EMS 诱变对高粱种子萌发及农艺性状的影响

聂萌恩，柳青山，范昕琦，杨慧勇，张一中，樊芳芳，张晓娟，梁 笃，郭 琦

（山西农业大学高粱研究所，高粱遗传与种质创新山西省重点实验室，山西晋中030600）

高粱（Sorghum bicolorL.）是我国传统的五谷之一，可作为优质的粮食、酿醋、酿酒原料，在我国农业生产中占有重要的位置[1]。优异种质资源的创制及筛选是培育高产优质多抗新品种的前提条件，也是我国高粱育种急需解决的问题[2-3]。

高粱在杂交品种选育过程中，常用的种质创新手段大多为人工去雄，耗费人力、物力，且周期较长，由于试验条件局限，群体较小，创造新种质的效率不高。EMS 作为一种常用化学诱变剂，因其具有操作简便、诱变频率高、能够产生稳定遗传的显性突变、便于获得有育种价值的突变体材料等优点，在农业生产中得到广泛应用[3]，因此，利用突变体技术创造变异类型丰富的突变体以扩大高粱种质资源具有重要意义[4]。自KALMARK 研究报告了EMS可有效诱导作物突变、扩大种质资源以来[5]，不同领域农业工作者已将这一有效技术广泛应用在作物育种中。黎杰强等[6]、任婷婷等[7]、曲高平等[8]、CHANG等[9]和NEUFFER 等[10]分别利用 EMS 试剂对作物进行诱变处理，扩大了作物种质资源，并筛选出有利于农业生产的突变体材料。因此，通过EMS 诱变技术丰富高粱种质资源，筛选有价值的高粱突变体材料用于遗传育种是一种安全高效的途径。

在高粱EMS 诱变育种方面，王春语等[11]报道20 h＋0.2% EMS 为最佳的诱变处理高粱BTx623的时间和浓度，并对突变体的表型及育性等进行了筛选和鉴定。XIN 等[12]报道，利用EMS 诱变高粱Tx623，可获得变异类型丰富的突变体。前人研究多集中于高粱Tx623，对其他高粱优异品种研究较少。

本试验通过不同浓度EMS 溶液诱变处理高粱优良保持系11494B 和11476B，旨在研究EMS 诱变效应，为高粱优异种质资源的创制及筛选提供理论基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试材料为高粱保持系11494B 和11476B，由山西农业大学（山西省农业科学院）高粱研究所选育。11494B 株高92.7 cm，生育期114 d，穗长30.8 m，穗粒质量84.5 g，千粒质量27.5 g，圆形白粒，褐色颖壳，中紧穗型，纺锤型穗形，无芒，分蘖弱。11476B株高138 cm，生育期128 d，穗长34.7 m，穗粒质量68.6 g，千粒质量27.8 g，红粒，褐色颖壳，中散穗型，长纺锤型穗形。甲基磺酸乙酯（EMS）由美国Sigma公司生产。

1.2 试验方法

试验于2019 年在山西农业大学（山西省农业科学院）高粱研究所试验基地进行。筛选11494B 饱满种子 500 粒 /份，共计 15 份，分别用 0（CK）、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%浓度的EMS 溶液浸种处理12 h，自来水冲洗4 h 后自然晾干，3 次重复。11476B 的处理同上。采用随机区组设计，小区面积10 m（22.5 m×4.0 m），于2019 年5 月上旬穴播于山西农业大学高粱研究所试验基地，采用常规田间管理。

1.3 测定指标及方法

播种后42 d 计算相对成苗率、单株套袋收种、花期对高粱全部表型指标（株高、穗型、叶片、成熟期和育性）进行统计并计算表型变异率。

本试验将植株自交单穗结实率即育性分为4个等级作为植株育性评价指标[13]，即育性＝0、育性≤10%、10%＜育性≤50%和育性＞50%。

1.4 数据分析

使用 Microsoft Excel 和 SPSS Statistic 19.0 软件对数据进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 不同浓度EMS 浸种对高粱相对成苗率的影响

不同浓度EMS 浸种对11494B 和11476B 保持系的相对成苗率有一定的抑制作用。从图1 可以看出，随施药浓度的增加，2 个种质高粱相对成苗率均逐渐降低，0.25%、0.30%、0.35%处理与CK 间差异均达极显著水平（P＜0.01）。与 CK 相比，11494B 相对成苗率分别降低 2.68%、23.38%、33.78%和38.25%，11476B 相对成苗率分别降低 42.02%、55.78%、61.35%和63.83%。同一处理水平下，11476B相对成苗率显著低于11494B，且施药后降低幅度大于11494B，0.20%、0.25%、0.30%处理相对成苗率在2 个种质间差异均达极显著水平（P＜0.01）。表明不同浓度EMS 浸种对高粱11494B 和11476B 相对成苗率的影响存在种质差异，同一浓度EMS 处理，11476B 的相对成苗率降低幅度更大，对EMS 浸种更为敏感。

