中国南瓜对嫁接黄瓜产量与风味影响的综合评价

苗 丽 段 颖 王长林 高 媛 于贤昌,*

(1 中国农业科学院蔬菜花卉研究所/农业农村部园艺作物生物学与种质创制重点实验室，北京 100081；2 陕西省汉中市农业技术推广中心蔬菜食用菌站，陕西 汉中 723000)

黄瓜(CucumissativusL.)是我国重要的瓜类蔬菜作物之一。冬季低温弱光、夏季高温强光以及连作导致的土传病害是限制黄瓜产量的主要因素[1-2]。研究表明，以南瓜为砧木对黄瓜进行嫁接栽培对于提高黄瓜抵御土传病害和抗非生物胁迫能力具有重要意义。目前用于黄瓜嫁接的南瓜砧木主要包括黑籽南瓜(Cucurbitaficifolia)、印度南瓜(Cucurbitamaxima)以及某些栽培种之间的杂交种等[3-5]。近几年研究发现，中国南瓜(Cucurbitamoschata)砧木种质具有抗病性强[6]、提高嫁接黄瓜产量[7]等优势，已成为砧木品种选育的重要方向。

在品种选育中，对砧用南瓜种质资源进行较为全面的评价研究，对于优异亲本的选择和利用具有重要意义。目前，针对南瓜砧木抗根结线虫[6, 8]、枯萎病[9]、极端温度[10-11]等方面已经建立了较为完善的抗性评价体系，但尚缺乏针对嫁接黄瓜产量和风味品质多样性的研究报道。研究表明，黄瓜果实的风味主要由甜度和芳香度组成[12]，其中影响甜度的主要因素为葡萄糖、果糖、蔗糖等可溶性糖类含量，影响芳香度的主要因素为醛类和醇类等挥发性物质含量[13]，特别是反-2，顺-6-壬二烯醛，决定了黄瓜果实的味道和口感[14-15]。尽管南瓜砧木能显著提高嫁接黄瓜的抗性，但明显降低了果实的风味品质性状，严重影响了抗病性强的砧木种质在实际生产中的应用[7]。因此，选育对黄瓜果实风味影响负作用较小的南瓜砧木成为了重要的育种方向。

丰富多样的种质资源是培育优异品种的基础。我国南瓜种质资源较为丰富[16-19]，但砧用南瓜品种选育存在遗传基础较为狭窄的问题。李鹤等[20]收集了设施黄瓜嫁接栽培中常用的47份砧用南瓜种质资源，利用63个形态学标记和40对南瓜SSR标记进行中国南瓜遗传多样性和亲缘关系鉴定，发现85%的品种都聚类于同一类群，说明我国砧用南瓜种质资源的遗传多样性并不丰富，限制了砧用南瓜品种选育工作的发展。本研究以102份不同遗传背景的中国南瓜高代纯合自交系为砧木，以黄瓜品种新泰密刺为接穗，利用主成分分析和隶属函数分析法建立嫁接黄瓜产量和风味的综合评价体系，以期为丰富中国南瓜砧木资源遗传背景、筛选高产优质黄瓜嫁接砧木种质提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

接穗材料为华北地区黄瓜主栽品种新泰密刺，由中国农业科学院蔬菜花卉研究所设施栽培课题组提供；砧木材料为来自5个国家及中国16个省(直辖市)和地区的102份中国南瓜种质，均为纯合自交系，由中国农业科学院蔬菜花卉研究所南瓜育种课题组提供。试验材料的基本信息详见表1。

表1 试验材料及来源地Table 1 Germplasm resources and origins in this study

表1(续)

