苦瓜种质资源的研究与利用

万新建　李作善　缪南生等

摘 要:对苦瓜种质资源的搜集、分类与遗传多样性分析、主要性状遗传规律及其相关性、功能基因的克隆、组织培养、营养及药用价值与利用等的研究进展进行了综述,并对今后苦瓜的研究方向进行了展望。

关键词:苦瓜;种质资源

苦瓜(Momordica charantia L.)又名凉瓜,是葫芦科苦瓜属蔓性一年生草本植物,我国南北各地均有栽培,尤以华南及长江流域栽培较多。苦瓜的营养价值很高,其嫩果中含有丰富的矿物质、氨基酸和多种维生素,其中,维生素C的含量在瓜类蔬菜中最高。此外,苦瓜具有神奇的药用保健价值,近年来,人们从其种子、果实、叶子中分离提取的多种活性成份,具有降低血糖、抗病毒、抗肿瘤、广谱抗菌和提高人体免疫力等功效。基于人们对苦瓜药食兼用双重功效的深入认识,市场对苦瓜的需求量逐年提高,栽培面积逐年扩大,人们对苦瓜的研究也日渐

深入。

1 种质资源的搜集

苦瓜起源于印度热带地区,广泛分布于热带、亚热带和温带地区,在印度、日本和东南亚栽培历史悠久,南宋时传入我国,在我国已有几百年的栽培历史。经过长期的训化、自然杂交和人工选择,苦瓜形成了丰富的品种和类型。20世纪50年代以来,我国曾两次对蔬菜种质资源进行了大规模的考察和搜集工作,大部分省市陆续编写出版了地方品种志,其中介绍了各地苦瓜品种的特征特性。根据戚春章[1]报道,至1997年,我国入库保存的苦瓜种质资源有177份,主要分布在广东、广西、福建、湖南、江西、四川、贵州等省,其中,有名的优良地方品种有江西的扬子洲苦瓜、吉安长苦瓜,湖南的蓝山大白苦瓜、株州长白苦瓜、海参苦瓜,四川的成都大白苦瓜、汉中长白苦瓜,重庆草白苦瓜,云南玉溪苦瓜,贵州独山白苦瓜,广东的滑身苦瓜、江门大顶苦瓜,福建的永安大顶苦瓜,北京白苦瓜以及黑龙江白苦瓜等。长期以来,由于我国各地对苦瓜的消费习惯不同,不同地区栽培的苦瓜品种存在明显地域性,一般绿色果皮类型苦瓜以华南栽培较多,而长江流域及台湾地区以栽培白色和绿白色果皮苦瓜为主。

2 基础理论研究

2.1分类及遗传多样性分析

我国苦瓜资源丰富,品种类型多样,具有广泛的遗传变异基础,果实的形状、大小、色泽以至种子的颜色和形态都有很大差异。苦瓜的分类,依采收期果实果皮的颜色可分为绿色、绿白色和白色3种类型,依果实形状可分为长棒形、纺缍形和圆锥形3类,依果皮瘤状突起又可分为条形瘤、粒瘤、条粒瘤相间及剌瘤四种,根据果实大小有大型苦瓜和小型苦瓜之分,大型苦瓜果长15~85 cm,横径5~14 cm,单瓜重250~800g,小型苦瓜如广东的一种野生苦瓜[2],果长仅6cm,横径4cm,单瓜重40g。根据苦瓜种子的颜色分为淡黄色和黑色两种,种子千粒重大的有250g,小的仅50g。从熟性上来看,苦瓜分早熟、中熟和晚熟3种类型,在同等条件下,其始收时间可相差15天以上。

