苦瓜植株卷须发生的初始节位及其分叉的遗传分析

钟 建胡 芳董骥驰程蛟文崔竣杰胡开林*

（1华南农业大学园艺学院，广东广州 510642；2佛山科学技术学院食品科学与工程学院，广东佛山

528000）

卷须是瓜类蔬菜及其他攀援类植物具有的一种线状结构的特殊器官，通过螺旋状生长缠绕到其他物体上，为植株提供攀援的能力（Sousa-Baena et al.，2018），从而使攀援植物能生长到更广泛的地方，以获得更多的生存空间，提高光合作用效率，促进传花授粉等（Hofer et al.，2009）。

植物卷须的研究可以追溯到达尔文时代。达尔文认为，植物卷须可能来源于各种各样的器官结构（Darwin，1875）。例如在豌豆中，卷须是由叶片进化而来的，它是叶片的形态同源物，TI基因是控制豌豆生成卷须的关键因素（Hofer et al.，2009）；在葡萄中，卷须一般有2～3个分叉，它作为花序的形态同源物，是潜在的生殖器官，同时它也是为葡萄植株攀爬提供支持的营养附属器（张彦苹 等，2013）；黄瓜卷须的同源器官是侧枝，调控黄瓜卷须发育的关键基因TEN编码黄瓜中保守的TCP转录因子，它只在卷须中特异表达（Wang et al.，2015）。

瓜类蔬菜卷须的初始发生是植株从幼苗期转入抽蔓期的重要标志，研究其初始发生节位的遗传规律对于瓜类蔬菜高效栽培管理以及熟性育种具有重要参考意义。关于葫芦科蔬菜作物卷须是否分叉，前人认为，黄瓜（Cucumis sativus L.）、南瓜〔Cucurbita moschata（Duch. ex Lam.）Duch. ex Poiret〕、丝瓜〔Luffa cylindrica（L.）Roem.〕和红瓜〔Coccinia grandis（L.）Voigt〕是分叉的，马交儿〔Zehneria japonica（Thunberg）H. Y. Liu〕是不分叉的（Amonwu & Okoli，2013）。苦瓜（Momordica charantia L.）属于葫芦科苦瓜属攀援性草本植物，起源于非洲热带地区（Schaefer & Renner，2010），其卷须存在分叉和不分叉2种类型，且后者较前者更普遍发生（Amonwu & Okoli，2013；Sidhu &Pathak，2016），关于苦瓜植株卷须发生的初始节位（简称卷须初始节位）及其分叉的遗传规律鲜见报道。

通过对广泛收集的苦瓜种质资源进行观察和筛选，选择卷须初始节位及分叉存在显著差异的4份苦瓜自交系为材料，通过构建遗传分离群体，对2个性状分别进行遗传分析，旨在为揭示苦瓜植株卷须发生及发育的遗传机制奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以卷须初始节位存在显著差异的栽培苦瓜自交系佛沥112为母本和野生苦瓜自交系THMC170为父本，通过人工隔离杂交及其后代自交相继获得F1和F2材料，对苦瓜卷须初始节位进行遗传分析。以卷须分叉的栽培苦瓜自交系佛沥734为母本和卷须不分叉的半野生苦瓜自交系AVBG1602为父本，同样通过人工隔离杂交及其后代自交相继获得F1和F2材料，对苦瓜卷须分叉性进行遗传分析。

2套4世代材料（P1、P2、F1、F2）均于2018年3月14日种植于华南农业大学跃进北试验基地大棚内，常规栽培管理。8月10日，重复种植栽培苦瓜自交系佛沥734和半野生苦瓜自交系AVBG1602及其F1和F2材料于华南农业大学增城教学科研基地，常规栽培管理，用于验证苦瓜卷须分叉遗传规律。

