137Cs-γ 射線輻射和EMS 處理對海島棉的誘變效應分析

張磊磊，馬志華，洪 梅，陳晉瑞，范阿棋，吐爾遜·吐爾洪

（新疆巴音郭楞蒙古自治州農(nóng)業(yè)科學研究院/國家農(nóng)業(yè)農(nóng)村部新疆早中熟及早熟陸地棉、長絨棉科學觀測實驗站，新疆 庫爾勒 841000）

海島棉（G.barbadenseL.）品質(zhì)優(yōu)良，纖維柔長，是主要的優(yōu)質(zhì)棉來源[1]，是高端色織、家紡等國內(nèi)頂尖產(chǎn)品和出口的高附加值紡織品及服裝的主要原材料。長期以來，海島棉生產(chǎn)在優(yōu)化棉花種植結(jié)構(gòu)、滿足我國高端紡織工業(yè)對高檔原料的需求、促進國家棉花產(chǎn)業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用。新疆海島棉育種歷史悠久，自20 世紀50 年代海島棉成功引進以來，新疆海島棉育種經(jīng)歷了引種、系統(tǒng)選育、雜交育種等多個育種階段，培育、審定出76 個綜合性狀比較優(yōu)良的海島棉新品種[2]，形成了具有區(qū)域生態(tài)特點的育種技術(shù)體系，為新疆的棉花生產(chǎn)發(fā)揮了重要的作用[3]。但從系譜來源看，新疆海島棉品種的骨干親本較少，主要來源于中亞埃及型，株型多為零式分枝筒型或零式分枝和I 型混生緊湊型[4]，其遺傳背景單一，遺傳基礎狹窄[5-7]，制約了新疆海島棉資源的創(chuàng)新和發(fā)展。因此，加快豐富海島棉遺傳背景，誘發(fā)海島棉獲得更多有價值的突變，開展新疆海島棉誘變育種意義重大。

誘發(fā)突變是通過人為地利用物理、化學或生物等因素處理植物材料，誘發(fā)植物產(chǎn)生遺傳物質(zhì)的變異，在短時間內(nèi)獲得極高利用價值的突變體[8-9]，遠高于自然界中發(fā)生的自發(fā)性突變[10]，且能夠誘發(fā)產(chǎn)生出自然界中稀有或未曾出現(xiàn)過的新的等位基因[11]。目前，常用的物理誘變劑包括：X 射線、γ 射線、α 粒子、中子、電子束、離子束等[12]；化學誘變劑包括：烷化劑、堿基類似物、亞硝酸等[13]，已被廣泛應用到小麥[14]、水稻[15]、棉花[16]、番茄[17]、花生[18]、果樹[19]等作物上。其中，棉花誘變始于20 世紀30 年代，我國從20 世紀60 年代開始棉花誘變育種[20]，先后育成了魯棉1 號、新海2 號、運輻885、輻射1 號等一大批新品種[16]。董超等[21]利用60Co-γ 射線輻射對3 個陸地棉品種進行了誘變處理，在后代材料中篩選獲得了3 個耐旱突變體。陳煜等[22]利用0.1 mol/L、pH=7.1 的磷酸緩沖液配制的0～1.5%的EMS 溶液處理已萌發(fā)露白的陸地棉魯6269 的種子，在M3篩選獲得了種子和纖維發(fā)育異常突變體smf-1。穆國俊[23]利用250 Gy 的60Co-γ 射線輻射陸地棉農(nóng)抗2 號種子，在M2獲得了超雞腳葉、無棉酚腺體突變體。楊芮等[24]對通過60Co-γ 射線輻射處理選育出的早熟陸地棉突變體F.U.75 進行適應性評價，結(jié)果表明，F(xiàn).U.75 的葉片在棉花成熟期自然脫落率高，綜合品質(zhì)優(yōu)，可作為核心親本改良棉花品系的機采特性。綜合前人研究，目前在棉花領(lǐng)域的誘變育種主要集中在陸地棉上，且常用的誘變方式為60Co-γ 射線輻射，應用137Cs-γ 射線輻射和甲基磺酸乙酯處理在海島棉育種中的應用研究尚鮮見文獻報道。