除了传统的依据植物学性状对苦瓜进行分类,分子标记技术的发展,为品种间的亲缘关系的研究提供了有力的技术手段。温庆放[3]以不同来源的24份苦瓜材料为试验材料,运用RAPD技术分析其遗传多样性,以检测具有不同植物学性状的苦瓜材料之间的亲缘关系,利用12条引物共扩增出79条带,多态性带的比例为70.89%,聚类分析显示,在遗传距离为0.343时,可将供试材料聚成3大类群。张长远[4]则应用RAPD分子标记对国内外的45个苦瓜栽培品种进行了聚类分析,实验结果将45个苦瓜品种分成滑身苦瓜和麻点苦瓜2大类,并建立了品种的遗传性状图,弄清了品种之间的亲缘关系及其系统关系。

2.2遗传分析

2.2.1性状遗传规律及相关性分析。通过对种质材料进行遗传分析,了解资源材料的利用价值,明确利用的方法,是种质资源研究的一项重要内容。胡开林[5]对苦瓜的果色遗传规律进行了研究,以绿色自交系和白色自交系为亲本,进行正交和反交,再用F1自交和回交,通过对比分析亲本、F1代、F2代及杂种回交世代的颜色表现,认为苦瓜商品果实颜色的遗传属于质量性状,受一对核基因控制,绿色对白色表现为显性,同时,针对F1代和回交后代的部分果实所表现的绿色较亲本自交系稍浅的现象,提出了两种可能,一是绿色对白色表现为不完全显性,二是控制苦瓜果实颜色除主效基因外,还有修饰基因的存在。为苦瓜开展果色的品质育种提供了依据。张长远[6]利用滑身苦瓜和大顶苦瓜为材料,通过杂交、自交和回交等手段,构建6个世代群体对果长的遗传效应进行了研究,结果表明,苦瓜果长遗传是属受多基因控制的数量性状遗传,控制果长的最少基因数目为5对,果长性状遗传效应符合加性—显性遗传模型且以加性效应为主,加性效应占总遗传成分的98.6%,显性方差所占分量极少,属不完全显性。据此提出了开展苦瓜果长的品质育种宜采用杂交育种方法的思路。刘政国[7]对苦瓜叶长、茎粗、节间长3个主要植物学性状的遗传分析表明,叶长不符合加性—显性遗传模型,其加性效应比显性效应重要,狭义遗传力为0.1694,而茎粗和节间长符合加性—显性遗传模型,狭义遗传力分别为0.6418和0.3679。

薛大煜[8]对湖南省35份苦瓜地方品种的14个主要性状进行了相关分析,认为苦瓜熟性与第一雌花节位及果实发育有关,第一雌花节位低,果实发育快,熟性则早。在丰产性上,单株产量与果长、单果重及单株早期产量呈极显著正相关,而与单株果数相关不显著,据此提出了加强第一雌花节位及单果重等性状选择的苦瓜育种思路。张长远[9]则提出了不同观点,认为在苦瓜的丰产性选育中,应重点对结果数、延收期、单瓜质量3个性状进行选择,其中结果数是丰产性选育的首选性状。高山[10]进一步对苦瓜产量及其相关性状的配合力和遗传力进行了研究,结果表明,雌花开花期、雌花率、单株结瓜数、前期产量、总产量5个性状的广义遗传力和狭义遗传力都较高,在苦瓜亲本的选育时宜早代选择,第一雌花节位和瓜长遗传力较低,可通过选择遗传力高的性状间接地获得理想的表现型,肉厚性状则非加性遗传的作用较突出,受环境及栽培条件的影响较大。以上研究,为苦瓜新品种的选育提供了理论依据,在一定程度上可提高苦瓜育种的可预见性,减少目标性状选择的盲目性。

此外,栗建文[11]对苦瓜白粉病抗性遗传规律进行了研究,结果表明,苦瓜对白粉病的抗性受2对以上核基因控制,表现数量性状遗传特点,抗病相对感病为不完全隐性,两对主基因的狭义遗传力较高,以加性效应为主。提出在进行抗病育种时,应首先利用加性效应,通过系统选育或与抗病亲本轮回,逐步累加抗性基因,使双亲均抗白粉病,然后配制杂交组合。

