辣椒核心种质研究进展

朱雪梅，郭广君，潘宝贵，刁卫平，刘金兵，高长洲，高海涛，王述彬*

（1.江苏省农业科学院 蔬菜研究所/江苏省高效园艺作物遗传改良重点实验室，江苏 南京 210014；2.南京农业大学 园艺学院，江苏 南京 210095；3.江苏苏润种业股份有限公司，江苏 沛县 221636）

辣椒（Capsicum spp.）起源于南美，作为蔬菜和调味品分布在世界各地，包括热带、亚热带和温带地区［1］。1983年Ibpgr［2］将辣椒划分为32个种，明确了一年生辣椒（C. annuum L.）、灌木状辣椒（C. frutescens L.）、浆果状辣椒（C. baccatum L.）、绒毛辣椒（C. pubescens Ruiz. & Pav.）、中国辣椒（C.chinense Jacq.）等5个栽培种。世界蔬菜中心（原名亚洲蔬菜研究与发展中心，AVRDC）是世界上最大的辣椒种质资源库，保藏了包括11个辣椒种共8665份材料，占全球辣椒种质资源的11%［3］。我国国家蔬菜种质资源库保存有1904份辣椒种质材料，多为20世纪80年代全国各地收集保存的地方品种，以C. annuum种为主［4］。辣椒属种质资源数量巨大，遗传多样性也极为丰富［5］，但是已被人类利用的种质材料仍较少［6］。

为了解决植物种质资源规模巨大，背景繁杂不清，育种家们很难进一步研究和利用这一难题，20世纪80年代，Frankel提出了构建核心种质的设想［7］。1995年，Brown进一步形成了核心种质的完整概念：从研究对象的所有种质材料中，按一定标准尽可能少地选取种质资源来代表研究对象尽量多的多样性［8］。经过多年的研究发展，核心种质的构建已形成了一套系统的、科学的和有效的流程。已有50多种作物构建形成了60多个不同类型的核心种质，这些核心种质在种质创新和作物育种中发挥了重要作用［4］。相对于其他茄科植物，辣椒属的种更多，基因组更大，遗传信息更为复杂，进而导致其基础研究、种质创制和品种选配更为困难。通过集中人力、物力、财力对辣椒核心种质材料进行深入研究，明确每份核心种质的表型特征和遗传信息，有针对性地进行抗性研究、品质改良、种质创新、品种选育等工作，有利于构建辣椒的核心种质资源，提高辣椒资源的利用效率。本文在综述核心种质构建方法、辣椒核心种质构建现状及存在问题的基础上，提出了辣椒核心种质研究的发展方向，以期为辣椒种质资源的深入研究与高效利用提供理论依据。

1 核心种质构建流程

核心种质的构建包括数据收集、数据分组、采样策略及核心种质的有效性评价。下文将结合实际案例对各个步骤进行分析介绍。

1.1 数据收集

核心种质数据收集的类型包括基本数据、特征数据和鉴定评价数据3类。

1.1.1 核心种质的基本数据 基本数据主要是指地理起源、地理分布或育种体系、分类体系等，主要用于初步分组。如上文提及的5个辣椒栽培种起源于3个不同的中心，C. annuum的初级起源中心为墨西哥，次级起源中心是危地马拉；C. chinense和C.frutescens的初级起源中心是亚马逊河流域；秘鲁和玻利维亚是C. pubescens的初级起源中心［1，9-12］。

1.1.2 核心种质的特征数据 特征数据包括表型和分子标记等数据，是构建核心种质的主要数据［13］。由于表型数据较容易获得，早期蔬菜核心种质的构建大多是基于表型数据［14］。辣椒的表型数据主要包括茎色、茎节色泽、花冠色泽、花柱长短、嫩果色泽、老果色泽、株高、果重、果长、果宽等［15］。分子标记包括以Southern杂交为基础的限制性片段长度多态性（RFLP）、DNA指纹技术和原位杂交，以PCR为试验基础的SSR、ISSR、RAPD和SRAP，以及以碱基序列为基础的SNP［16］。分子标记较其他遗传标记具有诸多优势：检测方法简单、快捷；基因组变异丰富；大多数类型的标记呈共显性，能够区分纯合还是杂合基因型；不同时期以及不同生物组织提取的DNA都可用来作为分子标记进行分析［4］。相较于表型性状受环境影响较大而言，分子标记是建立在种质遗传基础之上的，因此其结果更加可靠。

