西瓜倍性育种研究进展
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自1937年Blakeslee和Avery利用秋水仙素诱发曼陀罗四倍体获得成功以后,各国相继展开人工诱发多倍体的研究。自1939年发表关于获得四倍体西瓜的报告后,多倍体西瓜育种的研究由此进入了新时代。据联合国粮农组织(FAO)2002年统计,西瓜在世界10大果品中居第5位,其中无籽西瓜以其优质、口感好、食用方便、抗病、耐贮运而倍受消费者青睐。随着人民生活水平的提高,西瓜的栽培面积也不断扩大。据2007年全国无籽西瓜科研与生产协作组不完全统计,全国无籽西瓜栽培面积由2000年的6.7万hm2增加为2007年的21.87万hm2,遍及全国逾20个省市[1]。我国现已成为世界上第一无籽西瓜科研、生产和出口大国。本文将重点介绍西瓜多倍体育种新进展及未来的发展方向。
1诱导西瓜多倍体的途径
1.1物理途径
温度激变、离心力处理、机械创伤刺激及X射线处理等都可以诱导多倍体形成。1960年日本学者曾用X射线照射西瓜种子,诱发了在一个单一染色体组内包含由4条染色体组成的“环4”或6条染色体组成的“环6”[2]。下妻稔和木原均也开展了用染色体易位创造少籽西瓜的研究,得到了不同程度的部分不育的西瓜选系[2]。在国内,广东省农科院生物所进行西瓜染色体易位研究,并成功的培育出易红1号、5号等易位少籽西瓜。用不同剂量的60Co γ射线辐照二倍体西瓜的干种子、花粉后代,结果M1的花粉随着辅辐剂量的提高,败育率明显增加,各个剂量均可出现染色体易位,并选出易位纯合体[3]。
1.2化学途径
1.2.1活体诱导
化学方法诱导多倍体是应用最广泛且最有效的方法。因其操作简便、专一性强、诱变谱广等优点而迅速被育种工作者广泛接受。化学方法诱导可分为活体诱导和离体诱导两种方法。活体诱导指通过处理植株的生长点来达到染色体加倍的目的。谭素英等通过剥去生长点外幼叶后用1 %秋水仙素的羊毛脂膏涂抹和0.2 %的秋水仙素水溶液浸芽处理,显著提高了西瓜变异频率和秋水仙素处理效果[4]。周泉根据多年的生产经验认为,采用0.25 %秋水仙素溶液滴苗处理西瓜效果最好,处理期间温度控制在18～25 ℃之间[2]。
1.2.2离体诱导
离体培养可提高多倍体诱导率,降低嵌合率。西瓜组织培养开始于20世纪70年代初期。许智宏等报道了利用组织培养离体繁殖无籽西瓜苗的方法[5]。近年来,生物技术的发展促进了植物组织培养结合秋水仙素诱发多倍体的研究。Zhang等在西瓜幼胚子叶不定芽再生的前7 d在再生培养基中添加0.05 %秋水仙素,使再生植株中四倍体的频率由对照(不加秋水仙素)的8 %提高到52 %,大大提高了组织培养再生四倍体的频率和效率[6]。
植物生长调节剂的选择被认为是组织培养能否获得成功的关键因素。普遍认为BA是诱导西瓜不定芽发生最有效的生长调节剂。不同细胞分裂素对西瓜上胚轴不定芽发生和出芽数有不同程度的影响。林友豪等结果表明,6-BA高浓度和低浓度对芽的分化作用不明显,当6-BA的浓度达到2.0～3.0 mg/L时,能显著促进不定芽的形成[7]。魏瑛等以MS培养基为基本培养基附加NAA、6-BA、KT和2,4-D,采用正交试验设计研究了不同激素配比对西瓜子叶和胚轴愈伤组织形成的影响。结果表明,6-BA对子叶愈伤组织形成的影响最大,胚轴对激素的反应比子叶敏感[8]。
离体培养条件下外植体类型不同,芽再生率有很大不同。西瓜茎尖具有非常高的增殖能力,容易成苗,马国斌等利用茎尖进行离体诱导西瓜四倍体。西瓜子叶是诱导不定芽发生的适宜外植体,一般苗龄为4～5 d,颜色由黄变绿时的子叶不定芽再生的频率较高[9]。张兴平等研究表明,近胚轴端中心叶脉处的子叶组织再生能力最强,而远离胚轴的子叶边缘组织再生能力较差。未成熟胚再生频率更高,且受基因型的影响更小。采用二倍体西瓜自交授粉后20～23 d的西瓜未成熟胚子叶中部组织离体诱导四倍体,诱导率高,不易产生嵌合体[10]。石晓云等通过愈伤组织获得四倍体植株,且诱导率高于通过芽丛与单芽的诱导率[11]。
2西瓜多倍体的鉴定方法
在诱导多倍体过程中,准确及时鉴定出多倍体植株可以缩短培养周期,提高多倍体育种工作效率。目前常用的几种鉴定方法综述如下。
2.1形态学鉴定法
