小麥EMS誘變育種研究進展及其在連云港的應用

任立凱等

摘要：簡述了EMS（甲基磺酸乙酯）誘變育種技術的原理、特點及在小麥誘變育種上的研究進展，介紹了小麥EMS誘變育種技術在連云港地區的應用成果。

關鍵詞：EMS；化學誘變；小麥育種；研究；應用

中圖分類號： S512.103.52文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）09-0080-03

收稿日期：2013-11-20

基金項目：江蘇省連云港市科技計劃農業攻關（編號：CN1202、CG1128）。

作者簡介：任立凱（1981—），男，江蘇徐州人，副研究員，主要從事小麥育種工作。E-mail：renlikai@163.com。小麥EMS（ethyl methane sulfonste，中文名：甲基磺酸乙酯）誘變育種技術就是用EMS作為化學誘變劑處理小麥，誘發其遺傳基因突變，使在短期內獲得有利用價值的突變體，從而為種質創新、新品種培育及基因功能的研究等創造條件。小麥EMS誘變育種與常規育種相比，具有種質創新頻率高、遺傳變異譜寬、育種周期短等特性，有效彌補了小麥常規育種方法短時間難以獲得新性狀和新基因的不足，為豐富遺傳背景、完整構建小麥種子資源庫提供支持。

1EMS誘變育種機理及誘變效應

EMS是一種改變 DNA 結構的烷化劑。自1953年Kolmark首次研究報道雙環氧烷可以有效誘導物種突變[1]，烷化劑就廣泛應用于作物的誘變育種，至今已走過60年的歷程。烷化劑帶有的活潑烷基能夠轉移到其他電子密度高的DNA分子上去，使堿基許多位置上增加了烷基，正是這種烷化作用改變了氫鍵的能力，導致DNA結構發生變化。烷化劑中的功能烷基并不是越多越好，烷基越多帶來的毒性越大，可致供試材料死亡，因此，育種中常用含單功能基的EMS進行處理材料。EMS的烷化作用主要發生在 DNA鳥嘌呤（G）N-7位置上，烷基取代H離子后，使之成為1個帶正電荷的季銨基團，并產生2種效應：一是烷化的鳥嘌呤與胸腺嘧啶配對，導致堿基替換，即G—C變為A—T，發生轉換型的突變；二是鳥嘌呤的N7烷基活化為季銨基團，減弱了N9位上的N-糖苷鍵，致糖苷鍵斷裂造成脫嘌呤。盡管大部分的無嘌呤位點都可以被無嘌呤內切酶系統所修復，但是有時復制在修復之前進行，脫去鳥嘌呤的DNA分子會在進一步復制時，原來的鳥嘌呤位置成了1個空位，其互補位置上的堿基就不受嚴格的配對限制，4種堿基都有機會進入，原來的G—C對可以變為任何堿基對如G—C、C—G、A—T、T—A，既有轉換又有顛換，這種單一堿基對改變而形成的點突變是品種改良和退化特性恢復的價值所在。此外，EMS還可與核苷結構的磷酸發生反應，形成酯類而將核苷酸從磷酸與糖分子之間切斷，產生染色體的缺失，從而造成置換現象。EMS所誘發的DNA結構上的變化，都可能促使不表達的基因或區段被激活，并讓被掩蓋的性狀表現出來[2-3]。

EMS誘變頻率與其他誘變劑相比，其誘變后產生的顯性突變體相對較多，易于進行突變體篩選。另外，EMS化學誘變產生高頻率的點突變，致使染色體畸變相對較少，生理損傷輕，在用于對誘變對象的某一特殊性狀進行改良時，容易得到高產、優質的突變體。EMS誘變范圍廣，產生的突變體類型也相對更豐富[4]。

