多倍体西瓜的特性及其应用研究进展

李娟 李焕秀

（四川农业大学园艺学院，四川雅安，625014）

多倍体西瓜的特性及其应用研究进展

李娟 李焕秀

（四川农业大学园艺学院，四川雅安，625014）

在蔬菜作物中，西瓜多倍体育种研究取得的成果最多，多倍体育种技术在西瓜生产上发挥的作用最大。介绍了多倍体西瓜的特点，对多倍体西瓜的诱导技术、鉴定技术、微体扩繁和田间种植及西瓜多倍体的应用研究进展进行了阐述。

西瓜 多倍体 研究进展

在植物中，多倍体是适应性变化和物种形成的主要机制，是高等植物染色体进化的显著特征[1]。在西瓜的育种研究中，除了二倍体水平的研究外，人们对三倍体、四倍体水平的研究日渐深入，应用也越来越广泛。特别是三倍体无籽西瓜的大面积生产，使西瓜育种者备受鼓舞。染色体加倍技术的更新和离体培养方法的改进和完善，使人们获得四倍体更容易。利用多倍体可孕性低来获得无籽或少籽果实在无核果业上具有特别的价值，三倍体无籽西瓜是目前生产上利用同源多倍体生产面积最大的植物品种之一。近年来对西瓜中茄红素含量的研究显示，多倍体西瓜茄红素的含量要比二倍体西瓜高，可考虑从多倍体西瓜中提取茄红素，应用前景非常广阔。

1 多倍体西瓜的特性

1.1 三倍体西瓜的特性

三倍体无籽西瓜是三倍体水平的杂交一代西瓜，具有多倍体和杂交一代的双重优势，适应性和抗逆性强、含糖量高、无籽、耐贮运、产量高[2]。三倍体西瓜的最大特点是无籽。三倍体细胞进行减数分裂时，三组同源染色体联会时，就某一号染色体来说，可能形成一个三价体或一个二价体和一个单价体。同源染色体分向两极时，无论哪种情况，都难以均等的分配，难以形成染色体数均等的配子，从而造成配子的不育。三倍体的不育程度比四倍体的更高。因为四倍体中染色体如果按2/2分向两极，则形成配子体数均等的配子，这部分配子是可育的，而三倍体几乎不可能形成配子体数均等的配子。因此，三倍体的不育程度比四倍体的更高。在生产上，通常把四倍体西瓜叫少籽西瓜，把三倍体西瓜叫无籽西瓜。

1.2 四倍体西瓜的特性

四倍体西瓜含糖量高、品质优良、抗逆性强，可直接作为商品瓜，更重要的是它可作为四倍体母本与优良二倍体西瓜杂交生产三倍体无籽西瓜[3～7]。四倍体西瓜的最大特点是种子少，这是由它的染色体数决定的。它的细胞中含有4组同源染色体，在减数分裂过程中，同源染色体要联会，就某一点或区段来说，4个中只能2个连在一起。例如第一号染色体的某一区段第一组与第二组联会，因此，2组染色体联会可能很松弛，从而有可能形成一个四价体、一个三价体和一个单价体、两个二价体、一个二价体和两个单价体，染色体分向两极时，就会出现2/2或3/1等分离方式。3/1分离造成了配子内染色体数和组合成分的不平衡，从而造成部分配子不育。因此，四倍体西瓜的种子数量比二倍体西瓜的少。

2 西瓜四倍体获得的主要途径

2.1 常规的西瓜四倍体诱导方法

在化学诱变中，以秋水仙素诱导多倍体最有效，因其能阻止正在分裂的植物细胞内纺锤丝的形成，而使染色体加倍，形成多倍体。传统的秋水仙素诱导西瓜四倍体的方法主要有：浸种法、滴芽法、羊毛脂涂抹法。用秋水仙素诱导多倍体，必须注意以下4点：①药剂浓度；②处理时间；③细胞分裂时期；④植物生长的速度。其中处理浓度、时期和时间是关键。秋水仙素处理西瓜的有效浓度为0.2%～0.4%，经秋水仙素处理后，一般变异率只有1%左右[8]。谭素英等[9]对二倍体西瓜品种进行了提高秋水仙素诱导率的试验研究，结果表明，剥去生长点幼叶后用秋水仙素溶液滴苗或涂抹处理，变异率有所提高。柴兴容等[10]在甜瓜上采用秋水仙素诱导生长点的分裂细胞，进行种子和幼苗处理，选用适宜的药剂浓度和方法，获得了高于1%的诱导率，但部分植株为嵌合体，诱变当代植株生长势弱，稳定周期长。