1.2 试验方法

试验于2017年9月-2018年1月在中国农业科学院蔬菜花卉研究所南口中试基地日光温室内进行。9月8日催芽南瓜砧木，9月11日催芽新泰密刺黄瓜接穗，选取籽粒饱满的供试材料种子进行55℃温汤浸种，并于28℃光照培养箱中催芽，待全部露白时，南瓜播于10 cm×10 cm×9 cm方形营养钵中，黄瓜播于50孔穴盘中。9月18日，当黄瓜子叶完全平展、真叶未露出，并且南瓜子叶完全展平、真叶刚刚露出时，选择生长健壮、长势整齐的幼苗采用插接法进行嫁接。用刀片先将南瓜的生长点和真叶去除，在子叶间用嫁接针从一侧子叶向另一侧子叶30°角斜插，深度约0.6 cm，以嫁接针在另一侧子叶中未露出为原则，在接穗子叶下方下胚轴1.5 cm处，切出相同角度的斜切面，将嫁接针从砧木中拔出后，立即插入接穗，并用嫁接夹将其固定。嫁接后置于人工气候室内进行管理，昼温28～30℃/夜温18～20℃；嫁接后前2 d避光，再用光强为100～150 μmol·m-2·s-1的弱光照射3～5 d，嫁接后7 d内相对湿度维持在95%，7～10 d相对湿度逐步降低至60%；嫁接后4～8 d早晚通风2 h，9～12 d逐渐延长通风时间，直至正常管理。10月18日定植于日光温室中，行距70 cm，株距35 cm，每个嫁接组合定植8株，对照组为新泰密刺黄瓜自根苗，定植16株。

田间性状调查参照《黄瓜种质资源描述规范和数据标准》[21]进行。11月29日即定植后40 d调查株高、节位数、节间长、砧木下胚轴直径、接穗直径、叶片数、第一雌花节位数、雌花总数。生长期内每7 d采收一次果实并记录果实数目和果实质量，共采收8次。1月7日采收期结束后，统计每个嫁接组合所采收的果实总数目(N)和果实总质量(M)，每个嫁接组合的株数记为n，单果质量=M/N，单株产量=M/n；株高利用刻度尺测定；节间长为植株顶端向下7个节位的平均长度；砧木下胚轴直径、接穗直径利用游标卡尺测定。

果实风味性状包括果实甜度(Brix%)和风味口感评价2个指标，其中果实甜度用WZ108型手持型糖度计(上海精密科学仪器有限公司)测定；果实风味口感评价参照《黄瓜种质资源描述规范和数据标准》[21]，并稍作修改：黄瓜表皮洗净后用水果刀将果实中段横切成厚约3 cm圆片，请6名从事黄瓜或蔬菜育种研究的专业工作者通过品尝或鼻嗅，对嫁接黄瓜商品瓜的口感甜度、脆度、苦味、涩味、芳香气味进行评价，将风味口感分为4级，并按照0～10分进行打分(表2)，平均值即为果实风味评价值。

表2 黄瓜果实风味口感评价打分标准Table 2 Standard of fruit tasty in grafted cucumber

1.3 数据处理

运用Microsoft Office Excel 2016软件进行原始数据处理，Matlab进行数据分析。最大值、最小值、平均值、变异系数(coefficient of variation，CV)、多样性指数(Shannon-Wiener index，H′)和隶属函数等参照段颖等[22]的方法，采用基于Ward最小化离差平方和法进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 嫁接植株13项指标的多样性分析

对102个嫁接组合和新泰密刺的13个指标多样性进行统计分析。由表3可知，嫁接黄瓜各项指标表现出较为广泛的变异，新泰密刺自根苗的各项指标值均介于102个嫁接组合的最大值与最小值之间。13个指标的变异系数变化范围为0.10～0.47，单株产量的变异系数最高(0.47)，其次为果实数(0.38)；节间长的变异系数最低(0.10)，其次为接穗直径(0.12)、单果质量(0.15)、果实甜度(0.15)和口感评价(0.15)。102个嫁接组合中，单株产量在1.50 kg以上的嫁接组合为CN-N20、CN-N32、CN-N41、CN-N65、CN-N67、CN-N78、CN-N82、CN-N91，较对照增产63%～115%。单株产量在0.25 kg以下的嫁接组合为CN-N2、CN-N18、CN-N22、CN-N58、CN-N77，存在不同程度的嫁接不亲和现象。13个指标多样性指数变化范围为1.50～2.08，其中果实数的多样性指数最高(2.08)，其次为砧木直径(2.05)和单株产量(2.03)，果实甜度的多样性指数最低(1.50)。综上，嫁接明显改变了黄瓜新泰密刺的各项指标，不同砧木对接穗的影响存在较大变异。

