我国西瓜甜瓜种质资源收集、保存与利用研究进展

2018-03-13王吉明尚建立马双武

中国瓜菜 2018年2期

王吉明，尚建立，李娜，周丹，马双武

（中国农业科学院郑州果树研究所郑州 450009）

西瓜甜瓜种质资源是西瓜和甜瓜遗传物质的载体，包括地方品种、育成品种（品系）、野生种质和特殊遗传材料等，拥有丰富的基因资源和表型性状，是进行科学研究和育种的重要物质基础，加强种质资源收集保存与评价利用，可以为提高西瓜甜瓜的科研水平和促进产业发展提供重要的支撑。我国是西瓜、甜瓜栽培大国，据世界粮农组织统计，2016年我国西瓜栽培面积为189万hm2，甜瓜栽培面积48万hm2，分别占全球西瓜甜瓜总栽培面积的38.3%和53.8%[1]，均居世界第一，我国西瓜甜瓜栽培范围遍布全国多个生态区域，对品种和以品种选育为基础的种质资源提出了巨大的需求。我国早期的种质资源工作伴随着育种工作进行，重点收集和利用具有直接利用价值的种质资源，主要在国内各个科研、育种、高校和农场等单位进行，处于一种自发的状态，缺乏专门的种质资源工作部门，具有直接利用价值的种质在利用过程中能够得以保存，而一些无法直接利用的“低劣”种质会逐渐淘汰而面临灭绝的危险。为此，在20世纪中后期，国内一些单位逐渐将西瓜甜瓜种质资源相关工作从育种中分离出来，如中国农业科学院郑州果树研究所在1980年成立了西瓜甜瓜品种资源课题组，成为较早的专业从事西瓜甜瓜种质资源工作的课题组之一，1981年新疆维吾尔自治区葡萄瓜果研究所成立了种质资源保存中心，专门保存新疆厚皮甜瓜种质资源。“七五”计划之后，西瓜甜瓜种质资源工作又纳入了国家相关科技计划，下拨一定的经费予以长期支持，种质资源工作得以全面展开，由中国农业科学院郑州果树研究所西瓜甜瓜品种资源课题组牵头，组织了中国农业科学院果树研究所、新疆维吾尔自治区葡萄瓜果研究所、新疆农业科学院园艺研究所、新疆八一农学院、沈阳市农业科学院、黑龙江省农业科学院园艺分院等单位进行了西瓜甜瓜种质资源的收集、保存、鉴定评价和分发利用等工作与研究，初步奠定了我国西瓜甜瓜种质资源工作基础。

1 种质资源的收集

1.1 地方品种的收集

表1 收集的部分西瓜甜瓜种质资源

西瓜和甜瓜在我国长期传播和栽培过程中，逐渐形成了许多适应当地栽培环境的地方品种，成为我国西瓜甜瓜种质资源的重要组成部分（表1），如西瓜地方品种‘三白’‘核桃纹’‘鸡爪灰’‘喇嘛瓜’等[2]，对于甜瓜，由于我国是薄皮甜瓜和部分厚皮甜瓜的次生起源中心，地方品种更为丰富，形成了以‘纳西甘 ’‘ 阿克其 ’‘ 谢克苏 ’‘ 金棒子’‘ 绿棒子 ’‘红心脆’‘皮山奎瑞克’‘波斯皮牙孜’‘阿克土木休克’‘黑眉毛蜜极干’等为代表的厚皮甜瓜地方品种群，以及以‘娄瓜’‘五楼供’‘白兔娃’‘梨瓜’‘黄金瓜’‘ 海冬青’‘ 一窝猴 ’‘十道子 ’‘ 红到边 ’‘ 小花道’‘ 羊角蜜’‘牛角蜜’‘八方瓜’等为代表的薄皮甜瓜地方品种群，为此，国内多家单位相继开展了西瓜甜瓜地方品种的调查、整理、收集和利用工作，如1963年由中国农业科学院果树研究所汇编的《全国西瓜甜瓜地方品种名录》收录了西瓜甜瓜地方品种135个；1979年由新疆维吾尔自治区农业厅、新疆生产建设兵团、新疆八一农学院等单位联合组成的新疆甜瓜西瓜资源调查组在新疆进行了甜瓜西瓜资源调查，收集地方品种277份[3]；自1988年起，安徽农业科学院陆续收集江淮地区甜瓜地方品种35个，并选择、分离出19个地方品种可供生产推广应用或作育种材料[4]；此外，甘肃省农业科学院蔬菜研究所也对49个甘肃甜瓜地方品种的主要农艺性状作了调查和报道[5-6]。