2.2 利用西瓜组织离体培养创造四倍体变异

在西瓜幼胚子叶、幼苗子叶和无性胚再生植株中观察到了四倍体变异，这些无性系变异在植物组织培养继代增殖过程中倍性稳定，育种者可利用组培方法将所获得的四倍体无性变异进行快速繁殖，从而加速育种进程[11～13]。

利用离体培养创造四倍体从3个方面可以提高效率：①提高再生植株群体四倍体的频率；②能够将组织培养材料通过一些室内鉴定方法在移入温室前有效地识别四倍体变异，以极大地减少管理二倍体试管苗所花费的劳力和费用；③通过离体悬浮培养等手段使细胞高度分散，直至变成单个细胞群，可以克服嵌合体现象。

西瓜再生植株中四倍体的变异频率较低，一般在5%左右。且从再生植株中观察到的四倍体均为非嵌合体，这对育种者进行有效选择是很有利的，更重要的是这些四倍体变异在组织培养继代增殖过程中倍性稳定，育种者可利用这个特点，将所获得的四倍体无性系变异进行快速繁殖，从而大大加快育种进程。张兴平等[14～15]通过组织培养，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，使再生植株的诱导四倍体频率从对照（不加秋水仙素）的8%提高到52%，大大提高了利用组织培养技术诱导西瓜四倍体的频率和效率，但在再生培养的初期使用秋水仙素会显著抑制不定芽的再生，故选择适宜的诱变时期是十分必要的。

3 三倍体和四倍体西瓜的鉴定方法

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如下。

3.1 形态学鉴定法

形态学鉴定法又称间接鉴定法，是最直观的鉴定方法。多倍体西瓜幼苗表现粗壮，节间较短，分枝力差；叶片钝圆，小而厚，茸毛较多，颜色深，叶缘多锯齿；花色较浓，花粉粒较大，孕性较二倍体低，有的甚至完全不孕，抗性增强，外果皮增厚，果实比二倍体小，呈圆形或多角形，果肉厚，肉质较紧密；种子少而大，种仁不饱满，脐部宽，种皮厚而硬[16]。Compton等[17]研究发现子房直径、雌花的花瓣、花粉囊直径、叶长与叶宽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。

3.2 细胞学鉴定法

根据气孔保卫细胞长度、气孔保卫细胞中叶绿体数目、单位面积内气孔数、花粉粒发芽孔数目，花粉粒形态、花粉母细胞四分体时的小孢子数及小孢子所含的核仁数进行判定。Sari等[18]在西瓜上发现叶片保卫细胞叶绿体个数与植物倍性呈正相关，可作为鉴定西瓜植株倍性快速、有效的方法。刘文革等[19]利用扫描电子显微镜对不同倍性西瓜花粉粒形态进行了系统观察。结果表明，二倍体花粉多为近长球形，花粉整齐一致；四倍体花粉为圆球形，有异形花粉、粘连花粉和空瘪花粉等；三倍体花粉全部为空瘪花粉。

3.3 条件鉴定法

郭启高等[20]设计的增殖系数法、高温胁迫法、低温胁迫法鉴定西瓜试管苗四倍体平均符合程度分别为88%，90%，80%，是快捷高效的四倍体鉴定方法，可以节省大量时间与人力。

3.4 流式细胞仪分析法

该方法可迅速测定细胞核内DNA含量和细胞核大小，是大范围试验中鉴定倍性的快速有效的方法。此方法测定细胞核DNA含量不受外部因素，如光密度、植物组织水含量的影响[21]。

3.5 染色体计数法

观察诱变株根尖或花粉母细胞的染色体数目（西瓜三倍体染色体数目2=3=33，西瓜四倍体染色体数目2=4=44），这是最直接、最准确的鉴定方法。实践证明,取根尖和茎尖有一定困难，故一般用幼叶作为镜鉴材料,上午9：00取样固定最好。

3.6 杂交鉴定法

利用反交法，以待鉴定的诱导植株为母本，已知二倍体植株为父本进行套袋隔离杂交，单瓜留种，结果表明：采用杂交鉴定法判断四倍体变异株的准确率达到100%[22]。而且利用此法当代即可确认四倍体并获得三倍体，可以免去工作繁琐复杂的染色体记数法。

