宋慧娟，龔詩(shī)琦，黎 豪，朱彩華，唐思琪，熊 程，孫小武

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院 長(zhǎng)沙 410000）

瓜類蔬菜是葫蘆科（Cucurbitaceae）植物中以果實(shí)為食用器官的一年生或多年生攀緣性植物的總稱，該類蔬菜種類繁多，營(yíng)養(yǎng)保健價(jià)值高，在生產(chǎn)和消費(fèi)上占重要地位。在群體生長(zhǎng)中，理想株型的植株能均勻接受光照，提高植株光合作用，增加作物產(chǎn)量[1]，而瓜類蔬菜在生長(zhǎng)過(guò)程中藤蔓不斷延伸，不宜高密度種植和機(jī)械化栽培管理，因此節(jié)間長(zhǎng)度作為瓜類蔬菜的重要株型性狀之一，成為了世界各國(guó)瓜類遺傳改良的重點(diǎn)。目前，研究人員已在黃瓜、西瓜、南瓜和甜瓜等主要瓜類蔬菜中相繼開(kāi)展了株型改良和矮化品種的選育工作，使產(chǎn)量和品質(zhì)得到明顯提高[2-6]。筆者就國(guó)內(nèi)外瓜類蔬菜矮化突變體的遺傳學(xué)相關(guān)報(bào)道進(jìn)行綜述，以期為深入利用植物矮生性狀進(jìn)行瓜類蔬菜種質(zhì)資源改良和創(chuàng)制等研究提供參考。

1 黃 瓜

早年已經(jīng)在黃瓜中報(bào)道了3 種不同類型的矮生突變體基因型：de、dw和W-sk[7-9]。21 世紀(jì)初，有關(guān)矮生突變體基因定位的研究開(kāi)始被報(bào)道[10-12]。Fazio 等[10]利用171 份自交重組系和216 個(gè)F2個(gè)體構(gòu)建了遺傳圖譜，通過(guò)遺傳連鎖和數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTL）分析確定de的位置與SSR 標(biāo)記CSWCTT14 之間的距離為0.8 cM；Nam 等[11]以黃瓜品種的自交系為材料，構(gòu)建了2 個(gè)BAC 文庫(kù)，并運(yùn)用9 個(gè)分子標(biāo)記最終獲得了de的基因位點(diǎn)。嵇怡等[13-14]應(yīng)用ISSR 分子標(biāo)記技術(shù)和BSA（混合群體分組分析）法篩選到1 個(gè)黃瓜矮生性狀特異的多態(tài)性引物UBC818，連鎖關(guān)系分析表明，標(biāo)記與黃瓜矮生基因間的遺傳距離為11.1 cM[13]；構(gòu)建遺傳連鎖圖譜，采用復(fù)合區(qū)間定位分析,檢測(cè)到控制黃瓜株高性狀的2 個(gè)QTL 位點(diǎn)均位于第4 連鎖群上，控制節(jié)間距的1 個(gè)QTL 位點(diǎn)也位于第4 連鎖群上[14]。在黃瓜中發(fā)現(xiàn)較早的3 個(gè)不同表型的矮化突變體為cp、cp-2、scp。矮化突變體cp為隱性突變導(dǎo)致節(jié)間縮短，并在黃瓜4 號(hào)染色體區(qū)域中被精確定位[15]；矮化突變體cp-2的矮化表型需要與cp基因相互作用[16]；與前兩個(gè)突變體相比，超矮化突變體scp表現(xiàn)為主莖節(jié)間長(zhǎng)度極度縮短，無(wú)側(cè)枝，葉色深且皺縮，此外雌蕊表現(xiàn)異常[17]。近幾年，由EMS 誘變獲得的si、scp-1和scp-2矮化突變體被先后報(bào)道[18-20]。2016年，Lin 等[18]分離鑒定了由EMS 誘變產(chǎn)生的1 個(gè)矮生突變體（si），并精確定位出了候選基因CsaVFB1，經(jīng)基因組測(cè)序和遺傳連鎖分析表明，CsaVFB1中的1 個(gè)密碼子過(guò)早終止使F-Box 蛋白短截，導(dǎo)致黃瓜矮化。隨后，黃瓜突變體scp-1和scp-2中相應(yīng)的候選基因Cs CYP85A1和Cs DET2被分離克隆[19-20]。2019 年，徐麗霖[21]以黃瓜矮化突變體（Csdw）及其野生型為材料經(jīng)遺傳分析結(jié)果表明，Csdw 突變體矮生性狀由1 對(duì)隱性單基因隱性控制，采用Mutmap、KASP 等技術(shù)分離克隆了黃瓜矮化表型候選基因CsCLAVATA1，該基因可能參與黃瓜莖尖分生組織的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程，而影響蔓長(zhǎng)。盡管目前已報(bào)道了許多黃瓜矮生性狀相關(guān)的突變體以及相應(yīng)突變體候選基因的定位，但矮化表型與基因間的關(guān)系及基因作用機(jī)制仍需要進(jìn)一步研究。

