籽用南瓜育种研究进展

史玉滋 马 玮 孙廷珍 段 颖 王长林

（中国农业科学院蔬菜花卉研究所，农业农村部园艺作物生物学与种质创制重点实验室，北京 100081）

南 瓜 为 葫 芦 科（Cucurbitaceae） 南 瓜 属（Cucurbita）一年生草本植物，其种子含有丰富的必需氨基酸、脂肪酸、矿质元素、抗氧化物等，具有较高的营养价值和药用保健价值（王萍 等，2001；Nawirska-Olszańska et al.，2013）。籽用南瓜（seed-used pumpkin）是以种子作为主要食用器官或加工对象的南瓜类总称，包括美洲南瓜（Cucurbita pepo）、中国南瓜（C.moschata）、印度南瓜（C.maxima）、黑籽南瓜（C.f icifolia）等（赵一鹏 等，2004）。

我国籽用南瓜年栽培面积约30 万～40 万hm2，生产主要集中在黑龙江、新疆和内蒙古三大产区，年产量约30 万～40 万t，年出口量达12 万～ 15 万t，主要销往西欧、北美、中东、东南亚及我国港、澳地区，出口量约占世界籽用南瓜市场份额的70%，籽用南瓜产业已成为我国南瓜生产的优势特色产业（魏照信 等，2013；任建忠和魏照信，2018）。籽用南瓜种质资源的农艺性状呈现出较为丰富的遗传多样性，作为商品类型可分为光板（美洲南瓜）、毛边（中国南瓜）、白板或雪白片（印度南瓜）、黄厚皮（印度南瓜）、裸仁（主要为美洲南瓜）和黑籽（黑籽南瓜）等（周锁奎 等，1995；于红茹和苏国辉，2001；魏照信 等，2013）。我国籽用南瓜生产最初以地方品种或农家品种为主，瓜籽产量低且不稳定。20 世纪80 年代后期开始，经过广大科技工作者的不懈努力，已育成了一系列的优良品种，其中包括平凉大白籽和平凉雪白籽（周锁奎 等，1995）、甘南1 号（孙为民 等，2002）、银辉1 号（张耀伟 等，2002）、梅亚雪城1 号（吉新文 等，2002）、梅亚雪城2 号（吉林 等，2007）和银辉3 号（徐文龙 等，2018）等白板类型籽用印度南瓜品种；宝库1 号（刁静刚 等，2005）、绿农1 号（张艳红，2007）、金无壳、金平果★★（魏照信 等，2013）等裸仁类型籽用美洲南瓜品种；金苹果AA、金平果新1 号、瑞丰9 号以及晶莹、晶板系列（魏照信 等，2013）、金龙瓜1 号（韩俊岩 等，2018）等光板类型籽用美洲南瓜品种，这些品种在生产中的相继应用，为籽用南瓜的发展提供了有利的技术保障。目前生产上白板类型的籽用印度南瓜以常规品种为主，占90%以上，光板类型的籽用美洲南瓜90%以上为杂交品种，裸仁类型的籽用美洲南瓜杂交种使用比率较大，占95% 以上。

我国的籽用南瓜遗传育种研究起步较晚，科研力量相对薄弱，相关基础研究落后于肉用南瓜，限制了育种技术的提升与产业发展。目前，利用现代生物学手段培育优质、高产的南瓜新品种，是解决南瓜产业目前面临问题的重要手段之一（郑杨 等，2018）。近年来，南瓜属多个栽培种的基因组和转录组测序工作相继完成，一些籽用南瓜农艺性状的研究也取得了突破性成果，为系统开展籽用南瓜品种选育工作奠定了基础（Montero-Pau et al.，2017；Sun et al.，2017）。本文从籽用南瓜种质资源的评价与遗传多样性研究、产量相关性状研究、种子农艺性状的遗传定位及调控机制等方面进行综述，提出籽用南瓜育种面临问题及对策，并对产业未来发展方向进行展望，以期为籽用南瓜育种工作提供参考。

