全 文 ：武汉植物学研究 2001, 19 (5) : 357～ 362
J ourna l of W uhan B otan ica l Resea rch
甜瓜属一新物种 (双二倍体)合成及定性Ξ
陈劲枫　庄飞云　钱春桃
(南京农业大学园艺学院, 南京　210095)
摘　要: 采用胚胎拯救方法, 首次成功实现了栽培黄瓜 (Cucum is sa tivus L. , 2n= 14)与同属野
生种C. hy strix Chak r. (2n= 24)间可重复的种间杂交。杂交 F 1 植株形态一致。其中多分枝、
密棕茸毛 (尤其是在花瓣和雌蕊上)、桔黄色花冠及卵圆形果实这些特征与亲本 C. hy strix 相
似, 而第一雌花节位则与亲本黄瓜 (C. sa tivus)相似。其它性状如株径、节长、叶和花的形状和
大小等都介于双亲之间而呈中间型。将杂种 F 1 植株自交并与两亲本进行回交, 结果表明 F 1
杂种的雄蕊和雌蕊都是不育的。这可能是由于杂种染色体数目为奇数 (2n= 19, 其中 7 条来自
黄瓜, 12 条来自野生黄瓜) , 缺乏同源性而导致减数分裂不正常。利用体细胞无性系突变方
法, 对杂种的染色体数进行了加倍。流动细胞计量仪测定表明, 加倍的 F 1 植株 (双二倍体) 占
再生植株的 713% , 形态一致, 其DNA 含量为 2135 pg, 而 F 1 (二倍体)的含量为 1117 pg。新合
成的双二倍体植株能释放花粉, 并且能形成含种子的果实。对生长和发育、营养价值及抗性等
方面初步研究表明, 这一新物种可望成为一新型作物种, 在未来农业中占有一席之地。通过不
同杂交可形成两种类型的果实: 一种为腌渍类型, 该株系每株可着生30多个大约10 cm 长的果
实, 可一次性采收; 另一种为耐弱光类型, 果形细长, 基本上无种子, 适合于部分遮荫的环境,
如温室栽培。营养分析表明, 新物种果实的蛋白质含量为0178% , 矿物质0135% , 均分别高于
普通黄瓜含量0162% 和0127%。对根结线虫筛选试验结果表明, C. hy strix 具有高度抗性, 其
抗性通过正反交可部分转移到F 1代和双二倍体中。
关键词: 甜瓜属; 双二倍体; 特征
中图分类号: S603. 6　文献标识码: A 　文章编号: 10002470X (2001) 0520357206
Syn thes is and Prel im inary Character iza tion
of A New Spec ies (Am ph id iplo id) in Cucum is
CH EN J in2Feng, ZHUAN G Fei2Yun, Q IAN Chun2T ao
(Colleg e of H orticu ltu re, N anj ing A g ricu ltu ra l U n iversity , N an jing　210095, Ch ina)
Abstract: T he first repeatab le in terspecif ic hyb rid iza t ion betw een cucum ber
(C. sa tivus L. , 2n= 14) and a w ild Cucum is species, C. hy strix Chak r. (2n= 24)
w as successfu lly m ade th rough em b ryo rescue. T he hyb rid p lan ts w ere mo rpho2Ξ 收稿日期: 2001203229, 修回日期: 2001207211。基金项目: 国家自然科学基金 (N o. 30170644)、教育部跨世纪优秀人才培养计划及留学回国人员科研启动基金
　资助项目。
　作者简介: 陈劲枫 (1959- ) , 男, 博士, 教授, 现从事蔬菜遗传育种和生物技术研究。
log ica lly un ifo rm. W h ile the m u lt ip le b ranch ing hab it, den sely b row n hairs (es2
pecia lly on co ro lla and p ist il) , o range2yellow co ro lla, and ovate fru it of F 1 hy2
b rid p lan ts w ere sim ilar to that of the C. hy strix paren t, appearance of the first
p ist illa te f low er w as mo re sim ilar to that of C. sa tivus paren t. T he diam eter and
in ternode length of stem , shape and size of leaves and flow ers w ere in term edi2
ate w hen compared to that of the paren ts. Self2po llina t ion and backcro ssing of
