EMS 誘變對高粱種子萌發及農藝性狀的影響

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

（山西農業大學高粱研究所，高粱遺傳與種質創新山西省重點實驗室，山西晉中030600）

高粱（Sorghum bicolorL.）是我國傳統的五谷之一，可作為優質的糧食、釀醋、釀酒原料，在我國農業生產中占有重要的位置[1]。優異種質資源的創制及篩選是培育高產優質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，常用的種質創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，創造新種質的效率不高。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、能夠產生穩定遺傳的顯性突變、便于獲得有育種價值的突變體材料等優點，在農業生產中得到廣泛應用[3]，因此，利用突變體技術創造變異類型豐富的突變體以擴大高粱種質資源具有重要意義[4]。自KALMARK 研究報告了EMS可有效誘導作物突變、擴大種質資源以來[5]，不同領域農業工作者已將這一有效技術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，擴大了作物種質資源，并篩選出有利于農業生產的突變體材料。因此，通過EMS 誘變技術豐富高粱種質資源，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良保持系11494B 和11476B，旨在研究EMS 誘變效應，為高粱優異種質資源的創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，由山西農業大學（山西省農業科學院）高粱研究所選育。11494B 株高92.7 cm，生育期114 d，穗長30.8 m，穗粒質量84.5 g，千粒質量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，穗粒質量68.6 g，千粒質量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。

1.2 試驗方法

試驗于2019 年在山西農業大學（山西省農業科學院）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。采用隨機區組設計，小區面積10 m（22.5 m×4.0 m），于2019 年5 月上旬穴播于山西農業大學高粱研究所試驗基地，采用常規田間管理。

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）進行統計并計算表型變異率。

本試驗將植株自交單穗結實率即育性分為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 數據分析

使用 Microsoft Excel 和 SPSS Statistic 19.0 軟件對數據進行分析處理。

2 結果與分析

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 個高粱種質株高出現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

育性是決定結實率形成作物產量的重要指標[14]。由圖3 可知，2 個種質高粱當代結實率均隨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 個種質高粱葉形變異率存在一定影響，施藥后，2 個種質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 個種質高粱穗型變異率存在一定影響，施藥后，2 個種質高粱穗型均發生部分變異，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 個種質高粱成熟期均存在一定影響，2 個種質高粱成熟期出現了早熟和晚熟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 構建高粱EMS 誘變突變體庫的最佳處理條件

構建飽和突變體庫，可有效創制高粱新的優異種質資源，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 構建突變體庫的誘變條件。

構建飽和突變體庫除了要調查相對成苗率，單穗結實率即育性也是需要考慮的重要因素。一般情況下，構建突變體庫時，其突變體結實率一般控制在10%～20%[11]。本研究結果表明，EMS 處理濃度為0.30%時，11494B 和11476B 結實率分別為38.40%和 29.70%，EMS 處理濃度為 0.35%時，11494B 和11476B 結實率分別為16.45%和9.52%。因此，構建高粱突變體庫，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 構建突變體庫的最佳條件，這與范昕琦等[4]的研究結果相似。

3.2 不同濃度EMS 浸種對不同高粱種質表型性狀的影響

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，矮化育種是現代農業的重要育種目標，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]。本研究發現，經EMS 浸種處理后，2 個種質高粱株高出現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，成功獲得穩定遺傳的矮化突變體E58。劉凱等[18]通過EMS 誘變獲得遺傳穩定的水稻顯性矮稈突變體Dy。本研究發現，2 個種質株高變異率均隨著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目減少的突變體。本研究通過EMS 誘變，發現處理后部分穗型長度及緊密度發生了明顯變化，穗長不變、穗變散主要是穗的枝梗長度及數量發生變異導致，且穗發生突變后一般不能結實或結實率很低，2個種質穗型變異率均隨著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，可充分發揮土、肥、水、光、氣、熱的效能，有利于構建生長協調、高產的作物群體。SAKAMOTO 等[21]研究表明，利用矮稈突變體構建的作物群體，種植密度加大，從而使產量得以提升。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，葉色突變也常常發生[23]。近年來，葉色突變體在基礎研究以及生產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]。

開花是植物由營養生長轉入生殖生長的標志[25]。彭波[26]研究發現，EMS 對控制株高、分蘗以及早熟性的相關基因具有較強的誘變作用。本研究表明，2 個種質成熟期變異率均隨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 個種質高粱生長發育減緩，開花期受到明顯影響，多數突變體表現為開花期延遲，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，為高粱優異種質資源的創制及篩選提供理論基礎。后續一方面將優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基因定位及功能研究。

4 結論

本研究通過不同濃度EMS 溶液處理高粱優良保持系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。