1.1.3 核心种质的鉴定评价数据 鉴定评价数据主要是指生育期、产量、品质等表型性状数据，用于检测核心样品的有效性。如邓学斌等［17］在加工番茄核心种质构建及其遗传背景分析中对于加工番茄初始核心种质的评价时运用了表型代表性评价的方法，研究表明，所构建的302份GCC1核心种质各性状分布较均匀，在去除遗传冗余的同时保留了更多的变异，保存了原始资源群体较丰富的遗传多样性。

1.2 数据分组

数据分组的目的是通过对原始材料进行合理的分组来提高取样的效率和所构建的核心种质的代表性［14］。核心种质构建中数据分组是对种质资源进行遗传分组，根据分组结果选用最优的取样策略和取样比例，筛选出最具代表性的核心种质［18］。数据分组的方法包括随机取样分组和分层取样分组。

1.2.1 随机取样分组 随机取样分组是指每个试验材料被分配到不同处理组的机会均等。Casler［19］在研究多年生黑麦草种质资源的变异模式时，对375份种质材料采用完全随机取样分组方式进行评估，结果表明，通过随机取样分组获得的材料代表性较差。

1.2.2 分层取样分组 分层取样分组是根据起源地、生态型、遗传结构特点等因素把种质资源进行分类。雷刚等［15］依据果形指数Fs（果长/果宽）将603份辣椒种质分为5组，构建了包含91份种质的辣椒核心种质。高志红等［20］在构建果梅核心种质时，把197份样品按照白梅、红梅和青梅进行了分组，构建了由20份样品组成的核心种质，其中白梅、红梅和青梅分别占核心种质的10%、30%和60%。刘闯萍等［21］将山葡萄按照省份-花型-多性状组合聚类分组后，构建了由48个样品组成的山葡萄核心种质。

1.3 取样策略

取样策略是指为了从初始样品中选择得到核心种质，根据预计的不同形势来制定不同的取样方案，并根据当前发展需要选择更适合的取样方案［15］，包括随机取样和系统取样2种。

1.3.1 随机取样 随机取样是以相同的概率对全部样品进行取样。由于样品起源地的环境不同，遗传多样性分布不均匀，不同的等位基因在全部样品中重复的次数也不相同，所以这种取样方法构建的核心种质代表性差，应用比较少［14］。胡晋等［22］以168个基因型5个纤维性状为例，根据树形图，从遗传变异相似的每组2个遗传材料中随机选取1个遗传材料，再对所选取的所有遗传材料再次聚类、取样，直到所取遗传材料的数量为总遗传材料的20%～30%，最后构建了由41个基因型组成的棉花核心种质。

1.3.2 系统取样 系统取样为核心种质构建中的主要取样方法，包括恒量法、对数法、平方根法、遗传多样性法和比例法。恒量法适用于各组类群多样性分布比较均匀的情况，应用较少。Chandra等［23］基于同工酶数据，比较了采用5种取样方法构建的马铃薯核心种质的优劣，结果表明，恒量法、对数法和平方根法均不适用于马铃薯核心种质的构建，而比例法相对来说为最优选择。对数法主要应用于初始样品数量较少，其对数值与核心种质数量基本一致，且遗传背景不明晰的情况。钟永达等［24］研究认为，利用对数法所构建的樟树核心种质效果最好。平方根法可以在一定程度上修饰核心种质的遗传多样性的偏离。Huaman等［25］按照在安迪吉纳每个地区采集的样品数的平方根来确定取样比例，建立了栽培种马铃薯的核心种质。赵枢纽［26］基于表型构建辣椒核心种质时，在25%的总体留样规模下采用平方根法进行组内取样，构建了由41份种质构成的预选表型核心种质。遗传多样性法是指按照遗传多样性的多少进行取样，遗传多样性多则取样多，遗传多样性少则取样少。赵丽梅等［27］对6172份一年生野生大豆资源进行了系统的遗传多样性分析，比较5种取样方法，确立了利用遗传多样性取样方法构建野生大豆核心种质。侯志强等［28］基于表型数据构建初级菊芋核心种质时同样采用了遗传多样性取样策略。比例法主要应用于遗传多样性与资源数量呈正相关，各类群的数量相差较大的情况［14］。邱丽娟等［29］基于农艺性状的数据，以比例法构建了我国栽培大豆的初级核心种质。

