薛應(yīng)鈺,師桂英,徐秉良＊ ,陳榮賢

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)),甘肅 蘭州730070;2.甘肅省作物遺傳改良與種質(zhì)創(chuàng)新重點實驗室,甘肅蘭州 730070;3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,甘肅 蘭州730070;

4.甘肅省武威金蘋果有限責(zé)任公司,甘肅 武威733000)

南瓜(Cucurbita)是一年生草本爬蔓植物,屬葫蘆科(Cucurbitaceae),南瓜屬。南瓜原產(chǎn)于中、南美洲,是人類最早栽培的古老作物之一,也是世界蔬菜中變異最大,色彩最為豐富的種類,它對環(huán)境的適應(yīng)性強,容易栽培,世界各地均有種植,其栽培面積以亞洲最多,其次為歐洲和南美洲[1]。其富含胡蘿卜素、維生素C、核黃素及鈣、鎂、鐵等微量元素,并含有較多的粗纖維,對通便、抑制腸內(nèi)病菌和致病物質(zhì)有良好的作用,它既是良好耐貯蔬菜,又是優(yōu)質(zhì)高效飼料[2]。裸仁美洲南瓜(Cucurbita pepo)是自然界一種罕見的突變類型,最早在19世紀后期發(fā)現(xiàn)[3,4]。與普通南瓜相比,其瓜籽無殼,食用方便,種子含有大量的脂肪、蛋白質(zhì)、碳水化合物及鈣、磷、鐵、鋅、硒、鎂、鈉等8種主要的微量元素,VB1、VB2、VC、VH、VF等多種維生素和8種人體必需的氨基酸,營養(yǎng)豐富而享譽國內(nèi)外市場,成為我國的一種稀有產(chǎn)品[5]。同時,以裸仁南瓜為基料,添加一些輔助成分制成的奶牛專用飼料,營養(yǎng)素全面,熱量也很低,幾乎不含淀粉質(zhì),是理想的補充型飼料,可以幫助解決奶牛所需的蛋白質(zhì),同時減少對高熱量的豆類的攝入,降低熱量,延長奶牛壽命,增加產(chǎn)奶量和牛奶濃度,在奶牛飼料的制作中有重要意義[6]。

甘肅省河西地區(qū)具有栽培南瓜的優(yōu)越地理生態(tài)氣候條件,武威市位于河西走廊東端,是甘肅省主要的瓜類生產(chǎn)基地[7]。甘肅省民勤縣位于甘肅河西走廊東端北側(cè)石羊河下游,海拔1 000～1 400 m,屬中溫帶干旱區(qū),大陸性沙漠氣候,年均降水量110mm,年水面蒸發(fā)量達2 640mm,平均相對濕度45%,濕潤系數(shù)0.06[8],被譽為沙漠深處的綠色寶石[9]。該地光照豐富,熱量充足,晝夜溫差大,土壤沙質(zhì),極有利于農(nóng)作物的生長發(fā)育,是發(fā)展瓜類的理想生產(chǎn)基地。裸仁美洲南瓜是當(dāng)?shù)刂匾慕?jīng)濟作物,也是出口創(chuàng)匯的主要農(nóng)產(chǎn)品。但是,近年來,裸仁美洲南瓜育種和生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了品種少、產(chǎn)籽量低、種子無殼率不穩(wěn)定、純合性不好、瓜籽小以及飽滿度不夠和綜合商品性狀不高等問題[10],成為限制裸仁美洲南瓜種質(zhì)創(chuàng)新和大規(guī)模生產(chǎn)的一個瓶頸問題。而雜交育種是植物遺傳改良中常用的技術(shù)策略,利用性狀差異明顯的親本進行雜交育種是選育高產(chǎn)、優(yōu)良品種的重要途徑[11]。因此,研究美洲南瓜的裸仁現(xiàn)象,揭示其遺傳規(guī)律,對指導(dǎo)南瓜育種,改良品質(zhì),拓寬裸粒品種資源具有重要意義。本試驗以武威金蘋果有限責(zé)任公司培育而成的6個美洲南瓜自交系為材料,進行了裸仁美洲南瓜種皮性狀遺傳規(guī)律的研究,為有效地開展裸仁美洲南瓜雜交育種、良種繁育及獲取南瓜種質(zhì)資源創(chuàng)新材料提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于民勤縣縣城東北部泉山鎮(zhèn),甘肅省武威金蘋果有限責(zé)任公司試驗基地。該區(qū)面積為20.01 km2,土地以沙土為主,氣候干燥,晝夜溫差大,降水均勻,日照時間長,四季分明。平均海拔1 367 m,年均降水量155.8mm,年均氣溫9.5℃,全年無霜期163 d。年平均相對濕度45%,年日照時數(shù)3 289 h。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 試驗材料 美洲南瓜高代自交系:有殼04FC 409-4(A)、03N-122-19(B)、04LAg-26-2(C)和無殼04GD112-7(a)、1N-275-7(b)、04LAg-26-28(c),均是穩(wěn)定的自交系,由甘肅省武威金蘋果有限責(zé)任公司提供。雜交組合的配置見表1。

