“十三五”我国黄瓜遗传育种研究进展

张圣平 苗 晗 薄凯亮 董邵云 顾兴芳

（中国农业科学院蔬菜花卉研究所，北京 100081）

“十三五”期间，我国黄瓜年均播种面积122.97 万hm2、产量6 623.08 万t（www.fao.org），生产规模位居世界第一。黄瓜遗传育种研究获得了国家重点研发计划、国家大宗蔬菜产业技术体系、国家自然科学基金以及地方产业技术体系等多个项目的支持，经过广大科研工作者的努力，在黄瓜基础研究领域、育种技术研发、育种材料创制和新品种选育等方面取得快速发展。创建了黄瓜分子标记聚合育种技术，并且在基因编辑技术上实现突破；创新出一批优良的育种材料，报道育成的不同类型、适合不同生态条件栽培的新品种超过50 个，在生产上大面积推广应用，支撑了蔬菜产业的快速发展。发表中英文相关论文150 篇以上，授权国家发明专利约160 件，2 项成果“黄瓜基因组和重要农艺性状基因研究”和“黄瓜优质多抗种质资源创制与新品种选育”荣获国家级奖励。

1 黄瓜重要农艺性状功能基因挖掘研究

基于“十二五”期间我国在黄瓜基因组学和变异组学研究方面的积累，“十三五”期间黄瓜基础研究得到了快速发展，发表了影响因子大于6 的SCI 论文超过30 篇，其中影响因子大于8 的高水平论文13 篇。黄瓜自交系9930 的V3.0 参考基因组组装完成，获得了总长度226.2 Mb，共包含174 contigs 的参考基因组（Li et al.，2019），可以更好地服务于黄瓜分子生物学及遗传育种研究。完成了黄瓜抗病、抗逆、果实品质、植株性别等多个重要农艺性状的基因定位，且在黄瓜植株性别与花发育、果实性状发育和植株性状的分子机理解析方面取得重要进展。

1.1 重要农艺性状的基因定位

在黄瓜抗病性状的基因定位方面，主要针对霜霉病、白粉病和蔓枯病开展了研究。Li 等（2018）和Wang 等（2018a）分别检测到5 个和11 个与霜霉病抗性相关的QTL，其中dm5.1、dm5.2和dm5.3是主效QTL，贡献率高达19.68%～30.97%。Wang 等（2018a）检测到4 个与白粉病抗性相关的QTL，其中pm5.1是主效QTL。郝俊杰等（2018）在Chr.5 上检测到1 个白粉病抗性基因PM74，贡献率为41.95%。Zhang 等（2018a）在酸黄瓜渐渗系中鉴定到具有白粉病完全抗性的单隐性基因和具有霜霉病部分抗性的主效QTL。Xu 等（2016）将白粉病主效位点Pm1.1精细定位在Chr.1 上41.1 kb 区间，初步筛选出候选基因Csa1M064780和Csa1M064790。Zhang 等（2017a）检测到5 个与茎部蔓枯病抗性相关的QTL，其中gsb-s6.2是主效位点。张旭等（2018）从黄瓜/酸黄瓜渐渗系IL77 中鉴定到蔓枯病抗性QTL。

在黄瓜抗逆境胁迫研究上，重点对耐低温、耐热和耐涝开展了研究。利用黄瓜核心种质进行全基因组关联分析，检测到4 个与幼苗耐低温相关的位点（王伟平 等，2019），5 个与种子耐42 ℃高温关联的位点（张松 等，2019），7 个与幼苗耐50 ℃高温相关的位点，其中位于4 号染色体上的gHII4.1和gHII4.2与幼苗耐热性关联最大，在此区段预测到67 个候选基因（魏爽 等，2019）。此外，还鉴定到6 个与黄瓜幼苗耐热相关的QTL（Dong et al.，2020）、3 个发芽期耐低温的QTL（Song et al.，2018）、3 个幼苗耐低温QTL（Dong et al.，2019）。Wang 等（2019）将幼苗耐热基因定位到550 kb 区间。陈雪倩（2020）利用热敏感突变体hs1，将耐热基因定位到1 号染色体上232.3 kb 区间内。鉴定出3 个与涝胁迫下黄瓜不定根形成相关的QTL（许学文，2017；Xu et al.，2017，2018）。

