西瓜砧木育种研究进展

刘 广， 羊杏平， 徐锦华， 张 曼， 李苹芳， 姚协丰， 侯 茜， 朱凌丽

(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)

近年来嫁接已成为了防治西瓜连作障碍及土传病害最经济环保的一种途径。随着嫁接在西瓜栽培中的普遍应用，关于嫁接的研究也越来越多，已不单单局限于西瓜砧木品种的抗性筛选及选育研究，国内外学者重点开展了优良砧木资源的筛选、引进、选育、嫁接方法、嫁接育苗的温光条件以及其嫁接苗的生理生化、栽培模式、抗病、抗逆、品质影响等研究。本文对近3年西瓜砧木育种领域国内外研究进展进行总结，旨在为农业科技工作者提供一些参考。

1 优良砧木资源筛选、引进及评价

引进优良的砧木资源，筛选出适宜的砧木品种，对西瓜的优质高产具有重要意义。在抗病虫优良砧木筛选引进方面，研究发现，嫁接植株不管用的是西瓜杂交种砧木还是印度南瓜与中国南瓜杂交种砧木，都呈现出对枯萎病的相似抗性[1]。国内外学者对砧木黑点根腐病、黄瓜绿斑驳花叶病毒病、黄萎病、枯萎病及根结线虫病的抗性进行研究，筛选了抗病性优良的南瓜砧木PEK-05、PES-07、PEC-01及葫芦砧木H04、H10、H12、H13，抗根结线虫病优良的砧木RKVL野生西瓜、PI189225、PI482324、PI606135、PI482298和青农2号[1-8]。

在产量品质优良砧木筛选引进方面，通过从嫁接亲和性、抗病性、果实性状以及产量、品质等方面进行比较筛选和综合评判，筛选出一批适宜武汉、上海、江苏等地区的优良砧木，如东方长生、野郎、美力坚、绿神嫁接王、青萌砧木一号、京欣砧3号、青研秀砧、甬砧5号、海砧1号、刚健1号、亲抗水瓜、雪铁王子、甬砧7号等[9-13]。

在抗逆优良砧木筛选引进方面，通过评价高温、低温、干旱胁迫下不同砧木及砧木嫁接苗的生长和生理指标，陈文明等筛选出了一批耐热砧木(如H07、H10、H12、H13)、耐冷砧木(如NZ、CF、AS、RS、HG、QY)、耐旱性砧木(如日本绿霸和日本强力士)[3，13-16]。

2 不同嫁接方法研究

适宜的嫁接方法可以培育健壮的西瓜嫁接苗。通过对劈接法、插接法与砧木不断根、断根组合成常规劈接、断根劈接、常规插接、断根插接、无萌蘖嫁接方法等不同嫁接技术进行比较发现，改良式劈接法[17]、砧木断根劈接法[18]、无萌蘖贴接法[19]嫁接西瓜后，嫁接苗成活率高，发根多，根系活力强，长势健壮，可在生产上推广应用。任淑年等介绍了西瓜两段砧双贴嫁接育苗新技术，采用南瓜作根砧、葫芦作中间砧，该方法既可以避免葫芦嫁接西瓜的自毒问题，又能解决南瓜嫁接西瓜的质量和口感差问题[20]。这些新技术进一步完善了西瓜早熟栽培技术。

3 不同嫁接育苗因子研究

通过对接穗种子发芽率、嫁接后覆盖薄膜处理、夜温处理、光照处理等方面的研究，摸索最适宜的育苗条件，以增加嫁接苗的成活率。在接穗种子发芽方面，秦东等对嫁接西瓜砧木与接穗种子的浸种催芽技术进行了探索和实践，摸索出一套简单有效的浸种催芽技术[21]。

在嫁接后覆盖薄膜处理方面，李刚等研究不同掀膜处理对西瓜嫁接苗的影响，结果表明，嫁接后第8～10天掀膜，嫁接苗成活率高，茎矮壮不徒长，植株长势良好，达到壮苗要求[10]。

在嫁接后夜温处理方面，夜温对西瓜嫁接苗接穗下胚轴徒长影响较大，较低的夜温有利于抑制西瓜嫁接苗徒长，Yang等建议，在嫁接苗成活期管理上，夜温不得低于 18 ℃[22]；而黄雯等认为，夜温12 ℃效果最好[23]。在光照处理方面，黄芸萍等在早春持续低温阴雨寡日照的天气下，利用发光二极管(LED)灯、高压钠灯对刚长出心叶的嫁接西瓜进行连续25 d的补光，结果表明，人工补光能明显促进西瓜嫁接苗的生长，且可使嫁接苗生物量积累加快，叶片光合能力增加，嫁接苗成活率提高，苗期猝倒病等发病率降低；同时发现，LED灯的效果优于高压钠灯[24]。

