瓜果類蔬菜果皮厚度發育調控研究進展

龔成勝 王述彬 劉金兵 潘寶貴 郭廣君 刁衛平

（江蘇省農業科學院蔬菜研究所/江蘇省高效園藝作物遺傳改良重點實驗室，南京 210014）

引言

我國是世界上最大的蔬菜生產國、消費國和出口國，蔬菜產業的穩步健康發展有助于保障民生、保證糧食安全、促進國家經濟發展?！鞍宋濉笨萍脊リP以來，“優質、高抗、高產”成為了蔬菜作物重要的育種目標，并取得了顯著成效。在瓜果類蔬菜優質育種目標中，果皮性狀是一個重要的評定指標。果皮通常指的是果實的外皮或外殼，果皮厚度是與產量、品質及耐存儲性等密切相關的重要農藝性狀。通過與產量的相關分析，發現果皮厚度與西瓜、辣椒等瓜菜作物產量具有密切相關性，果皮越厚果實的產量也相對更高[1-4]。另外，果皮厚度與蔬菜品質緊密相關，果皮中富含糖類、有機酸、氨基酸、類黃酮等豐富的代謝物[5]，能夠為人體提供豐富的營養物質，且辣椒等蔬菜作物由于具有較厚的果皮而減少了農藥的殘留[6]。此外，蔬菜果皮厚度與耐儲存性之間多存在正相關關系，如番茄的果皮厚度與外觀、手感、裂果性以及耐儲運特性之間有緊密聯系[7-8]；西瓜果實的厚度與硬度和裂應力之間具有正相關性[9]；外果皮越厚的加工番茄在放置一段時間后的腐爛率相對越低[10]。

隨著重要蔬菜基因組測序以及重測序工作的推進，生物技術研究使蔬菜育種進入‘高速’時代[11]，并獲得了多個與目標性狀連鎖的關鍵QTL[12]。通過分子標記輔助育種，開發出與西瓜果皮顏色、黃瓜果肉厚度等重要性狀連鎖的分子標記，能夠在實驗室實現對目標性狀的快速鑒定，節約了成本并大大提高了育種效率[13-14]。同樣，全面了解果皮厚度性狀的遺傳基礎，并利用現代分子手段對蔬菜果皮厚度目標性狀快速篩選，可為優質品種改良奠定基礎。

近年來隨著消費水平的提高，人們對具有適宜果皮厚度的優質蔬菜品種的需求在增加。不同蔬菜品種由于食用部位等方面的差異，往往對果皮的要求也存在差異。比如果皮較厚的西瓜在增加耐裂性的同時，可能會減少果實可食用部分以及改變風味品質；加工為主的辣椒多具有較薄的果皮厚度，而鮮食類型的甜椒品種的果皮厚度較厚。因而，基于實際生產需求的不同，生產合適果皮厚度的專用瓜菜新品種才能實現品種的多元化、特色化、優質化。全面深入開展果皮厚度形成的的生理機理及分子遺傳基礎研究，并通過與目標性狀連鎖分子標記的挖掘及利用基因編輯等技術實現基因的定點改造，有助于加速適宜果皮厚度的瓜果類蔬菜新品種的選育和生產。

1 控制瓜果類蔬菜果皮厚度的關鍵因素

1.1 環境因素

光照、溫度、水分、肥料等因子是蔬菜作物正常生長發育的環境因素，通過改善這些環境因素可以對果蔬果皮厚度產生影響。優化光照強度和光照質量有助于改善作物的農藝性狀，程群柱等[15]研究發現，當日平均溫度 19 ℃，日平均光照強度 504 μmol/(m2·s)處理時，果皮厚度和果實質量等農藝性狀要顯著高于其他處理；在肥料噴施的研究中發現，噴施諾普豐葉面肥和硒肥能夠減少西瓜果皮的厚度[16-17]；而灌溉量和灌溉方式等水分管理措施對西瓜、辣椒和甜瓜果皮厚度的影響較小[18-20]。因此，可以通過改變環境條件優化果皮厚度，實現栽培管理措施對果皮厚度的有效調控。