2.2.2功能成分基因的克隆与转化。苦瓜作为一种药食兼用植物,科研人员对其功能成分基因的研究表现出极大的兴趣。苦瓜核糖体失活蛋白(MAP30)具有抗病毒、抗肿瘤等多方面的药理活性,并具有良好的特异性,只对病毒感染的细胞或肿瘤细胞有效,对未感染的人正常细胞无毒性,通过克隆和表达该蛋白的核心片段,可进一步研究基因的功能。庄东红、林育泉[12、13]分别通过PCR技术从苦瓜总DNA中扩增出了编码成熟MAP30蛋白基因的功能性片段,进而成功克隆并构建了含该基因的表达载体,在转化到E.coli RosettaTM(DE3)pLysS中后表达出了预期的重组蛋白,该重组蛋白对小鼠和S180肿瘤细胞株具有明显抑制作用。杨洲平[14]则对不同苦瓜品种的MAP30基因进行了克隆和序列分析,发现了BC-MAP30和YT-MAP30变异基因,为大量开发、生产具有活性的重组MAP30蛋白药物奠定了基础。左萱[15]应用农杆菌介导的方法,将MAP30基因转化番茄子叶得到转录水平上表达MAP30基因的转基因番茄植株,为苦瓜核糖体失活蛋白的应用开辟了新途径。α-苦瓜素是苦瓜中的另一种活性蛋白,具有抗肿瘤、抗HIV-1活性和抗菌活性。欧阳永长[16]利用PCR技术从苦瓜基因组中扩增出了成熟的α-苦瓜素蛋白基因,通过表达载体的构建和遗传转化,在大肠杆菌中大量表达该基因,获得了α-苦瓜素重给蛋白,从而为进一步研究和改造α-苦瓜素的功能与活性奠定了基础。

3 组织培养与离体繁殖

采用离体繁殖保存苦瓜种质资源及对苦瓜进行多倍体的离体诱导和抗病、延迟成熟、品质改良的遗传转化等转基因研究,首先要建立良好的高效再生体系。唐琳[17]将苦瓜无菌种子苗茎尖和带芽茎段依次接种于培养基MS+ZT4～6mg·L-1、MS+ZT0.05mg·L-1及1/2MS中,形成了完整小植株。潘绍坤[18]以苦瓜实生苗顶芽及带芽茎段为外植体,进一步开展了苦瓜离体快速繁殖技术体系的研究,结果表明,MS培养基附加BA、KT和IBA,有利于不定芽发生,适当增加NO3--N、NH4+-N含量,可提高增殖率,AgNO3在生根诱导中,可抑制愈伤组织形成。

除可通过茎尖或带芽茎段进行快速繁殖获得再生植株,也有研究利用苦瓜的胚轴和子叶离体培养成功获得再生植株。对苦瓜子叶不定芽的诱导,李靖[19]研究发现,以9d左右的苗龄诱导不定芽效果最好,适合不定芽诱导培养基是MS+BA1.0 mg·L-1 +NAA0.2 mg·L-1,以子叶基端外植体临近下胚轴的部位诱导效果最好,不定芽诱导率为54.21%,暗培养对子叶不定芽诱导有显著促进效果,而AgNO3 对不定芽再生有明显的抑制作用。林义章[20]研究比较了不同基因型、苗龄、不同激素浓度配比和肌醇浓度对不定芽诱导率的影响,结果表明,不同基因型的诱导率有差异,苗龄以子叶直立、略微分开、颜色呈浅绿色时诱导率最高,培养基以MS+6-BA3.0 mg·L-1 +IAA0.2 mg·L-1诱导率最高且形成的丛生芽数量多、生长快,研究还发现,基本培养基添加100～200 mg·L-1 肌醇,不定芽诱导率和丛生芽数显著增加,同时愈伤组织的发生量也多。

