西瓜遗传图谱构建和基因定位研究进展

李兵兵　刘文革

摘    要： 西瓜是一种在世界范围内广泛种植的园艺作物，中国是世界上最大的西瓜生产国和消费国，对西瓜遗传育种的研究具有重要意义。遗传图谱是进行基因定位、图位克隆、分子标记辅助育种的重要工具，并为分子生物学的深入研究提供了基础。近年来，随着高通量测序技术和分子标记的发展，西瓜遗传图谱研究取得了很大进展，基于不同遗传背景的西瓜遗传图谱陆续发表，极大地促进了西瓜基因组学和分子遗传育种的发展。笔者总结了近年来国内外西瓜遗传图谱构建和基因定位的研究进展及应用，并探讨了目前西瓜遗传图谱构建方面存在的主要问题及今后的研究趋势。

关键词： 西瓜; 遗传图谱; 基因定位

Research progress on genetic map construction and gene mapping for watermelon

LI Bingbing， LIU Wenge

（Zhengzhou Fruit Research Institute， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Zhengzhou 450009， Henan， China）

Abstract：Watermelon is a horticultural crop widely cultivated around the world. China is the largest producer and consumer of watermelon. The genetic breeding research of watermelon is of great significance. Genetic map is an important tool for gene mapping， map cloning， molecular marker-assisted breeding， and provides a basis for further research in molecular biology. In recent years， with the development of high-throughput sequencing technology and molecular markers， the research on watermelon genetic map has made great progress. Many genetic maps based on different genetic background have been constructed， which greatly promoted the development of watermelon genomics. This paper reviewed the research progress and application of watermelon genetic map construction and gene mapping in recent years， and discussed the main problems and future research trends of watermelon genetic map construction.

Key words： Watermelon; Genetic map; Gene mapping

西瓜（Citrullus lanatus）原产于非洲，是一种重要的葫芦科（Cucurbitaceae）作物，其果实营养丰富，甘甜多汁，具有重要经济价值，在世界主要农业产区广泛种植。中国是世界最大的西瓜生产国和消费国（FAO，http：//faostat.fao.org），2016 年我国西瓜种植面积达189万hm2[1]。西瓜的染色体数为2n=2x=22，基因组大小为425 Mb，遗传背景较狭窄、遗传多样性水平低，且由于长期的人工选择，栽培西瓜的遗传基础越来越狭窄，限制了多态性位点的获得，使得西瓜品种改良和分子标记辅助育种发展缓慢。通过构建西瓜高密度遗传图谱可进行基因定位，挖掘重要性状相关的优异基因，开发连锁标记，为品种改良或新品种选育工作提供快捷准确的辅助工具。

随着高通量测序等技术的快速发展及西瓜参考基因组的组装完成，可获得大量多态性分子标记，满足了构建高密度遗传图谱的需求。通过构建高密度遗传图谱可定位与重要农艺性状相关的位点，以获得与目标基因紧密连锁的分子标记，促进了分子标记辅助育种的发展。因此，近年来西瓜遗传图谱的构建和分子标记辅助育种成为研究热点。笔者对近年来西瓜遗传图谱构建、重要农艺性状基因定位的研究进展进行综述，以期为分子标记辅助育种提供参考，加快西瓜遗传背景研究和育种进程。

1 西瓜遗传图谱构建

遗传图谱是以摩尔根的染色体重组与交换定律为理论基础，根据不同遗传标记间的重组率及其所提供的遗传信息进行分析，获得遗传标记在染色体上相对位置的线性排列图[2-3]。构建具有大量遗传标记的高密度遗传图谱在了解基因组结构与功能、解释基因重组规律与进化、基因定位与克隆、作物遗传育种等研究中起到了重要作用[4]。

构建遗传图谱主要包括以下几个方面：（1）选择合适的作图亲本;（2）构建符合研究要求的作图群体;（3）选择合适的多态性分子标记，用于对群体基因型鉴定分析;（4）根据重组率利用相关作图软件计算分子标记间的连锁排序和遗传距离以构建连锁图谱。其中选择合适的作图群体和分子标记是构建高质量遗传图谱和进行相关遗传分析的基础。

