菠菜种质资源遗传多样性研究进展

孟淑春，徐秀苹，宋顺华，刘长江，马连平

（1.北京市农林科学院蔬菜研究中心/农业部华北地区园艺作物生物学与种质创制重点实验室/农业部都市农业（北方）重点实验室，北京 100097；2.中国科学院植物研究所系统与进化植物学国家重点实验室，北京 100093）

菠菜（Spinacia oleraceaL.）原产伊朗，2000年前已有栽培。分东西两个方向传播，向东约于公元7世纪传入中国，至今已有1 300多年的历史。300年前再由中国传往日本和东南亚各国，形成了东方系统的尖叶菠菜；西经北非、西班牙、德国，而后欧洲各国广泛种植，并逐渐形成了欧洲圆叶系统菠菜。菠菜以叶片和嫩茎为食用器官，富含维生素和磷、铁，世界各地普遍种植，是我国栽培和食用最广泛的蔬菜之一，同时也是我国出口创汇的主要蔬菜之一[1]，种植面积仅次于大白菜、青花菜、甘蓝，位居第4。据联合国粮食及农业组织（FAO）统计，我国菠菜年产量约 2 500万t，占世界菠菜总产量的 89.2%，是世界上最大的菠菜种植国家及消费国家[2]。

1 菠菜的种质资源

1.1 菠菜的分类

菠菜为藜科 （Chenopodiaceae）菠菜属（Spinacia），根据其果实是否有刺，又分为有刺（var.spinosa Moench）和无刺（var.inermis Peterm.）2个变种。在我国栽培历史悠久的中国菠菜，主要属于有刺变种，这一类种质的主要特征包括叶片薄而狭小、较光滑、先端锐尖或钝尖，叶柄长，栽培上称“尖叶菠菜”；其生长较快，产量较低，耐热性弱，耐寒力强，适合秋季栽培或秋播越冬栽培，代表品种有安徽尖叶、细叶角菜、慈姑叶、登高、全能等。另一类无刺菠菜种质，则表现为叶片肥大，椭圆形或卵圆形，先端钝圆，褶皱较多，基部戟形，叶柄短，栽培上称“圆叶菠菜”；与有刺变种相比，其耐寒力较弱，耐热性较强，适合春夏或早秋栽培，代表品种有鹿邑圆叶、西安大叶、甘肃圆叶、日本大叶等。

1.2 菠菜的生物学特性

菠菜为一个栽培种（Spinacia oleraceaL.），染色体2n＝2x＝12。在印度和尼泊尔有其2个二倍体的近缘种，即S.tetandra和S.turkestanica[3]。圆叶菠菜的核型公式为2n＝2x＝12＝10sm+ 2st（SAT），属3A型；尖叶菠菜的核型公式为2n＝2x＝12＝12sm（SAT），也属3A型。除圆叶菠菜有一对近端部着丝点染色体以外，两者的染色体数目及随体数目与位置、核型类别皆相同，染色体长度比也几乎相等。后来张长顺[4]在菠菜中还发现了另外一种核型类别，即2n＝2x＝12＝2m（SAT）+10sm，属2B型。

菠菜有较深的根，直根发达粗壮，呈红色，味甜，可以食用，侧根不发达，故不适宜移栽。菠菜营养生长期间为短缩茎，抽薹前叶片簇生于短缩茎上。生殖生长期间花茎伸长，花茎柔嫩时也可食用。菠菜多数为单性花，也有少数两性花，一般雌雄异株，少数雌雄同株。雄花集成球形团伞花序，再于枝和茎的上部排列成有间断的穗状圆锥花序；花粉多，黄绿色，轻而干燥，属风媒花。雌花团集于叶腋，无花被。两性花自交或与同株上雄花交配均能结果。菠菜的果实在植物学上称为“胞果”，内含1粒种子，被坚硬革质的外皮包裹。种子发育时果实上有刺，刺的多少和形状各异。有些品种的刺不发达，形成无刺果实。内果皮木栓化，厚壁细胞发达，水分、空气不易进入，所以种子发芽比较缓慢。菠菜播种用的“种子”实为果实。