the F 1 hyb rid p lan ts to either paren t indica ted that the o rig inal hyb rid w as bo th
m ale2 and fem ale2sterile, p robab ly due to m eio t ic abno rm alit ies cau sed by lack
of homo logy and the odd ch romo som e num ber 2n = 19 ( including 7 from cu2
cum ber and 12 from C. hy strix ). T he ch romo som e num ber in the hyb rid w as
doub led w ith som aclonal m u ta t ion to resto re the fert ility. Po llen gra in s w ere
released from the syn thet ic amph id ip lo id and fru its set w ith viab le seeds on the
fert ility2resto red p lan ts. T he resu lts from flow cytom etry indica ted that, on
average, 713% of the regeneran ts w ith un ique mo rpho logy w ere ch romo som e2
doub led F 1 hyb rids. T he 2C DNA con ten t of the o rig inal F 1 hyb rid w as
1117 pg, and the 4C DNA con ten t w as 2135 pg. T h is new species w as p relim i2
narily characterized in grow th and developm en t, nu trit ion value, and disease re2
sistance. T he resu lts suggested it a po ssib le p lace to be a new Cucum is crop in
fu tu re agricu ltu re. Tw o types of fru its p roduced in ou r first season of cro sses
included a po ten t ia l p ick ling variety that p roduces m u lt ip le un ifo rm fru its a t a
single node w ith the 1÷ 3 lengthöw idth ra t io fo r once over harvest. A second
cro ss p roduces long slender fru its, nearly seedless w ith the ab ility to grow in
part ia lly shaded condit ion s, w h ich m ay be the su itab le variet ies fo r greenhou se
p roduct ion. R esu lts from nu trit ion analysis indica ted that the syn thet ic species
has h igher p ro tein (0178% ) and m inera l (0135% ) con ten t compared to the
no rm al p ick ling cucum ber ( 0162% and 0127% , respect ively ). A screen fo r
roo t2kno t nem atode resistance revealed a h igh level of resistance ex isted in C.
hy strix , and the resistance w as part ia lly t ran sm it ted to the F 1 and the ch romo2
som e2doub led F 1 w hen the recip rocal hyb rid w as m ade.
Key words: Cucum is; Amph id ip lo id; Characteriza t ion
种间杂交是将近缘野生种的有用性状转移到栽培种中去的有效途径[1 ] , 只有将种间
杂交的后代进行染色体的加倍才可以获得异源多倍体, 如异源四倍体或双二倍体。成功地
构建一种异源多倍体就意味着创造一种新的基因组, 也就是以前不存在的新型物种。然
