89份西瓜种质资源表型鉴定和遗传多样性分析

收稿日期：2023-11-24；修回日期：2024-01-19

基金项目：国家自然科学基金项目（32172602，32172574，32102389）；河南省农业良种联合攻关项目（2022010503）；河南省重大科技专项（221100110400）；河南省科技攻关项目（242102111124）

作者简介：康旗帅，男，在读硕士研究生，研究方向为西瓜分子育种。E-mail：Kangqishuai@163.com

通信作者：杨路明，男，教授，研究方向为瓜类作物基因组与分子育种。E-mail：lumingyang@henau.edu.cn

DOI：10.16861/j.cnki.zggc.202423.0737

摘    要：以89份西瓜种质资源为材料，利用形态学标记和西瓜SNP高效液相芯片，结合多样性分析、群体结构分析、聚类分析和主成分分析等方法，对其遗传多样性进行系统全面的研究。结果表明，49个表型性状Shannon多样性指数的变化范围是0.42～3.00，平均值为2.32，其中描述型性状平均值为1.28，数量性状为2.82；33个数量性状的变异系数变化范围为5.45%～72.59%，平均值为28.00%，变异系数最大的是果实质量（72.59%），其次是第一雌花节位（64.21%）和第一雄花节位（58.59%）。利用液相芯片对这89份种质资源进行DNA测序，得到60.2 Gb的原始数据和401.3 Mb的raw_reads数据，质控后得到53.1 Gb的数据和399.7 Mb的clean_reads数据，比对到参考基因组上的reads数为332.4 Mb，平均比对率为82.97%，平均测序深度为923.7 X。群体结构分析显示89份材料的最优群体结构数为2，主成分分析和系统发育树结果显示，在89份材料中，药西瓜与饲用西瓜亲缘关系最近，栽培西瓜与饲用西瓜亲缘关系次之。长期的选择驯化使西瓜遗传背景变得十分狭窄，通过发掘野生西瓜资源，进而拓宽西瓜遗传背景，对西瓜抗病、抗逆以及株型改良等分子育种具有重要意义。

关键词：西瓜；种质资源；群体结构分析

中图分类号：S651             文献标志码：A            文章编号：1673-2871（2024）04-014-13

Phenotypic characterization and genetic diversity analysis of 89 watermelon germplasm resources

KANG Qishuai， YAN Mengyuan， YUAN Weige， DOU Junling， YANG Sen， LIU Dongming， NIU Huanhuan， YAN Wenkai， ZHU Huayu， YANG Luming

（College of Horticulture， Henan Agricultural University， Zhengzhou 450002， Henan， China）

Abstract： The genetic diversity of 89 watermelon germplasm resources was studied by morphological markers， SNP high-performance liquid chip， diversity analysis， population structure analysis， cluster analysis and principal component analysis. The results showed that the Shannon diversity index of 49 phenotypic traits ranged from 0.42 to 3.00 with an average value of 2.32， among which the mean value of descriptive traits was 1.28 and the mean value of quantitative traits was 2.82. The coefficient of variation of the 33 quantitative traits ranged from 5.45%-72.59%， and the mean value was 28.00%. The highest coefficient of variation was fruit mass（72.59%）， followed by the first female flower node（64.21%） and the first male flower node（58.59%）. In terms of plant type， the variation coefficient of 30 d lateral branches was also large. Liquid chip sequencing yielded 60.2 Gb of raw data and 53.1 Gb of data after quality control. The number of raw_reads and clean_reads after quality control were 401.3 Mb， 399.7 Mb， and 332.4 Mb of reads were compared to the reference genome， with an average comparison rate of 82.97%. The average sequencing depth was 923.7 X. Population structure analysis showed that the optimal population structure number of 89 materials was 2. Principal component analysis and phylogenetic tree showed that among 89 materials， the relationship between medicinal watermelon and forage watermelon was the closest， while that between cultivated watermelon and forage watermelon was the second. Long-term selection and domestication have narrowed the genetic background of watermelon. By exploring wild watermelon resources and broadening the genetic background， this study is of great significance for molecular breeding of watermelon disease resistance， stress resistance and plant type improvement.

Key words： Watermelon; Germplasm resources; Population structure analysis

西瓜（Citrullus lanatus）是葫芦科（Cucurbitaceae）西瓜属（Citrullus）一年生蔓生植物[1]，是世界十大水果之一，在世界范围内广泛种植。我国是世界上最大的西瓜生产和消费国，总生产面积、产量和销量均居世界第一[2]。西瓜原产于非洲，距今已有5000年的栽培历史，在长期的栽培驯化过程中，不同的生态区驯化产生了一系列形态特征差异明显、各具特色的地方品种[3]。然而，长期的驯化和选育导致了一些优异基因的缺失，育种材料遗传多样性狭窄，品种同质化严重，培育突破性新品种日益困难。种质资源的遗传多样性是植物育种工作的基础[4-7]，野生种质资源中具有许多优良基因，越来越受到育种家的重视，如何利用种质资源并发掘其中的优异基因也成为育种工作者研究的新方向，因此，发掘野生种质资源中的优异性状并将其运用到育种当中成为一个亟待解决的问题。

