西瓜果实番茄红素含量的遗传分析

路绪强，高 磊，赵胜杰，何 楠，刘文革

（中国农业科学院郑州果树研究所 郑州 450009）

西瓜[Citrullus lanatus(Thunb.)Matsum.&Nakai]属于葫芦科西瓜属的一年生蔓性草本植物，因其营养丰富，味甜多汁，有夏季“水果之王”的美誉，已成为重要的世界性园艺作物。中国作为世界上最大的西瓜生产与消费国，产量占世界总产量的60%以上［1］。据联合国粮农组织2013年统计，世界上西瓜的收获面积达到了水果收获面积的5.4%，产量占13.4%，分别居世界水果收获面积和产量的第7位和第1位。

西瓜果实富含番茄红素、瓜氨酸、维生素C等多种对人体健康有益的功能性成分，其中番茄红素是西瓜果实中的主要类胡萝卜素，是造成西瓜果实呈现红色的主要因素，作为一种功能性天然色素，具有淬灭活性氧、消除自由基、预防癌症及心血管疾病等对人体有益的功能［2-3］。西瓜果实中的番茄红素比番茄中的更容易被人体吸收，其有效性比番茄高出 40%［4］。

随着人们饮食结构的转变，对优质西瓜品种的选育显得尤为重要，番茄红素作为西瓜的重要品质属性，成为研究人员关注的焦点。近几年来对西瓜番茄红素的研究主要集中在发育过程中番茄红素含量的动态变化［5-6］、无籽西瓜果实发育过程中番茄红素合成代谢酶基因的表达［7］、西瓜内源激素与番茄红素积累的相关性研究［8］及西瓜果实番茄红素含量的QTL定位研究［9］等方面，而对西瓜果实番茄红素含量遗传规律的研究还未见报道。品质或与品质相关的某种成分含量一般具有数量性状的特征，对其遗传规律的研究主要通过章元明等［10］、盖钧镒等［11］开发的多世代联合的主基因与多基因的数量性状遗传分析方法，已在番茄、茄子、普通白菜、青花菜和甜瓜［12-16］等蔬菜作物上进行广泛应用。

笔者以高番茄红素和低番茄红素西瓜自交系杂交衍生的六世代群体为研究对象，采用主基因+多基因混合遗传的六世代联合分析法，对西瓜果实番茄红素含量的遗传规律进行解析，为西瓜果实高番茄红素优异基因的挖掘、种质资源创新和选育优质新品种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

以中国农业科学院郑州果树研究所多倍体西瓜育种课题组从美国引进的品种‘Cathay Belle’经多年自交筛选出的具有高番茄红素含量的西瓜自交系‘花贝雷’(鲜红瓤)和从‘京欣1号’分离后代中经多年自交选育出的的低番茄红素含量的自交系‘13-3-3’（粉红瓤）为试验材料。

1.2 方法

1.2.1 群体构建 2013年3—7月，将西瓜高番茄红素含量自交系‘花贝雷’与低番茄红素自交系‘13-3-3’种植于郑州果树研究所新乡综合试验基地，二者进行杂交获得F1；2014年3—7月，两亲本分别与F1回交获得B1（F1×P1）和B2（F1×P2），同时F1自交获得F2。2015年3—7月，将亲本及F1各设3个重复，分别定植于B1、B2及F2群体内，进行标记，以便于控制环境条件的一致性，双蔓整枝，第2雌花留单瓜，在新乡基地按露地常规栽培方式进行管理，最终获得P1（15株）、P2（15株）、B1（116株）、B2（94株）、F1（15株）及F2（112株）六世代群体。

1.2.2 番茄红素含量的测定 授粉35d果实完全成熟后取样，取果实中心部位不包含种子的果肉，用榨汁机匀浆，放-20℃冰箱备用。番茄红素含量（FW）的测定参照万学闪等［5］的方法。

1.2.3 统计分析 试验数据采用曹锡文等［17］植物数量性状的主基因+多基因混合遗传分析软件，对‘花贝雷’和‘13-3-3’组合的六世代单株数据进行分析，通过 1对主基因（A）、2对主基因（B）、多基因（C）、1对主基因+多基因（D）、2对主基因+多基因（E）等5类24种遗传模型的极大似然估计，结合AIC（极大似然函数）准则、似然比检验及一组适合性测验（均匀性检验 U12、U22、U32、Smirnov 检验、Kolmogorov检验），从中选出最优的遗传模型（AIC值相对较小，适合性较好）。根据最优模型采用最小二乘法估计出主基因与多基因的效应值、方差及遗传参数。

2 结果与分析

2.1 各世代番茄红素含量次数分布

在‘花贝雷’ב13-3-3’组合的6个世代群体中，高番茄红素含量的亲本（‘花贝雷’，P1）单株中心果肉番茄红素含量的平均值为49.38 mg·kg-1，低番茄红素含量的亲本（‘13-3-3’，P2）单株中心果肉番茄红素含量的平均值为28.08 mg·kg-1，F1单株平均番茄红素含量为51.30 mg·kg-1，高于高番茄红素亲本‘花贝雷’，即高番茄红素含量对低番茄红素含量为超显性。6个世代群体平均番茄红素含量及变异系数如表 1，可知：P1、P2及 F1变异系数较小，各单株的番茄红素含量差异不明显；而B1、B2及F2变异系数较大，各单株的番茄红素含量差异明显。分离群体B1、B2、F2各单株番茄红素含量的频率分布如图1，可以看出：B1、B2、F2单株番茄红素含量的次数分布均呈现出偏态分布，表明番茄红素含量是数量性状遗传，具有明显的主基因+多基因遗传效应。