1.2 外源化學物質

近年來，外源化學物質已被廣泛的應用于作物生長發育的調控。植物生長調節劑同天然激素一樣，具有調控生長發育的作用，同樣可對果皮厚度產生影響；如外源噴施GA3增加了辣椒的果皮厚度，對果實的產量和品質產生了一定的影響[21]；噴施適宜濃度的α-萘乙酸鈉（α-NaNAA）顯著增加了脫落酸、赤霉素和玉米素的含量，且有助于辣椒果皮厚的增加[22]。另外，化學誘變劑調控果皮厚度的研究也取得了一系列進展，適宜濃度的CaCl2處理能夠增加外果皮細胞壁的厚度，提高番茄果實的硬度[23]；化學試劑甲基磺酸乙酯（EMS）能夠誘導番茄果實大小和果皮厚度的變化[24]。隨著化學物質對植株生長發育調控應用的日益廣泛，挖掘更多能誘導果皮產生差異的化學物質，定向改變果皮的厚度和產量，生產符合市場需求的果蔬。

1.3 遺傳調控

遺傳因素是導致果皮厚度差異的最關鍵因素。分析生物信息發現，番茄含糖量和果皮厚度的主分量占據總遺傳信息量的80.96%[25]。辣椒果皮厚度具有較高的遺傳和表型變異系數，說明性狀的遺傳范圍廣[26]。此外，劉仲齊等[8]研究發現，具有易裂基因型的番茄果皮相對更薄。易麗聰等[27]利用SNP 標記將64 份西瓜材料劃分為4 個亞群，發現果皮厚度是區分不同亞群西瓜的關鍵指標。果皮厚度作為重要的數量遺傳性狀，其遺傳因素是造成果蔬果皮厚度形成的關鍵調控因子。

2 蔬菜果皮厚度的細胞結構研究進展

果皮主要包括外果皮、中果皮和內果皮三部分[28]。外果皮具有角質層和氣孔，通常由1～2 層細胞組成；中果皮主要由相對較大的薄壁細胞組成；內果皮位于最里層，細胞相對較小且多由多層石細胞構成。對果皮細胞結構的研究有助于闡釋果皮厚度形成的生物學發育過程，可為果皮的細胞發育和遺傳調控提供理論研究參考。

細胞層數和細胞大小等都是造成果皮厚度差異的生理基礎。在蔬菜作物中，細胞結構差異往往與其生物學功能相適應。研究發現，不同物種、不同品種以及不同倍性的瓜菜果皮厚度及細胞結構均存在差異。加工番茄的果皮由外果皮、中果皮和內果皮三部分組成，薄壁細胞形態由外果皮到內果皮由圓變方，內果皮細胞以小而緊密排列的形式存在[29]。在具有較厚果皮的加工黃瓜品種中發現[30]，其表皮細胞小且排列緊密，薄壁細胞由小到大的過渡較為緩慢，而果皮較薄的品種基本上無明顯的表皮層。劉春香等[31]研究發現，黃瓜表皮細胞的厚度與果實硬度之間具有極顯著相關性，并提出選育合適表皮厚度的黃瓜新品種既能提升感官評價，又能夠增加果實的耐儲運特性。詹園鳳等[9]研究發現，厚果皮的西瓜品種果皮的細胞排列致密且形成了清晰的細胞團結構，而果皮薄的西瓜品種的表皮組織則具有更長的表皮細胞以及更大的外果皮和中果皮細胞。另外，果皮的厚度與果實的裂應力以及果實的硬度之間呈現顯著相關性，在抗裂型西瓜表皮存在從小細胞到大細胞的轉變[32]。劉鵬等[33]研究發現，多倍體西瓜的果皮厚度要顯著大于其同源二倍體西瓜，這種差異性與表皮中的石細胞等組織細胞的形態結構有密切關系。

3 遺傳基礎研究進展

3.1 蔬菜果皮厚度的遺傳分析

不論是自然群體還是分離群體，果皮厚度的分布規律研究發現該性狀是典型的數量性狀。如在自然群體中，番茄的果皮厚度呈正態分布[34]；在F2S7重組自交系群體中，西瓜果皮厚度總體上呈正態分布，為典型的數量性狀[35]；在F2分離群體中，甜瓜的果皮厚度呈現正態分布[36]。

