西瓜分子标记辅助育种研究与应用进展

摘    要：随着西瓜高质量基因组图谱的绘制，大量的功能基因被发现和鉴定，并开发了与目标性状紧密连锁的分子标记，从而应用于西瓜育种。通过对西瓜相关基因定位和连锁标记开发的总结，综述了分子标记在西瓜抗枯萎病、白粉病等抗病虫育种，糖度、硬度等品质性状改良育种和果实、植株、种子农艺性状改良育种中的研究和应用进展，为西瓜分子标记辅助育种提供参考。并对西瓜分子标记辅助育种工作进行了展望。

关键词：西瓜；分子标记；育种

中图分类号：S651 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2022）04-001-07

Research and application progress of watermelon molecular marker assisted breeding

ZHANG Jinpeng， JIN Xin， ZHAO Yanfei， CHEN Ying， HUI Changmin

（Jilin Academy of Vegetables and Flowers Sciences， Changchun 130033， Jilin， China）

Abstract： A large number of functional genes have been discovered and identified with the development of high-quality reference genomes of watermelon. Molecular markers closely linked to target traits have been developed for application in watermelon breeding. This paper summarized the related work of gene identification and linkage marker development in watermelon. We reviewed the progresses of research and application molecular markers in watermelon breeding including the resistance to Fusarium wilt and powdery mildew， the quality traits such as sugar content and firmness， the agronomic traits such as fruits， plants and seeds for molecular marker-assisted breeding of watermelon. We also prospected the future work of molecular marker-assisted breeding in watermelon.

Key words：Watermelon; Molecular markers; Breeding、

西瓜（Citrullus lanatus）是世界十大水果之一，我国是世界第一大西瓜生产国和消费国，西瓜的栽培面积和产量居世界首位[1]。优良的西瓜品种是保障高效、优质生产的基础。近年来，我国的西瓜科研和育种工作取得了较大进展，完成了高质量的西瓜基因组序列图谱，通过大规模基因组重测序揭示了西瓜果实品质与抗性的选择驯化历程[2-3]，并解析了糖分积累、糖酸代谢、瓤色进化、风味形成等重要代谢途径的分子机制，对西瓜果实品质、植株形态、抗病抗逆等重要农艺性状进行了基因定位，开发了大量与目标性状紧密连锁的分子标记。为分子标记辅助西瓜育种奠定了坚实的基础，极大地促进了分子标记辅助选择在西瓜品种改良和新品种选育中的应用和发展，并利用该技术育成早熟、抗病、优质、丰产的京欣系列西瓜品种[4]和系列优质、抗逆（抗病、耐湿、耐盐等）、综合性状优良的无籽西瓜新品种[5]。刘文革[6]对西瓜重要农艺性状功能基因遗传和定位信息进行了总结，综述了西瓜遗传育种研究进展并对前景进行展望，具有重要参考意义。利用分子标记辅助选择能够容易、快捷、精确选择具有目标基因或性状的西瓜育种材料，实现对目的基因的跟踪；同时不受环境因素和生长时期的影响，避免表型选择不准确和受时间限制；减少了田间工作量，提高了育种效率，加快了西瓜育种进程，具有重要研究意义和应用价值。现就分子标记技术辅助西瓜育种研究与应用总结如下。

1 抗病虫育种

1.1 抗枯萎病

西瓜枯萎病是导致西瓜生产中产量和品质下降、甚至绝收的真菌土传病害，西瓜抗枯萎病相关分子标记研究相对较早，已经开发出多个与枯萎病抗性紧密连锁的分子标记，并广泛应用于西瓜抗枯萎病种质筛选和新品种选育之中。张屹等[7]研究表明，栽培西瓜对枯萎病生理小种1的抗性受显性单基因控制，开发了3个抗西瓜枯萎病菌生理小种1的CAPS/dCAPS标记7716_fon、7419_fon和4451_fon，在164份优良西瓜育种材料中进行了验证，3个标记与田间抗病表型性状的符合率分别为98.7%、96.9%、80.4%，可以有效区分栽培西瓜对枯萎病菌生理小种1的抗病、感病性，为西瓜栽培品种枯萎病抗性改良建立了有效的技术手段。REN等[8]开发了用于检测西瓜枯萎病生理小种1抗性基因Fon-1的SNP标记Chr1SNP_502124，在231株F2种群中进行了测试，小种fon 1接种后第21天，229株植物的表型与基于该SNP标记预测的基因型一致。李娜等[9]对西瓜枯萎病生理小种1抗性进行了QTL精细定位，将fon 1的置信区间锁定在1号染色体的459 624～704 880 bp，缩减至246 kb的物理距离，开发了InDel标记，并在130份西瓜资源中分析验证，与田间抗病表型性状的符合率达到70.8%，同时该标记简便实用、高效低耗。焦荻等[10]使用SNP标记对各世代群体进行分子标记辅助选择及苗期抗病性接种鉴定，在构建的673株BC1F2代自交群体中检测到29株纯合基因型（AAAA）抗病单株，占总检测株数的4.31%，与苗期抗病性接种鉴定结果符合度达到100%。利用西瓜枯萎病分子标记辅助育种体系，焦定量等[11]选育了2个高抗枯萎病西瓜品种科优102和津早30；范敏等[12]选育了3个抗性达中抗以上的西瓜新品种红和平、天成和丰华21；羊杏平[13]和徐锦华等[14]选育了早抗京欣和苏蜜5号等系列抗病品种。