菠菜植株按照性别类型可以分为5个类型：绝对雄株、营养雄株、雌雄异花同株、雌雄同花株和雌株。菠菜的性别分化受遗传因子和环境条件共同作用控制和影响。在一般情况下，菠菜雌雄株比例相等，但依品种不同而有差异，如有刺品种绝对雄株较多，无刺品种营养雄株较多。

1.3 菠菜种质资源研究与利用

菠菜栽培历史悠久，地域分布广，种质资源丰富。目前，世界上已经被统计在册的菠菜种质资源共计1 938 份[5]。科研工作者对菠菜做了多方面的基础研究。菠菜叶片稍大、叶色深绿、单细胞所含叶绿体数目较多，且易于水培及叶绿体提取；因此，其种质资源常被广泛用作植物分子生物学与光合作用机理研究的试验材料。在酶工程研究方面，以菠菜为试验材料，对谷氨酰胺合成酶的种类及亚基组成、醛缩酶的存在状态及其活性、ATP合酶亚基N端与C端的功能及与植株性别相连锁的同工酶谱带的筛选等方面均有所报道[6]。国内外学者对菠菜种质资源的营养和品质进行了分析和比较。李锡香等[7]对42份来源于神农架及三峡地区的菠菜品种的还原型维生素C、粗蛋白质和草酸含量进行测定。赵清岩等[8]以引自内蒙古自治区和欧洲的4个菠菜品种为材料进行营养品质和生化测试，发现各品种间的营养成分含量差异显著。

菠菜是雌雄异株作物，少量植株表现为雌雄同株。菠菜性型受遗传因素和环境因素的共同影响[2]。对菠菜分子标记的研究主要集中在菠菜性型及抗病性上。李晓丽等[9]进行了菠菜四倍体诱导研究。国内外的育种专家针对被鉴定的菠菜病原菌生理小种寻找抗原，筛选抗病材料，培育抗病品种。Shi等[10]首次在菠菜上发现白锈病，随后国内外广泛报道。白锈病是在菠菜种植时比较常见的病害，容易导致菠菜减产，可以通过轮作和施药等方式来防治。我国对菠菜的抗病性研究相对比较落后，主要是通过田间鉴定进行抗病品种选育。随着生活水平的提高，市场对菠菜品种性状要求也逐步提高，种质资源材料的限制加大了培育相关品种的难度；因此，对现有种质资源进行系统评价和鉴定，成为当前菠菜育种的首要工作。

2 基于形态学标记的菠菜种质遗传多样性研究进展

2.1 遗传多样性

遗传多样性体现了物种的进化潜力和抵御不良环境的能力，是生态系统多样性和物种多样性的基础，也是动植物育种和遗传改良的基础。作物品种间的遗传变异，不仅存在于表型性状上，而且存在于蛋白质和DNA等分子水平上。形态性状包括叶片性状、花的颜色、种子颜色及种皮表面纹饰等由单基因控制、不易受环境影响的质量性状和由多基因决定的数量性状。在天然种群中，单基因性状少，主要用于研究基因流和选择等进化因素。形态水平的检测具有简单、易行、直观的特点，但可鉴别的位点比分子标记要少，鉴定周期长，而且受环境条件、操作技术等因素的影响，具有一定的局限性。

2.2 菠菜种质植株形态学遗传多样性研究进展

张南[11]用形态学标记将24份菠菜种质分成3个组群，基本可以把不同地理分布的菠菜种质区分开，同一来源地的种质被聚到了一起。吴娅妮等[12]对33份不同来源的菠菜种质资源植株的11个质量性状和6个数量性状进行了研究，发现材料间单株质量的变异系数最大，叶片长的变异系数最小。姚远等[1]对40份来源不同的菠菜种质资源进行形态性状的调查与分析，将其划分为株型小、叶片小、单株鲜质量低、叶片无光泽、叶形多戟形的国内地方品种，和株型大、叶片大、单株鲜质量高、叶片有光泽、叶形近圆形的国外品种2类。