1.2.2 研究方法 試驗地為土層厚、疏松、有灌溉條件的沙質(zhì)土壤。試驗分4個年度進行,2006年,種植上述6個親本材料各60株,在人工隔離條件下進行親本自交和正、反交組配,獲得正、反交的 F0材料;2007年將獲得的6份正、反交F0材料種植40株,在同樣隔離條件下進行自交,獲得F0的自交材料F1;2008年,種植6個親本各30株、2007年獲得的正交后代F1材料各40株,進行自交和回交,獲得F1代材料的F2和回交材料BC1、BC2;2009年,將6個親本及其各世代材料同時播種,親本及F1各種植35株,BC1、BC2種植約 150株,F2種植約250株。試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計,即將雜交、回交后代群體及親本進行小區(qū)隨機排列,3次重復(fù)。小區(qū)為3行區(qū),行長10 m,行距1.0 m,株距0.35 m,小區(qū)面積13 m×4 m。栽培管理按常規(guī)方法進行。于果實成熟后采收種瓜,刨出瓜籽,觀察種皮性狀的表現(xiàn),應(yīng)用遺傳學(xué)原理分析不同世代種皮性狀的分離比例,并進行χ2適合性測驗。

表1 美洲南瓜試驗材料的雜交組合配置Table 1 The hybrid combinations preparation of C.pepo parents

2 結(jié)果與分析

2.1 親本自交后代種皮性狀的表現(xiàn)

2006年對6個親本A、B、C、a、b和c材料各30株分別進行自交,結(jié)果表明,有殼親本A、B和C自交后,其子代群體共90株的種皮均表現(xiàn)為有殼;無殼親本a、b和c自交后,其子代群體共90株的種皮均表現(xiàn)為無殼。

2.2 F0代種皮性狀的表現(xiàn)

本試驗用A、B 和C作母本,以a、b和c作父本進行正、反交組合,即A ×a、B×b、C×c、a×A 、b×B和 c×C共6個雜交組合獲得的180株F0代植株,其種皮統(tǒng)計結(jié)果(表2)表明,所有的F0都表現(xiàn)為母本種皮的性狀,即以有殼親本作為母本進行正交的3個雜交組合,其90株的后代F0種皮為有殼;以無殼親本作為母本進行反交的3個雜交組合,90株的后代F0種皮為無殼。這是由于被子植物的種皮由母本珠被發(fā)育而來,因此種皮的染色體數(shù)目、基因型與母本一致,而與父本無關(guān)。同時當(dāng)年長出的種皮并不是子一代的種皮,而是母本的種皮性狀,子一代的種皮為把種子種下去再結(jié)出來的種子的種皮,因此,此時觀察到的種皮性狀還是親本的種皮性狀。

2.3 F1代種皮性狀的表現(xiàn)

結(jié)果表明(表3),用A×a、B×b、C×c 3個雜交組合(正交)其F1代群體共120株的種皮均表現(xiàn)為有殼,沒有出現(xiàn)無殼種子;同樣以a×A、b×B和c×C 3個雜交組合(反交)各40株自交所得的F1代種皮性狀都表現(xiàn)為有殼,也沒有出現(xiàn)無殼種子,說明供試美洲南瓜材料種皮的遺傳表現(xiàn)是有殼對無殼為顯性。同時,正、反交F1代的種皮性狀表現(xiàn)一致,說明美洲南瓜種皮遺傳是受核基因控制的。

表2 美洲南瓜雜種F0種皮遺傳觀察結(jié)果Table 2 Results of seed coat in hybrid F0generation of C.pepo