2 西 瓜

西瓜的矮生性狀受4 個(gè)基因位點(diǎn)（dw-1、dw-2、dw-3、dw-4）控制，其中大多數(shù)為單基因隱性突變產(chǎn)生[22]。1956 年，美國(guó)學(xué)者M(jìn)ohr[23]首次從長(zhǎng)蔓西瓜品種‘WB-2’自交系中發(fā)現(xiàn)了表現(xiàn)為節(jié)間縮短的西瓜矮化突變體，隨后Liu 等[24]報(bào)道了另一類型西瓜矮化突變體，Guner 等[25]將2 個(gè)基因分別命名為dw-1和dw-2，并發(fā)現(xiàn)dw-1與dw-2為非等位基因。1987年，Dyutin 等[26]發(fā)現(xiàn)了一種介于蔓生和矮生之間新的西瓜矮化突變體，經(jīng)遺傳學(xué)分析表明，該性狀為隱形遺傳，Guner 等[25]將其命名為dw-1s，并發(fā)現(xiàn)dw-1s和dw-1是等位基因。Huang 等[5]對(duì)1 個(gè)矮化、雄性不育的西瓜突變體研究表明，矮生性狀受新的矮化相關(guān)基因dw-3控制，該基因控制的矮生性狀與雄性不育同時(shí)出現(xiàn)，且dw-3的表達(dá)能被dw-1和dw-2所掩蓋。2010 年，隱性矮化基因dw-4被報(bào)道，dw-4與dw-1和dw-2是非等位的[27]。馬國(guó)斌等[28]對(duì)2 個(gè)矮生西瓜突變體進(jìn)行遺傳學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，其中1 個(gè)矮性狀是由2 對(duì)隱性基因（dw-1dw-1、dw-2dw-2）控制，該性狀表現(xiàn)為短蔓，另一個(gè)矮生性狀則受1 對(duì)隱性基因控制，其性狀表現(xiàn)為中蔓。2016 年，Li[29]等和李國(guó)申等[30]對(duì)西瓜矮生小果突變體dsh 的遺傳研究表明，該矮生突變受1 對(duì)隱性基因控制，遺傳方式符合孟德?tīng)栠z傳定律。目前，利用較多的矮生西瓜突變體主要分為dw1dw1型和dw2dw2型，均受1 對(duì)隱性核基因控制[21]，然而，西瓜矮化突變的分子基礎(chǔ)仍不清楚。最近，基于下一代測(cè)序（NGS）的塊狀分離分析（BSA）方法已在多種作物中證明是快速定位基因的方法，此方法使西瓜的矮化基因定位成為可能。2018 年，Dong 等[31]通過(guò)應(yīng)用下一代測(cè)序技術(shù)分析西瓜矮?。╠sh）植株，發(fā)現(xiàn)了1 個(gè)矮化候選基因Cla010726，并將其命名為ClaGA20ox；經(jīng)PCR 檢測(cè)和SNP 分析結(jié)果初步證明Cla010726可能是矮化候選基因。Wei 等[32]利用正常系‘M08’和矮稈系‘N21’雜交F2 隔離群體，將隱性矮化等位基因（Cldf）精細(xì)定位在09 號(hào)染色體上的32.88 kb 地區(qū)，確定了Cldf 的最佳候選基因?yàn)榫幋a3β-羥化酶的Cla015407，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析表明Cldf 是GA 缺陷型突變體。2020 年，Gebremeskel 等[33]的研究結(jié)果也表明，Cla015407可能是控制西瓜短節(jié)間表型的候選基因，并且該表型對(duì)外源GA3的施用有反應(yīng)。