1 籽用南瓜种质资源的鉴定评价与遗传多样性

对种质资源进行鉴定评价是获得优异育种材料的必要手段。张岩等（2012）对内蒙古地区21 份籽用南瓜种质资源的耐旱性和白粉病抗性进行了研究，获得抗白粉病材料5 份（中国南瓜2 份，美洲南瓜3 份），耐旱材料2 份（均为印度南瓜），为进一步挖掘和利用内蒙古地区籽用南瓜种质资源提供了理论基础。周克琴等（2003）、赵茜和徐丽珍（2012）分别对不同籽用南瓜的抗疫病和抗白粉病能力进行了评价，均获得抗病材料；靳娜（2012）对21 份籽用南瓜种质资源的农艺性状、亲缘关系和白粉病抗性进行调查研究，并从中选取6 个籽用南瓜品种进行脂肪酸、粗脂肪、蛋白质、氨基酸、淀粉等营养成分分析，结果表明参试的印度南瓜品种和美洲南瓜品种的种子中粗脂肪含量均达到50%以上。

对籽用南瓜的遗传多样性进行研究可以揭示不同种质之间的遗传变异程度和亲缘关系，为亲本选择和种质创制及利用提供依据。早期遗传多样性研究多以植物学性状为主（曹丽霞和陈贵林，2009），张岩等（2010）对18 份籽用南瓜种质的36个农艺性状进行研究，发现花萼形状、叶片白斑、瓜面特征、种子周缘等质量性状可作为区别不同籽用南瓜栽培种的主要形态指标。屈淑平等（2013）利用44 个形态学标记对2 个栽培种的76 份种质进行聚类，认为皮壳质量、种仁质量、千粒重、种子颜色、瓜型为籽用南瓜资源植物学描述评价的代表性状。王丰丰等（2018）利用50 个形态学标记，对3 个栽培种38 份籽用南瓜种质的遗传多样性进行评价，发现在欧氏距离10.38 时，可将籽用南瓜分为4 个类群，并认为种子千粒重、老瓜肉厚和老瓜内腔纵径可作为评价籽用南瓜品种的综合性 指标。

采用细胞学标记、分子标记结合形态学分析法，可以提高对籽用南瓜种质资源多样性评价的准确性。Liu 等（2013a）利用35 个SSR 分子标记，将来源于中国和俄罗斯的籽用南瓜种质划分为2 个栽培种及亚群，并发现其与形态学聚类结果较为一致；王丰丰等（2017）利用SCoT（start codon targeted polymorohism）分子标记将3 个栽培种的44 份籽用南瓜进行系统分类，获得2 份特异性较强的种质，通过与形态学聚类进行比较后，进一步肯定了多种分子标记结合形态学标记的方法在籽用南瓜遗传多样性分析上的可应用性。

2 籽用南瓜产量相关性状

2.1 产量构成因素

种子产量是籽用南瓜最重要的农艺性状之一。对籽用美洲南瓜（光板有壳）种质的产量构成进行研究，通过测定果实长宽、单瓜质量、单瓜种子产量、单瓜种子数、百粒重、籽粒长度、籽粒宽度、籽粒厚度等性状并进行相关性分析和通径分析，发现单瓜种子产量主要由百粒重和单瓜种子数决定（王萍 等，2012）。进一步的分析表明籽粒长度和籽粒宽度直接影响产量构成，其中籽粒长度与单瓜种子数密切相关，而籽粒宽度则与百粒重密切相关（Darrudi et al.，2018）。对籽用南瓜产量因子遗传力的研究表明，单瓜籽粒数的遗传力大于籽粒质量，因此，在早期世代选择时，可以优先选择单瓜籽粒数多的种质（赵福宽 等，2000）。

对籽粒长度和宽度的遗传分析表明，印度南瓜籽粒长度和宽度受到核基因控制，与胞质遗传无关，大籽粒对小籽粒表现为不完全显性。籽粒长度和宽度均符合 D2 模型，且主基因效应明显（向成钢，2013）。对印度南瓜籽粒长和籽粒宽的配合力进行研究，发现这2 个性状的一般配合力方差大于特殊配合力方差，说明这些性状以基因加性效应占主导地位（徐东辉 等，2006）。研究还发现，籽粒大小与南瓜果实的大小呈正相关，而籽粒形状与南瓜果实的形状呈负相关（Paris & Nerson，2003），因此果形指数也会影响单瓜产量（王萍 等，2012）。