在植物组织培养中,通过体细胞胚发生是实现植株再生的另一种主要途径,但愈伤组织的形成和生长受激素、外植体、培养条件等多种因素影响。宣朴[21]将无菌苗的上胚轴、下胚轴、子叶、真叶及茎尖切割成0.5㎝左右的小段作为外植体,接种到脱分化培养基上,诱导产生了愈伤组织,将愈伤组织及时接种到再分化培养基中培养,发育形成了胚状体。王小荣[22]研究发现,2,4-D有利于外植体愈伤组织的诱导,但诱导的愈伤组织难以分化不定芽,而添加6-BA、NAA的培养基中愈伤组织形成虽较慢,但有利于愈伤组织不定芽的分化,研究还发现,添加6-BA2.0 mg·L-1 +NAA0.5 mg·L-1的MS培养基对子叶外植体直接诱导丛芽效果较好。宋莉英[23]研究也表明,ZT是苦瓜愈伤组织诱导最主要因素,最佳外植体为子叶。黄勇[24]则认为,苦瓜组织培养尽可能选用下胚轴为外植体,有利于愈伤组织分化不定芽。

总的来看,苦瓜外植体易于形成愈伤组织,而再生不定芽较困难。为此,宋莉英[25]进而对苦瓜组织培养过程中内源激素含量的变化进行了研究,认为苦瓜外植体中IAA含量较高,而iPAs含量过低是苦瓜易于产生愈伤组织而不定芽再生困难的主要原因,提出了在离体培养过程中,保持外源细胞分裂素类物质(如ZT)的适当浓度并及时继代,有利于苦瓜不定芽的分化的观点。

4 价值与利用

4.1营养价值及在食品上的应用

苦瓜作为蔬菜栽培,在我国已有几百年的历史。其营养丰富[26、27],据分析,每100g嫩苦瓜中含干物质6~8g、蛋白质0.9~1.0g、碳水化合物2.6~3.5g、粗纤维1.1~1.4g、维生素A 17~22mg、维生素C 56~120mg、维生素E 0.85mg、钙18~22 mg、磷19~35 mg 、铁0.6~0.7 mg、钾256 mg。其中,维生素C在瓜类蔬菜中含量最高,是黄瓜的14倍,番茄的7倍,钙、磷、铁、镁的含量也比其它蔬菜如黄瓜、番茄高几十倍。此外,苦瓜中含16种氨基酸如谷氨酸、丙氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸等,其中,8种必需氨基酸含量达氨基酸总量的38%。苦瓜肉质脆嫩,味稍苦而清香可口,有增进食欲的作用。除食用嫩瓜外,在印度及东南亚地区,人们还食其嫩梢和叶。因苦瓜适应性强,病虫害少,生产上不需或很少需要药物防治,对环境污染少,是一种天然绿色食品。

除鲜食外,苦瓜作为一种药食兼用的保健食品具有很高的深加工开发价值,目前已生产出苦瓜饮料[28、29]、保健苦瓜粉[30]、苦瓜酒、苦瓜茶、苦瓜蜜饯、苦瓜果脯、苦瓜泡菜、酱辣苦瓜、甘草苦瓜、速冻苦瓜等深加工产品[31]。