早在20世纪80年代，Navot等[5]就利用同工酶等生化标记第1次构建了含有4个连锁群的西瓜连锁图谱，通过对回交群体进行遗传分析确定了19种编码蛋白基因的連锁关系。但是早期的形态学标记、细胞学标记、生化标记等多态性较差，稳定性不好，检测方法复杂，直到日本学者Hashizume等[6]利用RAPD、RFLP、同工酶等标记构建了第1张真正意义上的西瓜分子遗传图谱，之后陆续发布了多张西瓜遗传连锁图谱，这些图谱主要基于RFLP、RAPD、AFLP、SRAP、SSR等分子标记[7-8]，但以上图谱大都含有不止11条染色体，标记饱和度低且分布不均。表1中列出了到目前为止已发表的西瓜遗传图谱。

直到2012年，随着高通量测序技术的发展和西瓜参考基因组的发布，通过全基因组重测序技术发掘分子标记以构建高密度遗传图谱成为了可能[28]。Ren等[20]基于全基因组测序数据，利用来自‘97103和‘296341-FR的重组自交系（103株），构建了第1张西瓜高密度遗传图谱，该遗传图谱有11个连锁群，包含698个SSR、219个InDel和36个SV标记，图谱总长度约800 cM，平均图距为0.8 cM。Sandlin等[29]构建了世界上第1张以SNP为作图标记的西瓜遗传图谱，该图谱包含378个SNP标记，平均图距为5.1 cM。但此图谱仅含有378个SNP标记，图谱饱和度低，且包含的连锁群大于11个，图谱中存在较大的间隙，图谱质量较差。为了进一步提高图谱饱和度，Ren等[7]整合2个实验室基于4个遗传群体（亲本包含祖先种 C. lanatus subsp. lanatus L.、半野生种C. lanatus subsp. mucosospermus L.、栽培种C. lanatus subsp. vulgaris L.）的遗传图谱和分子标记（SSR、Indel、SV、SNP），构建了1张一致性整合图谱。该整合图谱共包含标记1 339个，其中包括689个SSR标记，219个Indel标记，386个SNP标记，图谱总长度798 cM，平均图距0.6 cM。该整合图谱提高了西瓜遗传图谱的饱和度，但对于实现基因精确定位和基因克隆等目的还是不够[22]。

为了增加标记密度、丰富西瓜标记资源，Ren 等[22]利用基于高通量测序技术的DArTseqTM方法，以西瓜栽培种‘K3与野生种质资源‘PI 189225的杂交后代F2群体（144株）为作图群体构建了1张西瓜高密度遗传图谱。该图谱总长度1 099.2 cM，包含11个连锁群，由1 161个bin 标记组成，上图SNP有3 465个，平均图距为1.0 cM。Lamble等[30]利用266个SNP构建了1张覆盖11个连锁群的遗传图谱。Nimmakayala等[21]利用282个多态性标记（232个SNP和20个SSR标记）构建了1张总长度924.72 cM的遗传图谱，包含11个连锁群，平均图距3.28 cM。Liu等[23]利用亲本‘COS和‘LSM的全基因组重测序数据，以‘COS和‘LSW-177的杂交后代F2群体（352株）為作图群体，构建了1张总长度1 836.51 cM覆盖11个连锁群的遗传图谱，包含264个CAPS和37个SSR标记，平均图距为6.1 cM。Cheng等[24]以包含145个单株的F2∶3分离群体为作图群体，构建1张由125个多态性标记组成的遗传连锁图谱，含有14个连锁群，总长度为1 244.5 cM，包含82个CAPS、43个SSR标记，平均图距为9.96 cM。Shang等[4]利用简化基因组测序技术（SLAF-seq）以西瓜栽培种‘ZXG01478和‘14CB11的杂交后代F2（93株）为作图群体构建了1张西瓜高密度遗传图谱，该图谱总长度为1 906.31 cM，包含2 634个SNP标记，覆盖11个连锁群，平均图距为0.72 cM。迟莹莹等[25]利用全基因重测序数据，以西瓜栽培种‘W1-1和黏籽西瓜‘PI 186490为亲本杂交获得的BC1P1群体（225株）为作图群体，构建了1张包含11个连锁群的遗传图谱，覆盖长度为1 376.95 cM，包含200个CAPS标记，标记间的平均图距为6.88 cM。Zhang等[26]以相同的群体材料构建了另1张遗传图谱，覆盖长度1 468.09 cM，包含11个连锁群和186个CAPS标记。以上图谱大都基于简化基因组测序或只对亲本进行了重测序，得到的可用SNP标记较少，限制了图谱清晰度的进一步提高和QTL定位等研究的进展。Li等[27]基于全基因组重测序技术，以‘9904和‘Handel杂交得到的重组自交系为作图群体，对126个重组自交系单株和2个亲本进行了重测序，亲本间共检测到178 762个适用于RILs且深度不低于4X的SNP标记，其中上图的SNP共103 029个。构建的遗传图谱包括11个连锁群，总图距为 1 508.94 cM，包含2 132个Bin标记，平均图距为0.74 cM。到目前为止，已报道20多张西瓜遗传图谱，促进了西瓜重要农艺性状基因定位和分子标记辅助育种的发展（表1）。

