冬瓜果肉叶绿素含量遗传分析

苟纪权，苏丽文，程志魁，黄小春，吴雯婷，吕海旋，刘政国

（广西大学农学院，南宁 530001）

0 引言

冬瓜(Benincasa hispida)原产于中国的南部和东南亚、印度等地区，在亚洲的热带、亚热带及温带地区都有分布[1]。作为国内重要的蔬菜种类，冬瓜能够调节蔬菜淡季、保证蔬菜周年供应。果肉颜色是消费者选择的一个重要性状，也是育种的一个关键性状[2]。果蔬的绿色主要来源于叶绿素[3]，冬瓜果肉颜色一般为白色，绿色果肉是冬瓜中的稀有资源，果肉中叶绿素含量越多，果肉绿色越深。黄瓜绿色果肉的形成可能是由于果实发育过程中叶绿素的积累，叶绿素含量较高的黄瓜通常来自高纬度地区，合理的解释是，高纬度地区的光照时间较长，可以维持较长的光合作用并改善叶绿素合成[4]。在甜瓜中，叶绿素和类胡萝卜素的积累使甜瓜具有白色、绿色、橙色的果肉[5]。Galpaz等[6]通过QTL分析确定了一个候选白肉基因(CmPPR1)，该基因是决定甜瓜果肉颜色的2个主要基因座之一，CMPPR1编码五三肽蛋白(PPR)家族的一员，参与质体中RNA的加工，类胡萝卜素和叶绿素色素在质体中积累。

叶绿素含量是未成熟果实的一个重要特征，影响成熟果实的营养成分和风味[4]。肉质果实的光合作用占水果总碳水化合物的20%[7-8]。未成熟果实的叶绿体发育和叶绿素含量的增加提高了它们的光合作用能力，导致淀粉的积累更大[9-11]。此外，未成熟水果的淀粉含量与成熟水果中的糖含量呈正相关，通过影响营养价值和风味直接影响水果质量[12]。因此，叶绿体发育和未成熟果实的碳水化合物状态会影响成熟果实的组成和质量。此外，叶绿素及其各种衍生物在传统医学中具有悠久的使用历史[13]，具有抗胆固醇、预防便秘等功效[3]。研究表明叶绿素铜钠(SCC)具有愈合伤口[14]、抗炎特性[15-16]等功效，高叶绿素饮食与降低人类结肠癌的风险有关[17]。

目前，关于叶绿素含量的遗传规律已在黄瓜、苦瓜、白菜等作物中报道。孙小镭等[18]探究黄瓜果皮中的叶绿素遗传规律，表明黄瓜果皮中的叶绿素含量的主基因中加性效应明显，多基因显性效应明显。在烤烟[19]、苦瓜叶片[20]、不结球白菜[21]叶绿素含量遗传分析中发现，性状是由1对加性-显性主基因+加性-显性-上位性多基因调控，表现出较高的主基因遗传率，同时也受到环境的影响，因此，在育种过程中需要考虑环境影响因素。在番茄[22]、玉米[23]、水稻[24]中也同样进行了叶绿素含量的主基因和多基因的作用效应探究，而目前在冬瓜果肉叶绿素含量的遗传研究方面还未见报道[24]。

笔者利用果肉颜色差异明显的2个冬瓜自交系杂交得到F1，F1自交得到F2，分析冬瓜果肉中叶绿素的主基因和多基因的遗传效应，以期揭示叶绿素含量在冬瓜果肉中的遗传机制，探究其在遗传规律中主基因和多基因的遗传效应，为冬瓜果肉颜色的基因定位和品种改良提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以广西大学农学院刘政国课题组保存的LT-1和LT-2为亲本（图1），LT-1为母本(P1)，LT-2为父本(P2)杂交得到了F1世代群体，F1自交得到F2世代群体。LT-1的果肉为白色，LT-2的果肉为绿色。

