EMS 誘變對高粱種子萌發(fā)及農(nóng)藝性狀的影響

聶萌恩，柳青山，范昕琦，楊慧勇，張一中，樊芳芳，張曉娟，梁 篤，郭 琦

（山西農(nóng)業(yè)大學高粱研究所，高粱遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新山西省重點實驗室，山西晉中030600）

高粱（Sorghum bicolorL.）是我國傳統(tǒng)的五谷之一，可作為優(yōu)質(zhì)的糧食、釀醋、釀酒原料，在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要的位置[1]。優(yōu)異種質(zhì)資源的創(chuàng)制及篩選是培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)多抗新品種的前提條件，也是我國高粱育種急需解決的問題[2-3]。

高粱在雜交品種選育過程中，常用的種質(zhì)創(chuàng)新手段大多為人工去雄，耗費人力、物力，且周期較長，由于試驗條件局限，群體較小，創(chuàng)造新種質(zhì)的效率不高。EMS 作為一種常用化學誘變劑，因其具有操作簡便、誘變頻率高、能夠產(chǎn)生穩(wěn)定遺傳的顯性突變、便于獲得有育種價值的突變體材料等優(yōu)點，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用[3]，因此，利用突變體技術(shù)創(chuàng)造變異類型豐富的突變體以擴大高粱種質(zhì)資源具有重要意義[4]。自KALMARK 研究報告了EMS可有效誘導作物突變、擴大種質(zhì)資源以來[5]，不同領(lǐng)域農(nóng)業(yè)工作者已將這一有效技術(shù)廣泛應用在作物育種中。黎杰強等[6]、任婷婷等[7]、曲高平等[8]、CHANG等[9]和NEUFFER 等[10]分別利用 EMS 試劑對作物進行誘變處理，擴大了作物種質(zhì)資源，并篩選出有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的突變體材料。因此，通過EMS 誘變技術(shù)豐富高粱種質(zhì)資源，篩選有價值的高粱突變體材料用于遺傳育種是一種安全高效的途徑。

在高粱EMS 誘變育種方面，王春語等[11]報道20 h＋0.2% EMS 為最佳的誘變處理高粱BTx623的時間和濃度，并對突變體的表型及育性等進行了篩選和鑒定。XIN 等[12]報道，利用EMS 誘變高粱Tx623，可獲得變異類型豐富的突變體。前人研究多集中于高粱Tx623，對其他高粱優(yōu)異品種研究較少。

本試驗通過不同濃度EMS 溶液誘變處理高粱優(yōu)良保持系11494B 和11476B，旨在研究EMS 誘變效應，為高粱優(yōu)異種質(zhì)資源的創(chuàng)制及篩選提供理論基礎。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試材料為高粱保持系11494B 和11476B，由山西農(nóng)業(yè)大學（山西省農(nóng)業(yè)科學院）高粱研究所選育。11494B 株高92.7 cm，生育期114 d，穗長30.8 m，穗粒質(zhì)量84.5 g，千粒質(zhì)量27.5 g，圓形白粒，褐色穎殼，中緊穗型，紡錘型穗形，無芒，分蘗弱。11476B株高138 cm，生育期128 d，穗長34.7 m，穗粒質(zhì)量68.6 g，千粒質(zhì)量27.8 g，紅粒，褐色穎殼，中散穗型，長紡錘型穗形。甲基磺酸乙酯（EMS）由美國Sigma公司生產(chǎn)。

1.2 試驗方法

試驗于2019 年在山西農(nóng)業(yè)大學（山西省農(nóng)業(yè)科學院）高粱研究所試驗基地進行。篩選11494B 飽滿種子 500 粒 /份，共計 15 份，分別用 0（CK）、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%濃度的EMS 溶液浸種處理12 h，自來水沖洗4 h 后自然晾干，3 次重復。11476B 的處理同上。采用隨機區(qū)組設計，小區(qū)面積10 m（22.5 m×4.0 m），于2019 年5 月上旬穴播于山西農(nóng)業(yè)大學高粱研究所試驗基地，采用常規(guī)田間管理。