1.4 核心种质的有效性评价

核心种质的有效性评价是对核心种质构建方法和有效性的检验，包括遗传多样性的符合性检验和实用性检验。

1.4.1 遗传多样性的符合性检验 遗传多样性的符合性检验是根据不同的数据类型分别选择原始群体和核心种质的各项指标判断其代表性。Diwan等［30］认为，如果核心种质与原始群体在平均数及变异幅度上存在显著差异的性状少于30%，且核心种质各性状变异幅度占原始群体变幅平均值的70%以上，则认为该核心种质基本代表了原始群体的遗传多样性。Gu等［31］构建了一个包括344份材料的核心种质，代表了原材料81%的等位基因，说明该核心种质具有较高的代表性。根据不同类型的原始数据将遗传多样性的符合性检验分为离散性指标多样性和连续性指标多样性2种。评价离散性指标多样性的数据包括质量性状、同工酶、分子标记等，常用多态性位点数、Nei’s多样性指数、Shannon-Weaver多样性信息指数等评价指标进行评价。评价连续性指标多样性的数据包括产量、品质、生理生化等数量性状，常用平均数、方差、变异系数等评价指标进行评价［14］。

1.4.2 实用性检验 实用性检验是指检验所建立的核心种质对已知农艺性状的保留情况以及在实际应用中是否能找到目的性状或基因。赵红［32］对344份辣椒核心种质的48个园艺性状进行了调查分析和评价，并且基于全基因组SNP关联分析定位了与果实辣味等20个园艺性状显著关联的94个SNPs。贾会霞等［33］利用231份黄瓜核心种质进行了白粉病抗性鉴定和全基因组SNP关联分析，检测到12个与黄瓜白粉病抗性显著关联的SNPs。

2 辣椒核心种质的构建

辣椒属可划分为32个种，包含栽培种、已被开发利用的其他种和未被利用的野生种［34］。种质资源作为科学研究的材料基础，各个国家和科研单位极为重视种质材料的收集和保存工作［35］。分析辣椒种质资源的遗传多样性，构建辣椒核心种质，有利于深入挖掘和利用辣椒种质资源中的优异性状［31，36］。核心种质构建方法在不断的更新和完善，辣椒核心种质构建处于不断进步，急需深入的阶段。近年来，随着基因组测序水平的逐步提高，测序成本有所降低，分子标记进入以碱基序列为基础的第三阶段，其中SNP标记同样应用于辣椒核心种质的构建［35］。

由于表型性状受环境影响较大，数据采集不稳定，基于表型数据构建辣椒核心种质的研究较少。2004年，Zewdie等［37］基于21个表型性状利用分层分组代表性取样法，以美国农业部（USDA）1202份辣椒种质为试材，以约10%总体取样规模建立了包含137份材料的辣椒核心种质。雷刚等［15］利用603份辣椒种质材料，基于21个质量性状和7个数量性状进行了辣椒核心种质的构建研究。该研究建立的最优取样方案：首先按照果形指数将603份辣椒种质分为5个组；然后在组内采用遗传多样性比例确定取样量，总体取样规模为15%，使用欧氏距离最远距离法进行组内聚类抽样，最终选取了91份核心种质，遗传多样性指数（I）、变异系数（CV）、表型保留比例（PRP）和极差符合率（CR）都达到最大值，对原始样品具有较好的代表性。刘子记等［38］针对146份海南黄灯笼椒种质资源，基于10个表型性状，利用马氏距离，采用优先取样法和类平均法构建了包含43份黄灯笼椒材料的核心种质。