1.2 性状调查

苦瓜种子萌发后，最初形成的2片真叶为对生叶，以后形成的为互生叶。以第1片互生叶作为苦瓜植株的第1节，当苦瓜植株长至抽蔓期开始形成卷须时，统计苦瓜卷须初始节位。

苦瓜植株（包括卷须分叉和卷须不分叉2种类型）最初形成的卷须绝大多数是不分叉的。但是，对于卷须分叉类型的植株而言，当植株生长至20～30片叶时就会形成分叉的卷须，而对于卷须不分叉类型的植株而言，则仍然产生不分叉的卷须。为了准确统计苦瓜植株卷须分叉的有无，本试验调查了每株植株40节以内主茎的卷须分叉情况，以40节内卷须存在分叉的记为卷须分叉，均不分叉的记为卷须不分叉。

1.3 群体正态分布检验

使用Excel和SPSS软件对佛沥112和THMC170及其F1、F24个世代的卷须初始节位进行统计和分析。运用Shapiro-Wilk（W检验）对分离世代F2进行正态分布检验，当P＞0.05时，表示符合正态分布。再根据偏度（Skewness）和峰度（Kurtosis）值判断正态分布的具体情况或类型，当Sk=0，Ku=0时，表示分布呈正态，即众数等于算术平均数；当Sk＞0时，表示分布呈正偏态，即众数位于算术平均数的左侧；当Sk＜0时，表示分布呈负偏态，即众数位于算术平均数的右侧。

1.4 遗传分析

采用植物数量性状主基因+多基因混合遗传模型（盖钧镒 等，2003），对4个世代的苦瓜卷须初始节位进行联合分析，通过极大似然法和IECM（iterated expectation and conditional maximization）算法对混合分布中的有关成分分布参数做出估计，然后利用AIC（Akaike’s information criterion）准则和一组适合性测验，选择最优遗传模型，并估计主基因和多基因遗传率、方差等遗传参数。在适合性测验的5个统计量（U12、U22、U32、nW2和Dn）中，U12、U22和U32为均匀性检验，nW2为Smirnov检验，Dn为Kolmogorov检验；前三者是对分布的某一数字特征进行检验，即检验分布的平均数、二阶原点矩和二阶中心矩；后两者是对分布整体进行检验。分析软件由南京农业大学国家大豆改良中心提供。

卷须分叉的遗传分析采用卡方检验。

2 结果与分析

2.1 苦瓜亲本及F1卷须初始节位统计

统计分析结果表明（表1），佛沥112（P1）的卷须初始节位为（3.64±0.50）节，THMC170（P2）的卷须初始节位为（4.62±0.65）节，两者之间存在显著差异（P＜0.05），并且F1卷须初始节位为（3.39±0.70）节，略低于佛沥112（P1），但是差异不显著（P＞0.05），而F1与THMC170（P2）差异显著（P＜0.05）。说明苦瓜植株卷须发生的初始节位低对初始节位高符合完全显性遗传。

表1 佛沥112（P1）、THMC170（P2）及其F1的卷须初始节位统计

2.2 苦瓜F2群体卷须初始节位的分布特征

对佛沥112（P1）和THMC170（P2）的F2群体（n=119）卷须初始节位进行统计。结果表明（图1），卷须初始节位在F2群体中呈现连续分布，符合数量性状遗传特征。W检验结果表明，卷须初始节位在F2群体中呈正偏态分布，即偏向于低值亲本。

2.3 苦瓜卷须初始节位的遗传模型

对佛沥112（P1）和THMC170（P2）及其F1、F24个世代的卷须初始节位进行主基因+多基因混合遗传模型分析，获得1对主基因（A）、2对主基因（B）、多基因（C）、1对主基因+多基因（D）和2对主基因+多基因（E）5类24种遗传模型的极大似然函数值和AIC值（表2）。