图1 亲本LT-1、LT-2

1.2 田间试验设计

2020年8月种植母本LT-1、父本LT-2、F1各12株，F2群体200株，四代群体种植于露天大田，田间根据冬瓜生长期规律管理，搭架栽培，前期及时去侧蔓，保留主蔓，保证水肥充足，每株保留3个冬瓜果实，作为3次重复。

1.3 叶绿素含量测定

选取母本(P1)8株、父本(P2)7株、F1群体7株、F2群体194株，在每一植株选取3个生长发育正常的嫩瓜（15天），即为3次重复；然后在冬瓜的果实果肉中间部位选取3块冬瓜果肉测定果肉中叶绿素含量。

参照李合生[25]的叶绿素含量的测量方法，利用乙醇萃取法，称取1 g果肉浆液，加入10 mL乙醇溶液，在波长为665、649 nm下测定溶液的吸光度值。

1.4 遗传模型分析

运用主基因+多基因混合遗传分析[26]方法，计算出每一遗传模型的各参数值，根据最优模型的选择原则选出最优模型，并对最优模型的参数进行分析[27]。

1.5 数据分析

利用Excel 2019和SPSS 18软件对冬瓜4个世代群体的果肉叶绿素含量进行统计分析，绘制频次分布图。

2 结果与分析

2.1 四世代群体的叶绿素含量统计及F2代群体频次分布

由图2可以看出，亲本P1和P2叶绿素含量差异显著，低叶绿素含量的亲本P1的果肉颜色呈现白色，高叶绿素含量的亲本P2的果肉颜色呈现绿色，再一次证明叶绿素是绿色果肉形成的重要因素。对4个世代群体叶绿素含量的统计分析见表1。F1世代叶绿素含量在高值亲本和低值亲本叶绿素含量之间，但未达到两亲本的平均值，说明高值叶绿素对低值叶绿素表现出了不完全显性。F2群体叶绿素含量分离范围为0.55～7.45 μg/g，分离范围较大且各植株间的差异呈极显著差异，说明群体的分离程度大，从F2群体的叶绿素含量频次分布图（图3）可以看出，叶绿素含量主要集中在0.8 μg/g附近，集中分布在P1的叶绿素含量值附近，并向两侧逐渐减少。此外叶绿素含量在F2分离世代中表现为双峰偏正态分布，说明该性状属于数量性状，可对其主基因和多基因的遗传规律进行探究和分析。

图2 亲本与杂交一代的冬瓜果肉叶绿素含量统计

表1 4个世代群体冬瓜果肉叶绿素含量的基本参数

图3 F2代冬瓜果肉叶绿素含量的频次分布

2.2 各遗传模型参数计算和分析

运用主基因+多基因的混合分离分析方法，分析在冬瓜果肉中叶绿素含量，分析得出每一遗传模型的极大对数似然值和AIC值（见表2）。其中对各遗传模型的AIC值进行分析，得到3组AIC值最小遗传模型作为候选模型。冬瓜果肉叶绿素最小的3个AIC值分别为691.691、688.09、692.566，其对应的遗传模型分别为MX2-AD-AD、MX2-ADI-AD、MX2-EAD-AD，选择这3个遗传模型作为候选最适模型。进一步对这3个候选最适模型做适合性检验，结果见表3。MX2-ADIAD模型达显著差异水平的统计量最多，为2项，而MX2-AD-AD、MX2-EAD-AD模型为0项。根据AIC值最小结合显著差异水平的统计量少，从而选择MX2-AD-AD作为冬瓜果肉中叶绿素含量的最优模型，即表现由2对加性—显性—上位性主基因+加性显性多基因遗传模型控制。