2 重要农艺性状基因定位

西瓜重要农艺性状的基因定位研究主要集中在果实品质、外观等相关性状中，如含糖量、皮色、瓤色、果形等。通过对这些农艺性状的定位研究，为实现相关基因的克隆、开展分子标记辅助育种、进行基因功能验证和阐明其作用机制奠定了基础。

2.1 含糖量相关基因定位

西瓜果实含糖量一直是西瓜最重要的商品性状之一。2012年，Guo等[28，31]发布了西瓜参考基因组序列，在基因组水平上对可能影响糖分积累有关的基因进行了描述，包含76个糖转运蛋白基因、62个糖代谢基因，其中14个糖转运蛋白基因和13个糖代谢基因在西瓜果实糖分积累过程中存在差异表达，同时发现193个在果实不同发育期存在差异表达的转录因子。这些研究为确定与糖分积累相关的候选基因提供了基础。Ren等[32]将58个已发表的与糖分积累有关的QTL和12个新发现的QTL整合到1张遗传图谱中，发现QBTX2-1、QBRIX2-2及QBRIX2-3可以在不同的遗传背景下被检测到，并通过后续试验确定ClTST2为影响含糖量的候选基因，具有单糖和二糖转运功能。Cheng等[24]通过构建遗传图谱确定了4个与果实含糖量有关的QTL（FCR10.1 10、SCE1.1 1、GCE1.1 1、BCC2.1 2）。迟莹莹等[25]通过构建西瓜遗传图谱检测到3个与中心可溶性固形物含量相关的QTL（CTSS2.1、CTSS2.2、CTSS8.1）和1个与边缘可溶性固形物含量相关的QTL（ETSS2.1）。Liu等[23]通过构建CAPS和SSR遗传图谱检测到3个与糖含量有关的QTL（BCC2.1、BCE2.1、BCE4.1）。

2.2 果皮颜色相关基因定位

果皮颜色是影响西瓜商品价值的重要因素，目前关于西瓜皮色相关的遗传定位报道较少。PARK等[33]通过构建遗传图谱，定位到3个独立位点，S位点控制果皮条纹（有条纹vs无条纹），D位点控制果皮颜色深度（墨绿vs浅绿），Dgo位点控制果皮颜色类型（绿色vs黄色）。其中S位点定位到6号染色体25 767 kb后的区域内，D位点定位到8号染色体的末端，Dgo位点定位到4号染色体前150 kb区间内。Dou等[34]通过BSA关联分析将与黄色果皮相关的位点定位到4号染色体1 bp～7 Mb范围内，并通过后续试验将候选区间缩小到1 bp～58.8 kb。Li等[27]通过构建高密度遗传图谱将控制墨绿色和浅绿色果皮的位点定位到8号染色体 142.7～154.7 cM范围内。

2.3 果肉颜色相关基因定位

据相关研究报道，西瓜果肉颜色的变化主要是由于番茄红素、类胡萝卜素等组分和含量差异引起的[35-36]。Bang等[37]报道，西瓜果肉黄色对红色为显性，番茄红素β-环化酶基因（LCYB）是影响西瓜红色或黄色果肉形成的主要因素，并设计了一个与LCYB基因紧密连锁的CAPS标记。Zhang等[26]通过构建遗传图谱定位到一个与红色果肉有关的显著性QTL，位于4号染色体1.07 Mb范围内。Liu等[23]利用不同作图群体在4号染色体的相似位置定位到一个显著性QTL。Zhang等[38]通過转录组分析证明候选基因Cla017962的表达量会影响果肉中类胡萝卜素的含量，进而影响西瓜果肉颜色，并通过一系列后续试验找到了2个调控Cla017962基因表达的转录因子（ClbZIP1、ClbZIP2）。