根据最小AIC值原则，初步判定E-3、E-4、E-5和E-6模型较为适合，进一步对此4个初选模型进行一组适合性检验。结果表明（表3），在4个世代的20个统计量中，所选4个模型的统计量显著个数均为1个。经似然比检验，E-6模型与E-3模型（χ2=0.01，P＞0.05）、E-6模型与E-4模型（χ2=0.01，P＞0.05）、E-6模型与E-5模型（χ2=0，P＞0.05）之间没有显著差异。由于E-6模型的AIC值最小，因此认为苦瓜的卷须初始节位遗传符合E-6模型，即符合2对等显性主基因+加性-显性多基因混合遗传模型。

图1 苦瓜植株卷须初始节位在F2群体中的频次分布

表2 苦瓜卷须初始节位遗传模型的极大似然函数值和AIC值

表3 苦瓜卷须初始节位遗传模型的适合性检验

2.4 苦瓜卷须初始节位的遗传参数估计

根据苦瓜卷须初始节位遗传模型参数的极大似然估计值，估计最适遗传模型的遗传参数。结果表明（表4），苦瓜卷须初始节位遗传由主基因和多基因共同控制，其中主基因遗传率为15.81%，多基因遗传率为7.83%。说明环境对苦瓜卷须初始节位的影响较大。2对主基因的加性和显性效应均相等（h1=h2=d1=d2=-0.21），h1/d1=h2/d2=1，表现为完全显性；多基因的显性效应[h]为-0.25，加性效应[d]为-0.01，[h]/[d]＞1，表现为正超显性。说明苦瓜卷须初始节位低对卷须初始节位高为显性，且存在超显性现象，与F1（表1）和F2（图1）表型统计结果一致。

表4 苦瓜卷须初始节位的遗传参数估计值

2.5 苦瓜卷须分叉性状的遗传

经统计，2018年春种植的母本佛沥734所有单株主蔓在40节以内均有卷须分叉，父本AVBG1602均为卷须不分叉单株，F1世代中的所有单株在40节以内都有卷须分叉（图2）。在F2分离世代的287个单株中，有208株表现为卷须分叉，79株表现为卷须不分叉。经卡平方检验，χ2=0.85（P＞0.05），表明在F2分离世代中卷须分叉与卷须不分叉符合3∶1的分离规律。

对2018年秋种植的佛沥734与AVBG1602及其F1、F2材料进行统计分析的结果同样表明，母本佛沥734与父本AVBG1602及其F1植株的卷须分叉表现与2018年春一致；在F2分离世代的88个单株中，有63株表现为卷须分叉，25株表现为卷须不分叉，经卡平方检验，χ2=0.55（P＞0.05）。同样验证了在F2世代中植株卷须分叉与卷须不分叉的遗传符合3∶1的分离规律。因此，认为苦瓜植株卷须的分叉对不分叉受1对显性基因控制，其中卷须分叉表现为显性，卷须不分叉表现为隐性。

图2 苦瓜植株卷须分叉与不分叉

3 结论与讨论

苦瓜属于无限生长类型的攀援性植物，其植株卷须发生的时间与抽蔓期的早晚有关，其卷须分叉的有无可能会影响植株的攀援能力。根据笔者对众多苦瓜种质资源观察统计的结果表明，苦瓜植株卷须发生的早晚存在显著差异，不同材料之间存在卷须分叉有无的差别。因此，本试验选择了4份苦瓜材料为亲本构建遗传分离群体，对苦瓜植株卷须相关的2个性状进行遗传分析。结果表明，苦瓜植株的卷须初始节位符合2对等显性主基因+加性-显性多基因混合遗传模型（E-6模型），F1偏向卷须初始节位低的亲本，存在超亲优势。这在苦瓜杂种优势中可以加以利用，即在选配亲本时，选择卷须初始节位低的亲本将有可能配制获得抽蔓期更早的一代杂种。另一方面，由于多基因效应以显性效应为主，因此，对于苦瓜植株卷须初始节位的选择应在高世代进行。本试验还对苦瓜植株主蔓40节以内卷须分叉有无进行了遗传分析，结果表明，卷须的分叉对不分叉受1对显性基因控制。本试验结果为进一步揭示苦瓜植株卷须发育的遗传机制奠定了基础。