《Plants》：Aneuploid Strawberry (2n = 10x ? 3 = 67) Produces Variable Aneuploid Gametes and Fertile Hybrids with Improved Fruit Traits
编辑推荐：
对于草莓属（Fragaria）物种，由于染色体较小，单条染色体鉴定困难；因此大多数栽培品种的染色体数目尚未见报道。本研究通过根尖染色体计数调查了26个草莓栽培品种的倍性。令人意外的是，25个品种为八倍体（2n = 8x = 56），仅'Tokun'为非整倍体（
对于草莓属（Fragaria）物种，由于染色体较小，单条染色体鉴定困难；因此大多数栽培品种的染色体数目尚未见报道。本研究通过根尖染色体计数调查了26个草莓栽培品种的倍性。令人意外的是，25个品种为八倍体（2n = 8x = 56），仅'Tokun'为非整倍体（2n = 10x ? 3 = 67）。为探究该非整倍体的育种潜力，研究人员以'Tokun'与广泛栽培的八倍体品种'Benihoppe'进行正反交。仅以'Benihoppe'为母本、'Tokun'为父本的组合产生了可育后代。后代染色体数目为61、62或63条，表明'Tokun'产生了染色体数目在33至35之间变化的非整倍体配子。部分杂种在香气、硬度或可溶性固形物方面优于其亲本。具体而言，J2138（2n = 9x ? 2 = 61）因单果重较大而被选出，J2139（2n = 9x ? 2 = 61）和J2153（2n = 9x ? 2 = 61）因白色果肉被选出，J2151（2n = 9x ? 1 = 62）和J2156（2n = 9x = 63）的可溶性固形物含量超过其高值亲本，显示出商业生产和育种的潜在价值。草莓通常通过匍匐茎或组织培养繁殖；因此，从8x × 非整倍体'Tokun'杂交中获得的非整倍体将是品种育种的良好材料来源。
**研究背景与问题**
栽培草莓（Fragaria × ananassa Duch.）为蔷薇科草莓属多年生草本植物，由F. chiloensis与F. virginiana于18世纪偶然杂交起源，是世界上最重要的浆果作物之一。草莓属 base chromosome number 为七（x = 7），天然存在从2x、4x、5x、6x、8x、9x到10x的多倍体系列，此外还通过秋水仙素人工诱导获得了16x和32x材料。丰富的倍性多样性为种质创新提供了坚实的遗传基础。为拓宽遗传多样性并引入大果、日中性、香气及生物与非生物胁迫抗性等关键农艺性状，育种者开展了广泛的种间和倍性间杂交，获得了五倍体、六倍体、七倍体、九倍体等材料，改良了抗寒性、抗病性等农艺性状。种间或倍性间杂交是草莓育种中打破遗传壁垒、实现种质创新的关键途径；然而，当亲本倍性差异较大时，杂交难以成功，即使获得远缘杂种F1后代，也通常因减数分裂异常而高度不育。某些情况下虽能产生F1后代，但往往果实小、商业价值低。因此，当前草莓育种主要局限于八倍体品种间的杂交。然而，长期依赖品种间杂交导致遗传基础逐渐狭窄，栽培草莓的遗传多样性下降，抗病性、抗逆性等农艺性状退化。
大多数草莓基因型为整倍体，其体细胞拥有完整的染色体组，即基数的精确整数倍（x = 7）。相反，非整倍体的特征在于体细胞中至少一个基因组存在不完整的染色体补体，由一个或多个染色体的丢失或获得所致。Henry等证实特定性状与特定染色体数目密切相关。由于染色体数目的不平衡变化，非整倍体表现出广泛的性状多样性，为育种提供了丰富的选择材料。然而，关于栽培草莓非整倍体的报道极少。
'Tokun'是一个新发布的草莓品种，具有桃香香气，通过多步育种过程培育而成。首先，通过F. nilgerrensis（2x）与F. × ananassa（8x）杂交获得种间杂种，随后用秋水仙素进行染色体加倍，产生十倍体（10x）品系。该品种随后通过两个十倍体品系杂交并选择保留了F. nilgerrensis芳香性状的优良后代而育成。本研究中，研究人员首先对26个草莓品种进行染色体调查以确定其倍性水平，意外发现'Tokun'为非整倍体。为评估其育种潜力，研究人员将其与八倍体品种'Benihoppe'杂交，并评估后代的倍性水平和果实品质性状。本研究旨在：（1）确定26个草莓品种的染色体数目，重点关注非整倍体'Tokun'及其杂种后代；（2）评估利用该非整倍体种质进行草莓性状渐渗的可行性。