表2 遗传模型的参数统计

表3 MX2-AD-AD、MX2-ADI-AD、MX2-EAD-AD模型的适合性检验

2.3 最优模型MX2-AD-AD遗传参数估计

由表4可得，一阶遗传参数中，第1对主基因的加性效用为-1.477，第2对主基因的加性效用为-0.835，且这2对主基因的加性效应值都为负值，起到了减效作用，同时第1对主基因的加性效应绝对值大于第2对主基因加性效应的绝对值，表明在加性效应中，第1对主基因占主导地位。经计算2对主基因的显性度ha/da、hb/db分别为0.99、0.856，显性度均小于1，但2对主基因的显性度接近1，说明2对主基因在控制冬瓜果肉叶绿素遗传中的加性效应和显性效应同样占重要地位，均为负值，起减效作用。多基因的加性效应[d]为-0.514，加性效应值都为负值，起到了减效作用，显性效应[h]为0.722，多基因显性度[d]/[h]绝对值小于1，说明多基因主要以加性效应为主。

表4 最佳模型的遗传参数

从二阶遗传参数中得出，叶绿素含量的主基因遗传率较高，为82.1%，多基因遗传率为0%，说明冬瓜果肉中的叶绿素含量受主基因的影响较大，同时也受到环境的影响，因此在选择育种中应选择高世代，注意在种植过程中对环境的调控，保证育种目的的实现。

3 结论与讨论

当前主基因+多基因的分析方法已经应用于冬瓜的种子、果形、枯萎病的遗传规律研究中。冬瓜的种子千粒重主基因和多基因的加性效应占主导地位，因此在对种子千粒重进行选择育种时，需注重加性效应的利用[28]。在冬瓜枯萎病中同样是以隐性多基因的加性效应为主导地位，表型中感病对抗病为部分显性，且起减效作用[29]，在冬瓜果形指数、横径、纵径之间的相关性显著，且都以主基因遗传为主，育种过程中可在早世代进行选择[30]。另外，该主基因加多基因遗传分析方法也成功运用于其他作物的性状遗传分析上，如烟草的株高[31]和青枯病抗性[32]、小麦穗部性状[33]、辣椒果皮颜色[34]。因此利用该分析方法可对作物数量性状进行遗传分析，为选择育种提供理论借鉴。

目前，关于冬瓜绿色果肉的遗传研究还未见报道。本研究利用绿色果肉和白色果肉纯和自交系构建了P1、P2、F1、F24代遗传群体，探究叶绿素的遗传规律，发现F2群体叶绿素含量的分布符合双峰偏正态分布，符合数量性状的特征，存在明显的主基因遗传。本研究结果表明，冬瓜果肉叶绿素含量受2对加性—显性—上位性主基因+加性显性多基因遗传模型控制，此结果与玉米叶片叶绿素含量相同[35]，与此类似的是在黄瓜嫩果果皮叶绿素含量[36]和水稻苗期叶绿素含量[37]，都是受到2对主基因和多基因共同控制。

本研究结果表明，在瓜果肉叶绿素含量的遗传中，其主基因的加性效应表现明显，F2世代的主基因遗传率高达82.0696%，说明该性状的遗传变异受到主基因的控制较大，在选育过程中应在早世代中选择育种，同时注意环境的影响。翟英等[38]以绿色和紫色番茄植株为亲本，构建了6个遗传群体，即P1、P2、F1、BC1、BC2和F2，通过数量性状的多代联合分析研究果实颜色和色素含量的遗传规律，其中叶绿素的遗传模型为MX1-AD-ADI，F2的主基因遗传率为59%，多基因的遗传率均为0%，与本研究的冬瓜果肉叶绿素的遗传特点相似，而与此相反的是，在黄瓜幼苗叶片光照不足的情况下，其叶片中叶绿素含量中的微效多基因起到主导作用，环境的影响不可忽略，因此不适宜进行早代选择[39]。本研究首次利用果肉叶绿素含量具有明显差异的高代纯合自交系构建了4个世代分离群体，进行了主基因＋多基因遗传分析，研究结果为冬瓜绿色果肉的选育提供了一定的参考。但本研究只在一种环境下对一个群体进行了研究，具有一定的局限性，在今后的研究中应采用多环境多群体联合分析，以获得更准确的数据。此外，在遗传分析的基础上利用下一代测序技术，对控制冬瓜绿色果肉颜色基因进行精细定位，开发与其紧密连锁的分子标记。