1.3 測定指標及方法

播種后42 d 計算相對成苗率、單株套袋收種、花期對高粱全部表型指標（株高、穗型、葉片、成熟期和育性）進行統(tǒng)計并計算表型變異率。

本試驗將植株自交單穗結(jié)實率即育性分為4個等級作為植株育性評價指標[13]，即育性＝0、育性≤10%、10%＜育性≤50%和育性＞50%。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用 Microsoft Excel 和 SPSS Statistic 19.0 軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度EMS 浸種對高粱相對成苗率的影響

不同濃度EMS 浸種對11494B 和11476B 保持系的相對成苗率有一定的抑制作用。從圖1 可以看出，隨施藥濃度的增加，2 個種質(zhì)高粱相對成苗率均逐漸降低，0.25%、0.30%、0.35%處理與CK 間差異均達極顯著水平（P＜0.01）。與 CK 相比，11494B 相對成苗率分別降低 2.68%、23.38%、33.78%和38.25%，11476B 相對成苗率分別降低 42.02%、55.78%、61.35%和63.83%。同一處理水平下，11476B相對成苗率顯著低于11494B，且施藥后降低幅度大于11494B，0.20%、0.25%、0.30%處理相對成苗率在2 個種質(zhì)間差異均達極顯著水平（P＜0.01）。表明不同濃度EMS 浸種對高粱11494B 和11476B 相對成苗率的影響存在種質(zhì)差異，同一濃度EMS 處理，11476B 的相對成苗率降低幅度更大，對EMS 浸種更為敏感。

2.2 不同濃度EMS 浸種對高粱株高變異率的影響

EMS 處理后，2 個高粱種質(zhì)株高出現(xiàn)2 種類型的明顯變異：一是矮稈突變；二是高稈突變。由圖2可知，隨施藥濃度的增加，2 個種質(zhì)高粱株高變異率逐漸升高，0.20%、0.25%、0.30%處理與CK 間差異均達極顯著水平（P＜0.01）；與 CK 相比，11494B株高變異率分別提高15.04%、21.18%、26.46%和48.59%，11476B 株高變異率分別提高 25.58%、26.93%、39.16%和56.10%。表明不同濃度EMS 浸種對高粱11494B 和11476B 株高變異率的影響存在種質(zhì)差異；同一濃度EMS 處理，11476B 的株高變異率變化幅度更大，對EMS 浸種更為敏感。

2.3 不同濃度EMS 浸種對高粱育性變異率的影響

育性是決定結(jié)實率形成作物產(chǎn)量的重要指標[14]。由圖3 可知，2 個種質(zhì)高粱當代結(jié)實率均隨EMS 濃度增加而逐漸降低，育性變異率隨EMS 濃度增加而逐漸增高；與CK 相比（對照組變異率為0），11494B 完全不育變異率分別提高27.37%、35.42%、61.59%和 83.55%，11476B 完全不育變異率分別提高19.05%、50.86%、70.30%和90.48%。表明EMS 浸種能夠一定程度影響高粱育性，降低植株結(jié)實率，且EMS 濃度越高對育性的影響越大。

2.4 不同濃度EMS 浸種對高粱葉形、穗型和成熟期變異率的影響

由圖4 可知，不同濃度EMS 浸種對11494B 和11476B 這2 個種質(zhì)高粱葉形變異率存在一定影響，施藥后，2 個種質(zhì)高粱葉形變異率變化總趨勢一致，均隨著EMS 濃度的增加而增加，0.20%、0.25%、0.30%、0.35%處理與CK 間差異均達極顯著水平（P＜0.01），但因種質(zhì)不同影響不同。與CK 相比，11494B 葉形變異率分別提高7.62%、12.84%、27.14%和29.21%，11476B 葉形變異率分別提高9.34%、13.31%、17.55%和 20.76%。0.20%處理和0.25%處理水平下，EMS 處理對11476B 葉形變異率的促進作用高于11494B；0.30%處理和0.35%處理水平下，EMS 處理對11494B 葉形變異率的促進作用高于11476B，表明不同濃度EMS 浸種對高粱11494B 和11476B 葉形變異率的影響存在種質(zhì)差異，低濃度下，11476B 對EMS 處理更為敏感，高濃度下11494B 對EMS 更為敏感。