表3 美洲南瓜雜種F1種皮遺傳觀察結(jié)果Table 3 Results of seed coat in hybrid F1generation of C.pepo

2.4 F2代種皮性狀的表現(xiàn)

結(jié)果表明(表4),A×a、B×b、C×c、a×A 、b×B和 c×C 6個雜交組合共 1 474株的F2代群體均發(fā)生了分離,出現(xiàn)了有殼(1 102株)和無殼(372株)2種性狀,6個組合的有殼植株數(shù)依次為184,171,190,180,188和189株,無殼植株數(shù)依次為56,63,60,66,68和59株,其有殼、無殼分離比率分別為3.29∶1,2.71∶1,3.17∶1,2.73∶1,2.76∶1和3.20∶1。分別對其進行χ2適合性測驗,其χ2值分別為0.272 2,0.364 7,0.085 3,0.346 9,0.255 2和0.134 4,均小于χ20.05=3.84,由此推斷,其 F2代有殼、無殼性狀分離符合3∶1分離比率,說明有殼性狀的遺傳受1對顯性核基因控制;有殼對無殼為顯性。

表4 美洲南瓜雜種F2種皮的分離表現(xiàn)Table 4 Separated results of seed coat in hybrid F2generation of C.pepo

2.5 回交后代種皮性狀的表現(xiàn)

為了進一步驗證美洲南瓜種皮的遺傳規(guī)律,觀察了6個組合分別與其父、母本回交的種皮分離比率?；亟蝗后wBC1,即以A×a、B×b、C×c作母本,有殼親本A、B、C作父本配置的(A×a)×A、(B×b)×B和(C×c)×C三個雜交組合;以a×A、b×B、c×C為母本,有殼親本A、B、C為父本配置的(A ×a)×a、(B×b)×b和(C×c)×c三個雜交組合,共6個回交組合所得的后代群體885株均表現(xiàn)為有殼(表5)。

回交群體BC2,即以A×a、B×b、C×c作母本,與無殼親本a、b、c作父本進行回交時配置的3個雜交組合(A×a)×a、(B×b)×b和(C×c)×c,所得的回交后代群體均表現(xiàn)為有殼和無殼的分離,有殼植株數(shù)依次為65,83和69株,無殼植株數(shù)依次為86,67和83株,其有殼、無殼分離比率分別為0.76∶1,1.24∶1和0.83∶1,經(jīng)用1對等位基因遺傳的適合性測驗,得出其χ2值分別為2.649 0,1.500 0和1.111 8,小于說明其分離比率符合1∶1。同樣,以a×A 、b×B、c×C 為母本,與無殼親本a、b、c作父本進行回交時配置的3個雜交組合(a×A)×a、(b×B)×b和(c×C)×c,所得的回交群體后代同樣表現(xiàn)為有殼和無殼的分離,有殼植株數(shù)分別依次為60,84和70株,無殼植株數(shù)依次為84,75和76株,其有殼、無殼分離比率分別為0.71∶1,1.12∶1和 0.92∶1,經(jīng)用1對等位基因遺傳的適合性測驗,得出其χ2值分別為3.673 6,0.402 5和0.171 2,小于說明其分離比率符合1∶1;此結(jié)果進一步說明了供試美洲南瓜的種皮遺傳并不受細胞質(zhì)影響,而是受細胞核的1對基因所控制,其中有殼對無殼表現(xiàn)為顯性。

表5 美洲南瓜回交BC1、BC2種皮的分離表現(xiàn)Table 5 Separated results of seed coat in back cross generations of C.pepo

3 討論

無殼裸仁南瓜是南瓜屬中國南瓜和美洲南瓜種中存在的種子無硬殼而具暗綠、灰綠或翠綠種膜的變異品種。目前,在歐美市場已經(jīng)取代人工剝殼的南瓜籽仁而被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工等行業(yè),年需求量呈迅速增長趨勢。但是作為天然裸仁南瓜籽仁的發(fā)源地、開發(fā)地、優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品生產(chǎn)地的甘肅來說,尤其是民勤,由于可供選擇的品種單一、品種退化嚴重等原因播種面積呈逐年下降趨勢。因此,進行裸仁美洲南瓜種皮遺傳規(guī)律的研究有著極其重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

