葫芦耐湿涝遗传改良方法研究进展

第第页葫芦耐湿涝遗传改良方法研究进展摘要：培育高耐湿涝的葫芦品种是一项应对湿害和涝害的重要措施。根据有关文献综述了葫芦科作物在耐湿涝遗传改良方面的研究进展，主要包括葫芦耐湿涝野生资源及其进化，基于生理的包括根的形态、保护酶活性、叶绿素含量、光合速率等主要指标与相关分子标记的葫芦耐湿涝鉴定，加快葫芦耐湿涝的选育进程，以及利用基因工程转入包括活性氧清除、胁迫蛋白等在内的外源基因，提高葫芦的耐湿涝性。并对目前葫芦耐湿涝遗传改良过程中存在的问题及未来的应对策略进行了探讨与展望。

关键词：葫芦；遗传改良；分子标记；生理指标；耐涝性

葫芦（Lagenariasiceraria）属葫芦科一年生草本植物。葫芦的嫩瓜营养丰富、水分多、味清淡，具有清热解暑等功效，而且用途广泛，因此人们对其需求量越来越大。葫芦最适合生长在光照充足、土壤肥力中等、排水性好、pH值5.8～7.2、温暖潮湿的坏境[1]，而且根系发达，吸水能力强，在前期、中期需水量较多，但在后期较少，因此在我国南方较适宜栽培。

然而我国的洪涝灾害比较严重，约有2/3国土存在不同程度的涝害[2]。在南方7—9月台风天气频繁发生，带来强降雨导致涝害[3]，这严重影响葫芦的生长，导致产量和品质严重下降。多年来，科研工作者主要集中在花生、黄瓜、油菜等作物的耐湿涝研究，但在葫芦上研究的很少。本文通过对葫芦野生资源进化，生理指标鉴定，耐湿涝相关QTL定位和基因工程方法研究改良葫芦耐湿涝性，以及对其在改良过程中存在的问题及未来的应对策略进行综述，旨在促进葫芦耐湿涝性研究的深入开展。

1葫芦耐涝的遗传资源及进化

葫芦是世界上最古老的作物之一。先民很早即以葫芦为采食对象。伴随原始农耕的出现，葫芦最早被人工驯化为栽培植物[4]。随后人类对葫芦的不断选择，使得葫芦的品种越来越多，用途也越来越广泛。研究表明，热带非洲是葫芦最初的发源地，自从史前时代热带非洲仅有的葫芦物种已经被全世界使用[5]；而且在哥伦布发现美洲之前，由于洋流的原因自发分散到全世界[6]。因此分布在热带非洲的葫芦野生种或野生近缘种蕴藏着极其丰富的优良基因资源。这些野生品种在不同地理和气候条件下生长，为了应对周围的逆境，自身演化形成了适应当地环境的特异机制。目前，国内外已经育出许多葫芦品种，如国内有苹果葫芦、新疆葫芦、疙瘩葫芦、佛手葫芦、手捻葫芦等品种；国外有小徽章葫芦、炮弹葫芦、土耳其头巾葫芦、皇冠葫芦、香蕉葫芦、非洲小葫芦等品种。

早期人类对作物后代的选择通常是无意识的，而且最后仅固定驯化了很少的性状[7]。研究表明，葫芦是分布范围最广、最普及的植物有机体[8]，它们在各个地方产生不同的适应机制。这使得葫芦的性状产生了不定向的进化，从而丰富了葫芦遗传的多样性。由于不同地区降水量也不一样，因而葫芦的耐湿涝性也不一样，这为葫芦耐湿涝进化提供了极具价值的证据：（1）它们的生长区域跨越大范围的气候、生物地理和环境差异；（2）具有大量而丰富的耐涝基因组信息。因此，环境因子尤其是温度和降水梯度能驱使这些野生葫芦品种适应多样的环境，从而产生更多的耐涝性不同的葫芦品种，为葫芦耐涝遗传改良提供丰富的资源。

