辣椒半矮秆突变体E483的表型鉴定和生理分析

肖佳林 李丽缘 黄湖荣 刘周斌 欧立军 索 欢 邹学校 周书栋 杨博智*

（1 湖南农业大学园艺学院，湖南长沙 410128；2 园艺作物种质创新与新品种选育教育部工程研究中心，湖南长沙 410128；3 湖南省农业科学院蔬菜研究所，湖南长沙 410125）

辣椒（L.）是我国种植面积最大、消费量最高的蔬菜作物，可鲜食，亦可加工食用，同时也是重要的调味品和食品添加剂。近年来，随着生产力水平的提高，辣椒设施栽培规模发展迅速，目前我国辣椒设施栽培面积已达56.813 3万hm（852.2 万亩），占辣椒总种植面积的26.6%（邹学校 等，2020），因此，选育出高产、优质、多抗且适宜设施栽培的辣椒品种尤为重要。株高是辣椒的重要农艺性状之一，与辣椒植株抗倒伏性和产量性状密切相关（李玉华和闫立英，2003）。辣椒半矮秆品种除了抗倒伏、利于密植以及提高产量的优点之外，还具有低温弱光条件下不易徒长、采收间隔期短、前期产量高等优势，特别适合南方地区春提早和秋延后设施内低矮空间栽培。

不同于水稻和玉米（Khush，2001）、小麦（韩斌 等，2015）等半矮秆品种的广泛应用，多年来我国辣椒的育种方向集中于产量、抗性和育性研究（王立浩 等，2016；袁欣捷 等，2017；吴永红 等，2020），半矮秆育种暂未引起育种家们的高度重视。目前我国辣椒生产上应用的半矮秆品种主要为地方品种，有湖南伏地尖和樟树港辣椒、江西余干椒、南京早椒等。除此之外，前人通过诱变手段也获得了部分辣椒半矮秆突变体。蒋向辉等（2008）采用Coγ 射线辐射处理怀椒6 号种子，获得了1 个株高较矮、侧枝较少的突变体。Jo 等（2016）采用γ 射线和碳束照射Yuwol-cho 种子，获得了一些辣椒半矮秆突变体。Arisha（2015）、周书栋等（2017）采用甲基磺酸乙酯（ethylmethane sulfonate，EMS）处理辣椒种子，均获得了辣椒半矮秆突变体。然而，目前生产上可直接利用的辣椒半矮秆材料并不多，且由于半矮秆性状通常由隐性基因控制，杂交品种少，因此有必要创制辣椒半矮秆新资源，加快辣椒半矮秆品种选育速度，迎合市场需求。

本试验从EMS 诱变辣椒自交系6421 种子构建的突变体库中，筛选到1 个半矮秆突变体，对突变体的表型、生物量、光合特性和生理指标进行测定，并分析其性状遗传规律，以期为该半矮秆突变体的突变分子机理研究和育种应用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料为辣椒高代自交系6421、半矮秆突变体（已连续自交3 代，突变性状能稳定遗传），均由湖南省农业科学院蔬菜研究所提供。

试验于2020 年3 月至2021 年10 月在湖南农业大学园艺学院基地塑料大棚和人工气候室中进行。2020 年3 月起在塑料大棚进行亲本、F和F群体种植，用于遗传规律分析；2021 年5 月13 日于人工气候室播种6421、种子各100 粒至50孔穴盘中，30 d 后幼苗处于6 叶期，45 d 后植株开始现蕾，55 d 处于开花期，65 d 开始坐果，100 d开始出现红果。植株全生育期保持室内温度（26 ±2）℃/（18 ± 2）℃（光照/黑暗），光照时间为16 h·d，光照强度8 000 lx。

1.2 方法

1.2.1 表型调查 对6421 和进行全生育期表型调查，每份材料随机选取10 株，观察子叶期形态特征，调查苗期（6 叶期）、现蕾期（5～6 个花蕾）、开花期（仅有花朵盛开）、青果期（2～4 个青果）、红果期（果实全为红果）的植株株高、主茎长、主茎粗和总节间数，以及苗期叶片、成株期花器官、成熟果形态特征、现蕾期根系，并统计单果鲜质量和单株坐果数。

1.2.2 茎秆细胞学特征观察 苗期取6421 和幼苗茎秆顶端向下第4 节茎段，采用石蜡切片法（Ji et al.，2006）制片，在Olympus BX43 显微镜下观察并拍照。每份材料观察1 株。

1.2.3 根系活力测定 现蕾期取6421 和幼苗各3 株，清水洗净根系并用纸吸干水分，测量根深（根茎连接处与根最深处的垂直距离）、根宽（根系两侧的最远距离），计算根开展面积（根深与根宽的乘积）；准确称取0.50 g 根尖，将其切成1 cm长小段，放入小烧杯中，采用TTC 法测定根系活力（邹琦，2000）。