形态学鉴定法是最直观的鉴定方法。多倍体植物由于染色体加倍,其外部形态特征和二倍体有明显的差别,主要表现在根、茎、叶、花器和果实的形态和大小上。Compton和Gray研究发现子房直径、雄花的花瓣和花药直径、叶长与叶宽比是西瓜倍性水平很好的标志,四倍体子房直径是二倍体子房直径的1.4倍。四倍体和二倍体雌花的花瓣直径和子房长度没有差别。而雄花中,四倍体花瓣直径和花药直径大于二倍体,二倍体的叶长与叶宽比大于四倍体的叶长与叶宽比[12]。
2.2染色体计数法
多倍体加倍后最本质的特征是染色体加倍,因此,染色体计数法是最直接最准确的鉴定方法。不但能区别倍性而且还能鉴定是整倍性或非整倍性的变异。F-BSG法、去壁低渗法观察西瓜染色体效果比较好[13]。郭启高等在离体培养过程中利用不定芽叶尖染色体计数,在组织培养早期100 %检出倍性[14]。
2.3细胞形态学鉴定法
与二倍体相比,多倍体的细胞学形态表现为保卫细胞叶绿体数目增多。Compton和Grays通过再生植株叶片每对保卫细胞中叶绿体数目的多少鉴定二倍体和四倍体植株。每株四倍体西瓜植株中,平均每对保卫细胞有19个叶绿体,二倍体植株中每对保卫细胞有11个叶绿体。这样,随倍性从2 n到4 n,每对保卫细胞叶绿体密度增加系数为1.7,用10株四倍体后代和四倍体与二倍体杂交获得的三倍体种子来确认了其四倍性[15]。刘等研究不同倍性西瓜的叶表皮微形态特征结果表明,随着西瓜倍性的增加,叶片保卫细胞和表皮细胞增大,叶片单位面积上的气孔和表皮细胞的数目减少,细胞的大小与西瓜倍性呈正相关,单位面积上的细胞数目与西瓜倍性呈负相关。通过二乙酸盐荧光黄(FDA)荧光记数法观察4 倍体、3 倍体和2 倍体的叶片保卫细胞中的叶绿体数目分别为9.9±3.4,15.9±2.2,11.5±1.5,其比例约为4∶3∶2,与西瓜的倍性一致[16]。谭素英等研究认为在西瓜上叶片保卫细胞的大小、单位面积上的气孔数及保卫细胞中叶绿体的大小和数目与倍性具有高度的相关性[17]。根据保卫细胞的大小、单位面积上的气孔数及保卫细胞中叶绿体的数目,可以有效区分倍性[18]。
2.4流式细胞光度法
在分子水平上进行多倍体研究,不仅可应用于倍性鉴定,还对其变异机理和后代性状预测研究有重要价值。流式细胞仪分析法可迅速测定细胞核内DNA的含量和细胞核大小,是大范围实验中鉴定倍性的快速有效的方法。张兴平等利用该仪器快速检测出西瓜再生芽情况[19]。施先锋在西瓜多倍体诱导及倍性鉴定的研究中指出DNA流式细胞仪价格昂贵,但可较早的鉴别西瓜的倍性[20]。
3问题与展望
3.1存在问题及对策
近年来,三倍体西瓜因其无籽、抗病、耐湿、优质等特点而迅猛发展 ,但也存在一些主要问题:首先,四倍体西瓜种质创新不够,无籽西瓜品种更新缓慢,同物异名多,独特创新育种不够。其次,西瓜多倍体研究深度不够,多数单位育种还停留在常规育种水平上,在细胞生物学、分子生物学等方面研究远远滞后。而针对西瓜枯萎病 、蔓枯病 、病毒病和细菌性果腐病的西瓜多倍体抗病育种更是落后于其他作物,且育种盲目追求早熟、大果,栽培时大量追施氮肥,导致无籽西瓜品质下降,在有些地区无籽西瓜的价格还竞争不过有籽两瓜。这些问题均给育种单位和生产单位提出了严重挑战。
针对以上的问题,我们必须加强科研与育种协作,促进无籽西瓜育种创新,联合全国高校和科研单位,通过科研育种协作,加快四倍体西瓜种质创新。在选育高配合力优良四倍体西瓜、小果型无籽西瓜选育、西瓜多倍体的抗病育种等方面进行联合攻关,打破西瓜多倍体育种的瓶颈,促进无籽西瓜的创新育种。将常规育种与现代生物技术相结合,通过分子标记辅助育种、基因工程、离体组织培养、单倍体培养、辐射诱变等手段,搭建无籽西瓜品种的定向改良技术平台。加快新品种走向市场的步伐,加强国际合作,选育功能性无籽西瓜新品种。
3.2育种新方向
西瓜果实不仅风味优美,果汁中含有大量糖分、有机酸以及矿物质,更重要的是含有丰富的番茄红素[21]。自20世纪50年代中期发现番茄红素具有重要的生理功能(如较强的抗氧化和防癌抗癌作用)以来,番茄红素的研究受到了普遍的关注。而有关西瓜果实中番茄红素的研究一直未被重视。但美国农业部的研究发现,与等重的生番茄相比,西瓜红色部分的番茄红素含量比番茄高40 %左右,尤以红色无籽西瓜的番茄红素含量最高。而西瓜鲜食其番茄红素就可以直接产生生理效应[22]。因此选育高番茄红素含量的西瓜品种将是今后西瓜多倍体育种中品质育种的一个重要方面。
参考文献
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