黄瓜果实品质性状分子生物学研究方面，鉴定到数十个与黄瓜果实大小、形状、网纹、空腔等相关的QTL（张微微 等，2016a；Pan et al.，2017；Gao et al.，2020；Sheng et al.，2020；Wang et al.，2020a；Wang et al.，2021）。此外，将瓜把长基因精细定位至Chr.7 上14.1 kb 的区间内，预测到2 个候选基因（Xu et al.，2020）。将心皮数基因CsCLAVATA3精细定位在Chr.1 上（Li et al.，2016），将果实多刺基因ns精细定位在Chr.2 上（Xie et al.，2018），将黄瓜果皮栅栏型细胞基因Pe定位在Chr.5 上227.5 kb 的区间，预测到26 个基因（Zhang et al.，2017b），将黄瓜无毛基因csgl-3精细定位在Chr2 上19.6 kb 区间（Cui et al.，2016）。

在黄瓜植株性别研究方面，重点对始花节位、雌花节率、开花时间、单性结实、雄性不育等性状开展了研究。张微微等（2016b）检测到与始花节位ffn 和雌花节率相关的QTL 位点15 个。Pan 等（2017）检测到3 个调控开花时间的QTL，其中FT6.2是主效QTL，贡献率最高可达83.5%。Han等（2018）将雄性不育基因精细定位到了76 kb区间；Wu 等（2016）检测到7 个单性结实性状QTL，其中Parth2.1是主效QTL 位点。张婷等（2016）对黄瓜单性结实主效QTL 区段内的基因进行分析，推测到6 个候选基因。

1.2 重要农艺性状的基因克隆及分子机理解析

黄瓜植株性别与花发育方面的研究表明，激素调节和营养调节协调控制黄瓜花冠开放时间（Sun et al.，2016）；CsWIP1基因与CsACO2 的启动子结合调控心皮发育（Chen et al.，2016a）；温度依赖性性别决定与DNA 甲基化变化有关（Lai et al.，2017）；CsLFY基因与CsWUS 互作调节芽分生组织并促进花的发育（Zhao et al.，2018）；CsSPL基因与生长素信号传导，调节黄瓜中花药和胚珠的发育（Liu et al.，2018）；在开花位点CsFT上游两个DNA 大片段缺失与CsFT较高表达和更早开花有关（Wang et al.，2020b）；CsGL2-LIKE基因调节黄瓜雄花发育（Cai et al.，2020）；提出了完整的黄瓜单性花发育调控模型（Zhang et al.，2020a）。

在黄瓜果实性状发育方面，鉴定到控制黄瓜果实长度的关键基因CsFUL1（Zhao et al.，2019）；克隆了控制瓜把长度的基因CsFnl7.1（Xu et al.，2020）；揭示了调节乙烯剂量以控制果实发育中细胞分裂的机制（Xin et al.，2019）；确定了黄瓜短果表型是由黄瓜组蛋白去乙酰化酶复合体1（HDC1）中的单个核苷酸变化引起的（Zhang et al.，2020b）。克隆了软刺基因ts（Guo et al.，2018）、超高密度果刺新位点fsd6.1（Bo et al.，2019）、黄瓜无毛基因Tril（Wang et al.，2016）；证明了CsMYB6-CsTRY 复合物负调控果实毛状体起始发育（Yang et al.，2018a），Tril编码HD-Zip 负责毛状体和果刺的启动（Du et al.，2020），CsMYB60控制果刺颜色（Liu et al.，2019）；CsTTG1 与Mict互作调控果瘤形成（Chen et al.，2016b），CsTu-TS1 复合体调控黄瓜果瘤形成的分子机制（Yang et al.，2019）。证明了WUSCHEL-CLAVATA3 通路调控黄瓜心室数（Che et al.，2020），CsERF025基因可以增加果实中乙烯的含量，进而导致果实发生弯曲（Wang et al.，2017）。明确了APRR2、TKN4和TKN23 个基因通过相互作用共同调节叶绿素含量的积累，从而调控嫩瓜果皮颜色（Jiao et al.，2017）。

