辣椒高温结实性新QTLqFS6的鉴定及其非依赖于雄性育性的耐热机制解析

《Scientia Horticulturae》：Identification of a novel quantitative trait locus improving fruit set in chili pepper ( Capsicum annuum) under high-temperature greenhouse conditions

本研究针对温室高温导致辣椒（Capsicum annuum）结实率下降这一产业难题，以耐热种质‘Takanotsume’（‘TK’）为材料，通过全基因组关联分析（GWAS）和数量性状位点（QTL）定位，在染色体6上鉴定到一个主效QTL——qFS6。研究发现，qFS6对高温结实性的改善并非通过增强花粉萌发或花粉散布等雄性生殖性状，而是可能通过降低雌性器官对花粉管数量的需求等替代途径实现，且与花器官糖代谢无关。该QTL的发现为辣椒耐高温育种提供了宝贵的遗传资源和新见解。

　　

随着全球气候变暖加剧，预计到21世纪末气温将上升1.0–5.7°C，这对农作物生产构成了严重威胁。高温会显著损害植物的生殖能力，导致作物减产。在设施园艺中，温室环境在夏季极易出现高温，使得茄科作物如辣椒（Capsicum annuum）的结实率（Fruit set）大幅下降，严重影响产量。辣椒作为全球重要的蔬菜、香料和观赏植物，其最适生长温度为20–25°C，当温度达到33°C时即会出现结实不良。尽管已有研究通过筛选花粉萌发率来评估辣椒的耐热性，但针对高温下结实率稳定遗传改良的研究仍相对滞后，培育具有高温下稳定结实能力的品种需求迫切。

先前的研究发现辣椒品种‘Takanotsume’（‘TK’）在高温季节的温室中表现出卓越的结实能力。为了揭示其遗传基础，日本近畿大学的研究团队开展了一项研究，旨在鉴定控制辣椒高温结实性的遗传因子，并阐明其特性。相关研究成果发表在《Scientia Horticulturae》上。

研究人员综合利用了遗传群体构建（通过‘TK’与敏感品种‘Peruvian Purple’（‘PP’）杂交创建F₁、F₂及F₃群体）、多年多环境（2022-2024年，高温期HT与常温期CT）的表型鉴定（结实率、花粉相关性状、花粉管观察等）、基因型分析（采用dpMIG-seq技术进行基因分型）、全基因组关联分析（GWAS）和数量性状位点（QTL）作图等关键技术方法。此外，还利用扫描电镜（SEM）观察柱头花粉粒，通过组织化学染色观察花粉管在花柱中的伸长情况，并采用毛细管电泳技术定量分析了花和相邻叶片中的可溶性糖（蔗糖、葡萄糖、果糖）含量。

3.1. 结实率百分比比较

across all surveys in 2022, 2023, and 2024, the fruit set percentage of ‘TK’ was significantly higher than that of ‘PP’ during both HT and CT. 结果表明，‘TK’在高温和常温下均能结实，而‘PP’仅在常温下结实，高温下几乎不结实。F₁杂种的高温结实率显著低于‘TK’，表明高温结实性为隐性遗传。正反交F₁无显著差异，排除了细胞质遗传的影响。

3.2. 高温下结实相关遗传区域的搜寻

GWAS分析连续三年在高温条件下，均在6号染色体上鉴定到与结实率显著相关的SNP，这些SNP集中在一个约12 Mb的区域内（约231.2–243.1 Mb）。而在常温条件下，未发现显著相关的SNP。这表明控制‘TK’高温结实性的基因位于6号染色体的这一特定区域。

3.3. 数量性状位点分析

QTL分析在三年高温条件下均一致地在6号染色体上检测到一个主效QTL，命名为qFS6。其LOD值最高达20.14，可解释超过20%的表型变异。携带‘TK’纯合基因型的植株在高温下的结实率显著高于‘PP’纯合或杂合基因型。通过1.8 LOD下降法将候选区间缩小至约1.8 Mb（约241.3–243.1 Mb）。该区间内包含161个基因，其中60个含有中度或高度影响的变异，但功能注释未能明确候选基因。