2.2 不同浓度EMS 浸种对高粱株高变异率的影响

EMS 处理后，2 个高粱种质株高出现2 种类型的明显变异：一是矮秆突变；二是高秆突变。由图2可知，随施药浓度的增加，2 个种质高粱株高变异率逐渐升高，0.20%、0.25%、0.30%处理与CK 间差异均达极显著水平（P＜0.01）；与 CK 相比，11494B株高变异率分别提高15.04%、21.18%、26.46%和48.59%，11476B 株高变异率分别提高 25.58%、26.93%、39.16%和56.10%。表明不同浓度EMS 浸种对高粱11494B 和11476B 株高变异率的影响存在种质差异；同一浓度EMS 处理，11476B 的株高变异率变化幅度更大，对EMS 浸种更为敏感。

2.3 不同浓度EMS 浸种对高粱育性变异率的影响

育性是决定结实率形成作物产量的重要指标[14]。由图3 可知，2 个种质高粱当代结实率均随EMS 浓度增加而逐渐降低，育性变异率随EMS 浓度增加而逐渐增高；与CK 相比（对照组变异率为0），11494B 完全不育变异率分别提高27.37%、35.42%、61.59%和 83.55%，11476B 完全不育变异率分别提高19.05%、50.86%、70.30%和90.48%。表明EMS 浸种能够一定程度影响高粱育性，降低植株结实率，且EMS 浓度越高对育性的影响越大。

2.4 不同浓度EMS 浸种对高粱叶形、穗型和成熟期变异率的影响

由图4 可知，不同浓度EMS 浸种对11494B 和11476B 这2 个种质高粱叶形变异率存在一定影响，施药后，2 个种质高粱叶形变异率变化总趋势一致，均随着EMS 浓度的增加而增加，0.20%、0.25%、0.30%、0.35%处理与CK 间差异均达极显著水平（P＜0.01），但因种质不同影响不同。与CK 相比，11494B 叶形变异率分别提高7.62%、12.84%、27.14%和29.21%，11476B 叶形变异率分别提高9.34%、13.31%、17.55%和 20.76%。0.20%处理和0.25%处理水平下，EMS 处理对11476B 叶形变异率的促进作用高于11494B；0.30%处理和0.35%处理水平下，EMS 处理对11494B 叶形变异率的促进作用高于11476B，表明不同浓度EMS 浸种对高粱11494B 和11476B 叶形变异率的影响存在种质差异，低浓度下，11476B 对EMS 处理更为敏感，高浓度下11494B 对EMS 更为敏感。

不同浓度 EMS 浸种对 11494B 和 11476B 这2 个种质高粱穗型变异率存在一定影响，施药后，2 个种质高粱穗型均发生部分变异，变异类型主要为穗变长、变短、变松散、变紧凑。由图4 可知，随施药浓度的增加，2 个种质高粱穗型变异率逐渐增大，0.25%、0.30%、0.35%处理与CK 间差异均达极显著水平（P＜0.01），但因种质不同影响不同。与CK 相比，11494B 穗型变异率分别提高2.87%、5.28%、7.54%和 9.12%，11476B 穗型变异率分别提高1.00%、4.98%、5.85%和8.45%；同一处理水平下，11494B 穗型变异率均高于11476B。表明EMS 浸种能够一定程度上影响高粱穗型，且EMS 浓度越高对穗型的影响越大；同一浓度EMS 处理，11476B 的穗型变异率变化幅度更大，对EMS 浸种更为敏感。

不同浓度 EMS 浸种对 11494B 和 11476B 这2 个种质高粱成熟期均存在一定影响，2 个种质高粱成熟期出现了早熟和晚熟2 种类型变异，且多为晚熟突变体。EMS 诱变处理后，11494B 和11476B成熟期变异率的变化总趋势一致，均随着EMS 浓度的增加而增加，0.20%、0.25%、0.30%、0.35%处理与CK 间差异均达极显著水平（P＜0.01），但因种质不同影响不同。与CK 相比，11494B 成熟期变异率分别提高2.87%、4.61%、9.91%和 11.13%，11476B成熟期变异率分别提高4.44%、7.62%、11.53%和15.52%；同一处理水平下，11476B 成熟期变异率均高于11494B，表明11476B 对EMS 浸种更为敏感。

3 讨论

3.1 构建高粱EMS 诱变突变体库的最佳处理条件

构建饱和突变体库，可有效创制高粱新的优异种质资源，为高粱新品种选育提供有效途径[3]。不同作物对EMS 耐受力不同，因此，在使用EMS 构建突变体库时需要考虑EMS 诱变浓度和诱变时间，一般以半致死浓度和时间作为诱变标准[15]，即种子的相对成苗率应控制在50%左右为宜。本研究结果表明，高粱相对成苗率随EMS 浓度的增加而逐渐降低，同一处理水平，11476B 对 EMS 处理比11494B 更为敏感，即EMS 对11476B 的相对成苗率影响更大。因此，构建高粱突变体库，从相对成苗率方面考虑，0.35% EMS 和 0.20% EMS 浸种12 h可分别作为11494B 和11476B 构建突变体库的诱变条件。