黄瓜植株性状分子生物学研究方面，解析了分枝、花打顶、叶型、叶色等分子调控机制。CsBRC1是控制分枝的关键基因，通过抑制生长素运输基因PIN3，导致侧枝中生长素过量积累，从而抑制侧枝的生长发育（Shen et al.，2019）。克隆了控制有限生长的关键基因CsTFL1，该基因通过与CsNOT2a互作来影响花发育（Wen et al.，2019）。克隆了小叶基因LL，LL编码WD40 重复蛋白，与黄瓜器官大小的发育密切相关（Yang et al.，2018b）；克隆了圆形叶片基因CsPID，CsPID编码丝氨酸/ 苏氨酸蛋白激酶（Zhang et al.，2018b）。解析了CsWOX1基因调控叶片发育的分子机制（Wang et al.，2020c）；解析了TEN基因控制黄瓜卷须发育的分子机制（Yang et al.，2020）。将黄绿叶色基因v-1精细定位在Chr.6 上50.9 kb 区间内（Miao et al.，2016）。鉴定到1 个叶片黄化突变体，图位克隆到CsHD基因，该基因影响叶绿体发育和叶绿素合成（Hu et al.，2020）。图位克隆了叶片淡绿色基因v-2，该基因是叶绿素合成的关键基因（Zhang et al.，2020c）。

2 黄瓜育种技术研究

在黄瓜抗病、抗逆、果实品质等重要农艺性状的分子标记开发、细胞工程育种技术研究、转基因和基因编辑研究等方面取得新的进展，特别是在黄瓜基因编辑上获得突破。

2.1 黄瓜分子标记研究

在抗病方面，获得了与黄瓜白粉病抗性密切相关的SNP 多态性标记140 个（张鹏 等，2017）；与西葫芦黄化花叶病毒（ZYMV）共分离的InDel 分子标记（杨义 等，2017）；与西瓜花叶病毒调控基因wmv紧密连锁的标记SSRWMV60-23，用于分子标记辅助选择（MAS）的准确率达94%（Tian et al.，2016）。在抗逆方面，获得与耐热基因连锁的分子标记Indel-H90 和 Indel-H224（Wang et al.，2019）；与耐涝基因连锁的分子标记SSR12898 和SNP25558853（Xu et al.，2017）。在果实品质方面，获得了与瓜把长基因紧密连锁的分子标记InDel05和SNP04（Xu et al.，2020）；与果实多刺基因ns连锁的标记nsIndel55 和 nsIndel39（Xie et al.，2018）；与果皮栅栏型细胞基因Pe连锁的标记Indelpe12 和SSR14611（Zhang et al.，2017b）；与无毛基因csgl-3连锁的标记InDel-19（Cui et al.，2016）；与黄瓜无毛基因Tril连锁的标记UW007192和UW007208（Wang et al.，2016）；与白色果皮基因w连锁的标记LH39258 和ASPCR39250（Liu et al.，2016）；以及与黄绿叶色基因v-1连锁的标记v1SSR8 和v1CAPs15（Miao et al.，2016）。

2.2 黄瓜单倍体育种研究

在黄瓜单倍体培养方面，周霞等（2020）在MS+0.06 mg·L-1噻苯隆（TDZ）培养基中培养黄瓜未授粉子房获得再生植株。郭晓雨等（2020）筛选出旱黄瓜未授粉子房培养雌核诱导技术体系：以开花前1 d 未授粉子房为材料，在添加0.08 mg·L-1TDZ 的诱导培养基上进行35 ℃暗培养4 d。Deng等（2020）研究发现，黄瓜未授粉子房4 ℃低温处理4 d、0.06 mg·L-1TDZ 可显著提高植株再生率，华北类型黄瓜再生率最高。魏爱民等（2019）筛选出8 个与黄瓜离体雌核发育早期过程相关的重要基因，为进一步大幅提高黄瓜未受精子房培养胚胎诱导率奠定了理论基础。

2.3 黄瓜转基因技术研究

转基因技术是研究黄瓜基因功能和品种改良的重要手段。黄瓜是较难进行转基因的物种，为提高转化效率，国内学者不断优化遗传转化方法，研究了传统农杆菌侵染法中影响转化的预培养时间、乙酰丁香酮（AS）浓度、侵染时间、共培养时间等因素的作用效果（Sun et al.，2017）；探索了通过真空渗透原理对黄瓜开展遗传转化方法研究（Hu et al.，2017；Li et al.，2017）；使用绿色荧光蛋白检测了不同侵染条件下的遗传转化过程，发现再生位点与侵染位点并不一致，使用真空负压侵染方法，可将侵染比率提高到90%（杨丽，2018）；通过QTL 定位鉴定到4 个与黄瓜子叶再生相关的QTL，首次在遗传机制方面证实了不同品种黄瓜再生能力的差异性（Wang et al.，2018b）。随着转基因技术的不断优化，研究者在抗生物胁迫（任丹莉 等，2017）、抗非生物胁迫（刘艳，2016；潘玲玲，2017）、果实品质改良（刘斌，2017；刘汉强，2018；唐红钰，2018）、生长发育（倪蕾，2017）等基因的遗传转化工作中取得新进展。