1.2 育成品种资源的收集

我国历史上选育的具有实际栽培应用的育成品种，西瓜育成品种如‘郑州3号’‘早花’‘华东24号’‘华东 26 号’‘兴城红’‘红灯’‘庆丰’‘中育 1号’‘中育 6 号’‘中育 10 号’‘苏蜜 1 号’‘74-5-1’‘琼酥’‘石红1号’‘汴梁1号’‘火洲1号’等，甜瓜育成品种有‘盛开花’‘白沙蜜’‘广州蜜’‘运蜜一号 ’‘ 金辉 ’‘ 河套蜜瓜’‘黄旦子 ’‘ 网纹香 ’‘ 八一香梨’‘炮台红’等（表1），这些品种多具有地方品种“血统”，具有较好的栽培性状，亦成为现代西瓜甜瓜育种的重要材料。

1.3 国外引种

我国西瓜甜瓜种质资源引种大概分为3个阶段：第一阶段为新中国成立前后，该阶段引入的数量较少，主要为具有直接栽培利用价值的品种资源，如从日本引入的大和系列、从苏联引进的‘苏联1号’‘苏联2号’和‘苏联3号’西瓜品种[7]，以及从美国引进的‘白兰瓜’甜瓜品种等[8]；第二阶段为20世纪末，重点引进抗性品种和优质品种，如抗枯萎病西瓜品种‘Sugarlee’‘卡红’等[9]，用于满足西瓜抗性育种需求，成为现代抗性育种和研究的重要种质基础；第三阶段为近十年左右，引种对象较广，引入种质的数量和类型十分丰富，以引入新种质为主要目的，具有更大意义的种质资源引种，包括野生种质、抗性种质、特殊遗传材料等，尤其是野生和近缘种质的引进[10]，填补了我国种质保存空白，拓宽了我国西瓜甜瓜遗传背景（表1）。如国家蔬菜工程技术研究中心2003年从美国资源库引进了1 373份西瓜种质资源[11]；而国家西瓜甜瓜中期库自2004年起陆续引入西瓜种质资源1 120份、甜瓜资源523份。

2 建设了西瓜甜瓜种质资源子平台，构建了种质资源中长期保存体系

目前我国已经建设了国家农作物种质资源平台，由国家长期种质库（中国农业科学院作物科学研究所，北京）、国家复份种质库、国家中期种质库、国家种质圃和国家种质信息中心组成，是集种质资源保存、服务、合作、交流、人才培养与科普教育功能于一体的机构[12]。国家农作物种质资源平台下设包括西瓜甜瓜种质资源子平台在内的不同农作物子平台，在西瓜甜瓜种质资源子平台中，国家西瓜甜瓜中期库（中国农业科学院郑州果树研究所，河南郑州）负责收集编目、中期保存、整理评价、繁殖更新和分发利用，并向国家长期种质库提供新收集的种质，国家长期种质库对收到的种质经过检测合格后进行长期保存，并将复份种质送交国家复份种质库进行安全备份保存，确保西瓜甜瓜种质不会因为意外情况出现断种的危险，国家西瓜甜瓜中期库和国家长期种质库、国家复份种质库共同构成了西瓜甜瓜种质资源中长期保存体系，在保障种质的保存安全的同时也实现了种质资源的高效利用。

国家西瓜甜瓜中期库拥有70 m2的种子低温保存库1座，温度为（0±5）℃，相对湿度＜40%，种质资源保存容量为10 000份。截至2016年12月，共保存西瓜甜瓜3 000份（不包括待繁的原种），涵盖了西瓜属植物全部的 5个种：西瓜（Citrullus lanatus）、药西瓜（C.colocynthis）、缺须西瓜（C.ecirrhosus）、诺丹西瓜（C.naudinianus）、热迷西瓜（C.rehmii），以及甜瓜属植物的14个种：甜瓜（C.melo）、非洲瓜（C.africanus）、西印度瓜（C.anguria）、迪普沙瓜（C.dipsaceus）、无花果叶瓜（C.ficifolius）、角瓜（C.metuliferus）、普拉菲瓜（C.prophetarum）、泡状瓜（C.pustulatus）、箭头瓜（C.sagittatus）、吉赫瓜（C.zeyheri）、赞比亚瓜（C.zambianus）、七裂瓜（C.heptadactylus）、艾斯波瓜（C.asper）和酸黄瓜（C.hystrix）（表 2）。

