谷子EMS矮稈突變體的產(chǎn)量性狀分析

王君杰 王海崗 陳 凌 胡奮山 閆志明 喬治軍

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)基因資源研究中心/農(nóng)業(yè)部黃土高原作物基因資源與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/雜糧種質(zhì)資源發(fā)掘與遺傳改良山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030031)

文章編號：1000-8551(2022)12-2330-08

谷子(Setariaitalica)起源于我國，具有抗旱、耐鹽、耐瘠薄、水分利用率高等特點(diǎn)，同時(shí)具有營養(yǎng)均衡、糧飼兼用等特點(diǎn)，在距今6 000～7 000年的新石器時(shí)代早中期完成了馴化，并逐步取代黍稷成為農(nóng)耕文化的主栽作物[1-3]。隨著生活水平的不斷提高，人們對健康食品、功能食品的需求越來越高，谷子等雜糧作為營養(yǎng)健康食品，其消費(fèi)需求不斷上升[4]。谷子較水稻、玉米、小麥等作物在基礎(chǔ)研究、種植面積等方面具有一定差距，但在小雜糧中占主導(dǎo)地位。我國谷子產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的80%，種植區(qū)域主要分布在我國北方干旱及半干旱地區(qū)，其中2/3種植在華北最嚴(yán)重的干旱地區(qū)[5]。目前，我國保存有谷子種質(zhì)資源28 915份，占世界總量的73%，保存量占世界第一[6]。由于谷子屬于二倍體，基因組大小約為423 Mb[7]，同時(shí)具有C4高效光合特性，勢必推動(dòng)谷子作為模式作物進(jìn)行研究，且其功能基因的挖掘?qū)⒊蔀楣茸拥闹匾芯糠较颍虼?，?gòu)建谷子突變體庫有助于豐富谷子遺傳多樣性和功能基因的挖掘，可為谷子分子生物學(xué)、細(xì)胞遺傳學(xué)、基因組學(xué)的研究提供材料。

甲基磺酸乙酯(ethyl methane sulfonate，EMS)誘變是目前最有效的化學(xué)誘變技術(shù)之一，具有突變率高、操作簡單、育種成本低等優(yōu)點(diǎn)[8]，但EMS突變具有很大的隨機(jī)性，以及突變方向不確定性[9]。前人在水稻[10]、小麥[11]、谷子[12]、大豆[13]等作物上通過EMS誘變技術(shù)選育出優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的新品種。此外，前人利用谷子突變體材料已挖掘出窄穎花[14]、小穗[15]、黃葉色[16]、類病斑[17]、穗頂端敗育[18]、條紋葉[19-20]等性狀的功能基因。楊慧卿等[21]建立了谷子突變體信息平臺(tái)，為育種工作者提供了豐富的優(yōu)異資源，但平臺(tái)缺乏主莖節(jié)數(shù)、單株稈重等田間性狀及品質(zhì)性狀數(shù)據(jù)，需進(jìn)一步補(bǔ)充完善。

前人對谷子EMS誘變的最佳條件已有報(bào)道，王軍等[12]和李偉等[22]研究指出1.0%的EMS濃度處理8 h能獲得大量谷子突變體材料；李顏方等[23]研究發(fā)現(xiàn)最佳的谷子誘變條件為1.0%處理10 h；王春芳等[24]闡明不同谷子品種對EMS 的敏感性不同，冀谷31的最佳誘變條件為1.0%處理6 h，冀谷25的最佳誘變條件為0.8%處理10 h。

突變體是作物遺傳學(xué)研究中必不可少的重要材料，需要不斷進(jìn)行完善和擴(kuò)充。目前EMS突變體庫的構(gòu)建主要集中在豫谷1號、晉谷21和長農(nóng)35等谷子材料。鑒于此，本研究以晉谷40為試驗(yàn)材料，該品種米色金黃，穗型為紡錘形，抗旱性強(qiáng)，抗逆性優(yōu)于晉谷21[25]，采用1%的EMS誘變濃度處理10 h，旨在建立以晉谷40為背景的突變體庫；同時(shí)，為了篩選出高產(chǎn)、早熟、矮稈和適應(yīng)機(jī)械化的谷子材料，本試驗(yàn)以篩選的晉谷40矮稈突變體材料為背景，測定成熟期不同誘變材料的主穗長、穗粗、單株穗重、單株粒重和千粒重，分析產(chǎn)量指標(biāo)的差異變化，以期為育種家和遺傳學(xué)家提供優(yōu)異的突變材料。