3.7 分子生物学鉴定法

随着分子生物学技术的发展，人们开始从分子水平入手研究多倍体，对其倍性、来源进行鉴定。目前，分子技术主要应用在西瓜多倍体育种材料的选择，植株种子、幼苗的纯度鉴定等领域。刘文革等[23]以蜜枚和JM西瓜品种的纯合二倍体及其人工诱导的同源四倍体、三倍体为材料，对不同倍性西瓜AFLP标记的分子遗传变异进行了比较。其中，蜜枚品种西瓜具有多态性的条带有3条，四倍体、三倍体和二倍体各有一条特异带；JM西瓜具有多态性的条带有7条，3条为JM4x特有带，2条为JM3x特有带，2条为JM2x特有带。

4 微体扩繁和田间种植

于田间选择生长势强、品质优良、育性较强的四倍体植株个体上所有顶芽和侧芽，用流水冲洗2 h，于0.5%次氯酸钠溶液中表面消毒8～10 min，无菌水冲洗3～4次，接种到诱导不定芽再生培养基上培养，诱导出的再生芽在扩繁培养基上扩繁。经诱导生根即可获得大量的再生四倍体小植株。

人工诱变多倍体的方法必须与杂交和选择结合应用[24]。在适当的季节，将锻炼后的再生四倍体植株定植于大田。田间栽培管理同一般二倍体西瓜，无特殊要求。由于经微体扩繁而获得了大量的，具有稳定表现的四倍体植株，育种者在当年即可进行亲本自交扩繁、田间育性检测和试配多个组合。选择优良的四倍体自交系或杂交系与优良二倍体西瓜种杂交，从而能较快地培育出适用于生产和消费的无籽西瓜新品种。

5 三倍体西瓜的产生

获得四倍体后，要获得三倍体就比较容易了。只要以四倍体西瓜作母本，与二倍体西瓜杂交便可得到三倍体。但要获得经济性状比较好的三倍体则有许多工作要做。首先必须选配适当的亲本。三倍体实际上是四倍体西瓜品种或自交系与二倍体西瓜品种或自交系的杂种一代，利用的遗传效应是加性效应和非加性效应。因此，应根据两亲本的配合力的高低选配亲本。四倍体与二倍体的配合力虽不能完全根据四倍体的来源亲本（二倍体）与该二倍体西瓜自交系或品种的配合力来推测，但可以作为参考。此外，还要注意考虑父本的其他性状。二倍体父本一般应选用小籽品种，因为父本的这一性状与它的三倍体杂种果实中不发育种子的大小和硬度有关，也同样直接影响到三倍体果实的无籽性。其次应选用与母本四倍体杂交受精率高的品种，使母本单瓜种子不少于150粒。四倍体西瓜的果皮一般都很厚，为了使三倍体西瓜的果皮比较薄，应选用果皮比较薄的二倍体西瓜作父本。

获得三倍体后，还需对三倍体西瓜进行选择。理想的三倍体西瓜品种的标准为：①种子发芽率在80%以上，且尽量做到播种时无需人工破壳；②瓜瓤中无着色的秕粒；③瓜瓤中未发育的白色秕子少而小，大小在0.3 cm×0.2 cm以下，且白而嫩；④果皮厚度不超过1～1.2 cm；⑤可溶性固形物含量在12%以上，且糖的分布梯度小；⑥制种用的四倍体母本结籽良好；⑦无异味；⑧无空心，耐贮运；⑨其他性状达到或略低于同类二倍体的优良品种的水平[25]。

6 西瓜多倍体研究的应用

6.1 利用多倍体的巨大性获得西瓜高产

多倍体植株由于染色体的加倍[26]，使植株的器官和细胞表现出“巨型性”的显著特征，能增加作物的营养器官，生产上利用多倍体可以提高西瓜的产量。多倍体西瓜由于种子较少或不形成种子而减少了营养物质和能量的消耗，且能一株多果，多次结果和结大果。所以多倍体西瓜和二倍体西瓜相比，表现出高产的特性。

6.2 利用多倍体可孕性低获得少籽、无籽果实

由于多倍体育性低，尤其是三倍体几乎不育，可以获得无籽或少籽果实。如三倍体无籽西瓜具有多倍体和杂种优势双重优势，适应性更强，含糖量高、无籽、耐贮运、高产，深受广大消费者喜爱。