植物的種皮是由珠被發(fā)育而來。種皮是植物體保守性較強的器官,其形態(tài)性狀和解剖構(gòu)造一般不容易受外界環(huán)境的影響而發(fā)生形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變。其形態(tài)和結(jié)構(gòu)是在長期自然進化過程中形成的,是受基因控制的穩(wěn)定性狀,受環(huán)境影響較小,可作為分類的重要依據(jù)[12]。種皮具有保護種胚和萌發(fā)時吸收水分的作用,對種子萌發(fā)和休眠有一定的抑制作用[13]。前人對植物種皮遺傳的報道,目前多集中在油菜(Brassica napus)、花生(Arachis hypogaea)、黑米(Oryza sativa)和小麥(Triticum aestivum)等作物的種皮顏色性狀遺傳方面,而且不同的作物其種皮顏色遺傳特點不盡相同。劉志文等[14]對黃籽油菜(yellow-seeded Brassica napus)進行遺傳分析發(fā)現(xiàn)黃籽性狀主要由1對加性-顯性主基因控制,同時存在多基因作用和具有母性遺傳特性,并且受環(huán)境影響較大;嚴明理等[15]以四川黃籽油菜和紫葉芥(Brassica j uncea var.atropurpurea)為材料,研究了芥菜型油菜種皮的遺傳,結(jié)果表明,紫葉芥種皮的黑色對四川黃籽的黃色為顯性,種皮顏色是由2對獨立基因控制。胡曉輝等[16]認為花生種皮顏色的差異受1對不完全顯性的主效基因控制;Branch[17]則認為花生種皮深紅色遺傳至少由1對或2對隱性純合基因w1w1和w2w2控制。陳廷文[18]認為稻谷黑米種皮黑色素沉積性狀表現(xiàn)受1對顯性色素基因控制,存在加性、顯性和上位性效應(yīng)。姚金保等[19]認為青海黑小麥黑種皮對紅種皮和白種皮呈顯性,黑種皮受2對顯性互補基因控制。

有關(guān)南瓜種皮的遺傳研究報道相對較少,早期認為南瓜種子種皮的表面和邊緣分別受“H”和“N”基因控制[20];Robinson等[21]和Stuart[22]認為無殼種子的形成是受1個隱性基因和幾個修飾基因控制。20世紀80年代,周祥麟[23,24]以中國南瓜為試驗材料,認為裸仁種子性狀為隱性,與有殼種子雜交后代全有殼,側(cè)交則出現(xiàn)1∶1的分離。本研究結(jié)果表明,有殼種皮的遺傳在F1為顯性,F2的分離有殼對無殼呈3∶1,無殼受1對純合隱性基因的控制,屬于質(zhì)量性狀遺傳。這與Stuart[22]、周祥麟[23,24]、張仲保[3]的研究結(jié)果一致。但是Stuart[22]和張仲保[3]在試驗過程中選擇的雜交組合較少,而且群體較小;周祥麟[23,24]的研究一方面不系統(tǒng),另一方面,試驗材料是中國南瓜(C.moschata)。

Teppner[4]認為,種皮性狀的遺傳是由1個主效基因和9個微效基因控制[4]。本研究發(fā)現(xiàn)有殼和無殼雜交F2和BC1、BC2群體中除兩親本種皮類型外,還出現(xiàn)從無殼到有殼的一系列半殼或薄殼的中間類型的單株(圖1,2,3),尤其有殼類型的單株呈無殼至有殼的連續(xù)分布(本試驗在分類歸類時將其統(tǒng)一歸為有殼),這種現(xiàn)象一方面可能是種子成熟度對種皮形成表達的影響,另一方面也說明種皮的形成除受1對主基因控制外,可能也有修飾基因作用。

圖1 美洲南瓜種子無殼性狀Fig.1 Hull-less testa seed of C.pepo

圖2 美洲南瓜F2種子出現(xiàn)的過渡類型Fig.2 A sample of seeds which exhibit residual lignification in F2progenies segregants

圖3 美洲南瓜種子有殼性狀Fig.3 Hulled testa seed of C.pepo

4 結(jié)論

通過對3個有殼美洲南瓜自交系 04FC409-4、03N-122-19、04LAg-26-2和 3個無殼美洲南瓜自交系04GD112-7、1N-275-7、04LAg-26-28的正交、反交和回交試驗及統(tǒng)計分析,明確了美洲南瓜種皮性狀的遺傳規(guī)律,美洲南瓜種皮的有殼與無殼受1對核基因控制質(zhì)量性狀,有殼對無殼為顯性。

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