2.4 黄瓜基因编辑技术研究

“十三五”期间，黄瓜基因编辑技术获得突破，给新种质的创制与定向改良带来更多的便利。Hu 等（2017）利用CRISPR/Cas9 编辑了抑制黄瓜心皮发育的基因WIP1，成功获得了全雌系材料，提高产量。SF1编码葫芦科特异的RING-type E3连接酶，ACS2编码乙烯生物合成的限速酶，Xin等（2019）成功获得了这2 个基因的基因编辑突变体，并研究其调控乙烯合成和黄瓜果实长度的分子机制。Zhang 等（2020c）成功实现对短瓜基因SF2的CRISPR/Cas9 编辑，验证了SF2（编码组蛋白去乙酰化复合体）通过促进细胞增殖调控黄瓜果实伸长的功能。Yang 等（2020）成功获得TEN基因的CRISPR/Cas9 突变体ten，揭示了TEN通过直接调控乙烯的合成来控制卷须的形态和攀援。

3 黄瓜种质资源评价筛选与育种材料创新

“十三五”期间，利用表型评价或分子鉴定技术对黄瓜种质资源的遗传关系、单性结实、抗病性、抗逆性等进行了评价筛选，获得了一些具有优良性状的种质。李翔等（2016）利用64 对多态性SSR 引物，将39 份云南地方黄瓜种质资源分为6 个亚类群。张微等（2016）利用149 对多态性InDel 引物，对473 份种质资源进行遗传多样性分析，建立起黄瓜多样性固定核心样本集，分别来自15 个国家和国内18 个省市。研究者还对黄瓜核心种质耐低温性、耐高温性、耐旱、耐弱光性、抗病性、抗虫、下胚轴长度、种子含油量、果实性状等进行了鉴定，筛选出对应的抗逆、抗病、抗虫、优质的种质资源（王红飞 等，2016；王伟平 等，2019；魏爽 等，2019；张松 等，2019；蔡和序 等，2020）。

利用系谱法创制了一批优质多抗的育种材料，成为新品种选育的重要亲本。包括耐低温弱光的自交系：1254 和141708（顾兴芳 等，2017a）、1101和1107（顾兴芳 等，2017b）、Y3-6 和H15-2（毛爱军 等，2017）、117D507-2 和QF19（曹明明 等，2018）、A143-5 和TBL-2（邓强 等，2018）、11-c64 和11-c25-6（刘立功 等，2018）、N62-5（毛爱军 等，2019）、NB-1 和A143-5（杨瑞环 等，2019）、H08-26 和DE-2（刘楠 等，2020）、72 和R34（宋铁峰 等，2020）、216 和45（许春梅 等，2020）、1024-21（孔维良 等，2020）、Z-1（熊艳 等，2020）等；耐高温的自交系：10-c1-12（刘立功 等，2016）、冠农-863（林毓娥 等，2017）、10-c66 和10-c11-29（郭乃笑 等，2019）等；优质自交系：Y08-2-5-6-1（陈远良 等，2016）、T09-37-4（韩毅科 等，2016）、131-1-1 和C602-2（古松 等，2016）、P09（韩靖玲 等，2016）、Calb02122-1-0和qb213-0（岳宏忠 等，2016）、10-1-5 和10-23-1（张利东 等，2016）、D1158 和D0708-2（秦智伟 等，2018）、H7704 和01104-1-2-0-0（赵福顺 等，2019）、S16 和S26（宋瑞生 等，2019）、渝亮3 号（梁肇均 等，2019）、Q812（孔维良 等，2020）、H52 和L12（魏爱民 等，2020）、C-27 和H-13（李岩 等，2020）等；抗多种病害自交系：C20（韩靖玲 等，2016）、10-c11（刘立功 等，2016）、Y08-10-1-8-12（陈远良 等，2016）、21-4-9（韩毅科 等，2016）、081048 和02465（顾兴芳等，2017c）、H1121 和12-9（柳景兰 等，2017）、揭阳乌皮青-311（林毓娥 等，2017）、12173 和09676（张圣平 等，2018）、2431 和12-9（张作标等，2018）、CA-110-31 和I3-1-28（韩毅科 等，2019）、BC244856-3（毛爱军 等，2019）、G3 和M118（王航 等，2019）等，豫优4 号（梁肇均 等，2019）、86G（熊艳 等，2020）等。