**研究内容与结论**
研究人员开展了26个草莓品种的根尖染色体计数、'Benihoppe'与'Tokun'的正反交、杂种后代的染色体计数与流式细胞术（FCM）分析、花粉活力检测及果实品质性状评价。得出结论：'Tokun'为非整倍体（2n = 10x ? 3 = 67），系首次报道；'Tokun'可产生染色体数目可变的可育配子，使八倍体与十倍体非整倍体间的可育杂交成为可能；后代染色体数目多样（61、62、63），部分杂种在香气、硬度、可溶性固形物等方面优于亲本。该研究为利用非整倍体种质克服倍性障碍、拓宽草莓风味相关遗传变异提供了实践框架，所获非整倍体可通过匍匐茎繁殖用于品种育种，具有商业生产与育种潜力。
**关键技术方法**
研究人员采集26个草莓栽培品种（来自各种植者和研究站）进行根尖染色体计数，其中'Tokun'经鉴定为非整倍体（2n = 67）；于2023年1月以'Tokun'与八倍体'Benihoppe'进行正反交，每个杂交方向授粉30朵花，种子于4月采收、4 °C贮藏一个月后于2023年5月播种，9月定植于温室，2024年通过匍匐茎繁殖选出的27个后代，2025年进行倍性和农艺性状评价。采用流式细胞术（FCM）测定倍性水平，以碘化丙啶（PI）染色后经NovoCyte 2040R流式细胞仪分析；采用改良的根尖染色体制片法，经环己酰亚胺预处理、乙醇/乙酸（3:1）固定、纤维素酶RS和果胶酶Y-23酶解、DAPI复染后于荧光显微镜下观察计数；花粉活力采用蔗糖-琼脂-硼酸培养基萌发法检测；果实性状按Zhao的方法测定，维生素C（VC）含量按Luo等的方法测定，可溶性固形物（SS）用便携式折光仪测定，可滴定酸（TA）用酸碱滴定法测定，果实硬度（FF）用GY-2型指针式果实硬度计测定；桃香香气采用10名园艺研究人员感官评价，按0–5分制评分。
**研究结果**
2.1 26个草莓品种的倍性水平：对26个草莓品种进行染色体计数，其中25个为八倍体（2n = 8x = 56）；'Tokun'的5株植物共20个分散良好的中期细胞均显示67条染色体，系首次报道。
2.2 坐果率与种子萌发：'Benihoppe' × 'Tokun'的坐果率（56.67%）和每花托瘦果数（25.71）高于'Tokun' × 'Benihoppe'（分别为26.67%和19.63）。'Benihoppe' × 'Tokun'共获得116株幼苗，而以'Tokun'为母本仅获得15株弱苗，未能正常生长并在成熟前死亡。
2.3 亲本与杂种的相对DNA含量和染色体数目：'Benihoppe'相对DNA含量为0.49 × 10
6，'Tokun'为0.72 × 10
6，两者流式细胞术直方图明显分离。所有杂种相对DNA含量在0.52 × 10
6至0.63 × 10
6之间，严格介于两亲本之间，证实其真实杂种身份，表现为中间遗传模式；但61、62、63条染色体的杂种相对DNA含量无法区分。27个杂种中，染色体数目以九倍体减二（40.74%）或减一（48.15%）为主，仅11.11%为九倍体，平均61.63条；未观察到九倍体减三、减四或减五的幼苗。由于八倍体亲本正常减数分裂很少产生非整倍体配子，观察到的非整倍体归因于'Tokun'的减数分裂异常分离。九倍体（9x）和非整倍体杂种可能源自母本'Benihoppe'的4x配子与父本'Tokun'的5x、5x ? 1和5x ? 2配子结合。
2.4 杂种的花粉萌发、花与匍匐茎性状及果实品质：27个选出的杂种花粉活力较高，体外花粉萌发率在21.79%（J2106）至59.87%（J2136）之间。J2139和J2153的花径与'Tokun'相当，所有杂种花径均大于低值亲本'Benihoppe'，但无一杂种单株花序数超过母本'Benihoppe'。J2105表现重瓣花表型。多数杂种匍匐茎繁殖能力良好，J2122、J2127和J2140三个杂种匍匐茎产生能力较差。'Benihoppe'和'Tokun'果实分别为圆锥形和卵形，杂种果实形状多样，包括球形、卵形、楔形、短圆锥形、圆锥形和畸形。'Benihoppe'果色为红色，'Tokun'为粉色，多数杂种为红色，部分为橙红色（如J2139）或粉色（如J2153）。'Benihoppe'果肉为红色，'Tokun'为白色，杂种J2105、J2139和J2153亦表现白色果肉。多数杂种果实小或形状异常。几乎所有杂种均继承了'Tokun'独特的桃香香气，J2138、J2139、J2151和J2156表现与'Tokun'相似的浓郁桃香。多数杂种平均单果重和单株产量较低，但少数产生中大型果实，如J2138（11.45 g）单果重大于高值亲本'Tokun'（9.60 g），表明可从该杂交中有效选择大果个体。J2101、J2138和J2153单株产量与亲本相当，其他杂种低于亲本。父本'Tokun'果肉硬度仅0.79 kg·(cm)
