苦瓜叶片叶绿素含量的遗传分析

陈虹容 商桑 田丽波 朱国鹏

摘  要：為探究苦瓜叶片叶绿素含量遗传特点，加快高产优质新品种选育进程，以苦瓜高代自交系04-17-6和25-6配组产生的6个世代P1、P2、F1、B1、B2和F2为材料，利用主基因+多基因混合遗传模型和ABC尺度测验2种方法，对苦瓜叶片叶绿素含量进行遗传分析。主基因+多基因混合遗传模型分析结果表明，叶绿素含量遗传受1对加性-显性主基因+加性-显性-上位性多基因控制，且高叶绿素含量对低叶绿素含量为不完全显性。3个分离世代B1、B2、F2的主基因遗传率分别为2.86%、75.35%、79.79%，多基因遗传率分别为87.81%、0%、0%，环境变异为9.33%～24.65%，主基因的加性效应da和显性效应ha分别为17.739和17.682，显性度ha/da 小于1。ABC尺度测验结果表明，叶绿素含量的遗传符合加性-显性模型。2种方法分析结果表明，苦瓜叶片叶绿素含量由1对主基因控制，同时受微效多基因及环境影响，适合进行早代选择。B2、F2世代应重点进行主基因选择，多基因在B1选择效率高，提高品系叶绿素含量应注重对加性效应和显性效应的利用。该研究结果为苦瓜产量及品质育种提供了理论基础。

关键词：苦瓜;叶绿素含量;遗传分析

中图分类号：S642.5      文献标识码：A

Genetic Analysis of Chlorophyll Content in Bitter Gourd Leaves

CHEN Hongrong1， SHANG Sang2， TIAN Libo1*， ZHU Guopeng1

1. College of Horticulture， Hainan University / Hainan Key Laboratory for Quality Control of Tropical Horticultural Crop， Haikou， Hainan 570228， China; 2. College of Life Science and Medicine， Hainan University， Haikou， Hainan 570228， China

Abstract： The genetic traits in the chlorophyll content of bitter gourd leaves were investigated to accelerate the process of genetic breeding. By using the analysis method of mix major gene plus polygene model and ABC scale testing models to analyze the genetic inheritance of the chlorophyll content in bitter gourd from six generations P1， P2， F1， B1， B2 and F2 ， which cultivated from inbred lines 04-17-6 and 25-6. The mix major gene plus polygene inheritance model indicated that the chlorophyll content inheritance was controlled by one major gene with additive - dominant plus additive - dominant-epistatic polygene and high to low chlorophyll content exhibited incomplete dominance. The major gene heritability of B1， B2， F2 generations was 2.86%， 75.35% and 79.79% while polygene heritability was 87.81%， 0%， 0%， respectively， the environmental variation accounted for 9.33%-24.65% and dominant degree less than 1 （da/ha）， as major gene additive effects （da） and dominant effects （ha） was 17.739 and 17.682， respectively. As for ABC scale testing， the chlorophyll content inheritance was accorded to the additive-dominant model. Two methods showed that chlorophyll inheritance in bitter gourd was controlled by a pair of major genes， but also environmental and minor polygene effect were considerable， which was suitable for early generation selection. Major gene selection should be focused on B2 and F2 generations while polygene selection on B1 generation had higher effectivity， additive and dominant effect of major genes were significant selecting factors on improving the chlorophyll content of the lines. This research would provide a basic theory on yield and quality breeding for bitter gourd.