1 材料與方法

1.1 種子處理

以晉谷40號為試驗(yàn)材料，由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)作物研究所提供。2019年選用500 g籽粒飽滿的種子進(jìn)行EMS誘變：利用Na2HPO4和NaH2PO4配置pH值為7.0的磷酸緩沖液；把種子分成5份，每份100 g，分別放入5個(gè)1 000 mL的廣口瓶，每個(gè)廣口瓶加200 mL磷酸緩沖液、2 mL EMS；把廣口瓶放在搖床上處理10 h，使種子充分吸收藥劑；10 h后在廣口瓶中加入硫代硫酸鈉對藥劑進(jìn)行中和，把誘變種子裝入紗網(wǎng)袋用自來水沖洗0.5 h，自然晾干備用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2019和2020年的5-10月在山西省忻州市定襄縣良種場進(jìn)行谷子種植，當(dāng)年收獲后單株分別為M1和M2代；2020年11月-2021年3月在海南三亞利國鎮(zhèn)沖坡村對M2代單株進(jìn)行種植，收獲后為M3代；2021年5-10月在忻州定襄良種場對M3代單株進(jìn)行種植，收獲后為M4代。定襄土壤性質(zhì)為壤土，三亞為砂土，溫度、光照、水分等環(huán)境資源適宜谷子的生長發(fā)育。2019年谷子播前施有機(jī)肥羊糞3×105kg·hm-2和復(fù)合肥(氮∶磷∶鉀N∶P∶K=28∶6∶6)3 000 kg·hm-2，5月27日播種，10月11日收獲，M1代運(yùn)用精量播種機(jī)進(jìn)行單株穴播，株距10 cm，行距30 cm，使單株在生長發(fā)育期間表型充分表達(dá)，谷子生育期間不間苗，在5葉期和拔節(jié)期進(jìn)行中耕除草，抽穗期進(jìn)行起壟培土，M1代與親本有明顯表型變異的單株進(jìn)行掛牌記載，第一株突變體編號為E1，以此類推，成熟后其他單株混合收獲。2020年對2019年收獲的M1代單株進(jìn)行單穗種植，種植2行，行長2 m，混合收獲的種子進(jìn)行單株穴播，種植方式和田間管理同2019年一致，對M2代的表型突變單株掛牌記載。在M2～M4代對篩選的變異單株種植2行，行長2 m，從每個(gè)變異材料的穗行中篩選1個(gè)優(yōu)異單穗進(jìn)行套袋，防止異交用于加代繁殖。

1.3 性狀調(diào)查

M1～M3代在谷子生育期間調(diào)查抽穗期、莖粗、成熟期、株高、籽粒顏色、穗型、抗逆性、剛毛、不育性、穗軸、穎殼色、緊實(shí)度等差異表型性狀，并在成熟期單穗收獲，剩余單穗混合收獲。M4代對穩(wěn)定的中矮桿變異材料進(jìn)行主穗長、穗粗、單株穗重、單株粒重和千粒重的測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2007對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，用 DPS 6.50 統(tǒng)計(jì)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，采用SPSS 20統(tǒng)計(jì)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，采用Origin 2021軟件進(jìn)行作圖分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 突變體材料的篩選及分類