根系活力=C/（W × T）

式中C 表示TTC 还原量（mg），W 表示根质量（g），T 表示处理时间（h）。

1.2.4 生物量测定 取6421 和幼苗各3 株，清水洗净植株根部，擦干水分，分别称量地上部（植株根以上所有部分）和地下部（植株根）鲜质量，再将地上部和地下部放入烘箱中105 ℃杀青30 min，75 ℃烘干至恒重，称量地上部和地下部干质量，计算鲜质量根冠比和干质量根冠比。

鲜质量根冠比=地下部鲜质量/地上部鲜质量

干质量根冠比=地下部干质量/地上部干质量

1.2.5 叶绿素和类胡萝卜素含量测定 采用叶绿素与类胡萝卜素含量测定试剂盒（北京索莱宝科技有限公司）分别测定叶片叶绿素和类胡萝卜素含量并略作修改。青果期时，随机选取长势一致的6421和植株各3 株，取植株顶端生长点向下第4片完全展开叶，蒸馏水洗净叶片，吸干表面水分，去中脉，用直径为1.5 cm 打孔器在叶中间位置打2个圆孔，将圆叶剪碎放入研钵中，加入少量石英砂、CaCO和1 mL 蒸馏水，弱光条件下充分研磨，转入刻度试管，用提取液（无水乙醇∶丙酮=1∶2）冲洗研钵，并定容至10 mL，黑暗条件下浸提3 h，4 000 r·min离心5 min，测定上清液在663、646 nm 和470 nm 处吸光度，分别记为△A、△A和△A。

式中Chl a 表示叶绿素a 含量，Chl b 表示叶绿素b 含量，C表示叶绿素a 浓度，C表示叶绿素b浓度，Chl 表示总叶绿素含量；Car 表示类胡萝卜素含量；V 为提取液体积，10 mL；S 为取样面积，3.53 × 10dm。

1.2.6 光合参数测定 使用Li-6400XT 型便携式光合仪测定光合气体交换参数。青果期时，随机选取长势一致的6421 和植株各3 株，测定顶端生长点向下第4～8 片功能叶的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr）。光合气体交换参数测定条件为光强1 000 μmol·m·s、CO含量400 μmol·mol、叶室温度（25 ± 1）℃，相对湿度70%～80%。

1.2.7 生理指标测定 取6421 和幼苗各3株，采用可溶性糖（SS）、脯氨酸（Pro）和丙二醛（MDA）含量测定试剂盒，超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽还原酶（GR）活性及羟自由基清除率（SA）测定试剂盒（北京索莱宝科技有限公司）分别测定苗期植株顶端生长点向下第4 片完全展开叶中的SS、Pro 和MDA 含量，SOD、POD、CAT、GR 活性及SA。

1.2.8 遗传规律分析 以半矮秆突变体为母本与6421 杂交，获得F种子，种植50 株F植株；混收F种子，植株开花后自交获得F种子，种植F群体787 株，测量株高并调查株高性状分离比，利用卡平方检测分析其遗传规律。

1.2.9 数据分析 除遗传规律分析试验外，其余所有测定项目均进行3 次重复，采用SPSS 17.0 软件对数据进行方差分析，最小显著差数法（LSD 法）进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 6421 和E483 表型特征分析

突变体植株表现出半矮化、叶片变小、叶色深绿，花朵变小，果实变短变宽，单株坐果数变少等特征（图1）。

图1 6421 和E483 不同发育时期植株表型

2.1.1 茎形态苗期、现蕾期、开花期、青果期、红果期的植株株高、主茎长、主茎粗均极显著低于6421。5 个时期中，株高与6421 相比降低了43.50%～56.82%，主茎长降低了49.40%～59.73%，但其总节间数与6421 无显著差异（表1）。取苗期第4 节茎段观察，发现茎秆变短变细（图2-a），细胞学观察发现与6421 相比，茎秆细胞纵向、横向长度均缩短（图2-b、c），表明植株变矮是由其茎秆节间细胞缩短所致。

图2 6421 和E483 苗期第4 节茎段及其显微观察（100×）

表1 6421 和E483 株高、主茎长、主茎粗和总节间数比较

2.1.2 叶形态 与6421 相比，叶片变小变厚，叶色变深（图3-a）。叶长、叶宽及叶面积均极显著低于6421，叶片厚度极显著高于6421（表2）。

表2 6421 和E483 苗期叶片长、宽、厚度和叶面积比较

2.1.3 花形态 6421 和花朵都有6 个花瓣，但与6421 相比，花朵变小，花药变短变窄，柱头长和花丝长变短（图3-b、c）。花瓣长、花药长、柱头长、花丝长均极显著低于6421，花瓣宽、花药宽均显著低于6421（表3）。