1.2 抗白粉病

西瓜白粉病主要危害西瓜叶片、叶柄和茎，限制叶片的光合作用，影响西瓜品质和产量。KIM等[15-16]发现了与西瓜白粉病抗性紧密连锁的标记物OP-483，并转化为SNP标记MCA-A/G，研究认为，西瓜抗白粉病性状受不完全显性单基因控制，候选基因位于2号染色体（Chr02）上，检测到的pmr2.1，解释了80.0%的表型变异。MANDAL等[17]通过对西瓜-白粉病互作过程中的抗性信号解析发现，抗性基因座是显性基因，抗性基因被鉴定为ClaPMR2，在20个测试品系中与具有白粉病抗性个体中的抗性基因座共分离，ClaPMR2基因可用于西瓜抗白粉病分子标记辅助育种，具有重要价值。姬万丽等[18]以198份不同种质资源类型的西瓜为试验材料，运用CAPS标记技术分别对这些种质资源进行抗白粉病、枯萎病基因型分析，其中35份表现为抗白粉病基因型，还发现了23份兼抗枯萎病和白粉病的材料。

1.3 抗炭疽病

西瓜炭疽病在西瓜整个生长周期均可发生，叶片、茎蔓、果实均能感病，严重危害西瓜生产。JANG等[19]研究表明，西瓜炭疽病抗性由单个显性等位基因决定，发现炭疽病抗性的表型变异可通过位于Cla001017的外显子上CL14-27-9 SNP的基因型来验证。张敬敬等[20]使用已开发的西瓜抗炭疽病、抗枯萎病、抗白粉病分子标记，利用高通量分型KASP技术对130份西瓜种质相关的基因进行了检测，19份材料含抗炭疽病基因，5份材料同时含抗炭疽病基因和抗枯萎病基因，1份材料同时含抗炭疽病基因和抗白粉病基因，1份材料同时含有3种抗病基因。易丽聪等[21]利用已报道的西瓜抗枯萎病、炭疽病和白粉病分子标记对230份西瓜种质资源进行抗病性鉴定，分别筛选出相应的抗性种质60份、20份和35份，其中，兼抗炭疽病和枯萎病的资源6份，兼抗炭疽病和白粉病的资源6份。武彦荣等[22]利用高通量抗多种病害分子标记辅助选择与常规育种技术相结合的高效育种技术体系，创制出枯萎病、白粉病、炭疽病单抗或多抗西瓜骨干自交系18份，其中JB-3同时抗3种病害；培育出4个设施多抗优质丰产耐贮运西瓜新品种华欣2号、美胜、星研七号、美佳。

1.4 抗蔓枯病

蔓枯病是西瓜的主要病害之一，主要危害瓜蔓、叶片和果实。关于西瓜蔓枯病抗性的分子机制研究相对较少，有研究表明，西瓜蔓枯病抗性可能与多个基因座有关[23-24]。HASSAN等[25]确定了6个可能参与西瓜对致病菌感染的反应候选基因，包括Chr8上的Cla012430、Cla012433和Cla012439以及Chr1、Chr2和Chr5上的Cla001821、Cla019863和Cla020705，为进一步开展功能研究和开发抗蔓枯病西瓜分子标记提供了基础。LEE等[26]研究表明，8号染色体上的qLL8.1和qSB8.1两个QTL被确定为主要QTL，6号染色体上的qSB6.1被确定为次要QTL，同时为了验证qLL8.1和qSB8.1的QTL效应，将2个侧翼标记（chr8_WGRS240和chr8_WGRS（3）185）转化为KASP标记，并在9个西瓜种质和13个商业栽培品种中进行验证，6个种质对蔓枯病具有高抗性并具有抗性基因型。GIMODE等[27]确定了3个与蔓枯病抗性相关的QTL（ClGSB3.1、ClGSB5.1和ClGSB7.1），解释了6.4%～21.1%的表型变异，针对ClGSB5.1和ClGSB7.1开发标记用于西瓜分子标记辅助育种，并提出ClCG07G013230作为西瓜蔓枯病抗性的候选基因。