表1 6个世代群体平均番茄红素含量及变异系数

图1 花贝雷’ב13-3-3’组合分离群体番茄红素含量的次数分布

2.2 番茄红素含量的遗传模型

根据六世代群体番茄红素含量结果的实际分布，采用数量性状主基因+多基因混合遗传的六世代联合分析法，对‘花贝雷’ב13-3-3’组合6世代群体番茄红素含量进行分析，得到1对主基因（A）、2对主基因（B）、多基因（C）、1对主基因+多基因（D）、2对主基因+多基因（E）等5类24种遗传模型AIC值（表2）。其中等加性主基因+加性—显性多基因模型（E-3）、一对加性—显性主基因+加性—显性—上位性多基因模型（D-0）和加性—显性—上位性主基因+加性—显性多基因模型（E-1）的AIC值相对较低，为最优模型的候选模型。对D-0、E-1和E-3模型进行适合性检验，结果表明，D-0、E-1和E-3模型达到显著水平的统计量分别为0个、2个和1个。结合单株番茄红素含量的次数分布图，选择D-0模型即“一对加性—显性主基因+加性—显性—上位性多基因”模型为‘花贝雷’ב13-3-3’组合的最优遗传模型。

表2 各遗传模型的AIC值

2.3 候选模型的遗传参数估计

利用软件分析结果得到番茄红素含量模型D-0的一阶遗传参数估计值，‘花贝雷’ב13-3-3’组合主基因的加性效应为6.43，主基因的显性效应为-4.00，主基因的显性度为 0＜∣h/d∣＜1，为部分显性。主基因的加性效应为正向效应，即随着主基因加性效应的增加，番茄红素含量增多。

在一阶参数的基础上，进一步估计二阶参数。由表 3可知，B1、B2和F2主基因的遗传率分别为21.76%、3.99%、27.28%；多基因的遗传率分别为77.65%、94.64%、72.09%。各群体的多基因遗传率都大于相应的主基因遗传率，可见西瓜果实番茄红素含量的遗传是多基因和主基因共同控制的，并且以多基因的遗传为主。

表3 二阶遗传参数估计

3 讨论

对番茄红素含量遗传模型的研究主要集中在番茄作物上，受试验材料和栽培环境的影响，不同研究人员得出的遗传模型并不相同。周永健［18］和陈庆生［19］一致认为加工型番茄果实中番茄红素含量遗传模型以基因加性效应为主，显性效应不显著，并有少量上位性效应；而孙保娟［20］通过对樱桃番茄主要数量性状的遗传效应研究，指出樱桃番茄果实中番茄红素含量的遗传符合加性—显性模型，其基因效应为隐性增效，但又存在超显性现象，狭义遗传力为21.46%；李纪锁等［12］的研究认为番茄红素含量遗传符合一个主基因和加性—显性—上位性多基因模型，这与本研究以西瓜作为试验材料得出的番茄红素含量遗传模型相一致。

从西瓜果实番茄红素含量的遗传模型及二阶参数的估计可以看出，B1、B2和F2共3个世代番茄红素含量多基因遗传率远远大于主基因遗传率，说明其遗传主要是由多基因控制的；Chen［21］通过QTL定位找到一个与番茄果实番茄红素含量有关的主效QTL位点，可以解释24%的表型变异，7个微效QTL占表型变异总数的5.2%～8.7%，这与笔者在B1和F2世代得到的主基因和多基因遗传率相接近，因此可以说明番茄红素含量的遗传符合一对主基因+加性—显性—上位性多基因模型。欧承刚等［22］采用F2分离群体研究胡萝卜中的番茄红素含量，通过构建连锁图谱检测到1个与番茄红素含量相关的主效QTL，为加性效应，可以解释14.61%的表型变异，同时还检测到1对上位性QTL，这与本研究得到的遗传模型相一致。刘识等［23］在对西瓜果实番茄红素含量初步定位的基础上将主效QTL定位在4号染色体0.2cm区间内，包含一个控制瓜瓤是红色还是黄色的候选基因Cla0050011，同时获得的连锁标记可用于分子标记辅助育种。将本研究获得的西瓜果实番茄红素含量的遗传规律和分子标记相结合，可以显著提高选择效率，为培育高番茄红素含量的西瓜新品种奠定了重要基础。

西瓜果实番茄红素的含量受遗传和环境因素的共同影响，因此在选育高番茄红素西瓜品种时要综合考虑遗传和环境双重因素。在保证良好的栽培环境条件下，番茄红素含量遗传受多基因影响较大，因此高番茄红素含量的西瓜自交系及品种适宜连续多代选择，避免早期世代选择的盲目性，才能更好地为西瓜生产和消费服务。