叶色浓绿,辣椒果实成圆锥形,果长、果粗和单果重比对照父母本相比,有明显提高,果实光泽度好。杂交后的F1代辣椒红素与父母本相比色泽鲜艳、着色力强、辣度浓,口感好。一年生辣椒与魔鬼椒、灌木椒均可成功杂交,一年生辣椒与鸟椒杂交未成功。

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Genetic properties of interspecific crosses in pepper

ZHANG Guoru1,TANG Yaping1,SHI Linyuan2,YUAN Lei1,ZHANG Yong3,YANG Shengbao1

(1.Research Institute of Horticultural Crops,Xinjiang Academy of Agricultural Sciences,Urumqi  830091,China; 2 Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China; 3.Changji Tainuofeng Agricultural Science and Technology Co.,Ltd.,Changji Xinjiang 831100,China)

Abstract:【Objective】 Screen high-quality pepper,this study will take different cultivated pepper as the research object,through interspecific hybridization,determine the main fruit traits of F1 generation,analyze the genetic characteristics of main fruit traits in the hope of providing a reference for future cross breeding and germplasm resource improvement.

【Methods】 Improve the efficiency of pepper cross breeding,F1 was obtained through interspecific hybridization.The success rate of interspecific hybridization was detected by Indel molecular marker technology.The content of capsaicin in the fruit was determined by HPLC and the color value was detected by UV spectrophotometer.Afterwards,the genetic diversity and correlation of all pepper fruit traits and quality traits were analyzed by SPSS and Origin 2019 software.

【Results】 The authenticity of F1 hybrids among 28 pepper resources was identified by using Indel markers.The results showed that all the annuals could successfully cross with devil pepper(ZL-280) and shrub pepper(HY-1),and the genetic characteristics of the main fruit traits showed super dominance effect,additive effect and dominant effect.However,it failed to cross with bird pepper(X-260),which might be due to interspecific hybridization obstacles.

【Conclusion】 From this study,it can be concluded that there are certain hybridization characteristics in different interspecific hybridization of pepper.Annual pepper can be successfully crossed with devil pepper and shrub pepper,and the variation range of main fruit characters of hybrid offspring is large.

Key words:pepper; InDel marker; breeding; hybridization detection; germplasm resources

Fund projects:The Youth Science Fund of the Xinjiang Uygur Autonomous Region(2022D01B170);Xinjiang Academy of Agricultural Sciences Youth Science and Technology Backbone Innovation Ability Training Project (xjnkq-202003);The Nationa l Natural Science Foundation of China (32060680); China Agriculture Research System of MOF and MARA (CARS-24-G-29);Key Cultivation Project of Science and Technology Innovation in Xinjiang Academy of Agricultural Sciences(xjkcpy-2022005)

Correspondence author:YANG Shengbao(1980-),male,from Pingliang,Gansu,researcher Ph.D,supervisor of Master,research direction:Vegetable genetic transmission and breeding,(E-mail) ysb.jack @ 163.com

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