国家长期种质库总建筑面积为3 200 m2，由试验区、种子入库前处理操作区、保存区等3部分组成。保存区建有2个长期贮藏冷库，总面积为300 m2，可保存种质40余万份，种质贮藏条件为：温度（-18±1）℃，相对湿度＜50%，截至 2016年 12月，国家西瓜甜瓜中期库共向国家长期库提供1 335份西瓜和1 132份甜瓜种质资源用于长期保存。

表2 西瓜甜瓜种质资源子平台保存的近缘种种质及主要特点

3 构建了种质资源技术规范体系

构建技术规范体系包括《西瓜种质资源描述规范和数据标准》、《甜瓜种质资源描述规范和数据标准》2部著作[13-14]，以及由这2部著作核心内容上升的国家标准[15-16]。在西瓜甜瓜种质资源技术规范体系中，规范了145个西瓜性状，包括基本性状25个，形态特征和生物学特征性状97个，品质性状6个，抗逆抗病性状11个，其他性状6个；规范了146个甜瓜性状，包括基本性状25个，形态特征和生物学特征性状93个，品质性状8个，抗逆抗病性状15个，其他性状5个，并确定了优异种质的评判标准。

以西瓜甜瓜种质资源技术规范体系为基础，我们开展了种质资源抗性筛选和鉴定评价，先后对754份西瓜种质进行了抗病毒病筛选，筛选出4份对ZYMV免疫种质和1份抗病种质，免疫种质分别为‘PI 494530’‘PI 595203’‘2013K12’和‘2013K15’[17]；另对948份西瓜种质进行了枯萎病抗性筛选，筛选出32份高抗西瓜种质，发病率均在20%以下，首次在我国西瓜地方品种资源中发现高抗枯萎病种质——‘抚州瓜’，经初步鉴定，‘抚州瓜’具有与育种上利用的国外抗性种质不同的遗传背景，该发现对于进一步研究枯萎病抗性机制并加以合理利用具有重要意义。

4 种质资源的基因组学研究

基因组学于1986年首次提出后便广泛地应用于各个专业和领域，促进了生物学科大数据时代的发展，特别是分子标记和测序技术的广泛应用，使种质资源全基因组水平的基因型鉴定成为可能，已在玉米、水稻等作物的种质资源研究中得到应用[18-20]。

目前，国内外科学家已经完成了西瓜和甜瓜全基因组测序及组装[21-22]，为利用二代测序技术对西瓜甜瓜种质资源进行快速重测序提供了重要的信息参考平台，可以在较短时间内开发与目标性状紧密连锁的分子标记[23]，或特异性和通用性较强的分子标记[24]，如我们采用简化基因组测序技术（SLAF-seq）对构建的93株西瓜F2群体进行了全基因组水平测序、SNP遗传位点提取与过滤、基因分型后，构建了西瓜高密度遗传连锁图，图谱总长为1 906.31 cM，标记平均间隙仅为0.72 cM[25]，结合群体亲本深度重测序提取的遗传位点信息用于加密QTL初定位区间，成功地将西瓜抗枯萎病生理小种1基因（Fon_1）精细定位在1号染色体上的246 kb物理区间，开发出与Fon_1紧密连锁的分子标记InDel1_fon1[26]，利用这些分子标记能够进行与种质资源目标性状紧密相关的基因型鉴定、遗传多样性研究与系统分类、品种资源的纯度与真实性鉴定及遗传背景分析等[27]，如我们采用枯萎病抗性分子标记对130份种质进行基因型分析，结果表明，我国一些西瓜地方品种资源具有抗枯萎病基因型基础，为挖掘和利用我国西瓜地方品种中的抗性资源提供了重要线索[28]。

5 种质资源的创新与分发利用

种质资源创新指利用杂交转育、人工诱变、细胞工程和基因工程等技术手段与策略进行性状转育、聚合、诱变、导入或剔除而创造具有较高利用与研究价值的新种质。在西瓜甜瓜种质创新研究中，杂交转育是应用最早和最广泛的创新手段，如我国早期的固定品种‘早花’‘中育1号’‘汴梁1号’‘郑州3号’‘郑州2号’‘石红1号’‘石红2号’‘中育9号’和‘中育10号’等均是以地方品种、引进品种和选育的固定品种为材料杂交转育而来的[29]。20世纪80年代后期，随着杂交一代西瓜在我国的兴起，杂交选育方法主要用于杂交品种亲本（父本与母本）选育，成为现代杂交品种的主要创新方法[30-35]。人工诱变是通过化学或物理方法诱发种质产生遗传上的变异而创新种质，主要包括秋水仙素诱变[36]、EMS 诱变[37]、辐射诱变（60Coγ、质子束、激光等辐射）[38-42]、低能氮离子注入[43-44]和太空搭载[45]等。