而, 要获得一种种间杂种, 尤其是在栽培种和野生种之间的杂种, 需付出很大努力。来自染
色体、遗传、胞质和机械隔离等方面的障碍都可能严重阻碍杂交的成功和利用。在葫芦科
中, 曾有报道来源于C. m ax im a×C. m oscha ta [2 ]和C. ang u ria×C. d ip saceus[3 ]杂交形成的
双二倍体。但在黄瓜和甜瓜这两种重要的经济作物上还没有成功的报道。利用野生近缘
种来改良黄瓜很早就受到重视[4, 5 ] , 因为这些野生种拥有一些对病害的抗性基因, 如白粉
病 (S p haerotheca f u lig inea )、霜霉病 (P seud op eronosp ora cubensis)、炭疽病 (Colletotrichum
orbicu la re )、枯萎病 (F usa rium oxy sp orum ) 和根结线虫 (M eloid ogy ne spp. ) 等, 这些基因
都是黄瓜所缺乏而极为需要的, 但由于杂交严重不亲和, 在过去几十年里, 许多学者采用
不同途径 (包括传统方法和生物技术) 将黄瓜或甜瓜与近缘野生种进行杂交, 但都未获成
853 武 汉 植 物 学 研 究　　　　　　　　　　　　　　　　　第 19 卷　
功[6 9 ]。我们所进行的杂交, 是在甜瓜属作物与野生种间的首次成功[10, 11 ] , 这为将野生种
的一些优良性状转移到栽培种提供了可能。然而, 将杂种与任一亲本进行回交或自交, 都
表现出雌花和雄花不育, 其原因可能是体细胞中染色体数为奇数 (2n= 19, 其中 7 条来自
黄瓜, 12 条来自野生黄瓜) , 造成减数分裂的不正常。许多试验证明将染色体数加倍可以
克服育性问题, 若将杂交种的染色体数从 19 条加倍到 38 条, 那么在细胞减数分裂时每条
染色体就可进行同源配对, 产生可育的花粉和卵子, 即可恢复植株的育性。我们通过种间
杂交和染色体数加倍合成了甜瓜属一新种质, 并对其形态学、营养学和抗性方面进行了初
步研究, 其结果报道如下。
1　材料和方法
1. 1　植物材料与种间杂交
野生种采集于中国南部, 栽培种为北方的“北京截头”, 由戚春章博士 (中国农业科学
院蔬菜研究所)提供, 南方的“二早子”由龚志彬先生 (成都第二种子公司)提供。野生种在
6 月～ 10 月定植于田间, 栽培种 7 月～ 11 月移栽于温室中, 1997 年 9 月～ 10 月进行种间
杂交, 程序按照文献[ 11 ]进行。
1. 2　体细胞培养和再生
在受精30 d后收获果实, 预先用70% 乙醇进行表面消毒, 在立体显微镜下通过无菌操
作取出胚, 立刻接种到无激素培养基 (M S+ 蔗糖30 göL + 琼脂8～ 12 göL , pH 516) 上, 培
养温度为24℃, 光照 16 h, 光强为100 Λmo lõm - 2õs- 1, 培养60 d后长成新植株, 90 d后切下
植株叶片边缘, 分割成015 cm 大小片段, 放置在M S+ 2, 42D 110 m göL + BA 015 m göL +
ABA 014 m göL + A gNO 3 10 m göL 培养基上, 在光培养下诱导4周, 然后将外植体转移到
无激素培养基上, 3～ 4周后形成愈伤和不定芽, 取出不定芽移置M S+ IBA 110 m göL 诱导
生根。当出现少量根时, 将植株轻轻从培养基上移出, 用水漂洗, 栽于潮湿的人造土壤中,
在塑料拱棚中驯化1周, 移栽到温室中。
1. 3　形态学观测
观测杂交种和亲本的第一朵花的形态, 花梗、萼筒、花冠和子房的长度, 第 1、5、10、15
和 20 节的株径和节长及 20 节的有柄叶长, 每处理 5 株, 采用重量法测定叶面积。
1. 4　植株染色体倍性确定
将植株新扩展的叶置于M gSO 4 缓冲液中切成细小碎片, 用 1×PBS 的缓冲液漂洗,
悬浮液经孔径为 15 Λm 的滤布过滤。在含有RN ase 的溶液中, 用p rop id ium iodide (P I)染
色, 并将细胞核浓度调为 2×105 个ömL。用流动细胞计量仪 Ep ics 751 (Cou lter Co rpo ra2
t ion)进行分析。P I的激发波长为 488 nm , 发射波长为 635 nm。以小鸡血红细胞 (CRBC)
的DNA 含量 1188 pg 为内标, 样品中加与不加标样都要进行倍性水平的测定, 数据按以
下公式计算: DNA 的含量= (样品滞留时间ö标样滞留时间)×1188。
1. 5　营养分析
分析方法按照AOA C (A ssocia t ion of O fficia l A nalyt ica l Chem ists)规程。
1. 6　对南方根结线虫抗性的筛选
M eloid ogy ne incog n ita 小种 3 取自于家庭菜园, 在生长番茄L y cop ersicon escu len tum
953　第 5 期　　　　　　　　　　　陈劲枫等: 甜瓜属一新物种 (双二倍体)合成及定性