2基于生理的葫芦耐湿涝指标鉴定

2.1根的形态指标

根系是植物吸收水分、养分和合成激素等代谢物质的重要器官，其发育状况与作物抗逆密切相关，因此测定根系的形态指标可反映出植物的耐涝性。植物在适应涝害条件下，会诱发产生不定根，如Aschi-Smiti等[9]认为不定根的产生是植物在15d的低氧环境下新陈代谢的生理适应标志。通过研究发现，淹水胁迫时在茎间容易诱发不定根，但根毛数量大幅度减少[10-13]。钱伟等[14]以葫芦砧1号、厦门葫芦、贵州葫芦为砧木，研究了西瓜嫁接苗和自根苗的耐湿性，通过测定3种葫芦砧木基部不定根数目评价了葫芦的耐湿性。Yeboah等[15]分析黄瓜耐涝的遗传性，以耐涝和不耐涝黄瓜为亲本构建了F1、F2、F3群体，通过不定根形成、地上部分干质量为指标来比较它们的耐涝性强弱，结果表明耐涝性强的黄瓜可以通过父母品种的选育来进行选择。湿害诱导形成的新根或不定根，可以吸收水分和矿质养分，皮孔增生则有助于逆境下的气体交换排除体内毒素[16]。由此可见，植物为了适应涝害就会产生不定根，在葫芦上可以对其根系进行有氧到低氧胁迫，再到缺氧，这个渐变的过程相当于一种缺氧锻炼，使得葫芦根系在结构上发生变化来适应涝害。这种适应可以使葫芦往耐涝定向进化，使葫芦耐涝遗传得到改良。

2.2渗透调节物及保护酶的生理指标

涝害可导致土壤生态系统失调，如水分过多、氧气偏少、土温降低、养分流失等。目前，葫芦科作物的耐湿涝性研究已有较多报道，其中以渗透调节物和保护酶活性为主要评价作物的耐湿涝性，从而为筛选不同耐湿涝的葫芦科作物品种提供了鉴定指标。如张健等[17]利用葫芦科作物南瓜和丝瓜作砧木，黄瓜为接穗，研究了在涝害胁迫下黄瓜嫁接苗和自根苗的耐涝性，通过测定根系的电解质渗出率、丙二醛（MDA）含量、超氧阴离子自由基（■）与根系SOD、POD和CAT细胞保护酶活性等指标，得出了丝瓜作砧木可以提高黄瓜耐涝性的结论。齐晓花等[18]以植株死亡率、叶绿素损失率、SOD增长率、POD损失率和CAT增长率为耐涝指标，综合评价了40个黄瓜品种（系）的耐涝性，对耐涝性不同的黄瓜品种进行了分类。张英杰等[19]研究了水分胁迫下甜瓜的耐湿性，利用甜瓜幼苗的萎蔫指数、基部不定根数、电导百分率及MDA的含量为指标，评价甜瓜品种的耐湿性强弱。Qi等[20]通过淹水，比较耐涝和不耐涝黄瓜的叶绿素、脂质过氧化物含量和POD、CAT、SOD活性的变化，结果表明在淹水情况下，维持黄瓜正常生长和涝害中恢复主要依靠SOD和CAT的作用，而不是POD。

植物受涝害后，首先根部缺氧，就会产生多级次生胁迫，包括还原毒物积累、离子胁迫以及气体胁迫（CO2、乙烯、甲烷过多）等[21]，因此作物的涝害相当于一个低氧胁迫的作用。研究表明，低氧胁迫下，网纹甜瓜植株高度、根长度降低，植株鲜、干质量显著下降，同时根系中超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性和丙二醛（MDA）含量也会显著增加[22]。杨丽文等[23]研究表明，低氧胁迫处理导致甜瓜幼苗体内■产生速率和H2O2、MDA含量显著增加，同时SOD、CAT、POD、APX、GR等抗氧化酶活性和抗氧化物质AsA、GSH含量显著增加。方丽等[24]通过测定乙醇脱氢酶（ADH）、超氧化物歧化酶（SOD）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性和脯氨酸（Pro）含量，研究了在低氧胁迫下葫芦砧木形态及生理特性的变化。