利用四倍体可以直接育成稳定品种，也可以在四倍体水平上进行杂种优势育种。直接利用四倍体西瓜品种（系）之间的杂交也可以培育少籽西瓜，并且还能够克服三倍体无籽西瓜发芽率低和成苗率低等缺陷。如邵阳农科所利用该途径育成雪峰少籽西瓜，郑州果树研究所也育出四杂一号等品种。

6.3 利用多倍体强抗逆性，扩大栽植区域和栽植周期

刘文革等[27～29]对不同倍性西瓜的耐盐性、耐淹性及预冷处理后的耐冷能力等进行测定结果都得出了多倍体西瓜高于二倍体西瓜的结论。Bang H等对二倍体西瓜Summer Flavor 710，Summer Flavor 800和三倍体西瓜Summer Sweet 5244，Super Seedless 7187等分别用1.0 ET、0.75 ET、0.5 ET进行灌溉，测定灌水量对其含糖量的影响，结果表明，在0.5 ET条件下，三倍体西瓜的可溶性固形物含量增加，二倍体则没有[30]。多倍体西瓜抗盐、耐湿以及耐低温特性能够扩大西瓜的种植区域和种植周期。

6.4 创造种质材料

通过各种途径获得的四倍体对于育种工作者都是种质材料，由于染色体结构和数量的变异以及基因突变，其原始四倍体在若干世代后都将产生分离，这些分离出的不同类型也是重要的种质材料。在西瓜的多倍体育种中，已获得了西瓜四倍体的短秧系、无缺刻叶系、黄苗系、无杈系、雄性不育系等种质材料[31]。

7 问题及展望

西瓜离体染色体加倍技术研究相对较少，系统而又完善的技术体系尚未建立，因此研究一套适于西瓜愈伤组织再生与分化的培养体系，为诱变西瓜多倍体提供新的再生途径，提高诱变成功率很重要。另外，利用组织培养诱变四倍体西瓜，秋水仙素会显著抑制不定芽的直接再生，故探索更好的诱变方法或寻找更有效的诱变替代物十分必要。在组织培养过程中，如能发现四倍体和二倍体再生芽在形态或细胞学上的差异，使育种者在早期就可确定四倍体再生芽，这将能极大的提高鉴别四倍体的效率。最近的研究表明，西瓜中不仅含有大量茄红素，其平均含量甚至超过许多鲜食番茄品种，而且鲜食西瓜茄红素就可以发挥其生理作用[32]。饮食结构的改变是防癌抗癌的强有力的手段，现在人们已经普遍接受这样的观点。随着科技的发展，茄红素的医疗保健作用必将被更多人了解。因此，如何提高西瓜中的茄红素含量将是今后西瓜多倍体育种中品质育种的一个重要方面。利用多倍体西瓜茄红素的含量比二倍体西瓜高的特性，培育出高茄红素含量的多倍体西瓜新品种，满足消费者的需要。

[1]孙敏红，张蜀宁.多倍体育种在园艺作物中的应用[J].江苏农业科学，2004（1）：68-72.

[2]乔永刚.蔬菜多倍体育种研究综述[J].长江蔬菜，2002（增刊）：8-10.

[3]龚宗俊.西瓜多倍体育种的新进展[J].中国西瓜甜瓜，1993（3）：22-23.

[4]刘文革，王鸣.西瓜甜瓜育种及其生产利用研究[J].中国西瓜甜瓜，1998，14（3）：16-19.

[5]刘文革.无籽少籽西瓜研究进展[J].北方园艺，1999（1）：35-37.

[6]全国无子西瓜科研协作组.无子西瓜栽培与育种[M].北京:中国农业出版社，2001：50-51.

[7]李立志，何毅，卢焜光.黄皮西瓜化学诱变及四倍体利用研究初报[J].中国蔬菜，2000（3）：8-11.

[8]巴拉诺夫等著.鲍文奎等译.植物多倍体育种[M].北京：科学出版社，1958：102-120.

[9]谭素英，黄秀强，刘济伟，等.提高西瓜四倍体诱导率的研究[J].华北农学报，1993，8（4）:12-15.

[10]何欢，蔡润，潘俊松.甜瓜不定胚再生植株的染色体数目变异[J].遗传，2002，24（2）:166-170.