M ill. cv. R u tgers 温室中培养, 按照文献[ 12 ]方法, 用 015% N aOC l 收集线虫卵, 获得接种
体。接种方法: 将种子播于蛭石中, 在温室中发芽, 2 叶 1 心时移植于Ф13 cm 的营养钵中,
用专用营养液 (N ∶P∶K = 20∶20∶20) 浇灌, 每周 1 次, 温室气温保持 28℃。移栽 4 d
后, 在植株根系周围, 用竹竿打 2 个 2～ 3 cm 深, 直径为 016 cm 的小孔, 每孔注入 1 mL 接
种液 (约含 2 500 个卵) , 每处理 5 次重复, 随机排列。接种 5 周后, 将根系沙子洗去, 在立
体显微镜下 (10×)估算根结数目, 分级如下: 0 级: 无根结; 1 级: 1～ 2 个; 2 级: 3～ 10 个; 3
级: 11～ 30 个; 4 级: 31～ 100 个; 5 级: 多于 100 个。
2　结果分析
2. 1　杂交种的合成及其形态特征
植株在花粉受精后产生含有心形胚的成熟果实, 通过胚胎拯救法, 159 个胚中 59 个
(约 37% ) 长成了完整植株。通过器官发生途径进行增殖, 获得了 854 株试管苗, 其中 62
株 (713% )形态上表现一致, 后面证实其为染色体加倍的 F 1 代。F 1 代、染色体数加倍的 F 1
代及其亲本形态特征见表 1。
表 1　栽培黄瓜“北京截头”、野生种、杂交 F1 代和染色体加倍 F1 代的形态特征比较
T able 1　M o rpho logical characterist ics differen tia t ing Cucum is sa tivus (‘Beijing
J ietou’) , C. hy strix and their F 1 and ch romo som e2doubled F 1 hybrid p rogeny
形态特征　　　　
T raits　　　　
野生种
C. hy strix
“北京截头”
C. sa tivus
杂交 F1 代
F1
加倍的 F1 代
Doubled F1
染色体数 Ch romo som e num ber　　　 24 14 19 38
茎
Stem
直径 (cm )
D iam eter 0. 3±0. 1 0. 6±0. 2 0. 4±0. 2 0. 5±0. 1
节长 (cm )
In ternode length 4. 8±2. 7 10. 6±2. 4 4. 8±1. 2 5. 7±1. 4
侧枝数
N o. of lateral b ranches 12. 0±2. 0 2. 6±1. 4 5. 4±1. 2 5. 8±1. 4
叶
L eaf
有柄叶长 (cm )
L ength of petio le 7. 0±1. 0 12. 6±1. 4 9. 8±5. 2 8. 8±3. 2
叶面积 (cm 2)
L eaf size 102. 1±13. 9 321. 5±34. 5 191. 2±27. 8 276. 4±36. 2
雄花
M ale flow er
第一朵花节位
A ppearance of first flow er 15. 0±4. 0 3. 8±1. 3 6. 8±1. 2 5. 6±1. 6
花梗长 (cm )
L ength of pedicel 0. 5±0. 2 2. 4±0. 8 0. 5±0. 1 0. 5±0. 2
萼筒长 (cm )
L ength of calyx tube 0. 5±0. 1 0. 8±0. 1 0. 6±0. 2 0. 7±0. 2
花冠长 (cm )
Co ro lla length 0. 9±0. 1 2. 5±0. 2 1. 2±0. 1 1. 2±0. 2
雌花
Fem ale flow er
第一朵花节位
A ppearance of first flow er - 4. 2±1. 8 5. 2±2. 0 -
子房长×直径 (cm )
O vary length×diam eter 1. 0×0. 4 3. 8×0. 7 1. 5×0. 4 1. 6×0. 7
花冠长 (cm )
Co ro lla length 1. 0±0. 1 2. 6±0. 2 1. 3±0. 4 1. 5±0. 2
果实
F ru it
长×直径 (cm )
L ength×diam eter 5. 5×2. 2 25×4. 5 9. 2×3. 2 8. 1×4. 0
重量 (g)
W eigh t - - 54. 4 90. 6
种子
Seed
长×宽 (cm )
L ength×w ideness 0. 3×0. 2 1. 0×0. 4 - 0. 67×0. 3
厚度 (cm )
T h ickness 0. 07±0. 01 0. 16±0. 01 - 0. 15±0. 01
063 武 汉 植 物 学 研 究　　　　　　　　　　　　　　　　　第 19 卷　
　　F 1 植株长势旺, 形态一致, 所表现出的多分枝、密棕茸毛 (尤其是在花瓣和雌蕊上)、
桔黄色花冠及卵圆形果实等特征与亲本C. hy strix 相似, 而第一雌节位则与亲本黄瓜 (C.