2小麥EMS誘變育種的研究進展

研究人員用EMS處理大麥種子成功獲得突變體[5]后，就開啟了EMS在小麥育種上應用的大幕，并經多年不懈探索，EMS誘變育種技術在小麥突變體篩選鑒定、種質改良創新等方面取得了很大進展。在國外，Kuraparthy等從構建EMS突變體庫中篩選到控制分蘗的tin3基因，提高了小麥的有效分蘗[6]。Yasui等利用0.5% EMS乙醇溶液（乙醇濃度7%）誘變處理面包小麥cv.Kanto種子，在M2種子中發現了糯質小麥突變體，經過多代選擇鑒定，在世界上首次育成了糯質普通小麥新品系K107wx1和K107wx2[7]。Bernd等用EMS誘導出1個小麥Ge2突變體[8]。Colbert等通過EMS創建了2 500 株普通軟質小麥突變體庫，并推算發現，每12 kb就會有一突變體產生，其創制的突變體庫是目前報道突變頻率最高的[9]。Slade等創建了普通小麥和硬粒小麥的突變體庫，同時以小麥顆粒淀粉合成酶Ⅰ（granule bound starch synthase Ⅰ，GBSSⅠ）基因片段為引物，篩選出1 920個糯性基因小麥突變體，在此基礎上，進一步將EMS化學誘變技術與定向誘導基因組局部突變技術（Targeting Induced Local Lesions IN Genomes，TILLING）相結合，從中再篩選到了246個等位基因，獲得了更加豐富的遺傳信息和有價值的突變個體，并育成糯性較好的小麥新品種[10-11]。

在國內，EMS誘變育種技術也取得顯著進展。（1）在抗性誘變育種方面，張曉勤等利用EMS誘變獲得了大麥抗葉銹病、早熟等突變體[12]；陳洋等用EMS處理抗黃矮病的小麥-中間偃麥草易位系YW642種子，從M2中篩選出32類不同性狀的突變體73株[13]，為小麥抗黃矮病基因克隆和功能基因組學的進一步研究奠定了堅實的材料基礎；姚秋燕等以EMS為誘變劑進行抗條銹Yr近等基因系篩選毒性變異，結果表明，弱毒性菌株CY17和強毒性菌株CY31為小種毒性突變的出發菌株，并證實毒性突變是小麥條銹病菌毒性變異的重要途徑[14]，這為小麥條銹菌致病基因和無毒基因的克隆創建了材料；沈銀柱等以鹽迫為選擇壓力，利用EMS誘發小麥花藥愈傷組織獲得耐鹽再生植株，獲得的耐鹽變異株離開鹽脅迫3代后經鹽池鑒定，后代中有52.9%的品系達到一級耐鹽，表現了一定的遺傳穩定性，耐鹽品系的結實率也逐漸得到恢復，達到92.4%[15]；王瑾等用EMS對溫麥6 號和周麥17的花藥愈傷組織和幼胚愈傷組織進行處理，對EMS誘變處理后分化的224株再生植株，接種到PEG濃度為80 s/L的生根培養基中進行抗旱篩選，共得到13株抗旱植株，平均變異率為5.8%[16]。（2）在小麥EMS誘變材料的選擇方面，其范圍已從常用種子處理擴展到對花粉、分生組織、愈傷組織等的處理，這樣使EMS誘變擺脫了植物生命周期的限制，提高了突變率。施巾幗等用0.3%～0.4%EMS處理冬小麥品種“農大139”授粉7～13 h的休眠合子，發現其M1損傷明顯，M2代的有益突變頻率達12.5%[17]；許耀奎等用化學誘變劑EMS處理春小麥合子，發現合子總突變率為7.91%，比種子處理高405%，合子期處理的突變率是種子期處理的2倍多[18]；周祉禎等用浸泡法處理春小麥合子，發現處理受精卵的突變率是處理種子的2.25倍[19]；崔秋華等采用注射法以不同濃度EMS處理春小麥活體植株的幼穗，染色體畸變率和微核率明顯提高，并發現EMS 在0.1%～0.2%濃度下，染色體畸變率高、出愈率低，高濃度EMS處理降低了出愈率[20]；樸連恩等利用EMS處理小麥合子，進行小麥高蛋白突變體的誘發、篩選和鑒定研究，獲得了比原品種蛋白質含量高3%～4%的突變體[21]。（3）在小麥種質改良創新、品種選育方面，趙天祥等利用EMS突變技術創建了小麥品種偃展4110的突變體庫，并進行形態學分析和鑒定，獲得了幼苗、葉、莖、穗及成熟期等生物學特性與主要農藝性狀的變異體和突變體，特別是發現了自然突變中少見的變異類型，如株高在10～15 cm左右的特矮變異類型[22]；蔣方山等以EMS處理獲取小麥基部小穗不孕突變體材料，觀察農藝性狀與基部不孕小穗的關系，構建了飽和突變體基因庫[23]；薛芳等在高抗性淀粉誘變育種中以春小麥新春11為材料，篩選出7個抗性淀粉含量高且綜合性狀優良的M2突變家系[24]；中國科學院石家莊農業現代化研究所利用EMS處理冬小麥品種，M1代變異率達到15.7%以上，獲得9個早熟、矮稈突變系，比原品種增產2.8%～205%；徐艷花等通過EMS 誘變獲得722份葉、莖、穗和其他性狀發生變異的突變體，利用SDSPAGE 對突變體的高分子量麥谷蛋白亞基進行分析篩選，共發現有21個缺失不同類型亞基的突變體[25]；施巾幗等利用0.3% EMS與200 Gy γ射線復合處理原東3號小麥品種，選育出了抗逆性和適應性強、落黃性好、對條銹與白粉病具有持久抗性、株高85 cm的矮原東3號；李勁松等利用EMS誘變育成了抗條銹、根腐病能力較強的面包型春小麥新品種甘春20號[26]。