本研究通過137Cs-γ 射線輻射和甲基磺酸乙酯處理，開展海島棉誘變效應分析，旨在打破現(xiàn)有海島棉品種特性，誘發(fā)其染色體數(shù)量、結(jié)構(gòu)和行為變異，增加突變率，擴大變異譜，打破基因連鎖，提高重組率，從而豐富海島棉遺傳多樣性，為進一步篩選出較好的變異種質(zhì)，推動下一步海島棉品種審定和推廣夯實材料基礎和研究基礎。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

所選用的供試材料分別為新海45號、新海57號、新海58 號、新海59 號、H39012 和H163，其均為新疆巴音郭楞蒙古自治州農(nóng)業(yè)科學研究院2014 年以來針對海島棉生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展存在的問題，全程定向培育而成的早熟、優(yōu)質(zhì)的海島棉新品種。所選品種其上半部平均長度在37.51～39.70 mm，整齊度在87.53%～89.90%，斷裂比強度在45.40～46.71 cN/tex，馬克隆值在3.90～4.17，品種成熟可靠，豐產(chǎn)性高、纖維品質(zhì)優(yōu)良。

1.2 試驗方法

試驗共設3 個處理，分別為：137Cs-γ 射線輻射物理誘變（T1）、甲基磺酸乙酯（EMS）化學誘變（T2）、常規(guī)處理（CK）。

1.2.1137Cs-γ 射線輻射物理誘變 為獲得可利用于育種的有益突變體，新疆巴音郭楞蒙古自治州農(nóng)業(yè)科學研究院海島棉育種項目組與浙江省農(nóng)業(yè)科學院作物與核技術(shù)利用研究所（浙江輻照中心）簽訂了γ 射線輻照協(xié)議，委托其完成了6 個海島棉品種的250 Gy 劑量137Cs-γ 射線對風干種子進行輻射誘變處理，源強2.2 萬居里，水平距離80 cm，輻照時間250 min，輻照劑量60 Gy/h，γ 射線輻照棉花干種子半致死劑量參照董超等[21]、邵琳等[25]在陸地棉上的試驗結(jié)果確定。

1.2.2 甲基磺酸乙酯化學誘變 采用99%高純度甲基磺酸乙酯對風干種子進行化學誘變處理，化學誘變劑采用1%EMS 溶液+混合磷酸鹽緩沖液（pH=6.86）進行配制，避光條件處理6 h，試驗操作參照臧新山等[10]、陳煜等[22]在亞洲棉及陸地棉上確定的最適宜應用劑量和處理時間。

1.3 測定指標及方法

試驗按照新版《棉花種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》所列指標進行調(diào)查和考種工作，纖維品質(zhì)數(shù)據(jù)由中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所農(nóng)業(yè)部棉花品質(zhì)監(jiān)督檢驗測試中心（河南安陽）進行測定。測定指標包括：出苗率（%）、成苗率（%）、籽棉質(zhì)量（30 鈴，g）、皮棉質(zhì)量（30 鈴，g）、單鈴質(zhì)量（g）、衣分（%）、上半部平均長度（mm）、整齊度指數(shù)（%）、斷裂比強度（cN/tex）、馬克隆值、伸長率（%）、反射率（%）、黃度、紡紗均勻性指數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)均在Excel 2003 中進行整理，137Cs-γ射線輻射處理（T1）、甲基磺酸乙酯處理（T2）和常規(guī)對照取3個重復平均值，整理后數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0進行統(tǒng)計和分析，并進行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 137Cs-γ 射線輻射處理和EMS 處理對海島棉出苗率和成苗率的影響

根據(jù)試驗誘變敏感性測定指標，分別對試驗小區(qū)進行了出苗率、成苗率的田間調(diào)查，如圖1 所示。

圖1 137Cs-γ 射線輻射處理和EMS 處理對海島棉出苗率和成苗率的影響Fig.1 Effects of 137Cs-γ ray radiation and EMS treatments on emergence rate and seedling rate of island cotton