形态学标记分析遗传多样性主要依赖于人的主观观察、测量和统计。形态性状调查的种类越少、权重越大，其对聚类分析结果的影响越大。只有当调查的性状不经人的主观选择，做到无尽详见时，才能真正反映其形态学上的遗传多样性。此外，形态学标记容易受环境因素的限制，部分性状不能表达，使实际存在的某些性状无法被发现，造成这些信息的丢失；但是，对形态性状的调查和鉴定比起生物化学标记、分子标记来说更直接、简便，很多性状都能在田间进行直接的观察和统计，利于在田间直接进行选择，目前仍然是种质资源研究最基本的方法和途径。

3 基于分子标记的菠菜种质遗传多样性研究进展

3.1 AFLP分子标记技术

基于DNA水平的分子标记是研究物种亲缘关系的重要手段之一，是以生物大分子的多态性为基础的一种遗传标记。分子标记能反映生物个体或种群间基因组DNA间的差异。AFLP（amplified fragments length polymorphism）分子标记技术不需要了解基因组信息，分辨率较高、可靠性强、信息量大，因此非常适合遗传多样性的研究。洪棋斌等[13]用酶切和连接分步进行的方式建立并优化了大麦DNA单限制性酶切选择性扩增多态性技术体系 （selective amplification DNA fragment，SADF）。和其他几种标记相比，AFLP分子标记具有以下一些优越性：数量多，遍及整个基因组；检测位点多，多态性高；在植物生长的不同阶段，任何器官都可以用于AFLP标记检测，不受环境限制，不存在是否表达的问题。随着分子生物学的发展，分子标记技术也得到了相应的发展，各种DNA的检测方法也随之产生，如TE-AFLP（three endonuclease-AFLP）指纹技术、SDAFLP （second digestion AFLP）等。

3.2 AFLP在遗传多样性研究中的应用情况

目前，AFLP分子标记已被广泛应用在遗传图谱构建、基因定位及克隆、物种的遗传多样性分析、种质和种子纯度鉴定等方面。AFLP技术因其信息量大、多态性强，目前已广泛应用到甘蓝、辣椒、大白菜等多种蔬菜作物遗传图谱的构建上，而且趋势越来越饱和化、实用化和通用化。AFLP标记是检测种质遗传多样性和进行种质亲缘关系分析的有效工具。昝逢刚等[14]采用AFLP技术对98份甘蔗种质资源进行UPGMA（unweighted pair group method analysis）聚类分析和PCA（principal component analysis）主要成分分析。许云等[15]采用AFLP标记对111份大薯材料进行聚类分析，利用多态性信息含量（PIC）、标记指数（MI）和解析强度（RP）分析不同引物组合的标记效率。此外，AFLP标记还被应用于芜菁和大白菜、小白菜、甜瓜等蔬菜作物的遗传多样性和亲缘关系研究中。

基因定位主要采用2种方法：一是利用近等基因系或分离群体分组法（bulked segment analysis，BSA）；二是根据已有的连锁图进行标记，利用目标基因有分离的F2群体进行基因定位。AFLP技术因其多态性丰富、检测效率高、高效的多态性扩增产物，为寻找与目的基因紧密连锁的分子标记提供了有力的工具。目前，利用AFLP 标记对马铃薯分离群体、西瓜野生种质抗枯萎病基因、番茄的叶霉病、灰霉病、晚疫病、白粉病抗性基因、黄瓜抗白粉病基因、大白菜根肿病抗性基因等一些抗性基因进行了定位。AFLP 的高度可靠性、方便性和快速、稳定的技术特点使其在分子生物学和遗传育种研究中发挥着越来越重要的作用。