Keywords： bitter gourd; chlorophyll content; genetic analysis

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.06.009

苦瓜（Momordica charantia L.）俗名癞瓜、凉瓜、锦荔枝，是葫芦科苦瓜属一年生攀缘植物，兼具食用与药用价值。其嫩果富含丰富的氨基酸、矿物质和多种维生素[1]，特别是维生素C的含量，是其他瓜类蔬菜如菜瓜、丝瓜的10～20倍。同时苦瓜还具有清凉祛火、防癌抗癌等多种功效[2]。随着苦瓜营养价值及诸多药用功效被进一步认知，其所占的市场份额日益增加，栽培面积也在逐年扩大。但是，近几年来苦瓜育种一直处于徘徊不前的局面，与其他瓜类蔬菜相比，苦瓜的遗传育种研究基础较为落后，不能有效地缩短育种进程[3]。因此，加强主要农艺性状遗传规律的研究对选育品质优、高产以及适应性强的苦瓜品种非常必要。目前，苦瓜的遺传研究主要集中在抗病性[4]、产量[5]及株型[6]等方面，而对其他重要农艺性状如叶绿素含量的遗传研究较少。叶片作为植物进行光合作用的主要部位，直接影响着作物的产量和品质，而与叶片对光能的吸收、传递和转化密切相关的是叶绿素，其含量的多少对植物的光合作用能产生直接影响[7]。因此，深入挖掘叶绿素含量的遗传规律，对提高苦瓜产量、品质与育种效率具有重要意义。

研究表明，叶绿素含量属于数量性状范畴[8]。对不结球白菜和烤烟2种作物叶片叶绿素含量进行遗传分析，发现该性状的遗传符合1对加性-显性主基因+加性-显性-上位性多基因模型，且以加性效应为主[9-10]。李洪涛等[11]通过主基因+多基因混合遗传分析方法，表明玉米叶绿素含量受2对加性-显性-上位性主基因+加性-性多基因共同控制，且基因间的非加性效应大于加性效应;梁慧珍等[12]利用同样的方法，认为大豆叶绿素含量符合4对加性主基因遗传模型，由4对主基因控制，同时受较大的环境影响;塔娜等[13]通过不同生态区的甘蓝油菜型DH系叶绿素SPAD值的频次分布结果发现，叶绿素含量呈现偏态分布，具有明显的数量遗传特点。而该性状在苦瓜上的研究报道却寥寥无几，甚至是一片空白。

目前，关于植物数量性状遗传分析方法较多，主要包括世代平均数法、遗传方差分组法，植物数量性状混合遗传分离分析法等[14]。然而，关于农艺性状的研究，就玉米叶片叶绿素含量的遗传特性而言，利用不同遗传分析方法所得结果不尽相同[15-16]。可见，采用单一分析方法对农艺性状进行遗传研究，其结论尚缺乏客观、有效的鉴定。而运用2种及以上的遗传方法对有关性状进行联合分析，有利于遗传模式间的相互验证，所获得的遗传结论更加有说服力，能有效地解决以上问题。盖钧镒等[17]构建的主基因+多基因混合遗传分析方法，不仅能估算出农艺性状的最佳模型，还能获得相应的遗传参数，是目前比较通用的遗传分析方法。然而，该方法尚未在苦瓜叶绿素含量的遗传研究中得到利用，此外，采用不同分析方法对该性状进行遗传验证的研究报道在苦瓜上更是少见。为此，本研究以苦瓜高代自交系04- 17-6（半野生型，P1）和25-6（栽培品系，P2）为配组亲本，构建杂交一代F1、回交一代B1、B2及自交二代F2等6个世代群体。利用主基因+多基因多世代联合分析[17]，结合ABC尺度测验[18]2种方法探究苦瓜叶片叶绿素含量的遗传规律，分析亲本及其有关世代农艺性状的遗传模型、基因效应等，为苦瓜遗传育种工作提供理论依据。

1  材料与方法

1.1  材料

试验所用的亲本材料为高代纯合的苦瓜自交系（自交7代以上）04-17-6和25-6，均由中国热带农业科学院作物品种资源研究所蔬菜研究中心提供。半野生型亲本04-17-6（P1）叶片浓绿且较大，而栽培型亲本25-6（P2）叶子淡绿且大小中等。利用母本自交系（04-17-6）和父本自交系（25-6）组合配置杂交一代F1及自交二代F2，同时以 P1和P2为父本分别与F1回交产生B1和B2群体。以此获得P1、P2、F1、B1、B2和F2共6个世代群体的种子。