4.2药用价值及在医学上的应用

苦瓜作为药用在我国和印度等地历史悠久,其根、茎、叶、花、果实及种子等各部分都有药用的记载。《本草纲目》中描述苦瓜“祛邪热、解劳乏、清心明目,种子益气壮阳”,《髓息居饮食谱》中记载苦瓜有清热解毒、清心明目、开胃健脾、养血补肾、清肝火兼有补益作用之功效。现代药理学研究进一步证实,苦瓜中含有多种活性成分,具有多种药用功效。盛清凯[32]从苦瓜种子中分离出称为植物胰岛素的多肽―P,经皮下注射可降低四氧嘧啶糖尿病模型鼠的血糖。除苦瓜多肽外,具降低血糖作用的还包括苦瓜皂苷及从苦瓜汁中提取的活性物[33]。据此,治疗糖尿病的苦瓜针剂、苦瓜降糖含片等已应用于临床,其有效率达80%左右。近年来,国内外学者对苦瓜素的功能研究取得很大进展,研究表明,苦瓜素具有抗肿瘤、抗病毒和提高人体免疫力的功能[34]。1998年,美国研究人员从苦瓜中提取出极具生物活性成分——高能清脂素,药理研究证实,高能清脂素在人体内能阻止脂肪、多糖等高热量大分子物质吸收,加速小分子营养吸收,因而具有良好减肥瘦身功效。目前,中国科学院上海研究所已成功攻克高能清脂素萃取难关,使高能清脂素保持90%以上生物活性并萃取浓缩成胶囊。苦瓜还是一种良好的天然广谱抗菌剂[35],苦瓜提取液对革兰氏阳性球菌(金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌)、革兰氏阳性杆菌(枯草杆菌)和革兰氏阴性杆菌(大肠杆菌、绿脓杆菌、痢疾杆菌、变形杆菌、肺炎杆菌、产气杆菌、阴沟杆菌、伤寒杆菌)都具有抗菌作用。傅明辉[36]研究指出,苦瓜对白色葡萄球菌、黑腐霉菌和软腐菌有抑制作用。因而苦瓜作为食品本身具有抑菌防腐作用,可作为天然的食品防腐剂利用。此外,香港医学家从苦瓜籽中提取出具有生理活性的蛋白质,能抑制艾滋病毒感染的淋巴细胞和巨噬细胞。而美国医学家已用苦瓜提取液对艾滋病患者进行治疗并收到一定效果[37]。

5研究方向

就某种作物而言,收集尽可能多的种质资源,并进行广泛和深入的研究,是对其利用和开展育种工作的基础。因此,进一步加强对国内外苦瓜种质资源包括其近缘种和野生种的搜集和引种工作,在对其性状进行鉴定和评价的基础上,开展创新性研究,仍是今后育种工作的重要内容。相对而言,苦瓜的繁殖系数较低,杂交制种工序繁琐,成本较高,通过创新种质,选育优良强雌系作母本是苦瓜杂种优势大面积利用的有效途径。一个好的强雌系,除具备优良自交系的基本条件,还必须具有雌花率高(雌花率96%以上)、强雌株率100%、雌性稳定、雄化分布规律性强(分布于主蔓基部或基部侧蔓或高节位侧蔓上)等特点。叶君营[38]对“夏丰苦瓜”进行7代连续自交分离、系谱选择后获得强雌系“90―01A”,以其为母本配制成的“早丰2号”苦瓜,具有早熟、丰产、雌花率高、抗逆性强等优点。万新建[39]通过对一长白苦瓜材料变异单株连续4代自交分离,定向选育成强雌系Q11-2,是选育早熟、丰产杂交苦瓜新品种的重要育种材料。为适应苦瓜生产的快速发展,今后应选育更多类型的强雌系应用于苦瓜杂种优势育种。

加强生物技术在苦瓜育种中的应用研究,以提高育种效率和创新优异种质。如应用分子标记技术探查、挖掘重要农艺性状基因,构建分子遗传图谱,进而应用分子标记辅助选择,提高性状选择的效率和准确性;通过诱变育种、体细胞培养等技术,获得大量突变体,并在培养过程中加入一定的选择压(病菌毒素或粗毒素),筛选获得有益的抗病种质;应用基因工程技术转殖ACC合成酶基因,培育耐贮运苦瓜;通过基因操作,提高功能蛋白基因(MAP30蛋白基因、α-苦瓜素基因等)剂量,或改变基因启动子或操作子结构,使功能蛋白基因大量表达,以培育具有某一特殊用途的加工专用型苦瓜品种等。

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