3.3 AFLP技术在菠菜遗传多样性研究中的应用进展

AFLP标记技术由于具有快速、灵敏、稳定、多态性检出率高、重复性好等优点，被认为是一种高效的分子标记，尤其适合应用于基因组和转录组学研究基础薄弱的物种。我国对菠菜种质资源收集、评价和遗传多样性研究开展得较晚，近年来陆续开始有了相关的报道。梅燚等[16]对AFLP反应体系的DNA用量、酶切连接、预扩、选扩等试验条件进行了优化分析，初步建立适合于菠菜作物的AFLP反应体系；利用形态学分类法和AFLP分子标记技术对45份菠菜育种材料进行聚类分析，AFLP的聚类结果与形态学的分类结果基本一致，而且聚类结果与地域来源和形态特征有一定的对应关系[17]；吴娅妮等[12]对来自我国15个省份和地区的30余份菠菜的田间形态学性状进行了调查和聚类分析，虽然供试材料来源仅限于国内，但材料间遗传多样性丰富。2000年以来，国内逐渐开始菠菜杂交育种方面的研究，但由于种质资源研究基础薄弱，优良育种材料匮乏，新品种选育工作进展十分缓慢。

3.4 其他分子标记技术在菠菜遗传多样性研究中的应用进展

随着分子生物学的快速发展，应用于菠菜上的分子标记技术也得到长足的发展，目前菠菜简单重复序列（simple sequence repeats，SSR）已有所报道，Feng 等[18]从154个细菌人工染色体（bacterial artificial chromosome，BAC）末端序列中开发了100个SSR引物，能在菠菜中扩增出条带，但均在抗霜霉病和感霜霉病位点上没有多态性；潜宗伟等[19]利用MISA软件对菠菜转录组SSR位点信息进行分析，开发适用于菠菜的SSR分子标记，在随机挑选的218 对引物中有38 对表现多态性，菠菜的SSR扩增产物片段为101～277 bp。与AFLP 等相比，SSR具有数量丰富、分布广泛、多态性高、多等位性、共显性等特点，SSR更容易在菠菜分子生物学中被利用，但菠菜公开EST（expressed sequence tag，表达序列标签）序列相对较少，开发的SSR标记相对数量不足，应用较为困难。相对于其他植物，菠菜的SSR多态性较低，这可能与菠菜的DNA转录序列的保守性相关。

2017年，上海师范大学生命与环境科学学院植物种质资源开发中心王全华研究员课题组和美国康奈尔大学费章君教授课题组联合发布了一个新的菠菜栽培种基因组草图，同时对120份野生和栽培菠菜进行了转录组变异等分析，结果显示：菠菜基因组全长1 009 Mb，富含重复序列，编码25 495个基因[20]。研究小组通过对转录组变异分析发现，与其他蔬菜作物 （如番茄和黄瓜）不同，栽培菠菜品种的遗传多样性与其野生祖先没有太大差异，说明菠菜的驯化经历了较弱的瓶颈效应。这意味着菠菜的遗传改良还有很大的空间，而同时也给利用更精确的基因组标记来加快育种进程增加了困难。该研究产生的基因组序列和转录组变异数据为促进菠菜研究和育种改良提供了重要资源，可用于培育抗病性更强、产量更高、品质更好的菠菜品种。

4 菠菜种质资源遗传多样性研究展望

菠菜是一种重要的蔬菜作物，以叶片和嫩茎为食用器官，目前在世界各地普遍种植，同时也是我国主要的出口蔬菜和分布普遍、食用广泛的绿叶蔬菜之一。国外菠菜育种以杂种优势利用为主，而国内传统的菠菜育种一直停留在从常规品种、地方品种或国外引进品种中进行选育，菠菜的基础研究仍相对薄弱。菠菜强大的市场需求与其较不完善的种质相关研究间形成了鲜明的矛盾，从而进一步影响菠菜在我国的推广和发展。如何更有效地利用丰富的菠菜种质资源、挖掘优异种质和基因为新品种选育和种植生产服务，将成为我国菠菜杂交育种工作的重中之重。