sa tivus)相似, 雄花形态及其它性状, 如主蔓的株径、节长、叶和花的形状和大小等, 都介于
双亲之间而呈中间型 (见图版É: A、B )。
在形态上, 加倍的F 1植株表现出一些独特的性状, 如叶缘弯曲度大, 节间较短而壮实。
两种倍性的果实具有不同形态 (图版É: C) , 二倍体 (2n= 19, 无籽) , 果形较长, 呈纺锤形,
而双二倍体果形较短, 呈棒状。新合成种质的种子形态介于两亲本后代之间 (图版É:D )。
图 1　每频道细胞核数目的数字矩形图(示流式细胞仪
中 P I染色细胞核的相对荧光强度)
F ig. 1　H istogram of num ber of nuclei per channel, a function of
relative fluo rescence in tensity resu lt ing from flow cytom etry of
nuclei stained w ith p rop idium iodide
2. 2　细胞倍性统计
流动细胞计量测定结果
表明, F 1杂种染色体数已经
加倍 (图1) , G0öG1核峰位置
用来计算二倍体DNA 的含
量。基于内标CRBC的DNA
含量为1188 pg, 原F 1杂种株
的DNA 含量为1117 pg, 加倍
后的F 1代为2135 pg。
另研究结果表明所选用
的黄瓜基因型对染色体加倍
频率影响较大。采用“北京截
头”作为亲本, 在 761 株后代
中, 40 株为加倍的, 频率为
513% , 而以“二早子”为亲本, 93 株中有 22 株为加倍的, 其频率达到 2317%。
2. 3　营养分析
表 2 可看出, 新物种果实蛋白质含量为 0178% , 矿物质为 0135% , 均分别高于普通黄
瓜的 0162% 和 0127% , 但是碳水化合物的含量低于对照。新物种的果实pH 值较低, 其可
滴定度也明显高于对照。
表 2　果实营养指标的测定
T able 2　Som e nutrit ion facto rs
指标
Param eters
对照3
Contro l
杂种 F1
C. hy strix ×C. sa tivus
　　　　　 pH 5. 9 4. 5
可滴定酸度 T itratab le acidity (mL ) 1. 2 4. 5
含水量M o istu re (% ) 95. 6 96. 4
灰分 A sh (% ) 0. 27 0. 35
蛋白质含量 P ro tein (% ) 0. 62 0. 78
碳水化合物含量 Carbohydrate (% ) 3. 51 2. 473 为市场上购买的腌渍黄瓜。
P ick ling cucum ber bough t from super m arket.
2. 4　对南方根结线虫的抗
性
3 组材料 (野生种, 栽培
种和正ö反交杂种 ) 对 M .