2.2 重要产量构成因子的QTL 定位

利用不同的遗传群体和分子标记，对南瓜种子宽度和长度的QTL 定位研究已经取得了一些进展。目前发表了7 个籽粒宽度位点和3 个籽粒长度位点。谭行之等（2013）以 F2群体为试材，运用 SSR、AFLP、EST-SSR 这 3 类分子标记技术构建南瓜遗传图谱，采用复合区间作图的方法对粒宽进行QTL 定位，检测到与南瓜粒宽性状有关联的4个QTL。毛晓微（2016）利用1 个F2遗传群体，通过测序分型技术（genotyping by sequencing，GBS）建立了包含 456 个SNP 标记的遗传连锁图谱，共检测到3 个与南瓜籽粒粒长性状相关的QTL，分别位于第1、3、10 号连锁群上，命名为 qLms1、qLms2、qLms3；同时也检测到3 个跟南瓜籽粒粒宽性状有关的QTL，分别位于第 3、5、10号连锁群上，命名为 qWms1、qWms2、qWms3。对这些位点的准确性进行预测将有助于进行大籽粒性状的分子标记辅助育种。

目前对南瓜籽粒质量的研究较少，在葫芦科其他作物中开展的研究表明，籽粒质量表现为数量性状的遗传特征。利用1 个西瓜F2遗传群体构建CAPS 标记遗传图谱，共定位了23 个与西瓜种子性状有关的QTL 位点，其中种子宽度和百粒重的主效位点共同定位在第6 号连锁群2 个标记之间，说明该区域可能是种子性状相关基因的富集区（周慧文 等，2016）。利用西瓜其他种质构建的遗传群体进行研究，也获得了一些与百粒重相关的QTL位点，如SHW6.1、SHW9.1（迟莹莹 等，2017）；在甜瓜和黄瓜中也检测到一些与籽粒百粒重相关的QTL 位点（王贤磊 等，2011；王敏 等，2014）。南瓜籽粒质量可能表现出类似的遗传调控机制，对此尚有待利用遗传群体对南瓜种子相关性状进行QTL定位和基因克隆等研究。

3 籽用南瓜种皮颜色性状

籽用南瓜有壳品种根据种皮颜色不同可分为大白板（种皮白色）、光板（种皮白黄色）和黑籽南瓜（种皮黑色）等，对种皮颜色遗传和调控机制进行研究，并开发相应的分子标记辅助选育，有助于加快优良性状在不同种质材料之间的转育和聚合，提高选育效率（Yan et al.，2009）。目前对于南瓜种皮颜色遗传定位和致色物质成分分析等研究尚不多见，但在葫芦科和其他物种中已经取得一些进展（Negi et al.，2000）。研究表明，甜瓜种子种皮颜色为1 对核基因控制的质量性状，白色对黄色为显性，并利用CAPS 标记将种皮颜色定位到5 号连锁群（张可鑫 等，2018）。丝瓜种皮颜色的变异符合1 对基因控制的质量性状遗传特点，种皮黑色对白色为显性（周庆友，2013）。西瓜种皮底色表现出质量性状遗传特征，但F2不符合孟德尔遗传分离定律（尚建立 等，2015）。目前尚未在葫芦科作物中克隆到直接调控种皮颜色的 基因。

关于种皮颜色调控机制，在拟南芥和油菜中研究较为深入（Zhang et al.，2009）。种皮致色物质主要是黄酮醇（f lavonol）和原花色素（proanthocynidins）等（Dean et al.，2011），与木质 素位于同一代谢途径。该途径起始底物来源于苯丙烷类代谢途径的香豆酰辅酶A（coumaroyl-CoA）和来自乙酰辅酶A 的丙二酰辅酶A（malonyl-CoA），经一系列酶催化作用，形成花青苷（anthocyanin）、黄酮醇和单宁类物质，最终使种皮呈现深褐色（Debeaujon et al.，2003）。野生型拟南芥种皮呈深褐色，而突变体种皮呈现出黄色、灰褐色至透明等不同颜色。在种皮颜色突变体中，编码类黄酮生物合成中的一些酶和蛋白质的基因突变导致植物体内合成不同的类黄酮终产物，或者使类黄酮的积累量发生改变，从而引起种皮颜色 变 异（Liu et al.，2013b；Liu et al.，2014）。目前在拟南芥中已经克隆到的种皮颜色基因主要有TT1（transparent testa gene 1）～TT19，TTG1、TTG2 以 及BAN、FLS1、FLOX 等（Chen et al.，2014），这些基因有一些是作为结构基因编码类黄酮代谢途径中的酶；也有一些编码转录因子，对结构基因进行转录调控；还有部分编码色素转运蛋白参与类黄酮物质的转运和积累。推测葫芦科作物的种皮颜色可能也通过类似的合成代谢机制进行 调控。