2019—2020年對M1和M2代誘變材料進(jìn)行表型差異材料的篩選，表型差異主要分為株高、穗型、莖粗、不育性、剛毛、抗拿撲凈、穎殼色、抽穗期、生育期、籽粒顏色、緊實(shí)度、抗逆性、單株穗重13類，共332個(gè)表型突變單株。圖1中，CK為晉谷40葉片正常生長狀態(tài)；病害表現(xiàn)為葉片自下而上葉尖和邊緣呈黃色(圖1-A)；株高表現(xiàn)為較親本材料主莖長明顯縮短(圖1-B)；抽穗期表現(xiàn)為較親本材料抽穗早或晚(圖1-C)；圖1-D為特早熟材料，生育期僅為64 d，且植株矮??；圖1-E為抗拿捕凈材料，在谷子4葉期噴灑拿捕凈除草劑選育而成；圖1-F為變異材料單株穗重明顯高于親本材料，具有明顯的增產(chǎn)優(yōu)勢；圖1-G為谷子不育材料，表現(xiàn)為半不育和高度雄性不育；緊實(shí)度表現(xiàn)為穗軸上小穗之間排列緊密(圖1-H)；穗型變異表現(xiàn)為親本材料的紡錘形突變?yōu)殚L鞭形和直筒形(圖1-I、J)；圖1-K表現(xiàn)為突變材料剛毛變長。

注：CK:正常植株；A:抗逆性；B:株高；C:抽穗期；D:生育期；E:抗除草劑；F:單株穗重；G:不育性；H:緊實(shí)度；I:穗型1；J:穗型2；K:剛毛。Note: CK: Normal plant. A: Stress resistance. B: Plant height. C: Heading. D: Growth period. E: Herbicide resistant. F: Panicle weight per plant. G: Sterility. H: Compactness. I: Panicle type 1. J: Panicle type 2. K: Bristly.圖1 不同突變體材料的表型性狀Fig.1 Phenotypic traits of different mutant materials

2.2 突變體表型變異分析

由表1可知，EMS處理的各個(gè)表型性狀變異系數(shù)明顯高于親本晉谷40(CK)，表明表型性狀受EMS誘變的影響較大，以此方法可以獲取較多的突變材料。以抽穗期的變異系數(shù)最小，CK和EMS處理分別為0.79%和11.03%，可能是由于抽穗期較其他表型性狀受更多基因控制，基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)較復(fù)雜，導(dǎo)致抽穗期突變頻率較??；以EMS誘變的株高變異系數(shù)最大，為41.25%。

表1 表型性狀變異系數(shù)分析Table 1 Analysis of variation coefficient in phenotypic traits /%

2.3 產(chǎn)量指標(biāo)的差異分析

在矮稈突變體材料中，篩選出莖粗、穗型、成熟期、剛毛、粒色等差異明顯的20份突變體材料(表2)。以M4代穩(wěn)定的中矮稈突變體為研究材料，測定了成熟期中矮稈材料的主穗長、穗粗、單株穗重、單株粒重和千粒重，對篩選的20份突變材料和CK進(jìn)行方差分析，由圖2可知，EMS誘變處理能明顯改變谷子穗型，主要變異的穗型為鞭形(E-60)、直筒形(E-107)和棍棒形(E-40)。其中E-60的主穗長最長，為36.17 cm，穗型為長鞭形，較CK增長48.66%，顯著高于其他材料；E-68的主穗長最小，為17.83 cm，較CK減小26.72%，穗型為直筒形。親本晉谷40的穗型為紡錘形，突變體的穗型包括紡錘形、長鞭形、直筒形和棍棒形，可見該變異材料為谷子穗型的分子生物學(xué)研究提供了基礎(chǔ)材料。

表2 不同矮稈突變體材料的表型特性Table 2 Phenotypic characteristics of different dwarf mutant materials

注：不同小寫字母表示在P<0.05水平上差異顯著。下同。Note: Different lowercase letters indicate significantly difference at 0.05 level. The same as following.圖2 不同材料的主穗長分析Fig.2 Analysis of main spike length for different materials

由圖3可知，不同變異材料的穗粗與穗型密切相關(guān)，直筒型的穗粗優(yōu)于紡錘形。以突變體材料E-68的穗粗最大，為4.19 cm，穗型為直筒形，顯著高于其他突變體材料(E-98除外)，較CK增高12.33%； E-77 穗粗最小，為2.15 cm，較CK減小42.36%。E-77 的穗型為紡錘形，與親本晉谷40一致，穗的大小和株高均顯著低于親本，初步認(rèn)為E-77為晉谷40的矮化材料。