在經典遺傳學中，數量性狀的形成受到基因型和環境的共同調控[37]，開展遺傳分析是從基因層面解析果皮厚度形成的基礎。果皮厚度是連續變異的數量性狀，并受基因調控。在對西瓜果皮厚度的遺傳分析中發現，其西瓜果皮厚度遺傳符合C-0 模型，具有正向的加性和顯性效應，且多基因上位性效應累計也表現為正向，為典型多基因控制的數量性狀[38]；江海坤[39]通過孟德爾遺傳對西瓜（L-103 和X-101）果皮綠皮皮層的厚度進行遺傳分析，發現該性狀主要受1 對顯性等位基因控制，而通過數量性狀主基因+多基因遺傳分析則認為該性狀受2 對加性-顯性-上位性主基因和加性-顯性多基因控制。因此，盡管果皮厚度在不同樣本中的遺傳模型存在一定的差異，但分析結果表明果皮厚度的形成可能受到多個基因的調控且可能受到主基因的控制。

3.2 基于正向遺傳學進行基因定位研究

隨著宏基因組測序以及重測序工作的完成，為蔬菜作物重要農藝性狀的多樣性研究提供了豐富的遺傳變異信息[40]，基于正向遺傳學手段解析蔬菜果皮厚度的研究已經取得了一定的進展（表1）。全基因組關聯分析（GWAS）、遺傳圖譜和集團分離分析法（BSA）是最為常見的基因定位方法，且前兩種方法更適合對數量性狀進行基因定位研究。全基因組關聯分析主要應用于對自然群體中目標性狀的基因定位，并搭建起表型與基因型之間的橋梁[41]。袁欣捷等[42]以194 份辣椒為研究材料，在2、4、8、10 號染色體上獲得了與果肉厚度關聯的SSR 標記，且最高貢獻率達到20.48%，為辣椒優異基因的挖掘與分子標記輔助育種奠定了理論支撐。LEE 等[43]結合GWAS 和RIL 群體構建的遺傳圖譜獲得了與辣椒果實相關的主要馴化性狀（果實長度、寬度、質量、果皮厚度和果實位置）的關聯位點，并完成了候選基因的預測。Xie 等[44]在完成了對冬瓜基因組測序的基礎上，也通過全基因組關聯分析獲得了在2、3、11 和12 號染色體上與果皮厚度關聯的SNP 位點。Kim 等[34]對162 份番茄種質資源的果實性狀進行全基因組關聯分析，并在2、9、12 號染色體上獲得了果皮厚度顯著關聯位點。

表1 近年來部分瓜果蔬菜果皮厚度基因定位信息

在分離群體中，利用遺傳圖譜對果皮厚度等數量性狀的基因定位提供了有效工具，并在蔬菜作物果皮厚度的基因定位研究中取得了進展。如Ren等[45]通過整合4 個遺傳圖譜，實現了西瓜果實長度、糖含量等12 個農藝性狀的關鍵QTL 位點，包括位處2、5、6 號染色體上與果皮厚度相關的QTL 位點RTH2-1、RTH5、RTH6。楊天天[46]基于遺傳圖譜也在2 號染色體上獲得了一個與西瓜果皮厚度相關的QTL 位點RTH2。Zhong 等[47]完成了對南瓜高密度遺傳圖譜的構建，并獲得了與果皮厚度等12 個重要農藝性狀連鎖的QTL 位點，為候選基因的挖掘與分子標記育種提供了理論支撐。在冬瓜、甜瓜等作物中也獲得了與果皮厚度相關聯的關鍵QTL 位點[36,48-50]。