不同濃度 EMS 浸種對 11494B 和 11476B 這2 個種質(zhì)高粱穗型變異率存在一定影響，施藥后，2 個種質(zhì)高粱穗型均發(fā)生部分變異，變異類型主要為穗變長、變短、變松散、變緊湊。由圖4 可知，隨施藥濃度的增加，2 個種質(zhì)高粱穗型變異率逐漸增大，0.25%、0.30%、0.35%處理與CK 間差異均達極顯著水平（P＜0.01），但因種質(zhì)不同影響不同。與CK 相比，11494B 穗型變異率分別提高2.87%、5.28%、7.54%和 9.12%，11476B 穗型變異率分別提高1.00%、4.98%、5.85%和8.45%；同一處理水平下，11494B 穗型變異率均高于11476B。表明EMS 浸種能夠一定程度上影響高粱穗型，且EMS 濃度越高對穗型的影響越大；同一濃度EMS 處理，11476B 的穗型變異率變化幅度更大，對EMS 浸種更為敏感。

不同濃度 EMS 浸種對 11494B 和 11476B 這2 個種質(zhì)高粱成熟期均存在一定影響，2 個種質(zhì)高粱成熟期出現(xiàn)了早熟和晚熟2 種類型變異，且多為晚熟突變體。EMS 誘變處理后，11494B 和11476B成熟期變異率的變化總趨勢一致，均隨著EMS 濃度的增加而增加，0.20%、0.25%、0.30%、0.35%處理與CK 間差異均達極顯著水平（P＜0.01），但因種質(zhì)不同影響不同。與CK 相比，11494B 成熟期變異率分別提高2.87%、4.61%、9.91%和 11.13%，11476B成熟期變異率分別提高4.44%、7.62%、11.53%和15.52%；同一處理水平下，11476B 成熟期變異率均高于11494B，表明11476B 對EMS 浸種更為敏感。

3 討論

3.1 構(gòu)建高粱EMS 誘變突變體庫的最佳處理條件

構(gòu)建飽和突變體庫，可有效創(chuàng)制高粱新的優(yōu)異種質(zhì)資源，為高粱新品種選育提供有效途徑[3]。不同作物對EMS 耐受力不同，因此，在使用EMS 構(gòu)建突變體庫時需要考慮EMS 誘變濃度和誘變時間，一般以半致死濃度和時間作為誘變標準[15]，即種子的相對成苗率應控制在50%左右為宜。本研究結(jié)果表明，高粱相對成苗率隨EMS 濃度的增加而逐漸降低，同一處理水平，11476B 對 EMS 處理比11494B 更為敏感，即EMS 對11476B 的相對成苗率影響更大。因此，構(gòu)建高粱突變體庫，從相對成苗率方面考慮，0.35% EMS 和 0.20% EMS 浸種12 h可分別作為11494B 和11476B 構(gòu)建突變體庫的誘變條件。

構(gòu)建飽和突變體庫除了要調(diào)查相對成苗率，單穗結(jié)實率即育性也是需要考慮的重要因素。一般情況下，構(gòu)建突變體庫時，其突變體結(jié)實率一般控制在10%～20%[11]。本研究結(jié)果表明，EMS 處理濃度為0.30%時，11494B 和11476B 結(jié)實率分別為38.40%和 29.70%，EMS 處理濃度為 0.35%時，11494B 和11476B 結(jié)實率分別為16.45%和9.52%。因此，構(gòu)建高粱突變體庫，從育性方面考慮，建議0.35%EMS浸種12 h 作為11494B 構(gòu)建突變體庫的誘變條件，而11476B 應選擇0.30%～0.35%的EMS 浸種12 h，作為構(gòu)建突變體的誘變條件。

綜合2 個因素考慮，推薦0.35%、0.30%的EMS浸種12 h 分別作為11494B 和11476B 構(gòu)建突變體庫的最佳條件，這與范昕琦等[4]的研究結(jié)果相似。