3小麥EMS誘變育種技術在連云港的應用

連云港市為黃淮海中強筋專用小麥生產優勢區。近幾年，通過與南京農業大學較深入的科研合作，開展了小麥EMS誘變育種技術應用研究，重點在3個方面取得了一些進展。

3.1利用EMS創建了連麥2號突變體庫

用0.7%EMS磷酸緩沖液對自育主栽品種連麥2號種子進行誘變處理，對獲得的 M2 代植株進行農藝性狀表型篩選，獲得802份葉、莖、穗和其他性狀如育性、生育期、早衰等發生變異的突變體，其中，葉片性狀突變151份、莖性狀突變174份、穗部和籽粒性狀突變197份、育性突變64份、生育期突變102份、早衰突變32份、落黃性突變28份、不抽穗突變47份、死亡突變7份，突變頻率分別為1.83%、2.11%、2.39%、078%、1.24%、0.39%、0.34%、0.57%、0.08%。 為黃淮麥區初步構建了適合當地種植、突變基因豐富的連麥2號 EMS突變體庫，為本地區小麥功能基因組研究和新品種選育提供了基礎材料。

3.2EMS對小麥耐鹽性誘發突變效果較好

從2007年至今，利用EMS誘變技術進行小麥抗鹽突變體研究，并結合鹽濃度梯度對M1、M2進行脅迫方法篩選，這種定向篩選方法對抗逆品種的篩選特別有效。目前，篩選出耐鹽種質中間材料12份，這些材料均在不同程度上表現出優良的耐鹽特性和較好的遺傳配合力。其中，一些已直接納入系圃進行系統選育，并已選到2個特異性突出的穗行，分別為耐鹽早熟的M582-16和耐鹽抗倒的M26-7-2；還有一些作為耐鹽親本中間材料參與構成新的常規組合，如用耐鹽性強的中間材料M62-503組配了3個組合0765×M62-503、（0709×濟22）×M62-503、5152×M62-503，在含鹽045%的鑒定圃上鹽害指數分別僅為0.21、0.34、0.28，其產量分別比親本對照高6.9%、8.1%和9.7%，表現出了較好的綜合抗逆特性。

3.3EMS對小麥粒重誘發突變效果明顯

在黃淮海麥區小麥產量構成中，粒重是影響產量構成要素的短板。隨著施肥水平的提高，小麥育種應以增加穗粒重為主攻方向。選用當地表現適應性強、綜合性狀良好的主栽品種煙農19和淮麥20，用0.5% EMS進行誘變，并對誘變后代粒重突變進行選擇，取得了明顯的選擇效果。共選中突變系86份，千粒質量變幅為32.7～58.1 g，48 g以上8份，比原親平均千粒質量45.2 g高2.8 g；穗粒增重0.33～0.73 g的有13份，增加5 g以上的有2份，其中，突變系M20l -7千粒質量 54 g，增加6.8 g，且綜合性狀較好；突變體M301-07-4千粒質量達58 g，較原親本增加12.8 g，主穗粒重增加 0.64 g，株高在 105 cm 左右，落黃好，是珍貴的大粒資源。

4展望

小麥EMS誘變育種可以創造新的種質資源，在小麥育種實踐中發揮不可替代的作用，但是，應清楚認識到化學突變很多都是不定向的，有些突變會對誘變育種不利。有效添加選擇壓來控制誘變方向，實現定向誘變，進一步提高化學誘變的效率，并對突變后代各變異類型的發生頻率及遺傳規律進行高效分析，對提高突變體的利用效率和選擇的準確性進行深層次的研究，這是EMS誘變育種努力的目標。

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