植株体内产生的丙二醛（MDA）可使生物膜变性，影响其正常生理代谢过程；脯氨酸（Pro）不仅可以作为植物细胞质内的渗透物质，而且还有稳定生物大分子结构、降低细胞酸性、解除氨毒以及作为能量库调节细胞氧化还原势等作用，从而提高植物的抗逆性；各种抗氧化酶如POD、SOD、CAT等可以保护葫芦科作物根系免受过氧化物的伤害。不同的作物在涝害环境下产生的保护酶活性和渗透物质含量都不同，从而可以作为鉴定耐涝性强弱的指标。因此葫芦在耐涝研究上利用其他葫芦科作物试验得出的生理指标为鉴定方法，在连续的耐涝试验中加快分级筛选耐涝性不同的葫芦品种，从而加快葫芦耐涝遗传改良。

2.3叶绿素含量和光合速率的生理指标

光合作用是植物生长发育的基础，为植物生长提供所必需的物质和能量。叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，在光合作用中参与吸收、传递光能或引起原初光化学反应，在植物光能吸收、传递和转化等过程中具有重要作用。研究表明，光合色素尤其是叶绿素含量的降低是导致植物光合速率降低的主要原因[25]。Xiao等[26]研究表明，小麦在淹水处理早期，它们的光合速率都快速的下降，但叶绿素含量下降的幅度很小，然而在淹水处理后期不耐涝的小麦品种光合速率下降幅度比耐涝的更大，叶绿素含量也大幅下降，解除淹水后，不耐涝的恢复得比耐涝的小麦品种快，但是光合速率和叶绿素含量的指标达不到未处理的正常水平，这为筛选耐涝的小麦品种提供了鉴定指标。随着受涝时间的延长，根系就会缺氧而产生无氧呼吸，进而影响作物的地上部分的生长。如夏庆平等[27]研究表明，低氧胁迫导致甜瓜幼苗光合色素含量显著下降，光合作用降低。另外Reddy等[28]以失绿状况、叶绿素含量、叶片活性Fe2+含量和总生物量为指标，鉴定出对涝害及缺铁症耐性强的品系。由此可以说明通过淹水胁迫可以增强小麦的耐涝性，因此通过测定叶绿素含量和光合速率指标可以准确筛选出耐涝性不同的品种，从而缩短耐涝遗传改良的时间。用这种方法来鉴定葫芦耐涝性有待研究，从而加快葫芦耐涝的遗传改良进程。

综上所述，在生理方面通过逐渐增加淹水量胁迫葫芦生长，这是一个渐进的过程，前提是保证葫芦解除水淹后能够恢复正常生长，以根系不定根产生量、渗透调节物（可溶性糖、脯氨酸、相对电导率、丙二醛）、保护酶（过氧化物酶、过氧化氢酶、超氧化物歧化酶）活性、叶绿素含量和光合速率为鉴定指标来逐步筛选耐涝的葫芦，这样不仅可以让葫芦朝着抗涝害方向进化，而且还可以加快耐涝遗传育种改良的进程，从而定向选择耐涝的葫芦品种。

3基于分子水平的葫芦耐涝的遗传改良

3.1耐涝的QTL定位及遗传

QTL指的是控制数量性状的基因在基因组中的位置。近几年QTL定位应用的比较广泛，尤其是在植物抗逆性基因的定位较多，其中耐涝也是受QTL的控制。孙慧敏等[29]研究NJRISX家系大豆苗期耐淹性的遗传和QTL定位，利用主基因■多基因分离分析，表明该群体的耐淹性为2对连锁主基因■多基因遗传，主基因遗传率为62.83%，多基因的遗传率为8.90%。WinQTLCart2.5复合区间及多区间QTL定位分析均检测到2个QTL，位于连锁群L2上的Satt229～Satt527和Satt527～Sat_286区间，准确定位了与耐涝性相关的QTL，同时得出了大豆的重组自交系NJRISX群体苗期耐淹性遗传分离分析与QTL定位结果相对一致的结论，说明控制耐涝基因通过杂交遗传到了下一代。Qiu等[30]在玉米耐涝试验过程中，通过复合区间作图法定位了根系长度、根系干质量、地上部分干质量、总干质量与耐涝相关的QTL，而这些指标都与玉米的耐涝性相关。李真[31]采用复合区间作图（CIM）的逐步回归法定位了油菜群体中与植株高度、根长度、地上部干质量、根干质量、总干质量有关的耐湿QTL共26个，其中4个QTL分布于1、15、18、20连锁群，单个QTL的贡献率为5.45%～22.89%。葫芦在耐涝相关QTL的定位上研究很少，因此可以借鉴大豆、玉米、油菜的定位方法研究定位耐涝相关的QTL。陈嵘峰[2]利用复合区间作图（CIM）检测到2个与不定根形成相关的QTL，1个与叶绿素损失率相关的QTL，但是他只是对QTL进行了初步的定位，准确性不高，需要进一步研究精确定位。葫芦与黄瓜同为葫芦科作物，在遗传上存在着相似性，因此在葫芦上做耐涝相关的QTL定位有待进一步研究。