4 砧木嫁接机理的研究

4.1 防御酶活性

王文英等研究了京欣砧3号、新土佐、超丰F1、勇士、抗生王等砧木对嫁接西瓜成活率和产量的影响，通过测定叶片中的叶绿素含量、丙二醛含量、过氧化物酶活性等生理指标分析不同砧木的嫁接效果及各生理指标与成活率、产量之间的相关性，结果表明，以勇士、抗生王为砧木时，叶片中的叶绿素含量较高，嫁接成活率与其体内过氧化物酶活性存在正相关关系，与丙二醛含量存在负相关关系[25]。

4.2 抗病性

嫁接通常用于克服土传疾病，而它是如何影响有关作物的根相关微生物以及微生物和土传病抗性之间的关系仍然未知。Ling等研究认为，嫁接西瓜根相关的细菌具有更广泛的生态位重叠，嫁接西瓜可以运用根际的最大化占有提高土传病抗性，而不是招募更多的有益细菌[26]。Mahmud等利用核磁共振光谱来识别抗白粉病砧木对感病西瓜接穗的反式代谢物，包括胆碱、延胡索酸酯、5-羟基吲哚-3-乙酸盐和褪黑激素，且这些代谢物从抗白粉病砧木到相应的白粉病感病接穗发生了改变，这可能与白粉病抗性相关[27]。Avramidou等使用甲基化敏感扩增多态性(MSAP)分析研究了黄瓜、甜瓜和西瓜接穗异源嫁接到南瓜砧木上时总DNA甲基化变化，观察到总DNA甲基化在黄瓜和甜瓜接穗中显著增加，在葫芦科异源嫁接中存在一个表观遗传效应；在不同砧穗组合中，利用微分表观遗传标记可能导致表观分子标记的发展[28]。

4.3 抗逆性

在低温胁迫方面，研究发现，砧木材料“黄金搭档”是较有潜力的西瓜砧木，其根系活力、可溶性糖含量、脯氨酸(Pro)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性和过氧化物酶(POD)活性亦不同程度高于其他砧木，而丙二醛(MDA)含量则显著低于其他砧木[29]。

在盐胁迫方面，有研究认为，瓠瓜砧木嫁接可有效防止Na+的大量累积，在体内维持较高的K+/Na+和吲哚-3-乙酸(IAA)/玉米核苷的总量(Z+ZR)比值，从而防止离子毒害的发生，有效维持盐胁迫下西瓜嫁接植株体内的离子稳态，提高西瓜嫁接植株的盐胁迫耐性[30]。在盐胁迫下砧木嫁接增加了叶片中的叶绿素含量，尤其是增加了叶绿素b含量，并最小化光系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心和氯化钠胁迫对类囊体结构的有害影响；此外，砧木嫁接增强二磷酸核酮糖羧化酶的含量和活性，从而提高在盐胁迫下西瓜接穗叶片的碳固定能力[31]。此外，有研究开发了转基因葫芦系表达拟南芥H+焦磷酸酶AVP1基因，在葫芦中AVP1的表达可以改善温室的盐胁迫，西瓜植株嫁接到转基因葫芦砧木上后，通过生成较高的生物量和提高光系统Ⅱ量子产率表现出更大的盐胁迫抗性[32]。在镁离子(Mg2+)胁迫下，研究发现，0.4 mmol/L Mg2+处理对植株生长没有影响，而0.04 mmol/L Mg2+处理则抑制植株生长，但南瓜砧嫁接Mg2+吸收量显著高于葫芦砧嫁接，且植株长势较好[33]。

4.4 嫁接对产量和品质的影响

嫁接能增强西瓜的生长速率，提高单瓜质量和产量，但对西瓜品质的影响因砧木不同而有所差异。以葫芦、野生西瓜为砧木的嫁接西瓜，其可溶性糖、维生素C含量及风味品质未受到显著影响，而以南瓜为砧木的嫁接西瓜表现稍次，有少许纤维和口感略有异[34]。而应泉盛等研究认为，与对照相比，不同葫芦砧木处理的西瓜果实果糖、葡萄糖含量显著降低，可溶性固形物、蔗糖、维生素C含量提高，草酸含量、酸性转化酶活性降低[35]。

嫁接西瓜对皮厚和可溶性固形物含量的影响不仅与砧木品种有关，还与西瓜接穗品种紧密相关[36]。砧木改善了采后肉硬度和番茄红素含量，增加果肉颜色。嫁接提高了果实的品质和可存储性，减少含糖量有限，对果实品质无害[37]。适宜砧木嫁接可以增加嫁接苗对矿质元素的吸收。研究发现，南瓜砧木嫁接植株根、茎、叶、果皮、果肉中N、K、Ca、Fe、Mg和Mn的吸收量和浓度高于对照，葫芦和南瓜嫁接植株果实发育期对营养素的吸收量分别提高了30.41%和49.14%，果实成熟期则分别提高了21.33%和47.46%[38]。