1.5 抗细菌性果斑病

细菌性果斑病由西瓜嗜酸菌引起，在西瓜各个生长期间均能发生，是一种毁灭性病害。栽培西瓜的细菌性果斑病抗性大多数来源于其近缘种饲用西瓜，且由于受环境影响强烈、低遗传力和显著的基因型与环境的相互作用而变得复杂，尚未发现具有免疫性的种质。BRANHAM等[28]利用抗细菌性果斑病（USVL246-FR2）和易感细菌性果斑病（USVL114）品系之间杂交建立的重组自交系群体，研究叶片对西瓜细菌性果斑病菌的抗性，确定了6个与叶片细菌性果斑病抗性显著相关的QTL，每个QTL解释了种群中细菌性果斑病抗性变异的5%～15%，其中，3个QTL（qAc-1.1、qAc-2.1和qAc-8.1，分别位于1、2和8号染色体）解释了最高比例的变异。WU等[29]在饲用西瓜和黏籽西瓜第10号染色体上鉴定了2个QTL可用于分子标记的开发，构建抗性基因，以提高栽培西瓜对细菌性果斑病的抗性。

1.6 抗病毒病和蚜虫

西瓜病毒病主要通过种子带菌和蚜虫汁液传播。刘洁[30]对西瓜抗黄瓜绿斑驳花叶病毒病进行遗传分析与抗性基因定位研究，结果表明，西瓜病毒病抗性由多对隐性基因控制，初步定位了西瓜抗黄瓜绿斑驳花叶病毒的候选基因位于４号染色体20.95～21.96 Mb的关联区域，关联区域内共注释到56个基因。高宁宁等[31]利用SRAP分子标记对51份西瓜抗、感病毒病种质资源遗传多样性分析，为加速西瓜抗病毒病新品种的选育进程提供理论参考，发现抗病毒型与感病毒型西瓜种质的亲缘关系较近，遗传多样性丰富度不高。马少芹等[32]研究了西瓜抗小西葫芦黄花叶病毒基因的连锁分子标记，成功转化的SCAR标记SCAK13-644在小西葫芦黄花叶病毒中国株系抗性转育后代自交系上得到了验证，表明该标记可以作为西瓜抗病毒病辅助选择的分子标记。徐雪莲[33]研究发现，西瓜抗蚜性由单显性核基因控制，且能稳定遗传，并从89个随机引物中筛选得到1个与西瓜抗蚜性基因连锁的分子标记W04530，并转化为SCAR标记W04-S，在F2群体和供试抗、感品种中进行了验证，为今后西瓜抗蚜种质资源的筛选与鉴定、抗蚜性分子辅助育种的选择奠定了基础。

2 品质改良育种

品质性状是西瓜新品种选育过程中最重要的目标之一，随着人们对美好生活的向往，高品质、多样化、独具特色的西瓜越来越受到市场欢迎，而且经济效益更高。高效的分子标记辅助选择更能加快优质特色西瓜新品种的选育速度，有效促进西瓜新品种品质改良。近年来，西瓜果实糖度、果肉硬度、果实pH、耐裂性、果实苦味等品质性状是研究和应用的热点。许勇团队[34-36]全面系统解析了西瓜果实“甜蜜”基因4个重要节点进化的分子机制，建立了高效转育高糖、高品质的西瓜分子标记辅助育种技术体系，结合常规育种技术，从野生材料引入了抗病、硬脆果肉、抗裂、耐贮运等优异基因，培育了京美系列西瓜品种。高磊等[37]利用SSR标记对西瓜果肉硬度性状的连锁分析发现，位于第6染色体上的标记BVWS00954与控制西瓜果肉硬度的基因连锁。SUN等[38]通过西瓜果肉硬度的连锁图谱和转录组分析，将控制西瓜果肉硬度的主要基因定位于2号染色体和8号染色体，为控制西瓜果肉硬度基因的精细定位、图位克隆及分子标记辅助选择育种奠定了基础。ANEES等[39]研究发现，参与细胞壁生物合成和乙烯途径的8个基因为果实硬度基因调控模块中的枢纽基因，分别是Cla012351、Cla004251、Cla004120、Cla009966、Cla006648、Cla007092、Cla004119、Cla018816。