分子标记作为一种稳定、可靠和高效的检测技术，被广泛应用于科学研究中，在核心种质构建中同样得以广泛应用。2013年，Nicola等［35］利用来源于89个国家11个种的1352份辣椒种质，基于28个SSR分子标记信息，构建了包含332份辣椒种质的核心种质。2015年，Mongkolporn等［39］基于10个SSR位点，对230份辣椒种质进行了遗传多样性分析，筛选出28份具有代表性的辣椒种质,构成了核心种质。2016年，Lee等［36］利用48个SNPs对来源于97个国家11个种的4652份辣椒种质资源进行了遗传多样性和群体结构分析，结合32个表型性状数据，构建了包含240份辣椒种质的核心种质‘CC240’。

我国辣椒育种工作进展较快，但是核心种质的构建起步较晚。2015年，何建文等［40］针对90份典型贵州地方辣椒种质和7份省外种质，利用SSR分子标记遗传变异信息，比较分析利用不同遗传距离和抽样方法构建了辣椒的核心种质库，最终在欧氏距离下，按10%比例进行抽样，采用多次聚类随机取样法取样、最短遗传距离法进行聚类分析，从97份辣椒种质中筛选得到9份核心种质。2016年，中国农科院蔬菜花卉研究所利用29个SSR分子标记针对我国蔬菜种质资源库中的1904个辣椒种质资源进行了分析，构建了包括334份种质的核心种质并对其进行了鉴定和评价［4，32］。2017年，吴茵［41］利用21对多态性丰富的SRAP引物对512份辣椒种质进行了分析，构建了288个样品的初级核心种质；进一步利用65对SSR标记对初级核心种质进行压缩，构建了包含200个样品的辣椒核心种质。2019年，谭放军等［42］利用98份辣椒种质，根据叶绿体trnH-psb A序列欧式距离得到的聚类分析结果，结合7个重要的农艺性状，筛选获得了31份核心种质，应用于育种生产。

3 存在问题及展望

上文分析了近20年来辣椒核心种质构建的研究进展，近10年来利用分子标记技术进行核心种质构建进入到快速发展阶段，通过对国内外研究比较发现，我国在辣椒核心种质构建方面仍存在一些问题，有待进一步改进。

（1）我国构建的辣椒核心种质数量较少且质量有待进一步提高。虽然在表型和分子水平方面对我国现有辣椒资源进行了大量研究，但是遵循科学方法进行核心种质构建的研究不多。目前报道的仅有中国农业科学院蔬菜花卉研究所、海南大学和江西农业大学基于SSR标记利用我国部分辣椒资源构建了核心种质［4，27，42］。相对于法国和韩国，我国所用种质资源主要为C. annuum种，大部分为我国20世纪80年代收集的地方品种或项目组自有的育种材料，来源地单一，缺乏其他栽培种及野生种的资源材料。同时，所用标记仍为第二代的SSR分子标记，相对于第三代的SNP标记，遗传信息鉴定的精准度不足。

（2）构建完成的核心种质利用率不高。核心种质的实质是该物种的基因库，从中挖掘与利用优质基因（高产、优质、抗病虫和抗逆基因）是构建核心种质的重要目标之一。利用重测序深度解析核心种质的遗传信息，挖掘优异基因是最为高效和精准的方法。但是由于辣椒基因组过大，重测序成本偏高，很多构建完成的核心种质无法利用该技术进行深入研究。大部分科研单位构建的核心种质处于闲置状态，无后续利用的相关文献和报道。

针对以上问题，笔者认为可以从以下几个方面进行提高和改进：（1）应引进和收集其他种的辣椒材料，开发辣椒野生资源，扩大种质资源的遗传范围；（2）借鉴国外辣椒核心种质研究的经验和成果，加强对外合作交流，进行种质材料的引进和技术交流；（3）国内各单位加强合作，集中种质资源，建立有针对性的核心种质，满足科研和育种对不同类型资源的需求；（4）以构建完成的高质量核心种质为基础，加强单位间分工合作，共同开发利用核心种质数据，健全资源分发和数据共享体制，减少各单位的重复工作，减少人力和财力的浪费，以保障种质资源利用渠道的畅通。