1.2  方法

1.2.1  田间试验设计  2015年3月将苦瓜6世代家系的种子温汤浸种消毒后，置于覆有双层湿润滤纸的培养皿中，并放置在30 ℃的恒温培养箱中进行催芽，露白后单株播种于10 cm×10 cm的营养钵中。栽培基质为泥炭土、珍珠岩、有机肥按6∶3∶1的比例混合而成，株行距分别为0.5 m和0.8 m，在第3片真叶展开时喷施适量营养液，参照马万征等[19]方法略作修改，其他栽培管理同试验大田，苦瓜育苗工作均在海南大学园艺学院实验大棚内完成。其中一致性群体P1、P2、F1采取随机区组排列设计，3次重复，每小区种植20株，分离世代B1、B2和F2分别种植60、60、250株。

1.2.2  叶绿素含量的测定  采用SPAD-502便携式叶绿素仪（日本）于苦瓜3叶1心时，活体测定植株第1片和第2片真叶主脉之间叶片的叶绿素含量[20]，其中P1、P2、F1、B1、B2和F2群体分别随机抽取43、43、39、30、37和200株进行测定，每株的重复测定次数不少于5次，结果取平均值。

1.2.3  遗传模型分析  采用植物数量性状多世代联合分析和ABC尺度测验2种方法对04-17-6和25-6杂交组合的苦瓜叶片叶绿素含量进行遗传分析。

利用盖钧镒[17]提出的主基因+多基因混合遗传分析方法，可获得相应性状的遗传模型。该方法通过植物数量性状分离分析（segregation analysis，SEA）软件包可将极大似然函数值、AIC（Akaikes Information Criterion）值以及均匀性检验概率等参数计算出来。依据AIC值最小准则，初步选出较为适宜的模型，并对模型做进一步适合性检验，确定最优模型，由此估计出混合分布中各成分分布参数、一阶和二阶遗传参数[21]。

利用马育华[18]提出的ABC模型对A、B、C中任一值进行t测验，以判断模型的相符性。其计算方法如下：

A=2B1-P1-F1

B=2B2-P2-F1

C=4F2-2F1-P1-P2

其中，P1、P2、F1、B1、B2、F2分别为各自群体平均数。若A、B、C符合加性-显性模型，则三者中的任意一个尺度均等于0。若不符合加性-显性模型，即基因之间存在互作效应，则A、B、C中有一个及以上的尺度与0达到差异显著性水平。故可通过对A、B、C中的任一值进行t检验来判断叶绿素含量的遗传是否符合加性-显性模型。

1.3  数据处理

采用SPSS.19和Excel 2019软件进行数据分析和亲本的差异显著性分析及图表制作。

2  结果与分析

2.1  亲本自交系间叶绿素含量的差异显著性分析

由图1的差异显著性分析结果可知，亲本自交系P1与杂交一代F1差异不显著，而二者均与P2总叶绿素含量差异显著，说明两亲本之间叶绿素含量存在着明显差异，可以做进一步的遗传分析。

2.2  6世代家系叶绿素含量的频次分布

04-17-6和25-6组合产生的6个世代苦瓜叶片叶绿素含量基本参数见表1。P1平均叶绿素含量为35.46，为高值亲本，P2平均叶绿素含量为33.70;F1、F2群体平均数分别为35.61、35.70，二者均超过了高值亲本，说明苦瓜叶绿素遗传在亲本间会产生一定的杂种优势;回交世代B1偏向高叶绿素含量亲本P1，B2偏向于低叶绿素含量亲本P2。分离世代B1、B2、F2群体的叶绿素含量分布频次如图2所示，B2、F2均呈偏正态的单峰分布，且两群体频次分布的SPAD值分别集中在32.5～35.0以及35.0～37.5，可推测有主基因控制叶绿素含量遗传，B1群体峰值不明显，说明该世代的多基因遗传占绝對优势。以上的频次分布分析表明，苦瓜叶绿素含量有明显的数量遗传学特征，因此可以应用主基因-多基因遗传模型作进一步分析。