西瓜甜瓜种质资源子平台以保存遗传多样性为主要目的收集和保存种质资源，相对于高代单系而言，种质资源属于原始性较强的育种材料，为充分挖掘利用种质资源、促进原创性育种利用研究，我们在种质资源筛选和鉴定的基础上，开展了一系列种质创新研究，先后创新出西瓜的高糖、早熟、叶色突变体、高抗枯萎病四倍体、高抗病毒病和甜瓜的高抗白粉病、两性花株（每节均能坐瓜）等优质和特异种质，并利用这些创新种质选育出种质资源利用示范性品种‘郑果 5506’[46]、‘郑抗 5503’[47]等品种或杂交组合，目前这些创新的种质可提供对外分发利用。

西瓜甜瓜种质资源工作的重要目的之一是为了种质资源的利用，为此我们开展了持续性的、较大规模的种质资源分发利用行动。据统计，自2001年起，西瓜甜瓜种质资源子平台中的国家西瓜甜瓜中期库累计向全国100多个单位或个人提供种质利用4 800份次，分发范围遍布除台湾省和西藏自治区之外的全国各地，包括国家西瓜甜瓜产业体系岗位专家，大部分省、市级的农业科学研究院，高等院校，国内著名种业和产业爱好者等，用于西瓜甜瓜科研、育种和人才培养等。如通过持续的种质资源分发利用，西瓜甜瓜种质资源子平台为北京市蔬菜研究发展中心的薄皮甜瓜育种和西瓜DUS测试技术标准制定、分子标记、基因组重测序及西瓜新品种培育[26]，以及东北农业大学的中国甜瓜品种核酸指纹库的构建[48]、河南农业大学的甜瓜核心种质构建等研究提供了重要的支撑[49]。

6 展望与建议

我国种质资源规模近年来迅速扩大，收集的种质类型也呈现多样化，已由过去服务于栽培和育种为主的收集转变为种质遗传多样性的收集，重点收集所有未纳入国家农作物种质资源平台保存的种质，其中，引种成为近年来种质收集的主要方式，但随着引种规模的扩大，国内外第三方种质机构的可引进资源存量越来越少，建议今后应加强原生地种质资源的考察和收集，重点收集地方品种、野生近缘种或近缘属植物，以丰富我国西瓜甜瓜种质资源类型，拓宽遗传背景。

西瓜甜瓜种质资源的基因组学研究已经启动，正在成为西瓜甜瓜种质资源的一个重要研究热点，通过比较和挖掘种质资源全基因组水平的遗传差异位点信息，结合西瓜甜瓜种质资源表型精准鉴定结果，将快速开发更多与重要性状紧密连锁的分子标记，对于深度挖掘和利用西瓜甜瓜种质具有重要意义，建议逐步构建我国西瓜甜瓜种质资源的基因组信息数据库，为全面提升种质资源的综合利用价值提供重要的信息平台。

[1] Food and Agriculture Organization of the United Nations[DB/OL].[2018-01-16]．http://www.fao.org/faostat/en/#data/QC ．