表3 6421 和E483 花瓣长宽、花药长宽、柱头长和花丝长比较 mm

2.1.4 果实形态和单株坐果数 与6421 相比，果实变短变宽，果柄变短变窄（图3-d）。果长、果柄长、果柄宽、单果鲜质量、单株坐果数均极显著低于6421，果宽极显著高于6421（表4）。

表4 6421 和E483 果实长宽、果柄长宽、单果鲜质量和单株坐果数比较

图3 6421 和E483 叶片、花、果实及根系特征

2.1.5 根形态和根系活力 与6421 相比，侧根减少、根长变短、根颜色变浅、白根居多（图3-e）。根深、根宽、根开展面积均极显著低于6421，根系活力极显著高于6421（表5）。

表5 6421 和E483 现蕾期根深、根宽、根开展面积和根系活力比较

2.2 6421 和E483 苗期植株生物量比较

幼苗地上部、地下部鲜质量及干质量均极显著低于6421，两者鲜质量根冠比差异显著，而干质量根冠比差异不显著（表6）。

表6 6421 和E483 幼苗生物量及根冠比比较

2.3 6421 和E483 叶片光合特性比较

叶色较6421 更深，叶片中Chl a、Chl 和Car 含量均极显著高于6421，且Chl b 含量和Chl/Car 显著高于6421；叶片光合参数Pn、Gs、Ci 和Tr 均极显著高于6421（表7）。

表7 6421 和E483 叶绿素、类胡萝卜素含量和光合参数比较

2.4 6421 和E483 叶片生理指标比较

苗期叶片中的SS 含量显著高于6421，Pro 含量和SOD、POD、CAT、GR 活性均极显著高于6421，SA 同样极显著高于6421，而MDA含量则极显著低于6421，只有6421 的50%左右（表8）。

表8 6421 和E483 抗性生理指标比较

2.5 突变体性状遗传分析

以和6421 为亲本构建的F群体性状不分离，表型和6421 较接近；F群体中正常植株、半矮秆植株数分别为587、200 株，符合3∶1 的分离比，表明突变性状由隐性单基因控制（表9）。

表9 E483 × 6421 F2 群体株高的分离情况

3 结论与讨论

本试验所用辣椒半矮秆突变体来源于EMS 诱变辣椒自交系6421 构建的突变体库。与野生型6421 相比，全生育期表现出植株半矮化，半矮化性状由隐性单基因调控，株高约为6421 的一半，但总节间数与6421 无显著差异，表明植株变矮与节间数无关，而是由于茎秆节间距的缩短导致的。细胞学观察发现茎秆节间距缩短与节间细胞长度变短有关。此特征与前人已报道的花生半矮秆突变体（李欢倪 等，2017）、黄瓜矮秆突变体（刘梦迎 等，2019）和玉米矮秆突变体（杨睿 等，2020）相似。除节间距缩短外，叶片变小，叶色深绿，花朵变小，果实变短变宽，根系开展度降低等特征，表现出“一因多效”的遗传效应。

植物叶片呈色与叶片细胞内色素的种类、含量、分布密切相关（张亚平 等，2017）。突变体的叶绿素、类胡萝卜素含量极显著增加，叶绿素与类胡萝卜素的比值增大，且其光合参数优于野生型6421，这与周万祥（2020）在油菜深绿突变体上发现的叶片叶绿素含量显著升高的同时，Pn、Gs、Ci 和Tr 也显著升高的结果相似，由此推测叶色深绿的主要原因是叶绿素含量升高所致，叶片光合参数数值与叶绿素含量呈正相关。

作物对非生物胁迫的应激反应包括调节渗透压、启动保护酶系统、改变膜结构与功能等（何凌仙子 等，2018）。SS、Pro 为重要的渗透调节物质，而MDA 属于膜脂过氧化物，它能与膜蛋白结合，加重对膜结构的破坏，使细胞膜透性增加，导致电解质外渗，因而MDA 含量的高低可以代表细胞膜的受损伤程度（张健 等，2021）。叶片中SS含量显著高于6421，Pro 含量极显著高于6421，MDA 含量极显著低于6421，说明其较6421 渗透调节能力和减少有害物质产生的能力更强；SOD、POD、CAT、GR 活性与清除活性氧的保护酶系统相关（杨舒贻 等，2016；韩健 等，2020），中4 种酶活性均极显著高于6421，使得其清除羟自由基（SA）的能力也强于6421。由检测到的叶片中抗性生理指标，结合其具备的高光合能力、高根系活力可推测较6421 对逆境的抵抗能力更强。南方地区早春设施栽培大棚内温度低、光照不足，辣椒植株长期处于低温、弱光逆境，与野生型6421 相比，植株应该更适应南方地区早春设施栽培。

株高的突变一般与植株内源激素调控发生变异有关，本试验仅对其表型、生理特征和遗传规律进行研究，后续试验中将探明突变性状与哪种激素调控相关，并克隆与突变性状相关的基因，为进一步解析辣椒半矮秆突变机理奠定基础。