3.2利用基因工程的遗传改良

作物基因型间存在耐湿性差异，使得其改良有了可能。目前通过转基因的方法获得了许多的耐涝作物。如导入活性氧清除酶类等综合抗逆基因，将来自烟草的Mn-ODcDNA导入苜蓿中，转基因苜蓿叶片受到的伤害减轻2/3以上，产量和存活率明显提高，而烟草与苜蓿是不同科的作物，因此将来自烟草的Mn-ODcDNA导入葫芦中产生同样的效果也成为可能。导入编码氧结合蛋白的专一耐湿基因，在细菌中存在着一种血红蛋白基因VHb，将这个基因导入到烟草中，在缺氧和低氧的条件下，转基因烟草与对照比较，发芽时间减少一半，生长35d后干质量增加1倍[32]。Xu等[33]鉴定出了与黄瓜根系乙烯响应因子相关的3个基因CsERF1、CsERF2和CsERF3；在模拟缺氧环境下，测定了CsERF1和CsERF3的表达模式，验证了耐低氧和耐涝性受主效基因CsERF1控制。同样在水稻中鉴定出耐淹涝基因标记RM219，并验证了耐淹涝性状由主效基因Sub1控制[34]。目前已经弄清了由缺氧诱导的ADH的基因序列结构，并在棉花等作物中得到了cDNA植株。这些基因通过转基因导入葫芦中，从而为选育出高耐湿涝的葫芦品种提供了可能，但在葫芦中能否表达需要进一步研究。

4问题与展望

在生理鉴定指标方面，葫芦种质资源的耐涝性鉴定是选育耐涝品种的重要基础。目前鉴定耐涝指标有许多，一般需要测定其脯氨酸（Pro）和丙二醛（MDA）含量与过氧化物酶（POD）活性、过氧化氢酶（CAT）活性和超氧化物歧化酶（SOD）等酶的活性，但这个测定过程复杂而且费时间，最好通过形态观察就能鉴定出是否具有耐涝性，因此迫切需要建立一套能够在早期进行快速、准确鉴定的形态技术指标体系，从而加快育种改良进程。

在基因方面，应从涝害下植株形态结构及代谢适应性分子机制入手，应用分子标记技术寻找与葫芦耐涝性连锁的分子标记，精细定位与克隆相应的耐涝基因，通过分子标记、转基因等技术高效选育耐涝品种，以促进葫芦产业可持续发展。虽然最近几年已经得到了与耐涝相关的基因，并导入一些作物后有明显提高耐涝性的效果，但在葫芦上很少研究，即使导入葫芦中，这些基因能否正常表达也很难确定，因此在定位和克隆耐涝基因还需进一步研究，从而得到更多适合在葫芦应用的耐涝基因。

在杂交育种方面，通过上面的综述可以确定葫芦耐涝的鉴定指标，这些鉴定指标缩短了筛选过程，节约了所需的时间，从而加快了育种的进程。其中将筛选出来的耐涝葫芦品种进行随机杂交，借助杂种优势的效果，从中可能会获得更耐涝的葫芦品种。然而由于遗传的改良会导致杂交的不亲和性，因此有待研究。

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