4 籽用南瓜无壳性状

无壳南瓜又称为裸仁南瓜，最早在19 世纪发现于美洲南瓜中（Techermak-Seysenegg，1934）。由于无壳籽粒食用方便，易于加工处理，籽粒富含不饱和脂肪酸，对无壳南瓜的研究也日益深入（邹伶威 等，2012）。解剖学研究发现有壳籽粒的种皮可分为5 层结构：表皮层、下皮层、厚壁组织层、薄壁组织层和绿色组织层（Zraidi，2003；Li et al.，2013）。随着种子发育成熟，种皮的下皮层和厚壁组织木质化形成坚硬的外种皮。利用光学显微镜和扫描电镜对不同发育时期的种皮结构进行研究，发现有壳种质的皮层细胞和通气组织细胞出现纤维状或网状的细胞壁次生加厚结构；而无壳种质的种皮早期发育与有壳种质类似，但在发育中期种皮逐渐缺失，其表皮层、下皮层、厚壁组织层和薄壁组织层在发育过程中逐渐解体退化，且不同种质的皮层缺失位置不同（Murovec et al.，2012）。此外，种子边缘结构也存在差异（Li et al.，2013）。种皮成分分析显示无壳种质的种皮纤维素和木质素含量大幅度降低，与木质素合成有关的酶活性也降低（Stuart & Loy，1983；薛应钰 等，2011），最终导致种子外仅存留一层薄 种皮。

利用遗传群体对美洲南瓜无壳性状进行遗传分析，结果表明，无壳性状是由1 对核基因控制的隐性性状（薛应钰 等，2011），而种皮厚度性状则是数量性状，受到一系列位点共同修饰（Teppner，2000；张仲保，2004）。我国南瓜育种家周祥麟通过连续自交，在中国南瓜中获得1 个裸仁南瓜株系，通过遗传分析发现中国南瓜种皮有无是由1 对单基因控制的隐性性状，且薄种皮厚度由微效基因控制（周祥麟，1987），与美洲南瓜裸仁性状的遗传规律类似。目前尚未见裸仁印度南瓜种质的相关报道。

采用高效液相色谱法（HPLC）对有壳和无壳籽粒种皮成分进行分析，发现无壳籽粒的纤维素、半纤维素、木质素含量较低，而腐胺、精胺、亚精胺等多胺含量较高，推测这是由于种皮木质素合成速率低，导致多胺类物质与酚醛酸结合减少（Bezold et al.，2003）。木质素合成主要依赖苯丙烷代谢途径，与类黄酮和花色素合成途径密切相关，关键酶主要包括苯丙氨酸解氨酶（PAL）、4-香豆酰-CoA 连接酶（4CL）、肉桂酸-4-羟基化酶（C4H）、肉桂醇脱氢酶（CAD）和过氧化物酶（POD）等。研究表明CCR 与PAL 基因对美洲南瓜种皮发育与形成具有重要作用（陈刚 等，2013，刘佳，2014）。此外在有壳和无壳种皮中发现，谷胱甘肽还原酶、脱落酸响应蛋白、丝氨酸-苏氨酸激酶等编码基因的转录水平差异较为显著，可能也参与到木质素合成代谢途径中（Bezold et al.，2005）。近年来的研究表明，花色素代谢途径中的重要转录因子MYB75 参与调控植株主茎中的木质素合成，MYB75 是否也有可能作为植物种皮结构与颜色的关键调控因子，有待于进一步深入研究（Bhargava et al.，2010）。

目前，对无壳性状的定位研究也取得一定进展。早期利用ISSR、SRAP 和SSR 分子标记对无壳性状进行关联分析和集群分析，获得了一些连锁标记（武峻新，2011；Inan et al.，2012）。利用RAPD、AFLP 和SSR 等标记，在2 个不同的美洲南瓜遗传群体中对无壳基因n 进行比较定位，共获得7 个与n 连锁的标记，其中最近遗传距离为3 cM（Zraidi et al.，2007）。随后，李智媛等（2011）在另一个美洲南瓜有壳与无壳亲本杂交的F2遗传群体中，利用集群分析法筛选到4 个与美洲南瓜裸仁基因n 连锁的AFLP 标记，最近遗传距离为8.9 cM。邹伶威（2013）采用SSR 标记方法获得4 个与裸仁性状基因n 紧密连锁的标记，最近遗传距离为5.7 cM。