3 南 瓜

目前，已報(bào)道的南瓜屬植物矮化突變體的研究主要集中于西葫蘆（Cucurbita pepoL.）和筍瓜（Cucurbita maximaDuch.），南瓜（Cucurbita moschataDuch.）矮化突變體報(bào)道相對(duì)較少。Shifriss 在1947年發(fā)現(xiàn)了西葫蘆矮化性狀存在顯性發(fā)育逆轉(zhuǎn)（developmental reversal of dominance）現(xiàn)象（早期F2群體中矮蔓與長(zhǎng)蔓比例為3∶1，后期兩者比例為1∶3）[34]。Grebenscikov[35]對(duì)西葫蘆矮化突變體的遺傳學(xué)分析表明，其矮化特征受1 個(gè)主效顯性基因加上幾個(gè)修飾基因控制，Edelstein 等[36]的研究表明矮化對(duì)長(zhǎng)蔓表現(xiàn)完全顯性。Singh[37]發(fā)現(xiàn)筍瓜的矮生性狀主要受2 個(gè)隱性基因控制。Denna 等[2]認(rèn)為這2 個(gè)隱性基因與西葫蘆中的矮生基因是同源的，也可能受其他微效基因的調(diào)控。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始利用分子標(biāo)記技術(shù)構(gòu)建西葫蘆高密度遺傳連鎖圖譜，并對(duì)矮化基因進(jìn)行定位。Gong 等[38]構(gòu)建了西葫蘆和南瓜的基因圖譜，并將這些gSSRs用于西葫蘆的遺傳關(guān)系分析。Esteras 等[39]和Montero等[40]以2 個(gè)西葫蘆品種為親本，先后構(gòu)建了2 個(gè)基于單核苷酸多態(tài)性（SNP）的遺傳圖譜，但在這2 個(gè)圖中都沒(méi)有檢測(cè)到與株高性狀相關(guān)的顯著QTL。2014 年，Wang 等[41]對(duì)筍瓜矮生突變體（dm1）進(jìn)行遺傳分析表明dm1基因?yàn)殡[性突變，矮化性狀受1 個(gè)單基因座控制，并利用AFLP 標(biāo)記將矮化基因大致定位到遺傳距離為11.2 cM 的區(qū)域，此外，還鑒定出4 個(gè)與細(xì)胞分裂素或吲哚乙酸信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)的矮化相關(guān)轉(zhuǎn)錄衍生片段（TDF）。Zhang 等[42]構(gòu)建了1 個(gè)筍瓜高密度遺傳圖譜，并利用該圖譜發(fā)現(xiàn)了3 個(gè)矮稈數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTLs），認(rèn)為位于連鎖群（LGs）3上的QTL（qCmB2）中1 個(gè)編碼赤霉素（GA）20-氧化酶的基因Cma004516可作為控制南瓜藤蔓生長(zhǎng)的候選基因。2018 年，Xiang 等[43]構(gòu)建了西葫蘆最高密度EST-SSR 遺傳圖譜，定位了西葫蘆矮生性狀（赤霉素敏感矮生型）的3 個(gè)QTL，覆蓋主要QTL的候選區(qū)域?yàn)?.39 Mb，其中含有一個(gè)預(yù)測(cè)的赤霉素2-β-氧化酶基因。南瓜的矮生性狀受顯性矮化基因Bu控制[44]，與矮化基因Bu連鎖的SCAR 標(biāo)記已被報(bào)道[45]。王深浩等[46]利用黃瓜基因組序列，將南瓜矮生基因定位到黃瓜5 號(hào)染色體上,并開(kāi)發(fā)了一個(gè)新的PCR 標(biāo)記IF3629。Wu 等[47-48]在南瓜矮生型突變體的節(jié)間發(fā)育期利用cDNA-AFLP 技術(shù)，對(duì)差異表達(dá)基因進(jìn)行了探索，得到4 條與矮生基因Bu差異表達(dá)的轉(zhuǎn)錄片段（TDFs，transcript derived fragments）[47]，并利用cDNA-AFLP 結(jié)合RACE 技術(shù)，克隆得到了1 個(gè)與南瓜蔓伸長(zhǎng)相關(guān)的基因CmV1[48]。目前，南瓜屬植物矮生基因研究報(bào)道大多是關(guān)于遺傳規(guī)律分析和分子標(biāo)記的定位，但控制南瓜矮生性狀的Bu基因還沒(méi)有被克隆，因此還需要進(jìn)一步深入研究。