4.5 蛋白质组研究

在嫁接过程中，机械损伤和嫁接行为都可以刺激植株的细胞反应。Wang等采用iTRAQ蛋白鉴定技术，分析了机械损伤和嫁接行为对葫芦嫁接苗蛋白水平的影响，发现2种刺激行为对嫁接结合部及其邻近的西瓜茎组织的蛋白均有影响，而嫁接行为的影响显著高于机械损伤，建议可以将过氧化氢作为异源嫁接的信号分子[39]。Muneer等对不同光照强度[25、50、75、100 μmol/(m2·s)]下生长的葫芦嫁接西瓜维管束连接的蛋白质组进行了研究，结果显示，在不同的光强度下，“Sambok Honey”和“Speed”分别有24、27个差异表达蛋白质；这些鉴定的蛋白主要参与离子束缚、氨基酸代谢、转录调控和防御反应；这些生物过程中关键酶的积累似乎在嫁接幼苗维管束连接中发挥重要作用；此外，发现在嫁接幼苗中 100 μmol/(m2·s) 的蛋白质表达反应结果更好[40]。Song等比较了西瓜、葫芦嫁接西瓜和葫芦的根系分泌物，发现嫁接改变了西瓜根系分泌蛋白的组成，且葫芦嫁接西瓜根系分泌蛋白的多样性显著高于西瓜和葫芦；嫁接特异性地诱导了与生物和非生物胁迫相关蛋白At4g27190、callose synthase、HVA22和Clp protease的表达，该研究揭示了嫁接提高植株抗病的机制[41]。

4.6 基因组研究

评估一个物种基因组大小可以为基因组文库构建、测序深度和基因组组装提供理论依据。采用流式细胞术测定4份来自我国不同地区的瓠瓜基因组大小，测得瓠瓜种质资源的基因组大小为329.11～344.56 Mb[42]。DNA甲基化与表观遗传中转座子的转移失活、miRNA表达、基因印记等存在密切关系，同时还与生物及非生物胁迫抗性等有关。邢乃林等研究发现，嫁接总体上提高了幼苗期和开花期的全甲基化水平，但明显降低了半甲基化水平；嫁接对西瓜接穗甲基化水平的影响大于对砧木的影响；嫁接对开花期DNA甲基化状态改变的影响最大，嫁接导致的甲基化状态改变方式主要为未甲基化与全甲基化状态之间的改变[43]。基于测序技术，Xu等对低温胁迫下嫁接西瓜植株的转录组进行了测序，在砧木嫁接苗中鉴定到702个差异表达基因，且其中164个在砧木嫁接苗中特异性表达，为提高嫁接植株耐冷性研究提供了分子基础[44]。Liu等发现，葫芦砧和南瓜砧嫁接分别诱导了787、3 485个差异表达基因，这些基因参与了初级和次级代谢、信号传导、转运和应激响应等系列生理活性，为研究嫁接体的生理活性提供了丰富的基因资源[45]。

5 砧木新品系/品种的选育

霍玉娟等通过多年努力，以X02-015自交系作母本、Y02-004自交系作父本，培育出适合河南地区的早熟西瓜嫁接砧木新品种“青杆金钢”；该砧木耐寒能力强，嫁接西瓜亲和性好，成活率高，根系发达，高抗枯萎病和急性凋萎病，对西瓜的品质影响小，适宜早春西瓜嫁接栽培[46]。

6 肥水、种植密度对嫁接西瓜生产的影响

国内外学者对整枝方式、种植密度、施肥量等配套栽培技术进行了深入研究。研究结果表明，中果型嫁接西瓜 667 m2宜栽500株，并采用三蔓整枝方式[47]；钾肥施用量为 525 kg/hm2时，嫁接西瓜表现较好[48]。Ozmen等研究了水分缺乏对嫁接和非嫁接西瓜氮消耗、产量、品质的影响，结果显示，赤字灌溉没有显著影响产量和质量；嫁接西瓜有更高的产量，但是嫁接轻微影响果实的品质；可以考虑在半干旱地区使用低灌溉处理；此外，应用嫁接处理增加了西瓜的产量[49-51]。陈贻钊等建议选择海鲜菇、茶树菇菌糠进行西瓜砧木育苗复合基质的进一步研发[52]。

7 嫁接栽培技术的应用

随着保护地设施栽培的扩大，西瓜连作障碍发生严重，包括西瓜的自毒作用或化感效应、病原菌的侵染、土壤次生盐渍化、土壤有益菌群减少、西瓜生理生化代谢的改变以及与病原菌互作等，谢玲玲等提出了用嫁接的方法来防治的策略[53-54]。河北省承德市、浙江省宁波市等地都积极开展了西瓜嫁接技术的应用，并从接穗选择、砧木选择、育苗、嫁接关键技术、定植前准备、定植、定植后管理、病虫害防治等方面探索适于本地区的嫁接西瓜栽培模式[55-58]。