2.3  叶绿素含量的主基因+多基因混合遗传模型分析

2.3.1  叶绿素含量遗传模型的选择及适合性检验  如表2所示，24种遗传模型中，D、E和E-1模型AIC值较小，故可作为苦瓜叶片叶绿素含量遗传的备选模型，三者所对应的AIC值分别为2487.093、2499.086、2429.588。通过对3个备选模型作进一步的适合性检验（表3），发现E-1模型达显著差异水平的统计量较多，为14项，而D和E模型均为13项。同时D模型比E模型的AIC值小，结合模型统计量达显著差异水平数最小原则，可选择D模型作为苦瓜04-17-6和25-6组合叶绿素含量遗传的最优模型，即1对加性-显性主基因+加性-显性-上位性多基因控制了苦瓜叶片叶绿素含量的遗传。

2.3.2  叶绿素含量D模型的遗传参数估计04-17-6和25-6组合叶绿素含量D模型的一阶、二阶遗传参数见表4。由一阶遗传参数可得控制叶绿素含量一对主基因的加性效应和显性效应分别为17.739、17.682，二者的效应值均为正值，表明控制苦瓜叶片叶绿素含量的主基因存在加性正效应及显性正效应，提高叶绿素含量的等位基因来自母本。显性度ha/da为0.997，小于1，表明苦瓜叶片高叶绿素含量相对低叶绿素含量为不完全显性。由二阶遗传参数可知，B1、B2、F2的主基因遗传率分别为2.860%、75.350%、79.790%，多基因遗传率分别为87.810%、0%、0%，F2世代的主基因遗传率最高，而多基因仅在B1世代中分布，且显著高于B2、F2 2个世代。3个分离世代的主基因遗传率+多基因遗传率分别为90.670%、75.350%、79.790%，说明了主基因+多基因在控制苦瓜叶绿素含量方面起到了主要作用，适宜早代选择。环境变异为9.33%～24.65%，表明了环境对叶绿素含量遗传产生部分影响，在选择育种过程中应予以重视。

2.4  叶绿素含量的ABC模型检验分析

A、B、C模型检验结果见表5，A、B、C的效应值分别为–0.21、–1.57和2.42，且三者的P值均大于0.05，说明A、B、C的效应值均与0无显著性差异，说明04-17-6和25-6组合的叶绿素含量遗传符合加性-显性模型。

3  讨论

研究表明，在适当范围内，叶片叶绿素含量与光合速率呈正相关，即叶绿素含量高，所积累的光合产物越多，果实产量和品质就能相应地提升[7]。目前，叶绿素的改良大多采用常规杂交育种，耗时长且选择效率低[3]。解决该问题的首要之务是摸清叶绿素含量的遗传规律，这对杂交亲本的选配、苦瓜QTL定位及遗传育种工作具有极大的辅助作用[22]。此外，叶片叶绿素含量还能作为衡量瓜类蔬菜抗白粉病的重要生理指标[4]，因此，对苦瓜等瓜类蔬菜叶片叶绿素含量的遗传规律研究刻不容缓。与以往不同，本研究对苦瓜叶片叶绿素含量的遗传规律研究不再局限于Grffing双列杂交、加性-显性-母体效应遗传模型分析等单一方法，而是先利用主基因+多基因混合遗传模型分析法对该性状进行遗传研究，再以ABC尺度测验对前者的结论进行遗传验证，有效地弥补了经典遗传学和单一方法分析的不足之处，所得结果较为可靠[23]。由盖钧镒[17]提出的植物数量性状主基因+多基因混合遗传分析方法，其SEA软件包不仅可以估计亲本及其有关世代农艺性状的遗传模型，同时还能以相对高的准确性来检测主基因及多基因的遗传效应，明确主基因及多基因在控制农艺性状方面的具体作用[21]。该方法已经广泛应用于甘蓝、小麦及花生等作物上[24-27]，根据作物的遗传特点，同时结合QTL定位数据，可有效地挖掘出控制作物重要农艺性状的主效基因，缩短育种进程[28]。ABC尺度测验中，每个尺度仅用了其中的几个世代，具有计算简便的特点，是检测加性-显性遗传模型符合与否的常用方法之一。综合2种遗传分析方法起到了相辅相成的作用，从而提高苦瓜叶绿素含量遗传模式的可信度和说服力。