4 甜 瓜

目前，甜瓜中曾報(bào)道了3 個(gè)有關(guān)矮生性狀的隱性基因：si-1、si-2和si-3[49-50]。1984 年，Paris 等[49]以2 份矮生甜瓜資源的遺傳規(guī)律進(jìn)行了研究發(fā)現(xiàn)，這2 個(gè)矮生性狀分別由2 個(gè)不同的隱性基因控制，把其中1 個(gè)矮生基因命名si-1（short-internode-1），另1個(gè)矮生基因命名為si-2（short-internode-2），且si-1和si-2為非等位基因。1990 年，矮生基因si-3被報(bào)道，si-3與si-1或si-2為非等位基因[50]。21 世紀(jì)初，白戈等[51]發(fā)現(xiàn)甜瓜矮生性狀并不符合3∶1 的分離規(guī)律，而是呈雙峰曲線分布，說(shuō)明該性狀不受單基因控制，可能存在基因間互作。王建設(shè)等[52]發(fā)現(xiàn)其研究的2 份矮生甜瓜資源均被1 對(duì)隱性基因控制，且彼此間互為非等位基因。最近幾年，關(guān)于甜瓜矮生性狀相關(guān)基因的定位開(kāi)始被報(bào)道。Hwang 等[53]的研究表明甜瓜短蔓性狀是由單隱性基因mdw1控制，通過(guò)SSR 標(biāo)記構(gòu)建遺傳圖譜將其定位在7 號(hào)染色體上，并將候選基因ERECTA和UBI分別精細(xì)定位在到mdw1兩側(cè)的基因組區(qū)域0.6 cM 和1.2 cM處。齊振宇[54]利用RAD-seq（RestrictionAssociation Site DNA Sequencing）技術(shù)將甜瓜節(jié)間長(zhǎng)相關(guān)聯(lián)的SNP 定位于1 號(hào)、10 號(hào)染色體。熊姜玲[55]利用分子標(biāo)記在2 份甜瓜材料雜交后代群體中發(fā)現(xiàn)，有4 個(gè)與甜瓜節(jié)間長(zhǎng)度相關(guān)的SSR 標(biāo)記，其中DE1185 標(biāo)記和DE1957 標(biāo)記連鎖，標(biāo)記間的距離為17.5 cM，但定位區(qū)間較大，作者并未確定最終的候選基因。2018 年，張肖靜[56]將甜瓜短蔓基因si精細(xì)定位在標(biāo)記d CAPS1 和d CAPS4 之間，距離為110 kb，在此候選區(qū)段開(kāi)發(fā)了4 對(duì)d CAPS 標(biāo)記，并推測(cè)d CAPS2 為控制短蔓性狀的候選基因。2020 年，馬建等[57]對(duì)矮生甜瓜突變體Z8 進(jìn)行遺傳分析表明，該性狀受一對(duì)隱性核基因Cmdm1控制，并將Cmdm1精細(xì)定位于7 號(hào)染色體短臂標(biāo)記c7-112 和s2 之間，距離約為56 kb，推測(cè)此區(qū)間內(nèi)的MELO3C016916為Cmdm1最終的候選基因。

5 展 望

綜上所述，瓜類蔬菜短蔓性狀研究取得了一定進(jìn)展，但其分子育種研究還很有限。目前僅對(duì)部分矮生性狀進(jìn)行了遺傳分析，不同株型的矮生性狀利用還有待于深入研究。矮生基因的分子標(biāo)記、矮化基因精確定位以及分離克隆等的研究尚待加強(qiáng)。此外，現(xiàn)已知的矮生瓜類蔬菜突變體尚存在一些不良性狀，對(duì)其遺傳改良和應(yīng)用價(jià)值開(kāi)發(fā)尚缺乏深入系統(tǒng)的研究，如一些突變體在黃瓜和甜瓜等作物中表現(xiàn)為矮化表型，但這些矮生突變體常伴有畸形，限制了短蔓育種的應(yīng)用，所以發(fā)掘新的矮生性狀、克隆和利用新的矮生基因?qū)⑹墙窈蠊项愂卟税N工作的重要內(nèi)容，具體主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①通過(guò)發(fā)掘新的矮化突變體來(lái)豐富瓜類蔬菜的矮生資源，解決部分瓜類蔬菜矮化資源單一化等問(wèn)題。②分子標(biāo)記輔助選擇聚合有利矮生性狀，同時(shí)滿足多個(gè)育種的目標(biāo)，加速矮生育種進(jìn)程。③定位克隆矮化基因，并利用基因工程技術(shù)，獲得藤蔓長(zhǎng)度合理的葫蘆科植株，這將成為未來(lái)生產(chǎn)的重要手段。