4 黄瓜新品种选育

2017—2020 年通过非主要农作物品种登记的黄瓜品种共有1 215 个。目前已进行黄瓜品种登记的省（市）共有25 个，排名前十的为天津、山东、黑龙江、辽宁、北京、四川、广东、吉林、河南、福建等。

相对于品种登记，黄瓜新品种保护权的授权比率较低，仅有不到3%的新品种获得新品种保护权。2016—2019 年申请植物新品种保护的黄瓜品种共有126 个，授权37 件。通过数据分析发现从2017年开始品种权申请爆发式增长，从2016 年的9 件增长到39 件，增幅达到76.9%，随后几年品种权申请数量也都维持在30 件以上。

“十三五”期间，经过育种家的不懈努力，报道育成的黄瓜新品种超过50 个。这些新品种的外观品质有了明显优化，特别是在商品瓜光泽度上大幅度提升。另外，在产量和抗病性方面也比以往推广的品种具有较大优势（表1）。就类型而言，华北密刺型黄瓜仍是选育重点，但华南型黄瓜的选育日益受到重视，逐渐成为重要的育种方向。2020年育成的黄瓜新品种中，华南型品种的数量首次超过了华北型品种的数量，占到总数量的55.5%，这也反映了近年来黄瓜市场需求的新变化，消费需求越来越多样化。

具有代表性的华北型保护地黄瓜新品种有：津优358 号（张利东 等，2016）、新农黄1 号（陈远良 等，2016）、中农37 号（顾兴芳 等，2017a）、中农50 号（顾兴芳 等，2017c）、京研118（毛爱军 等，2017）、津优319（曹明明 等，2018）、中农33 号（张圣平 等，2018）、津美79（邓强 等，2018）、京研优胜（刘立功 等，2018）、科润99（韩毅科 等，2019）、津优336（杨瑞环 等，2019）、京研109（毛爱军 等，2019）、绿园7 号（宋铁峰 等，2020）、津优316（孔维良 等，2020）、津冬365（刘楠 等，2020）。华北型露地耐热黄瓜新品种有：津优409（韩毅科 等，2016）、京研夏美（刘立功 等，2016）、中农38 号（顾兴芳 等，2017b）、京研春秋绿2 号（郭乃笑 等，2019）、粤丰（梁肇均 等，2019）。

表1 “十三五”期间育成的主要代表性黄瓜新品种

续表

具有代表性的华南型黄瓜新品种有：甘丰春玉（岳宏忠 等，2016）、唐秋209（韩靖玲 等，2016）、百福10 号（古松 等，2016）、力丰（林毓娥 等，2017）、龙早1 号（柳景兰 等，2017）、东农812（秦智伟 等，2018）、盛秋2 号（张作标等，2018）、吉杂17（赵福顺 等，2019）、唐杂6号（宋瑞生 等，2019）、龙园黄冠（许春梅 等，2020）、龙园翼剑（李岩 等，2020）、燕青（熊艳 等，2020）。水果型黄瓜新品种有：京研迷你9 号（王航 等，2019）、津美11 号（魏爱民 等，2020）等。

5 问题与展望

“十三五”期间，我国黄瓜遗传育种研究虽然取得重要进展，但仍不能满足快速发展和变化的蔬菜产业需求，不能满足人民日益增长的对优质、营养、安全黄瓜产品的需求。下一步的科研工作要坚持问题导向和需求导向，应用基础研究方面要加大具有重要育种价值的基因挖掘和调控网络解析研究；育种技术方面，要在高通量大规模基因分型技术、基因编辑技术、大孢子培养技术上尽快实现突破；育种材料创制和新品种选育方面，要强化抗重大和新型病害育种、优质育种、适合轻简化栽培育种、国外品种替代等方面的工作。同时，要加大对黄瓜种子生产技术、种子加工检测技术的高度重视，不断缩小与国外公司在种子质量上的差距。还要加大知识产权保护力度，严厉打击假冒侵权、套牌种子现象，保障我国黄瓜种业行稳致远。