圖3 不同材料的穗粗分析Fig.3 Analysis of spike diameter for different materials

單株穗重和單株粒重是影響作物產(chǎn)量的主要指標(biāo)之一，其重量大小直接決定產(chǎn)量的高低。由圖4可知，單株穗重和單株粒重都以突變體材料E-98的最大，分別為47.66和39.47 g，較CK增加29.90%和28.36%；以E-77的最小，分別為15.92和13.84 g，較CK減小56.61%和54.99%。不同突變體材料之間單株穗重和單株粒重差異較大，單株穗重和單株粒重與產(chǎn)量密切相關(guān)，產(chǎn)量隨著穗粒重的增加而增加，可以篩選穗粒重大的突變體材料作為谷子高產(chǎn)的重要材料，E-13和E-58具有早熟特性，單株穗重和單株粒重僅次于E-98，穗型均為紡錘型，與親本一致，可以把其作為谷子矮稈、早熟和高產(chǎn)新品種選育的理想材料。超早熟和超矮桿材料由于其生育期短、植株矮小等特性，嚴(yán)重減少植株生物量的積累，從而影響產(chǎn)量性狀指標(biāo)(穗粒數(shù)、千粒重)的增加，最終導(dǎo)致產(chǎn)量減低，如E-77變異單株，雖然其不能直接應(yīng)用于大田生產(chǎn)，但可以作為分子生物學(xué)研究、挖掘株高和抽穗基因的優(yōu)異材料。

圖4 不同材料的單株穗重和單株粒重分析Fig.4 Analysis of panicle weight and grain weight per plant for different materials

作物產(chǎn)量與千粒重呈正相關(guān)，即穗粒數(shù)一定的情況下，千粒重越大，產(chǎn)量就越高。由圖5可知，以突變體材料E-39的千粒重最大，為3.77 g，顯著高于其他突變體材料(E-71和E-78除外)，較CK增高15.16%，E-68千粒重最小，為2.97 g，較對照CK減小9.17%。E-68穗型為直筒形，雖然穗粗值最大，但其主穗長和千粒重最小，一定程度減小了單株穗粒重。

圖5 不同材料的千粒重分析Fig.5 Analysis of 1 000 grain weight for different materials

2.4 產(chǎn)量性狀的相關(guān)性分析

影響作物產(chǎn)量的主要因素有畝穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重，但不同性狀對產(chǎn)量具有不同程度的影響，彼此之間既相互聯(lián)系，又相互制約。由表3可知，產(chǎn)量指標(biāo)間具有顯著的相關(guān)性，單株穗重和單株粒重呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99；穗粗與單株穗重和單株粒重呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.68和0.62；主穗長和千粒重呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.45，與單株穗重和單株粒重呈不顯著正相關(guān)；千粒重與穗粗、單株穗重和單株粒重呈不顯著負(fù)相關(guān)。綜上可知，作物獲得高產(chǎn)的穗型理想指標(biāo)為穗粒重高、穗粗壯、粒數(shù)多、主穗長、千粒重大。

表3 產(chǎn)量指標(biāo)間的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis between yield indexes

3 討論

王軍等[12]和王春語等[26]報(bào)道指出，由于EMS處理的M1代突變類型為雜合體，且大多數(shù)突變屬于隱形突變，不宜鑒定，所以表型差異不明顯，一般不進(jìn)行田間選擇。本研究在M1代篩選出1株特早熟矮稈的變異材料，且在M2～M4代表現(xiàn)出性狀穩(wěn)定遺傳，推測該基因型為顯性純合體。EMS誘變?yōu)辄c(diǎn)突變，突變后代較易穩(wěn)定，McCallum等[27-28]利用靶向基因組中誘導(dǎo)的局部病變(targeting induced local lesions in genomes，TILLING)方法解除了化學(xué)誘變點(diǎn)突變的限制，能快速有效地從突變?nèi)后w中鑒定出點(diǎn)突變；Greene等[29]證實(shí)了TILLING方法的穩(wěn)定性和可靠性。本研究中M4代多個(gè)突變體材料性狀基本穩(wěn)定，得益于EMS具有突變范圍廣且突變性狀穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，得到了基于谷子矮桿的20個(gè)突變體材料，用于產(chǎn)量性狀的評價(jià)分析。由于本研究主要通過田間表型數(shù)據(jù)篩選突變體，缺乏分子水平的鑒定，Taheri等[30]綜述了TILLING技術(shù)結(jié)合高分辨率熔解曲線(high-resolution melting，HRM)和下一代測序(next-generation sequencing，NGS)技術(shù)在誘變育種中篩選突變體和發(fā)現(xiàn)SNP的應(yīng)用，因此下一步需結(jié)合生物技術(shù)，對EMS突變體進(jìn)行篩選和鑒定。