從圖1 可以看出，T1、T2 處理較常規(guī)對照顯著降低了6 份海島棉品種的出苗率、成苗率。經(jīng)統(tǒng)計計算，T1 處理的平均出苗率為64.13%，平均成苗率為46.57%；T2 處理的平均出苗率為66.51%，平均成苗率為54.85%，2 個處理的結(jié)果均接近50%的半致死劑量。除了新海59 號和H39012 外，T1處理對海島棉出苗率的抑制作用明顯大于T2 處理，T1 處理較常規(guī)對照的出苗率顯著降低13.84～42.83 百分點，T2 處理較常規(guī)對照的出苗率顯著降低13.10～34.10 百分點。新海57 號、新海58 號、H163 對T1 處理最為敏感，其成苗率均低于50%，T2 處理結(jié)果較為穩(wěn)定，成苗率在50.78%～58.59%，T1、T2 處理較常規(guī)對照的成苗率分別顯著降低24.60～58.94、31.61～38.00 百分點。結(jié)果表明，T1、T2 處理之間差異顯著，表明物理誘變處理和化學誘變處理對不同海島棉品種出苗率和成苗率的影響有差異。

2.2 137Cs-γ 射線輻射處理和EMS 處理對海島棉產(chǎn)量指標的影響

通過30 鈴室內(nèi)考種發(fā)現(xiàn)（表1），T1、T2 處理對6 個海島棉品種整體表現(xiàn)為顯著抑制作用，且T1 處理的抑制作用大于T2 處理，在籽棉質(zhì)量和單鈴質(zhì)量上可發(fā)生明顯突變。經(jīng)誘變處理，新海57 號的T1、T2 處理中籽棉質(zhì)量表現(xiàn)分別高于常規(guī)對照2.06、0.57 g，H163 的T2 處理中籽棉質(zhì)量表現(xiàn)高于常規(guī)對照2.57 g；新海58 號的T2 處理籽棉質(zhì)量、皮棉質(zhì)量、單鈴質(zhì)量、衣分均較常規(guī)對照分別增加3.37、3.92、0.25 g 和1.41 百分點；新海59 號、H39012的T1、T2 處理中籽棉質(zhì)量和單鈴質(zhì)量表現(xiàn)均高于常規(guī)對照，其余品種不同處理性狀指標均低于常規(guī)對照。由表1可知，與常規(guī)對照相比，T1 處理差異顯著，但除衣分指標外，籽棉質(zhì)量、皮棉質(zhì)量、單鈴質(zhì)量均值均顯著降低；與常規(guī)對照相比，T2 處理差異不顯著，在增加產(chǎn)量方面沒有顯著作用。因此，137Cs-γ射線輻射處理可有效促進海島棉品種發(fā)生突變，增加突變率，相較于EMS 處理突變優(yōu)勢明顯。

表1 137Cs-γ 射線輻射處理和EMS 處理對海島棉產(chǎn)量的影響Tab.1 Effect of 137Cs-γ ray radiation and EMS treatments on yield of island cotton

2.3 137Cs-γ 射線輻射處理和EMS 處理對海島棉纖維品質(zhì)的影響

由表2 可知，T1、T2 處理后的6 個海島棉品種的纖維品質(zhì)馬克隆值、伸長率、反射率指標變化不大，黃度較常規(guī)對照絮色偏黃，其余4 個纖維品質(zhì)指標值普遍較常規(guī)對照略有提高。其中，新海57號、新海58 號上半部平均長度指標2 個處理均得到明顯提高，提高0.1～2.2 mm；整齊度指數(shù)除H39012外，其余5 個品種2 個處理均得到明顯提高，提高0.2～1.5 百分點；斷裂比強度除新海57 號、新海58 號外，其余4 個品種2 個處理均得到明顯提高，提高0.6～5.2 cN/tex；新海45 號、新海58 號、新海59 號紡紗均勻性指數(shù)2 個處理均得到明顯提高，提高4～21；黃度呈現(xiàn)整體增加表現(xiàn)，增加值最高達0.9。結(jié)果表明，除反射率、黃度指標上有明顯差異外，T1、T2 處理對其余指標均無差異，表明物理誘變處理和化學誘變處理對不同海島棉品種纖維品質(zhì)性狀的影響無顯著差異。