3.3 關鍵基因調控果皮厚度的形成

基因對大田作物如玉米籽粒種皮厚起到重要的調控作用[51]，也調控樹木的增粗[52]。關鍵基因同樣對園藝作物的果皮厚度起到重要的調控作用。果皮厚度往往和細胞的分裂和擴張密切相關，調控細胞擴張的結構基因在調控果皮厚度形成的進程中起到了重要的調控作用。在番茄細胞的復制與分化研究中，SlCCS52A基因表達水平與番茄細胞的核內復制特異相關，該基因的下調導致番茄細胞減小，果實尺寸較小[53]；Musseau 等[54]結合細胞水平、轉錄水平以及代謝水平的數據，發現SlGBP1控制細胞的增殖和細胞分化，在調節細胞凋亡的進程中發揮重要作用，該基因的突變導致番茄的中果皮細胞變薄。在細胞擴張的研究中，Mori 等[55]研究發現SlBIM1a過表達的番茄能夠導致果皮細胞變小，而SlBIM1a沉默的植株的果皮細胞變大，且SlBIM1a能夠與SlBZH1相互作用來影響BR 靶基因的轉錄調控，進而表明SlBIM1a是果皮細胞擴張的關鍵調控因子；Swinnen 等[56]研究發現SlKIX8和SlKIX9功能的缺失導致番茄細胞的擴張以及果皮厚度的增加；CDKA1的過表達能夠通過調控番茄細胞的大小，改變果皮的厚度[57]。

此外，轉錄因子能夠通過控制結構基因改變細胞大小及果皮厚度。如bHLH 家族轉錄因子基因SlPRE2的沉默導致番茄果皮厚度和果實大小等性狀的減小[58]；SlARF7的mRNA 水平降低轉基因番茄的細胞擴張，并形成了較厚的果皮[59]；RNA 干擾（RNAi）策略沉默Sl-IAA17產生比野生型番茄更大的果實，結合果實器官組織學分析表明這種表型的差異與較厚的果皮有關[60]。

4 果皮厚度的研究應用與發展前景

果皮厚度作為反映蔬菜果實品質的重要指標，在輔助預測雜種優勢以及輔助群體種質資源劃分等方面得到了研究應用。在輔助預測雜種優勢方面，由于果實質量和果皮厚度是育種中兩個重要的農藝性狀，Bahari 等[61]通過計算瓜皮厚度、果實質量等農藝性狀的一般配合力（GCA）和特殊配合力（SCA），篩選了適合商業栽培的西瓜雜交組合。在輔助蔬菜種質資源的劃分研究方面，陳萍等[62]研究發現，果皮厚度在119 份西瓜種質中的變異系數較大，為31.4%，并根據果實質量、果皮厚度以及含糖量這三個重要的農藝性狀將這些種質劃分為了10 類，為種質資源的創新與利用提供了理論參考。

隨著特色專用型果蔬品種需求的增多，立足產業實際發展需求，培育更符合市場需求的果蔬新品種勢在必行。表型特征的形成被認為是環境與基因相互作用的結果，通過環境因素改變性狀、加速育種進程約在150 年前已有相關的研究[63]，積極探究適宜的光照、溫度、水肥等事宜條件，可縮短傳代周期，加速新品種選育。另外，在明確果皮厚度結構的基礎上，可以深入挖掘與果皮厚度形成相關聯的其他農藝性狀和代謝物等，既有望實現對多個關聯性狀的改良，加速聚合育種技術發展；反之亦然，又可以通過對關聯代謝物的內源調控或者外源噴施，實現對果皮厚度的定向調控。

瓜果類蔬菜果皮厚度的分子調控研究中，目前缺乏有效的分子標記，以及難以精準定位調控主基因，因而需要通過加強正向遺傳學手段對蔬菜果皮厚度進行基因定位。筆者認為在基因定位研究方面，既可以擴大遺傳作圖群體，并結合自然群體和分離群體進行多群體分析以獲得更多的遺傳變異信息，進而明確果皮厚度的遺傳規律；也可以通過重測序技術構建高密度遺傳圖譜、整合圖譜，并結合GWAS、BSA 等定位方法實現對目標性狀的定位；可通過結合多組學（基因組、轉錄組、蛋白組等）數據，挖掘確定調控目標性狀差異的關鍵候選基因[64]；針對有效分子標記較少的問題，需要通過精細定位縮小候選區間，挖掘與性狀關聯或者開發連鎖的有效標記，并進一步結合基因編輯、轉基因等技術鑒定候選基因的功能，培育符合市場需求的新品種。

果皮厚度作為與產量、品質、抗性等相關的農藝性狀，具有重要的研究應用價值。在未來，隨著蔬菜果皮厚度在生理生化代謝、遺傳調控基礎以及分子輔助育種等方面深入研究，果皮厚度性狀的生物學機理將會更加清晰，可用于實現果皮厚度人工栽培調控。