2.4 果形相关基因定位

Weetman等[39]提出西瓜果实形状表现为不完全显性的单基因控制，即OO为长瓜，Oo为椭圆瓜，oo为圆形瓜。Sandlin等[29]通过构建遗传图谱定位到10个与西瓜果实长度有关的QTL。Ren等[7]通过构建西瓜整合遗传图谱定位到多个与西瓜果形（果实长度、果实宽度、果形指数、果实质量）有关的QTL。Cheng等[24]通过构建遗传图谱定位到6个与果实形状有关的QTL。Liu等[23]通过构建遗传图谱定位到8个与果实长度、果实宽度、果形指数有关的QTL。Dou等[40]通过BSA-seq和GWAS分析将控制西瓜果实形状的基因定位在3号染色体上，并通过后续精细定位确定ClFS1（Cla011257）为控制果实形状的候选基因。

2.5 西瓜其他农艺性状基因定位

Prothro等[41]通过构建遗传图谱定位到9个与性别表达有关的QTL。Zhang等[26]在西瓜1号染色体W04-84～W04-94间定位到1个与果实苦味有关的位点。Dong等[42]通过BSA-seq技术及后续实验定位到一个与西瓜植株短蔓相关的候选基因Cla010726。Wei等[43]通过构建分离群体并结合RNA-seq等方法，定位到控制西瓜裂叶的基因ClLL1，该基因部分序列的缺失影响了西瓜叶片的正常表现型。迟莹莹等[25]通过构建遗传图谱检测到5个与果实硬度相关的QTL，4个与种皮底色相关的QTL，2个与种子百粒重有关的QTL。Gao等[44-45]通过构建分离群体结合转录组、BSA-seq分析等，将控制西瓜果肉硬度、果肉酸味的基因分别定位到6号染色体12 780 793～17 658 672 bp和4 529 126～4 855 093 bp区域内。

随着西瓜重要农艺性状相关QTL和基因的确定，推动了相关分子遗传机制的研究，并提供了大量可用于育种生产的分子标记，加快了育种进程。

3 问题与展望

构建高密度遗传图谱是进行重要农艺性状基因定位、图位克隆及分子标记辅助育种的重要工具。随着高通量测序技术的发展和西瓜参考基因组装配的完成，在全基因组水平上开发分子标记以构建饱和度更高的遗传图谱成为可能。但与其他园艺作物相比，西瓜的分子生物学研究仍有不足之处，主要有以下3个方面：（1）目前相关性状的基因定位主要集中在初期的QTL发掘上，相关精细定位和基因克隆等研究较少，不能很好地应用于分子遗传育种，需要进一步提高西瓜遗传图谱饱和度;（2）目前作图群体大多是临时性分离群体且群体数目偏小，不能进行重复试验，影响相关基因定位工作的准确性;（3）早期构建的西瓜遗传图谱大多基于RAPD、AFLP等标记，稳定性较差，不利于不同图谱的整合工作和分子标记辅助育种等。

目前构建遗传图谱的发展趋势是高饱和度、高通用性等，因此建议在以下3个方面加强工作：（1）扩大作图群体，构建稳定的永久性作图群体，构建更高密度和标记分布更均匀的遗传连锁图谱，以满足西瓜分子遗传研究的要求;（2）对西瓜遗传育种上具有重要价值的性状基因进行深入研究，促进分子标记辅助育种的发展，加快育种过程;（3）对现有的西瓜遗传图谱进行整合，以提高西瓜遗传图谱的饱和度和通用性。通过构建高密度遗传图谱，进行相关性状的基因定位以促进分子标记辅助育种，必将提高西瓜遗传育种效率，加快育种进展。

参考文献

[1] 刘文革，何楠，赵胜杰，等.我国西瓜品种选育研究进展[J].中国瓜菜，2016，29（1）：1-7.

[2] 刘树兵，王洪刚，孔令让，等.高等植物的遗传作图[J].山东农业大学学报，1999，30（1）：74-79.

[3] BOHN M，KHAIRALLAH M，GONZáLEZ-DE-LEóN D，et al.QTL mapping in tropical maize：I.Genomic regions affecting leaf feeding resistance to sugarcane borer and other traits[J].Crop Science，1996，36（5）：1352-1361.