表3 嫁接黄瓜13项指标的基本参数Table 3 Results of basic statistics of 13 traits in grafted cucumber

注：PH：株高；NL：节间长；StSD：砧木茎粗；ScSD：接穗茎粗；LN：叶片数；FFN：第一雌花节位；TFN：雌花总数；FFR：雌花率；FN：果实数；FW：单果质量；GYP：单株产量；SF：果实甜度；TE：口感评价。下同。

Note: PH：Plant height. NL：Internode length. StSD：Stem diameter of stock. ScSD：Stem diameter of scion. LN: Number of leaves. FFN：Node of first female flowers. TFN：Number of total female flowers. FFR：Female flower ratio. FN：Friut number. FW：Friut weight. GYP：Grain yeild per plant. SF：Sweetness of fruit. TE：Evaluate the taste. The same as following.

2.2 嫁接植株13项指标的相关性分析

由表4可知，在与产量相关的指标中，果实数与株高、叶片数相关性较高，分别达到0.849、0.844(P<0.01)，单株产量与株高、叶片数、果实数、单果质量相关性较高，分别达到0.818、0.841、0.955、0.786(P<0.01)，表明产量相关的各指标之间存在信息重叠。此外，与风味相关的2个指标与其他11个指标之间不存在明显相关性，需进一步挖掘13项指标之间的深层关系。

表4 嫁接黄瓜13项指标的相关性分析Table 4 Correlation analysis of 13 traits in grafted cucumber

注：*表示在0.05水平上差异显著;**表示在0.01水平上差异显著。

Note:*means significant difference at 0.05 level.**means significant difference at 0.01 level.

2.3 主成分分析

对13个指标标准化后进行主成分分析，确定5个综合指标的累计贡献率达86.226%，表明5个综合指标代表了13个指标的大部分信息(表5)。第1主成分的贡献率为46.739%，其中株高(0.378)、叶片数(0.374)、果实数(0.381)、单株产量(0.377)荷载值较高，与植株地上部生长势和产量密切相关，命名为植株产量因子。第2主成分的贡献率为17.872%，其中第一雌花节位数(-0.555)、雌花率(0.586)荷载值较高，与植株雌花相密切相关，命名为雌花因子。第3主成分的贡献率为9.214%，其中果实甜度(-0.727)和口感评价(-0.648)荷载值较高，命名为果实风味因子。植株产量因子、雌花因子和果实风味因子的累计贡献率达到73.825%，充分反映了这3个因子在嫁接黄瓜综合评价中的重要性。

2.4 隶属函数分析

隶属函数分析是模糊评价函数的一种，能对受到多种因素影响的植株性状指标做出较为全面的评价。由表6可知，102个嫁接组合的隶属函数值介于0.14～0.85之间，对照的隶属函数值为0.54，排在第78位。隶属函数值介于0.75～0.85之间的有7份，分别是CN-N91(0.85)、CN-N67(0.82)、CN-N20(0.78)、CN-N78(0.78)、CN-N32(0.77)、CN-N52(0.76)、CN-N82(0.76)，这些材料在田间生长、产量和风味评价上都表现出很强的优势。隶属函数值介于0.60～0.75之间的嫁接组合有46份，与对照相比，这些嫁接组合的田间综合表现较好。隶属函数值介于0.45～0.60的嫁接组合有40份，田间表现与对照较为接近。隶属函数值介于0.14～0.45之间的嫁接组合有9份，其中低于0.40的嫁接组合是CN-N18(0.39)、CN-N22(0.38)、CN-N99(0.37)、CN-N58(0.32)、CN-N2(0.14)，田间表现为嫁接亲和性低、雌花率低，不适合作为新泰密刺的砧木。