[2]朱金英，王友平，贺洪军．德州西瓜地方品种的退化及其提纯复壮技术[J]．上海蔬菜，2012（4）：77-79．

[3]新疆甜瓜西瓜资源调查组．新疆甜瓜西瓜志[M]．乌鲁木齐：新疆人民出版社，1985．

[4]蒋康众．江淮地区甜瓜品种资源研究和利用[J]．农业科技通讯，1992（2）：16-17．

[5]周文江．甘肃省甜瓜地方品种简介（二）[J]．甘肃农业科技，1986（6）：21-25 ．

[6]周文江．甘肃省甜瓜地方品种简介（一）[J]．甘肃农业科技，1986（4）：2-5．

[7]王坚．我国西瓜品种的发展与展望[J]．农业科技通讯，1988（10）：14-15．

[8]兰州市城关区农业局．白兰瓜三圃系选法[J]．甘肃农业科技，1980（3）：33．

[9]徐润芳，杨鼎新．我国西瓜抗枯萎病育种的进展与前景[J]．中国西瓜甜瓜，1992，5（1）：2-5．

[10]王吉明，尚建立，马双武．甜瓜近缘植物引进观察初报[J]．中国瓜菜，2007，20（6）：31-33．

[11]范敏，宫国义，张瑞麟，等．美国资源库西瓜种质的初步观察与数量分类[J]．中国瓜菜，2004，17（4）：1-3．

[12]曹永生，方沩．国家农作物种质资源平台的建立和应用[J]．生物多样性，2010，18（5）：454-460．

[13]马双武，刘君璞．西瓜种质资源描述规范和数据标准[M]．北京：中国农业出版社，2005．

[14]马双武，刘君濮．甜瓜种质资源描述规范和数据标准[M]．北京：中国农业出版社，2006．

[15]农业部种植业管理司．农作物优异种质资源评价规范西瓜：NY/T 2387-2013[S]．北京：中国标准出版社，2013．

[16]农业部种植业管理司．农作物优异种质资源评价规范甜瓜：NY/T 2388-2013[S]．北京：中国标准出版社，2013．

[17]尚建立，王吉明，马双武．西瓜抗小西葫芦黄花叶病毒种质资源鉴定[J]．中国瓜菜，2014，27（4）：14-15．

[18]CHEN HAO DONG，XIE WEI BO，HE HANG YU，et al．A high-density SNP genotyping array for rice biology and molecular breeding[J]．Molecular Plant，2014，7（3）：541-553．

[19]WANG SHICHEN，WONG DEBBIE，FORREST KERRIE，et al．Characterization of polyploid wheat genomic diversity using a high-density 90000 single nucleotide polymorphism array[J]．Plant Biotechnology Journal，2014，12（6）：787-796．

[20]GANAL M W，DURSTEWITZ G，POLLEY A，et al．A large maize（Zea maysL．）SNP genotyping array：development and germplasm genotyping，and genetic mapping to compare with the B73 reference genome[J]．Plos One，2011，6（12）：e28334．

[21]GUO SHAOGUI，ZHANG JIAN，GUO SUN，et al．The draft genome of watermelon（Citrullus lanatus）and resequencing of 20 diverse accessions[J]．Nature Genetics，2013，45（1）：51-58．

[22]GARCIA-MAS J，BENJAK A，SANSEVERINO W，et al．The genome of melon（Cucumis meloL．）[J]．Proceeding of the National Academy of sciences of the United States of America，2012，109（29）：11872-11877.

[23]张屹，张海英，郭绍贵等．西瓜枯萎病菌生理小种1抗性基因连锁标记开发[J]．中国农业科学，2013，46（10）：2085-2093．

[24]ZHANG HAIYING，WANG HUI，GUO SHAO GUI，et al．Identifi⁃cation and validation of a core set of microsatellite markers for genetic diversity analysis in watermelon，Citrullus lanatusThunb．Matsum．＆ Nakai[J]．Euphytica，2012，186（2）：329-342．

[25] SHANG JIAN LI，LI NA，LI NAN NAN，et al．Construction of a high-density genetic map for watermelon（Citrullus lanatusL．）based on large-scale SNP discovery by specific length amplified fragment sequencing（SLAF-seq）[J]．Scientia Horticulturae，2016，203：38-46．

[26]李娜，王吉明，尚建立等．西瓜枯萎病生理小种1抗性QTL精细定位与 InDel标记开发[J]．中国农业科学，2017，50（1）：131-141．

[27]范建光，张海英，宫国义，等．西瓜DUS测试标准品种SSR指纹图谱构建及应用[J]．植物遗传资源学报，2013，14（5）：892-899．

[28]王吉明，李楠楠，尚建立，等．西瓜抗枯萎病种质资源的分子标记筛选研究[J]．安徽农业科学，2015，43（32）：200-202．

[29]马双武，韦小敏，王吉明．我国西瓜种质资源的创新研究[J]．北方园艺，2006（5）：55-57．

[30]徐永阳，徐志红，赵光伟，等．甜瓜新品种‘网络3号’的选育[J].中国瓜菜，2017，30（11）：18-20．

[31]赵光伟，徐永阳，徐志红．厚皮甜瓜新品种——‘网络2号’的选育[J]．果树学报，2015，32（6）：1297-1299．

[32]徐永阳，徐志红，刘君璞．甜瓜新品种——‘中甜1号’的选育[J]．果树学报，2005，22（3）：300-301．

[33]谭素英，刘文革，黄秀强，等．郑抗无子3号西瓜品种选育研究[J]．果树学报，2002，19（6）：406-410．

[34]王鸣，孙振久，张显，等．西瓜新品种‘西农8号’的选育及推广[J]．西北农业大学学报，1997，23（4）：115-117．

[35]王坚．郑杂5号西瓜的选育[J]．农业科技通讯，1988（1）：16-17.

[36]周谟兵，林友毫，彭金光，等．利用秋水仙素组培技术诱导四倍体西瓜的研究[J]．长江蔬菜，2007（9）：43-44．

[37]侯艳，朱子成，朱娜娜，等．EMS诱变西瓜突变体库的构建及表型分析[J]．西北植物学报，2016，36（12）：2411-2420．