3.4. 开花、花粉散布和自然自花授粉数量的调查

‘TK’的花药在高温下更容易开放，柱头上的花粉粒数量略高于‘PP’，但差异不总是显著。

3.5. 培养基中的花粉萌发率和花粉活力

‘TK’的花粉在高温下的萌发率和活力倾向于高于‘PP’，但在常温下无显著差异。

3.6. 结实率与生殖性状的相关性分析

在F₂群体中，高温结实率与花粉萌发、花粉散布等雄性生殖性状的相关性很弱或不显著。GWAS也未在qFS6区域发现与这些花粉性状显著相关的位点。这表明qFS6并非通过改善雄性生殖性状来提高高温结实率。

3.7. 花序形态与高温下结实率关系的调查

F₂群体中，簇生型（Fasciculate）花序的植株在高温下的结实率显著高于野生型。控制簇生型的FASCICULATE基因位于qFS6候选区间内，但与高温结实性的关联很可能是由于紧密连锁，而非因果关系。

3.8. 结实率与花柱中花粉管伸长关系的研究

在高温下，‘PP’的花柱内若无人工授粉则无花粉管伸长，而‘TK’则有。人工授粉实验表明，在高温下，‘TK’柱头只要有4个以上花粉管即可结实，而‘PP’需要26个以上。这说明‘TK’的雌性器官在高温下对受精所需的花粉管数量要求更低。

3.9. qFS6基因型间生殖性状评估

在选定qFS6基因型的F₂植株中，高温下‘TK’纯合与‘PP’纯合基因型在花粉管数量、花粉萌发率、柱头花粉粒数方面均无显著差异。但‘TK’纯合基因型结实的果实种子数更多，且其结实所需的最小花粉管数低于‘PP’纯合型。这进一步支持了qFS6可能通过影响雌性生殖过程（如降低受精阈值）来起作用的观点。

3.10. 植物组织碳水化合物水平分析

在亲本和F₁中，‘TK’花朵中的己糖（葡萄糖、果糖）含量显著低于‘PP’和F₁。然而，在根据qFS6基因型分组的F₃植株中，花朵的糖含量在不同基因型间无显著差异，尽管相邻叶片中的己糖含量在PP型中更高。这表明qFS6对高温结实性的改善不太可能通过碳水化合物代谢途径介导。

3.11. 重新分析C. chinense中的GWAS

对先前在C. chinense中发现的与高温结实相关的6号染色体区域进行重新分析，发现其与本研究在C. annuum中鉴定的qFS6区域存在重叠，提示该位点可能在辣椒属物种间保守。

本研究成功鉴定并验证了辣椒6号染色体上一个新的主效QTL——qFS6，该位点显著提高了辣椒在高温温室条件下的结实率。研究结论表明，qFS6的作用机制独立于传统的雄性生殖性状（如花粉萌发和散布）的改善，也与其候选区间内的FASCICULATE花序基因无直接因果关系，且与花器官的糖代谢无关。关键发现在于，携带qFS6耐热等位基因的植株，其雌性器官在高温下成功结实所需的花粉管数量显著降低，暗示qFS6可能通过增强雌性育性（如提高胚囊耐热性、降低受精门槛）或影响受精后过程来发挥作用。该研究的意义在于，qFS6作为一个效应较强的QTL，为辣椒耐高温育种提供了极具价值的分子标记和遗传资源。其非依赖于雄性育性的独特机制，为理解植物高温生殖逆境适应开辟了新视角，并且该位点在C. chinense中的保守性预示着其在不同辣椒物种中应用的潜力。利用qFS6进行分子标记辅助选择或未来通过基因工程手段，有望培育出在全球变暖背景下仍能保持稳定产量的辣椒新品种，对于保障蔬菜安全生产具有重要意义。