表2 137Cs-γ 射線輻射處理和EMS 處理對海島棉纖維品質(zhì)的影響Tab.2 Effect of 137Cs-γ ray radiation and EMS treatments on fiber quality of island cotton

3 結(jié)論與討論

研究的最終目的是通過利用物理誘變、化學誘變的手段來打破海島棉優(yōu)良品種的基因連鎖，增加海島棉目標性狀的突變率，以獲得優(yōu)良突變性狀的育種新材料，故在試驗開展過程中，選擇的物理誘變、化學誘變的輻射劑量和藥劑用量均參照了前人[21-22,25]對于棉花誘變的半致死用量。研究結(jié)果表明，137Cs-γ 射線輻射處理的平均成苗率為46.57%，甲基磺酸乙酯處理的平均成苗率為54.85%，2 個處理結(jié)果均接近50%的半致死劑量，說明250 Gy 劑量的137Cs-γ 射線輻射處理對風干種子進行輻射誘變處理和1%的甲基磺酸乙酯混合溶液避光6 h 處理為合適的誘變劑量，與前人的研究結(jié)果[10,22]一致，且137Cs-γ 射線輻射劑量在海島棉上的應用同60Coγ 射線輻射在陸地棉上的應用半致死劑量相同，可以直接套用。研究運用的137Cs-γ 射線輻射物理誘變和甲基磺酸乙酯化學誘變使用的劑量可以用來開展海島棉誘變研究工作使用，為后續(xù)開展海島棉誘變育種奠定了實踐基礎。

誘變育種是誘變作物后代發(fā)生突變，從而從中篩選并固化優(yōu)良性狀的育種過程。對于不同品種來說，品種之間對于誘變的敏感性表現(xiàn)不同，如本研究中，新海57 號、新海58 號、H163 對137Cs-γ 射線輻射誘變處理敏感，其成苗率低于50%，分別為30.41%、30.74%、41.55%，而甲基磺酸乙酯誘變處理結(jié)果較為穩(wěn)定，6 個海島棉品種的成苗率在50.78%～58.59%，化學誘變甲基磺酸乙酯處理較物理誘變137Cs-γ 射線輻射處理結(jié)果波動較小，初步說明物理誘變方法相較于化學誘變方法更易誘發(fā)突變，但具體機制研究還需后續(xù)進一步驗證說明。對于農(nóng)作物育種工作而言，育種家往往更加需要通過不同誘變的手段來擴大篩選出具有研究價值和特異性狀的突變體。因此，在擬篩選后代材料的過程中，可充分運用物理誘變方法，擴大突變?nèi)后w，以篩選出類型多樣、具有優(yōu)良特性的新材料。

研究通過應用137Cs-γ 射線輻射和甲基磺酸乙酯對6 個優(yōu)異海島棉品種分別進行處理，發(fā)現(xiàn)137Cs-γ 射線輻射處理和甲基磺酸乙酯處理顯著降低了6 個海島棉品種的出苗率、成苗率，對海島棉品種整體表現(xiàn)為抑制作用，且137Cs-γ 射線輻射處理的抑制作用大于甲基磺酸乙酯處理的抑制作用，其在產(chǎn)量上的差異性更為顯著。研究結(jié)果為利用物理誘變育種、化學誘變育種對海島棉品種的特定性狀進行改良提高了必要的參考依據(jù)。

本研究表明，250 Gy 劑量的137Cs-γ 射線和1%甲基磺酸乙酯混合溶液可作為不同品種海島棉適宜劑量進行突變體創(chuàng)制和目標性狀篩選。通過應用137Cs-γ 射線輻射和甲基磺酸乙酯處理，其產(chǎn)量指標性狀比纖維指標性狀的變異程度大，在產(chǎn)量指標上更容易篩選出所需的誘變新材料應用于海島棉育種工作。