incog n ita 的抗性表现出较大
差异。接种 45 d 后, 栽培黄
瓜平均每个根系有 100 个根
结, 而野生种平均只有 3 个,
因此, 野生种对M . incog n ita
表现出较强的抗性, 其抗性
指数为 118, 而栽培种很敏感, 指数为 418～ 510。种间杂种的抗性介于两亲本之间, 抗性指
数为 314。
163　第 5 期　　　　　　　　　　　陈劲枫等: 甜瓜属一新物种 (双二倍体)合成及定性
3　讨论
通过染色体组加倍使得杂种 F 1 的育性得以恢复, 这标志着甜瓜属一新种质的合成。
这个新种质完全不同于原始亲本种, 但与它们之间存在着密切的亲缘关系。这也是渐渗杂
交在黄瓜上的一大突破。新种质 (双二倍体)是由栽培黄瓜和野生种杂交而成的, 可作为将
野生种的一些优良性状转移到栽培种去的桥梁, 从而可快速改善黄瓜资源。
野生种果实带有清新的柠檬香味, 由于其与栽培黄瓜杂交的后代可食, 即可成为一种
新型的农产品。本研究可直接获得两种新型农产品: ①新物种 (双二倍体) ; ②二倍体无籽
的新型果实。与亲本相比, 新物种的产量高 (多于 30 个果ö株) , 形态一致, 每节可着生多个
果 (图片未给出) , 并且其营养价值高。由于基因组扩大, 新种质对一些病害具有较强的抗
性, 如白粉病, 对高温和低温适应性增强。
由于黄瓜对南方根结线虫的抗性较差, 造成世界上许多地区严重减产。目前, 黄瓜对
根结线虫的抗性只是爪哇线虫[13 ]。本研究表明野生种 (C. hy strix )对南方根结线虫抗性较
强, 并且其抗性可通过渐渗杂交转移到栽培种去。不过对于这一性状的遗传特性还需深入
研究, 以更有效地利用这一优良基因。
参考文献:
[ 1 ]　Stalker H T. U tilization of w ild species fo r crop imp rovem ent. In: B rady N C ed. A dvances in A gronom y. 1980,
33: 111 147.
[ 2 ]　Pearson O H , Hopp R , Bohn G W. N o tes on species cro sses in Cucu rbita. P roc A m er S oc H ort S ci, 1951, 57:
310.
[ 3 ]　Yadava K S, Singh A K, Roy R P, et a l. Cytogenetics in Cucum is L. V I, syn thetic amph idip lo ids. N ucleus, 1986,
29: 58 62.
[ 4 ]　Fassu lio tis G. Species of Cucum is resistan t to the roo t2kno t nem atode,M eloid ogy ne incog n ita acrita. P lan t D is
Rp t, 1967, 51: 720 723.
[ 5 ]　N o rton J D , Granberry D M. Characterist ics of p rogeny from an in terspecific cro ss of Cucum is m elo w ith C.
m etu lif erus. J A m S oc H ort S ci, 1980, 105: 174 180.
[ 6 ]　W h itaker T W. Ch romo som e num ber in cu ltivated cucurb its. A m J B ot, 1930, 17: 1 033 1 040.
[ 7 ]　Batra S. In terspecific hybrid ization in the genus Cucum is. S ci Cu ltu re, 1953, 18: 445 446.
[ 8 ]　Sm ith P G, Benkat Ram B R. In terspecific hybrid ization betw een m uskm elon and cucum ber. J H ered , 1954, 45:
24.
[ 9 ]　D eak in J R , Bohn G W ,W h itaker T W. In terspecific hybrid ization in Cucum is. E con B ot, 1971, 25: 195 211.
[ 10 ]　Chen J F, Zhang S L , Zhang X G. T he x ishuangbanna gourd (C. sa tivus var. x ishuang bannesis Q i et Yuan) , a tra2
ditionally cu lt ivated p lan t of the H anai peop le, X ishuangbanna, Yunnan, Ch ina. Cucu rbit Genet Coop Rp t, 1994,
17: 18 20.
[ 11 ]　Chen J F, Staub J E, T ash iro Y, et a l. Successfu l in terspecific hybrid ization betw een Cucum is sa tivus L. and C.
hy strix Chak r. E up hy tica, 1997, 96: 413 419.
[ 12 ]　H ussey R S, Barker K R. A comparison of m ethods of co llecting inocu la of M eloid ogy ne spp. including a new
techn ique. P lan t D is Rp t, 1973, 57: 1 025 1 028.
[ 13 ]　W alters S A , W ehner T C, Barker K R. Roo t2kno t nem atode resistance in cucum ber and ho rned cucum ber.
H ortS cience, 1993, 28: 151 154.
263 武 汉 植 物 学 研 究　　　　　　　　　　　　　　　　　第 19 卷