晉谷40號具有商品品質(zhì)好、食味品質(zhì)優(yōu)等特性，但具有生育期長、植株高等劣勢。本試驗(yàn)利用EMS誘變晉谷40號，篩選出以矮稈為背景的20份優(yōu)異突變體材料，包含了粒色、穗型、成熟期、剛毛等表型性狀。穗型的變化顯著減低了單株穗重和單株粒重，相吉山等[31]通過EMS誘變研究了谷子突變體穗型、穗碼緊實(shí)度、穗下節(jié)間長度等表型性狀和千粒重、主穗重等產(chǎn)量性狀，突變體的表型具有顯著差異，穗型的變化顯著降低谷子穗粒重，這與本試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

生育期長一定程度上限制了作物種植的廣適性。晉谷40號由于其生育期較長，僅適合種植在無霜期長的地區(qū)。本試驗(yàn)通過EMS誘變晉谷40號，篩選出早熟、高產(chǎn)的突變體材料，E-13和E-58的選育給育種家和分子生物學(xué)的研究提供了基礎(chǔ)材料。張彬等[32]研究得出EMS誘變糜子后，在M2代發(fā)現(xiàn)一株超早熟變異材料，生育期僅為55～60 d，比對照縮短了約30 d，為糜子廣適性育種提供了材料；本試驗(yàn)得出在M1代發(fā)現(xiàn)一株矮稈、早熟的谷子材料，比對照生育期縮短了約48 d。因此，可利用上述早熟材料改良晉谷40號的生育期，從而提高該品種種植的廣適性。

本研究發(fā)現(xiàn)突變材料E-68穗型為直筒形，雖然穗粗值最大，但千粒重最小。相吉山等[31]和Xiang等[33]研究表明改變谷子穗型后，千粒重顯著減低，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致。突變體E-77的產(chǎn)量性狀均較小，穗型與親本一致，株高顯著低于親本，初步鑒定為晉谷40的矮化材料。株高矮化是谷子抗倒伏性的重要指標(biāo)之一，該突變材料的選育對親本分子機(jī)制的研究具有重要意義。

谷子突變體的表型主要集中在苗期性狀(白化苗)、莖稈性狀(株高、分蘗性、莖粗、節(jié)數(shù))、葉片性狀(葉鞘色、葉型)、穗型性狀(穗長、穗粗、穗緊實(shí)度、穗型、單株穗重、單株粒重、千粒重)、籽粒性狀(粒色、米色、粒型)、生理性狀(抗逆性、育性、生育期)[5]。本研究篩選出剛毛長短、抗拿撲凈、黃粒色和褐米色的谷子突變體材料，在一定程度上豐富了谷子的遺傳多樣性。目前，前人的研究主要集中在表型鑒定，缺乏品質(zhì)性狀的鑒定，所以今后更多地需要對品質(zhì)性狀進(jìn)行鑒定。

4 結(jié)論

本研究通過EMS誘變晉谷40，在M1代篩選出表型差異明顯的332個(gè)優(yōu)異單株；M4代測定了20個(gè)矮稈突變體材料的產(chǎn)量性狀指標(biāo)，得出3個(gè)矮稈、早熟、高產(chǎn)的理想育種材料，分別為E-13、E-58和E-98；E-77 初步定為親本晉谷40的矮化材料。