5 籽用南瓜油用性状

籽用南瓜种仁油脂含量高，是油类和蛋白质的优质源泉，是营养保健佳品。并且，对于含油量较高的籽用南瓜品种，其单位面积的产油量要显著高于大豆，可以作为新型的油料作物进行栽培（张耀伟 等，2005）。印度南瓜种子粗脂肪含量（含油量）达到37.94%～59.36%，不饱和脂肪酸含量28.35%～80.84%，亚油酸含量20.87%～58.10%；美洲南瓜种子粗脂肪含量达到29.33%～53.02%，不饱和脂肪酸含量56.44%～61.34%，亚油酸含量10.37%～51.19%。中国南瓜种子粗脂肪含量达到48.61%～51.71%，不饱和脂肪酸含量71.64%～79.29%， 亚 油 酸 含 量31.47%～57.73%（王萍 等，1997；张耀伟 等，2005；Meru et al.，2018）。籽用南瓜不同栽培种以及相同栽培种的不同品种之间，种子的粗脂肪含量及组成成分间差异显著，这也为定向选育含油量高及不饱和脂肪酸等保健功能成分含量高的品种提供了资源保障。

Meru 等（2018）的研究表明，美洲南瓜的种子含油量与种子大小呈正相关，而与种子蛋白质含量呈负相关，且裸仁类型品种的含油量显著高于有壳类型品种。Murkovic 等（1999）研究发现，美洲南瓜杂交后代种子粗脂肪、油酸、亚油酸含量介于双亲之间，硬脂酸含量高于双亲，棕榈酸含量低于双亲，并提出可以通过培育丛生习性的品种来提高种子含油量。

6 籽用南瓜育种存在问题与展望

我国籽用南瓜的育种工作已经取得了显著进步，但随着籽用南瓜产业的快速发展，对品种也提出了更多、更高的要求，这给籽用南瓜的育种工作提出了新的课题。目前籽用南瓜育种尚存在以下 问题。

种质资源匮乏，遗传背景狭窄。缺少优异的具有重大突破性的种质材料是限制籽用南瓜育种的关键问题。由于种质资源材料类型少、创新不够，导致选育出的优良品种较少，新品种更新换代慢，尤其针对不同区域、不同栽培模式的优势品种不多，许多品种趋同性强。生产中之所以缺少优良的印度南瓜类型和中国南瓜类型籽用南瓜杂交品种，也主要是由于可直接利用的种质资源过少。因此，加大搜集、整理种质资源力度，发掘与创制籽用南瓜优异种质，拓展种质基础仍将是当前籽用南瓜育种工作的首要任务。

基础研究薄弱，导致籽用南瓜育种进展缓慢。由于对主要病害（如疫病、病毒病和白粉病等）抗病性和主要营养品质（如口感、含油量、主要功能成分等）的遗传规律和遗传机制研究较少，优异性状的挖掘及转育工作滞后，导致生产上综合性状优异的抗病品种、高品质品种和加工专用品种等严重缺乏。目前，疫病、病毒病和白粉病等病害仍对籽用南瓜的生产威胁严重；籽用南瓜种子含油量高且不同品种间差异较大，部分种质资源的单位面积产油量甚至高于大豆，但目前市场上尚没有专门的油用籽用南瓜品种。此外，开展适宜大面积机械化栽培的矮化株型育种、适宜我国高寒地区种植的早熟育种，以及高保健或药用成分含量的功能育种等工作，都将受到籽用南瓜育种工作者的重视。

育种方法亟需改进，育种效率有待提高。籽用南瓜育种起步晚，种质资源遗传背景狭窄，育种方法主要以传统手段为主，田间工作量大，育种效率不高，品种选育年限长。现代生物技术手段与传统选育方法相结合，可以大大提高育种效率。如在资源创新上，通过单倍体培养、大孢子培养、远缘杂交、辐射诱变等手段进行种质资源的扩增、改良与创新，采用分子生物学及生物信息学等技术手段鉴定和解析影响产量、熟性、品质、抗病虫害等重要农艺性状的基因功能，开发实用的分子标记辅助育种等。相信这些工作的展开，将为我国籽用南瓜的品种选育及种质创新提供更为丰富的理论依据，极大地提高育种效率，加快育种进程，促进我国籽用南瓜产业的发展。