[11]Ezura H,Amagai H,Oosawa K.Efficient production of tetraploid in Regenerated plants,a universal phenomenon，in tissue cultureof melon[J].PlantScience,1992,85:209-213.

[12]马国斌，王鸣，郑学勤.甜瓜组织培养再生植株中的四倍体变异[J].园艺学报，1999，26（2）：128-130.

[13]郭启高，宋明，杨天秀，等.西瓜子叶组织培养中四倍体的产生及鉴定[J].西南农业大学学报，2000，22（4）：298-300.

[14]张兴平.生物技术在西瓜甜瓜遗传改良中的应用[J].园艺学年评，1996（2）：107-129.

[15]Zhang X P,Rhodes B B,Skonipska H K,et al.Generating tertraplid watermelon using colchicines in vitro[J].Cucurbitaceas,1994.

[16]湖南农学院遗传、蔬菜教研室.西瓜同源四倍体的诱导与细胞学鉴定[J].中国果树，1980（1）：58-63.

[17]Compton M E,Gray D J,Elmstrom G W.Identification of tetraploid regenerants from cotyledons of diploid watermelon cultured in vitro[J].Eupltytica,1996(87):165-172.

[18]Sair N，Abak K.Comparison of ploidy level screening methods in watermelon:(Thunb)[J].Scientia Horticulture,1999(82):265-267.

[19]刘文革，王鸣，阎志红.不同倍性西瓜花粉形态观察[J].园艺学报，2003，30（3）：328-330.

[20]郭启高，宋明.西瓜试管苗中四倍体鉴定方法研究[J].西南农业大学学报，2000，22（3）：261-263.

[21]Zhang X P,Rhodes B,Skorupska H,et al.Determination of watermelon shoot tissue for cell flow cytometry[J].Cucurbit Genetics Coop Rpt，1996(17):102-105.

[22]全国无籽西瓜科研协作组.无籽西瓜栽培与育种[M].北京：中国农业出版社，2001：50-51.

[23]刘文革，王鸣，阎志红.西瓜二倍体及同源多倍体遗传差异的AFLP分析[J].果树学报，2004，21（1）：46-49.

[24]石晓云.利用组织培养进行四倍体西瓜育种[J].河北农业大学学报，2002，（S1）.

[25]王小佳.蔬菜育种学（各论）[M].北京：中国农业出版社, 2000：158.

[26]瞿素萍，王继华，张颢，等.多倍体育种在园艺作物中的应用[J].北方园艺，2003（6）：58-60.

[27]刘文革，王鸣.不同倍性蜜枚西瓜幼苗在低温胁迫下的生理生化特性[J].果树学报，2003，20（1）：44-48.

[28]刘文革，王鸣，阎志红，等.冷锻炼对不同倍性西瓜幼苗SOD，POD活性及MDA含量的影响[J].西北植物学报，2004，24（4）：578-582.

[29]刘文革.不同染色体倍性西瓜的遗传变异和抗逆机理研究[D].杨凌：西北农林科技大学博士学位论文，2003：57-64.

[30]Bang H,Sleskovar D I,Bender D A,et al.Deficit irrigation impact on iycopene，soluble solids，firmness and yield of diploid and triploid watermelon three distinct environments[J].The Journal of Horticultu Science and Biotechnology，2004,79(6):885-890.

[31]李树贤.植物同源多倍体育种的几个问题[J].西北植物学报，2003，23（10）：1829-1841.

[32]张帆，王倩，何巨洪，等.西瓜果实中番茄红素研究进展[J].中国西瓜甜瓜，2003（6）：20-22.

Progress of Study on Characteristic of Polyploidy Watermelon and Its application

LI Juan,LI Huanxiu

In the vegetables,the studies of breeding on polyploidy watermelon have gotten much achievements.The polyploidy has the most important effect on the watermelon production.The characteristics of polyploidy watermelon were introduced.The inducement technique,identifying technique,micropropagation and field growth of polyploidy watermelon and the application of polyploidy watermelon were expounded.

WatermelonPolyploidy;Development

10.3865/j.issn.1001-3547.2009.22.001

李娟（1985-），女，硕士，研究方向是蔬菜遗传育种与生物技术

李焕秀（1962-），女，通信作者，博导，教授，系主任，电话：0835-2882563，13981607531。E-mail：hxli@sicau.edu.cn

2009-03-23