本研究中，主基因+多基因混合遗传分析结果显示，控制叶绿素含量遗传的主基因存在明显的加性效应和显性显性。3个世代B1、B2及F2的主基因+多基因遗传率分别高达90.67%、75.35%、79.79%，说明该性状的遗传变异主要与遗传因子有关，也受到了环境差异的影响。ABC尺度测验结果表明，苦瓜叶片叶绿素含量符合加性-显性模型，可见，利用上述2种方法对该性状进行遗传分析，得到了相似的遗传模式，即苦瓜叶片叶绿素含量的遗传受加性和显性效应的共同作用。而李丹丹等[29]研究认为弱光下黄瓜幼苗叶绿素含量遗传主要受微效多基因控制，不存在主基因遗传，符合加性-显性-上位性多基因遗传模型。本研究结果与李丹丹等[29]不一致，其中的原因可能与所选的遗传材料和环境差异有关。在弱光胁迫下，黄瓜幼苗叶绿素含量遗传取决于部分环境变异。研究表明，丝瓜幼苗叶绿素含量在弱光胁迫下，其叶绿素a、叶绿素b以及总叶绿素含量均呈下降趋势，说明叶绿素含量遗传受部分环境影响[30]。此外，Irfan等[16]通过丙酮萃取法对玉米灌浆期的叶绿素含量进行遗传分析，认为叶绿素a+b含量由2对加性-显性-上位性主基因+加性-显性多基因共同控制，F2：3家系主基因和多基因的遗传率分别为56.2%、2.5%，且基因间的非加性效应大于加性效应。与Irfan等[16]不同，本研究利用SPAD便携式叶绿素仪于苦瓜幼苗期进行叶绿素含量测定，二者试验的材料、时期以及方法均不同，这在一定程度上引起了研究结论的差异。但本研究与不结球白菜[9]、烤烟[10]叶片叶绿素含量的遗传模式相似。本研究除了发现控制苦瓜叶绿素含量的主基因具有明显的加性效应外，还存在较大的显性效应，主基因的加性效应和显性效应分别为17.739、17.682，二者共同作用于苦瓜叶绿素含量遗传。此外，本研究还发现，多基因遗传仅存在于B1世代中，高达87.81%，说明多基因在B1世代选择效率高。主基因遗传率以F2居高，B2世代次之，在育种实践中可进行早代选择。

综上所述，苦瓜叶片叶绿素含量的遗传由1对主基因和多基因控制，主基因表现出显著的加性效应和显性效应，主基因+多基因在3个分离世代中的遗传率较高。可见在苦瓜叶绿素含量遗传改良的实践育种中，适于进行早代选择，同时应注重对加性效应和显性效应的利用，选用叶绿素含量较高的种质作为亲本，可缩短育种进程。苦瓜的基础研究较为薄弱，特别是叶绿素含量的遗传研究更是落后于其他瓜类蔬菜[3]。在明确了苦瓜叶片叶绿素含量遗传规律之后，本研究的下一步工作旨在构建一张饱和的苦瓜分子遗传图谱，结合F2：3家系叶片叶绿素含量等主要农艺性状的表型数据进行QTL定位研究，筛选出控制该性状的候选基因，为苦瓜叶绿素改良分子育种提供理论依据。

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责任编辑：黄东杰