2.5 聚类分析

采用最小化离差平方和法进行系统聚类分析，以反映不同嫁接组合田间表现及果实性状的差异，并构建树状图将田间表现相似的划归为一类。由图1可知，102个嫁接组合和对照新泰密刺自根苗可分为4个类群。第1类群共27份嫁接组合，田间表现各方面均优于对照，其中包括火凤凰(N7和N9，泰国)、三禾(N89和N91，甘肃)、白籽南瓜(N17和N19，辽宁)等常见优质砧木种质，同时还挖掘出一批具有较高砧用潜力的种质，如柿饼南瓜(N65和N67，陕西)、牛腿南瓜(N78、N80、N82，陕西)，这些嫁接组合的隶属函数值甚至高于常用砧木嫁接组合，在提高新泰密刺产量和果实风味品质等方面具有很高的育种价值。第2类群共22份嫁接组合，田间表现为一定程度地提高了新泰密刺的产量和风味，其中包括4份源自日本的砧木种质，分别为日本南瓜(N12、N13、N14，日本)和はゃと(N16，日本)，以及2份牛腿南瓜(N79和N81，陕西)。日本南瓜P1-2-20150644(N14，日本)和JK砧木(N30，山东)不仅在产量和风味评价上表现优良，并且还表现出很强的去蜡粉能力，兼具黄瓜果实外观品质改良潜力，值得进一步评价其在抗病、抗虫、耐逆境、去蜡粉能力上的表现。第3类群共45份嫁接组合，田间表现与对照较为接近，CK-N8、CK-N51、CK-N92这3份嫁接组合的果实口感在102个嫁接组合中评价最高，分别为6.0、6.2、6.2，较对照分别提高11%、15%、15%，具有改善嫁接黄瓜口感的潜力。第4类群共8份嫁接组合，其隶属函数值介于0.14～0.40之间，其中黄油南瓜(N2，澳大利亚)表现为明显的嫁接不亲合性，株高仅为平均株高的35%(表3)，雌花率仅为平均雌花率的18%。这些种质可作为葫芦科蔬菜嫁接亲和性研究的试验材料。

表5 嫁接黄瓜13项指标的主成分分析Table 5 Principal component analysis of 13 traits in grafted cucumber

3 讨论

3.1 嫁接对黄瓜商品瓜产量的影响

黄瓜商品瓜果实的产量和风味是黄瓜经典遗传育种所关注的重要性状。前人研究表明，全雌性黄瓜产量与单果质量、果实数、株高具有极显著相关性[23]。利用南瓜砧木对黄瓜进行嫁接后，嫁接苗在田间生长表现、果实相关性状以及转录组、蛋白质组等方面均发生了较明显的变化[24-25]。本研究通过相关性分析和主成分分析发现，黄瓜接穗的雌花始花节位数及雌花数量受到不同南瓜砧木遗传背景的影响。已有研究表明，嫁接可改变接穗中miRNA的表达水平，且SiRNA作为长距离信号在接穗中特异性诱导下游基因的转录后沉默[26]。以南瓜为砧木进行黄瓜嫁接时，黄瓜接穗中与开花相关基因受到miRNA调控，特别是miR156/157、miR159、miR167、miR172等miRNA水平，抑制下游基因SBP、ARF8、AP2等开花相关基因表达，从而影响嫁接苗从营养生长向生殖生长的转变[27-29]。本研究中，黄瓜新泰密刺自根苗第一雌花节位为4.30，雌花率为0.21，而南瓜砧木嫁接后的第一雌花节位在4.20～9.80之间，雌花率在0.04～0.41之间，总体上南瓜砧木对开花时间表现出一定的延迟作用，且这种作用因砧木种质而异，其具体机制有待进一步研究。