3.2 不同濃度EMS 浸種對不同高粱種質(zhì)表型性狀的影響

株高對作物種植密度、抗倒性和光合效能有著非常重要的影響，矮化育種是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要育種目標，篩選植株矮小、株型緊湊、抗倒伏能力強的矮化突變體，有利于培育耐密植高粱雜交種[16]。本研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)EMS 浸種處理后，2 個種質(zhì)高粱株高出現(xiàn)2 種類型的明顯變異：一是矮稈；二是高稈突變，且矮稈突變頻率高于高稈，這是因為EMS 誘變具有隨機性和不定向性。張安星等[17]用0.8%的EMS誘導水稻一目惚種子，成功獲得穩(wěn)定遺傳的矮化突變體E58。劉凱等[18]通過EMS 誘變獲得遺傳穩(wěn)定的水稻顯性矮稈突變體Dy。本研究發(fā)現(xiàn)，2 個種質(zhì)株高變異率均隨著EMS 濃度的增加而增加，EMS 處理對11476B 的株高變異率影響更大。綜合各因素考慮，建議0.35%EMS 和0.30%EMS 浸種12 h 可分別作為11494B 和11476B 篩選株高突變體的誘變條件。

穗的大小、長度及緊密程度等是作物產(chǎn)量潛力增加的主要貢獻因素[19]。何宗順等[20]在水稻突變體庫中鑒定了一個穗長變短、一次枝梗和二次枝梗數(shù)目減少的突變體。本研究通過EMS 誘變，發(fā)現(xiàn)處理后部分穗型長度及緊密度發(fā)生了明顯變化，穗長不變、穗變散主要是穗的枝梗長度及數(shù)量發(fā)生變異導致，且穗發(fā)生突變后一般不能結(jié)實或結(jié)實率很低，2個種質(zhì)穗型變異率均隨著EMS 濃度的增加而增加，11494B 穗型變異率對 EMS 處理比 11476B 更為敏感，0.35%EMS 浸種 12 h 可作為 11494B 和11476B 篩選葉形、穗型突變體的適宜條件。

篩選葉片窄小、葉夾角小的突變體用于合理密植，可充分發(fā)揮土、肥、水、光、氣、熱的效能，有利于構(gòu)建生長協(xié)調(diào)、高產(chǎn)的作物群體。SAKAMOTO 等[21]研究表明，利用矮稈突變體構(gòu)建的作物群體，種植密度加大，從而使產(chǎn)量得以提升。方云霞等[22]通過對水稻進行EMS 誘變處理獲得皺曲葉突變體rtl1。本研究表明，低濃度下，11476B 對EMS 處理更為敏感，高濃度下11494B 更為敏感，0.35%的EMS 可作為11494B 和11476B 篩選葉形突變體的適宜條件。葉片突變除了常見的葉形突變，即葉片變長、變短、變寬、變窄等外，葉色突變也常常發(fā)生[23]。近年來，葉色突變體在基礎研究以及生產(chǎn)實踐中受到廣泛應用。葉色突變可以作為標記去輔助育種，檢測雜交種的純度，在育種上起著重要作用[24]。

開花是植物由營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)入生殖生長的標志[25]。彭波[26]研究發(fā)現(xiàn)，EMS 對控制株高、分蘗以及早熟性的相關(guān)基因具有較強的誘變作用。本研究表明，2 個種質(zhì)成熟期變異率均隨EMS 濃度的增加而增大，11494B 成熟期變異率對EMS 處理比11476B更為敏感。EMS 誘變處理后，2 個種質(zhì)高粱生長發(fā)育減緩，開花期受到明顯影響，多數(shù)突變體表現(xiàn)為開花期延遲，因此，誘變后突變體多為晚熟突變體。

本研究明確了11494B 和11476B 構(gòu)建突變體庫和篩選矮稈、葉形、穗型和成熟期突變體的適宜條件，為高粱優(yōu)異種質(zhì)資源的創(chuàng)制及篩選提供理論基礎。后續(xù)一方面將優(yōu)異的突變材料用于高粱雜交育種中，另一方面將篩選具有代表性的材料進行相關(guān)基因定位及功能研究。

4 結(jié)論

本研究通過不同濃度EMS 溶液處理高粱優(yōu)良保持系11494B 和11476B，分析EMS 處理對高粱相對成苗率、株高、葉片、穗型、育性和成熟期的影響，確定了高粱EMS 處理的最適條件。高粱誘變育種時，0.35%EMS 和 0.30%EMS 浸種 12 h 可分別作為11494B 和11476B 構(gòu)建突變體庫和篩選株高突變體的適宜條件；0.35%EMS 浸種12 h 可作為11494B 和11476B 篩選葉形、穗型和成熟期突變體的適宜條件。