构建饱和突变体库除了要调查相对成苗率，单穗结实率即育性也是需要考虑的重要因素。一般情况下，构建突变体库时，其突变体结实率一般控制在10%～20%[11]。本研究结果表明，EMS 处理浓度为0.30%时，11494B 和11476B 结实率分别为38.40%和 29.70%，EMS 处理浓度为 0.35%时，11494B 和11476B 结实率分别为16.45%和9.52%。因此，构建高粱突变体库，从育性方面考虑，建议0.35%EMS浸种12 h 作为11494B 构建突变体库的诱变条件，而11476B 应选择0.30%～0.35%的EMS 浸种12 h，作为构建突变体的诱变条件。

综合2 个因素考虑，推荐0.35%、0.30%的EMS浸种12 h 分别作为11494B 和11476B 构建突变体库的最佳条件，这与范昕琦等[4]的研究结果相似。

3.2 不同浓度EMS 浸种对不同高粱种质表型性状的影响

株高对作物种植密度、抗倒性和光合效能有着非常重要的影响，矮化育种是现代农业的重要育种目标，筛选植株矮小、株型紧凑、抗倒伏能力强的矮化突变体，有利于培育耐密植高粱杂交种[16]。本研究发现，经EMS 浸种处理后，2 个种质高粱株高出现2 种类型的明显变异：一是矮秆；二是高秆突变，且矮秆突变频率高于高秆，这是因为EMS 诱变具有随机性和不定向性。张安星等[17]用0.8%的EMS诱导水稻一目惚种子，成功获得稳定遗传的矮化突变体E58。刘凯等[18]通过EMS 诱变获得遗传稳定的水稻显性矮秆突变体Dy。本研究发现，2 个种质株高变异率均随着EMS 浓度的增加而增加，EMS 处理对11476B 的株高变异率影响更大。综合各因素考虑，建议0.35%EMS 和0.30%EMS 浸种12 h 可分别作为11494B 和11476B 筛选株高突变体的诱变条件。

穗的大小、长度及紧密程度等是作物产量潜力增加的主要贡献因素[19]。何宗顺等[20]在水稻突变体库中鉴定了一个穗长变短、一次枝梗和二次枝梗数目减少的突变体。本研究通过EMS 诱变，发现处理后部分穗型长度及紧密度发生了明显变化，穗长不变、穗变散主要是穗的枝梗长度及数量发生变异导致，且穗发生突变后一般不能结实或结实率很低，2个种质穗型变异率均随着EMS 浓度的增加而增加，11494B 穗型变异率对 EMS 处理比 11476B 更为敏感，0.35%EMS 浸种 12 h 可作为 11494B 和11476B 筛选叶形、穗型突变体的适宜条件。

筛选叶片窄小、叶夹角小的突变体用于合理密植，可充分发挥土、肥、水、光、气、热的效能，有利于构建生长协调、高产的作物群体。SAKAMOTO 等[21]研究表明，利用矮秆突变体构建的作物群体，种植密度加大，从而使产量得以提升。方云霞等[22]通过对水稻进行EMS 诱变处理获得皱曲叶突变体rtl1。本研究表明，低浓度下，11476B 对EMS 处理更为敏感，高浓度下11494B 更为敏感，0.35%的EMS 可作为11494B 和11476B 筛选叶形突变体的适宜条件。叶片突变除了常见的叶形突变，即叶片变长、变短、变宽、变窄等外，叶色突变也常常发生[23]。近年来，叶色突变体在基础研究以及生产实践中受到广泛应用。叶色突变可以作为标记去辅助育种，检测杂交种的纯度，在育种上起着重要作用[24]。

开花是植物由营养生长转入生殖生长的标志[25]。彭波[26]研究发现，EMS 对控制株高、分蘖以及早熟性的相关基因具有较强的诱变作用。本研究表明，2 个种质成熟期变异率均随EMS 浓度的增加而增大，11494B 成熟期变异率对EMS 处理比11476B更为敏感。EMS 诱变处理后，2 个种质高粱生长发育减缓，开花期受到明显影响，多数突变体表现为开花期延迟，因此，诱变后突变体多为晚熟突变体。

本研究明确了11494B 和11476B 构建突变体库和筛选矮秆、叶形、穗型和成熟期突变体的适宜条件，为高粱优异种质资源的创制及筛选提供理论基础。后续一方面将优异的突变材料用于高粱杂交育种中，另一方面将筛选具有代表性的材料进行相关基因定位及功能研究。

4 结论

本研究通过不同浓度EMS 溶液处理高粱优良保持系11494B 和11476B，分析EMS 处理对高粱相对成苗率、株高、叶片、穗型、育性和成熟期的影响，确定了高粱EMS 处理的最适条件。高粱诱变育种时，0.35%EMS 和 0.30%EMS 浸种 12 h 可分别作为11494B 和11476B 构建突变体库和筛选株高突变体的适宜条件；0.35%EMS 浸种12 h 可作为11494B 和11476B 筛选叶形、穗型和成熟期突变体的适宜条件。