分子标记是以个体间遗传物质内核苷酸序列变异为基础的遗传标记[8]，是DNA水平遗传多态性的直接反映，比形态学标记更为准确可靠[9]。精准的形态学标记和高质量的分子标记相互结合，才可以更准确地鉴定种质资源，更好地应用于品种改良和新品种选育。形态学标记和分子标记已广泛应用到种质资源的遗传多样性研究中，特别是分子标记技术如RAPD、AFLP、SSR和SNP等分子标记[10-11]。随着测序技术的发展，测序成本大大降低，测序技术结合分子标记技术已经在多种植物中广泛应用，同时根据SNP位点开发液相芯片也可以快速高效地进行遗传背景选择和多样性分析[12]，大大地缩短分析时间，加快育种进程[13]。在小麦中，通过测序结合分子标记筛选，从野生小麦二倍体近缘种中克隆了4个抗锈病基因[14]；在甜菜中，通过对606份种质资源进行测序分析，阐释了野生甜菜与栽培甜菜的驯化关系，为后续将野生甜菜应用于作物改良提供了理论基础[15]；在橡胶树中利用GWAS分析鉴定到了1个调控乳管数量的驯化基因[16]。Han等[17]组建了阔叶猕猴桃与中华猕猴桃T2T无缺口基因组图谱，通过基因组、转录组、代谢组等多组学关联分析深入挖掘到1个蔗糖转运蛋白基因AcSWEET9b，在调控猕猴桃果实品质方面发挥作用。姚冬霞[18]利用基因芯片对陆地棉进行表达谱分析，通过芯片数据分析和荧光定量PCR验证了42个抗性相关基因，为培育抗逆性强的棉花新品种提供了重要参考。

在西瓜中，Yi等[19]利用400份西瓜材料通过图位克隆和全基因组关联分析发现了调节果实糖分积累的关键蛋白CITST2；纪海波等[20]对768份西瓜材料的24个表型性状进行调查，变异系数均值为32.41%，多样性指数均值为1.6。郭禄芹等[21]调查了167份西瓜种质材料的29个表型性状，Shannon多样性指数的变化范围为0.54～2.03，平均值为1.50。刘柳等[22]鉴定了44份西瓜种质资源对枯萎病和白粉病的抗性，筛选出22份对2种病害同时具有抗性的西瓜种质资源。高宁宁等[23]对51份西瓜抗、感病毒病种质资源利用SRAP分子标记进行遗传多样性分析，为加速西瓜抗病毒病新品种的选育进程提供理论参考。康保珊等[24]对24份西瓜品种资源进行西瓜抗细菌性果斑病抗性鉴定，有7份资源对菌株pslb96表现高抗，12份资源对菌株ZZ-1表现高抗。易丽聪等[25]利用449个SNP标记对64份西瓜材料进行遗传多样性分析，平均多态性信息含量（PIC）为0.229，平均Nei’s多样性指数（H）为0.28，平均Shannon多样性指数（I）为0.43，平均期望杂合度（He）为0.282；农艺性状统计分析表明，4个亚群在首雌花节位、坐果节位和果皮厚度3个性状之间存在显著差异。综上所述，前人研究主要集中于西瓜抗逆育种和果实品质方面，关于株型、花期发育等报道较少，且液相芯片在西瓜种质资源分析中的应用还未见报道。笔者以搜集的来自世界各地的89份西瓜材料，对49个农艺性状进行表型鉴定，结合液相芯片测序数据进行遗传多样性分析、相关性分析、群体结构、主成分和聚类分析，以期筛选出综合性状优良的种质，为西瓜株型改良和抗逆新品种选育提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料为89份西瓜种质资源，由河南农业大学园艺学院瓜类基因组与分子育种实验室所搜集（表1）。其中，有药西瓜[Citrullus colocynthis （L.） Schrad.]4份，饲用西瓜（Citrullus amarus Schrad.）63份，黏籽西瓜[Citrullus mucosospermus （Fursa） Fursa]5份，栽培西瓜[Citrullus lanatus （Thunb.）Matsum. & Nakai]17份。其中，来自非洲的71份（南非和津巴布韦各23份、博茨瓦纳5份、赞比亚4份、斯威士兰3份、刚果民主共和国和乍得各2份，摩洛哥、苏丹、加纳、埃塞俄比亚、塞内加尔等9个国家各1份）；来自亚洲的8份（中国、印度各2份，土耳其、土库曼斯坦、伊朗、塞浦路斯各1份）；来自欧洲的3份（俄罗斯、西班牙和北马其顿各1份）；来自北美洲的6份（美国）；来自大洋洲的1份（澳大利亚）。

1.2 材料种植与表型调查

材料于2022年春季种植在焦作市马村区河南农业大学马村优质果蔬科教园区，先在穴盘进行育苗，待幼苗长至3叶1心时定植在日光温室中。所有材料均采用随机区组的方式进行定植，每种材料种植8株，栽培方式为起垄栽培，每垄2行，行距1.6 m，每行定植16株，株距0.4 m，开花期进行人工授粉，管理方式按照常规西瓜栽培管理进行。在西瓜生长不同时期，对49个表型性状进行调查。

1.3 样本采集和液相芯片分析