3.2 嫁接对黄瓜商品瓜风味品质的影响

黄瓜商品瓜风味与醛类、醇类等挥发性代谢物质含量有关，也与可溶性糖、可溶性蛋白、有机酸、游离氨基酸、丹宁等含量密切相关。嫁接黄瓜果实风味的相关研究普遍表明，南瓜砧木对嫁接黄瓜果实风味具有负面作用。董邵云等[14]以2个南瓜砧木品种和2个黄瓜接穗品种为试验材料，发现嫁接导致果实中风味和口感均有所下降，果实中乙醛、反-2-庚烯醛等挥发性物质含量升高。李红丽等[30]研究表明，嫁接会降低可溶性糖含量，提高单宁含量，从而降低果实甜度，提高涩度。此外，嫁接导致酸性转化酶(acid invertase，AI)、中性转化酶(neutral invertase，NI)以及磷酸蔗糖合成酶(phosphate sucrose synthase，SPS)等参与糖代谢的酶活力均有所提高[31]。转录组分析表明，不同砧木的嫁接显著影响接穗中糖酵解、果糖代谢、α-亚麻酸代谢有关基因的表达，从而改变了嫁接黄瓜的风味品质[32]，但具体调控机制尚不明确。本研究进一步明确了南瓜砧木对黄瓜果实品质性状的负面影响，同时从102份种质中还鉴定出火凤凰2-20150629(N8，泰国)、无蔓南瓜-20150689(N51，山西)和冠龙(N92，新疆维吾尔自治区)等3份中国南瓜种质，其嫁接黄瓜风味评价较对照提高10%～15%，将这些种质的优良性状加以聚合利用，可望改良嫁接黄瓜普遍存在的风味口感不佳等问题。此外，利用风味性状差异较为显著的种质作为亲本，通过构建遗传连锁图谱对QTL位点进行定位分析和分子标记辅助育种，将有助于进一步提高优质砧用南瓜品种的选育效率。

3.3 综合评价体系在砧用南瓜品种选育工作的指导应用

本研究通过主成分分析和隶属函数分析，将102份嫁接组合的13个性状指标进行降维优化，消除了各指标之间的相关性，较为客观地评价了种质的田间综合表现，将102份中国南瓜砧木种质聚为4个类群。在产量和风味评价较好的第1类群中，鉴定出白籽南瓜(N17和N19，辽宁)、火凤凰(N7和N9，泰国)等4份生产上常见的砧木种质，说明该评价体系对中国南瓜砧用性状的评价较为客观，对于种质筛选具有一定的田间指导意义。最终，从102份中国南瓜种质中鉴定出7份表现较为突出的种质，其中包括现有砧木品种中不太常见的牛腿南瓜、柿饼南瓜以及几份源自俄罗斯和日本的优良种质，对于改善我国砧木种质资源遗传背景狭窄的现状起到了一定的作用。特别是柿饼南瓜5Bb636-3(N67)和三禾13-s08z13-3(N91)2份种质，其嫁接组合在产量和风味评价均较出色。第4类群共有8份种质，均对新泰密刺的嫁接亲和性表现出不同程度的降低，严重影响了嫁接黄瓜的生长和后期产量，这些种质资源为嫁接亲和性机制的研究提供了合适的材料。

图1 102份中国南瓜种质资源聚类图Fig.1 Dendrogram of 102 Cucurbita moschata germplasms derived from clustering analysis

综上所述，本研究利用所建立的综合评价体系，筛选获得了一批在产量和风味品质方面表现较为突出的种质，这对于改良中国南瓜砧用性状、提高嫁接黄瓜果实品质具有很高的应用价值，同时获得了一批试验材料可以用于砧木嫁接亲和性和风味品质形成机制研究。下一步将继续对该评价体系进行优化，并对优质种质进行抗病性评价和果实外观品质的评价研究，以期进一步阐明嫁接品质形成机制，为优良砧木品种创制和分子改良育种奠定基础。

4 结论

本研究对中国南瓜高代自交系种质与黄瓜新泰密刺的嫁接组合进行果实产量和风味的综合评价，通过主成分、隶属函数和聚类分析，初步建立了中国南瓜砧木对黄瓜商品瓜产量和风味品质育种的筛选鉴定体系。结果表明，以中国南瓜为砧木的嫁接黄瓜在苗期、商品瓜果实产量和风味等性状表现出较为丰富的多样性，利用综合评价体系将102份中国南瓜砧木种质资源分为4个类群，筛选获得了牛腿南瓜、柿饼南瓜等7份综合表现较好的种质，为丰富中国南瓜优良砧木品种选育提供了理论依据。