?2，显著低于母本'Benihoppe'（p < 0.05），所有杂种果肉硬度介于两亲本之间。多数杂种可溶性固形物含量接近中亲值，J2151和J2156超过高亲值；多数杂种可滴定酸高于双亲；无一杂种维生素C含量超过高亲。综上，通过倍性间杂交获得5个具有非整倍体或九倍体染色体组成的优良品系（J2138、J2139、J2151、J2153、J2156），均表现出改良的果实性状，部分品系香气更浓、果肉硬度更高或可溶性固形物含量更高，显示其商业应用及培育现代非整倍体或九倍体草莓品种的潜力。
**讨论与结论**
本研究结果表明'Tokun'为非整倍体草莓（2n = 10x ? 3 = 67），系首次报道，不同于以往将其视为十倍体的研究。在27个果实畸形最少的杂种中，多数为非整倍体并表现桃香香气，这很可能归因于非整倍体'Tokun'的减数分裂异常，为非整倍体草莓育种提供了新见解。本研究中以八倍体为母本的杂交产生了更多可育后代，而反交虽获得种子但幼苗死亡。正反交间杂交亲和性的差异反映了配子体阶段单侧不亲和性；后者幼苗致死暗示可能存在合子后隔离，此现象可初步用胚乳平衡数（EBN）假说解释——远缘或倍性间杂交中亲本基因组剂量失衡可导致胚乳发育异常，进而影响幼苗存活，但其根本原因尚需进一步研究。非整倍体草莓因一至少数染色体的获得或丢失而表现广泛的形态和生理变异，尽管多数此类变化有害，但某些非整倍体可能达到新的遗传平衡并表现优良园艺性状，可通过无性繁殖成为新品种候选。非整倍体被认为通过全局生理和基因组变化增强可进化性，且植物对其效应具有显著耐受性，这促进了较大花、育性降低等观赏性状以及草莓杂种中桃香香气等新性状的开发。因此，非整倍体诱导形态和农艺性状的显著变异，丰富了品种开发的多样性；草莓易于通过匍匐茎繁殖，使优良非整倍体品系的扩繁成为可能。非整倍体通常可通过种间杂交后回交获得。例如，Bringhurst和Gill从F. chiloensis × F. vesca杂种回交F. chiloensis中获得一些非整倍体，非整倍体配子源自五倍体、六倍体和九倍体杂种，整倍体配子来自八倍体父本。在二倍体F. vesca × 八倍体F. × ananassa后代中，一个个体为非整倍体（2n = 8x + 2 = 58），源自未减数的8x花粉和不完整的卵细胞。草莓中常观察到异常配子，可能导致非整倍体形成。'Tokun'本身源自F. nilgerrensis与栽培草莓的种间杂交，随后经染色体加倍和后续杂交事件。鉴于'Benihoppe'为正常八倍体、减数分裂正常且很少产生非整倍体配子，后代中观察到的非整倍体配子最可能来自'Tokun'。将'Tokun'的桃香香气成功渐渗到后代中值得注意，尤其是鉴于F. nilgerrensis因其二倍体性质在常规育种中利用困难已有充分文献记载。与通常导致杂种失败或产生小而无育后代的三倍体×八倍体杂交不同，'Tokun'作为非整倍体基因型似乎绕过了倍性障碍，可能通过产生可育的非整倍体配子实现，这得到后代染色体组成的支持。该观察与非整倍体可达到支持育性和性状传递的新遗传平衡的观点一致。此外，多个兼具桃香香气和改良果实性状的后代品系的恢复表明，'Tokun'的非整倍体状态并不妨碍、甚至可能促进野生与栽培基因组间优良性状的重组。这些结果因此提供了直接实验证据，表明利用非整倍体桥梁亲本进行倍性间杂交可有效克服与二倍体野生种相关的长期倍性障碍，为拓宽栽培草莓的遗传和香气多样性提供了实用途径。
结论部分翻译：总之，本研究首次报道'Tokun'为非整倍体（2n = 10x ? 3 = 67）而非十倍体，并证明其作为草莓育种桥梁亲本的价值。'Tokun'产生染色体数目可变的可育配子，使与八倍体品种间的可育倍性间杂交成为可能，并产生染色体组成多样且果实性状改良的后代，尤其是特征性桃香香气。这项工作为利用非整倍体种质克服倍性障碍、拓宽草莓育种中风味相关遗传变异提供了实践框架。
