范昕琦 王海燕 陳靜 張曉娟 郭琦 梁篤 周福平 聶萌恩張一中 柳青山
(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)高粱研究所 高粱遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,晉中 030600;2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)社會(huì)服務(wù)部,太原 030031)
高粱是世界第五大禾谷物類作物之一。不僅是重要糧食作物,還是中國(guó)傳統(tǒng)釀造業(yè)、畜牧業(yè)、新型再生能源產(chǎn)業(yè)、功能保健食品行業(yè)主要或極具潛力的原料,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要位置[1-2]。新形勢(shì)下,隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的改變、高粱用途的變化以及我國(guó)種植業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,以單純高產(chǎn)為主的高粱育種目標(biāo)已不能滿足市場(chǎng)多元化需求,因此,培育適應(yīng)市場(chǎng)多元化需求的新材料是我國(guó)高粱育種工作者的新目標(biāo)。
優(yōu)異的育種材料是育種工作的關(guān)鍵因素,而我國(guó)高粱育種一直以傳統(tǒng)育種方法為主,創(chuàng)制新材料的能力嚴(yán)重不足。隨著世界各國(guó)育種家不斷的研究,發(fā)現(xiàn)一種高效的新種質(zhì)資源創(chuàng)制方法——誘變育種法。誘變育種法中的甲基磺酸乙酯(ethylmethane sulfonate,EMS)化學(xué)誘變育種技術(shù)因其成本低、操作簡(jiǎn)單、突變率高、染色體畸變異少、多為單基因突變,突變范圍廣、突變性狀穩(wěn)定且易于篩選等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛用于各種作物突變體庫(kù)的構(gòu)建、優(yōu)異資源的創(chuàng)制和基因功能研究[3-14]。近幾年,EMS誘變技術(shù)作為一種有效的突變育種技術(shù)受到國(guó)內(nèi)外高粱育種家的青睞,育種家們利用該技術(shù)為高粱的定性和定量性狀創(chuàng)造各種遺傳變異性。國(guó)內(nèi)主要研究EMS單誘變對(duì)各種高粱種質(zhì)的誘變效果和效率,以及EMS突變體庫(kù)的構(gòu)建,種質(zhì)涉及粒用高粱和甜高粱,有恢復(fù)系10125和晉粱5號(hào),保持系Tx623、2055B、V4B、11494B、11476B[15-23]。國(guó)外主要研究γ輻射和EMS組合處理對(duì)高粱的誘變效果和效率[24-26]。如Surashe等[24]用伽馬射線(100-400 Gy)、EMS(0.1%-0.4%)及其組合照射Parbhani Moti高粱品種,在各種誘變處理的M2中篩選出了早花(63 d)、中高(90 cm)和長(zhǎng)圓錐花序(21 cm)突變體。Kalpande等[25]認(rèn)為300 Gy伽馬射線和0.2%EMS及其組合(200 Gy+0.2% EMS)對(duì)印度296B和Parbhani moti兩個(gè)高粱品種的遺傳變異性較廣,有效性和效率更高。Wanga等[26]利用伽馬輻射和EMS處理,確定單次和聯(lián)合使用伽馬輻射和EMS在6個(gè)印度高粱中有效突變育種的最佳劑量,但是其認(rèn)為由于幼苗出苗不良且幼苗成活率低于LD50,不建議使用伽馬輻射和EMS的組合應(yīng)用劑量,EMS單誘變的有效性更高,6個(gè)印度高粱種質(zhì)的EMS最佳劑量范圍不同。
近幾年,EMS誘變技術(shù)在高粱育種中的應(yīng)用研究有較少報(bào)道,且報(bào)道的種質(zhì)較少,未見其他優(yōu)良種質(zhì)的相關(guān)研究,種質(zhì)創(chuàng)新較局限。
本研究利用EMS誘變技術(shù)對(duì)我國(guó)北方6個(gè)骨干恢復(fù)系的種子進(jìn)行EMS誘變處理,探討不同濃度EMS對(duì)不同高粱種質(zhì)的成苗及主要農(nóng)藝性狀的影響,通過(guò)田間表型的分析確定EMS誘變高粱的最佳條件,為高粱突變體庫(kù)構(gòu)建、種質(zhì)資源的創(chuàng)新以及培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的高粱新材料提供基礎(chǔ)材料和理論指導(dǎo)。
試驗(yàn)以6個(gè)高粱恢復(fù)系1121R、L早615·L17、低稈L17、L17、28R·吉16、LgB7B大粒高種子為研究材料。試驗(yàn)材料均由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)高粱研究所飼料研究室提供。
1.2.1 試劑配置及種子處理方法 配置5種濃度(0%、0.20%、0.25%、0.30%和0.35%)EMS誘變劑溶液。選取1121R、L早615·L17、低稈L17、L17、28R·吉16、LgB7B大粒高材料各15份大小均勻一致且飽滿的種子,置于小網(wǎng)袋中(標(biāo)明材料+EMS濃度+重復(fù)),共90份,每份種子為500粒。每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。將90份種子按照EMS處理濃度分為5組,進(jìn)行EMS(0.00%、0.20%、0.25%、0.30%和0.35%)處理,確保所有種子都浸入在處理液中,室溫浸種12 h。然后用水沖洗4 h,自然晾曬。試驗(yàn)于2019年在高粱遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,處理所用甲基磺酸乙酯(EMS)誘變劑為美國(guó)Sigma生產(chǎn)。
1.2.2 田間試驗(yàn)方法 2019年5月上旬,將EMS誘變處理后的種子穴播于山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高粱研究所東白試驗(yàn)基地(112°42'24.44″E,37°35'11.25″N),海拔高度為887 m,無(wú)霜期平均為158 d,年降雨量400-450 mm,>0℃積溫3 990℃,屬大陸性半干旱季風(fēng)氣候。2019年生育期(5-10月)平均氣溫20℃,最低氣溫-2.4℃,最高氣溫33.7℃,降水總量264.6 mm,降水天數(shù)為78 d,日照時(shí)數(shù)1 354 h。該試驗(yàn)地常年以種植高粱、玉米為主,田間種植采用穴播,每穴4粒,行距40 cm,株距20 cm,共90個(gè)小區(qū)(2.5 m×4 m),設(shè)置3個(gè)平行重復(fù)。所有田間管理均采用高粱大田常規(guī)管理。
1.2.3 測(cè)定指標(biāo)與方法 觀察田間誘變材料的生長(zhǎng)情況,于播種后6周計(jì)算相對(duì)成苗率,對(duì)幼苗的形態(tài)進(jìn)行定期觀察,進(jìn)入開花期每天觀察,所有植株開花前單株套袋,并統(tǒng)計(jì)全部植株的株高、葉片、穗型、育性及成熟期等表型變異情況。整理數(shù)據(jù)并計(jì)算各表型變異率。計(jì)算公式如下:
成苗率(%)=(成活苗總數(shù)/供試種子數(shù))×100%
相對(duì)成苗率(%)=處理的成苗率/對(duì)照成苗率×100%
變異率(%)=變異株數(shù)/成苗株數(shù)×100%
以套袋自交結(jié)實(shí)率作為植株育性鑒定指標(biāo)。依據(jù)植株的結(jié)實(shí)率將植株育性分為4個(gè)等級(jí):育性=0(不結(jié)實(shí))、育性≤10%(單穗結(jié)實(shí)率≤10%)、10%<育性≤50%(10%<單穗結(jié)實(shí)率≤50%)和育性>50%(單穗結(jié)實(shí)率>50%)[21]。
1.2.4 數(shù)據(jù)分析 采用Microsoft Excel軟件整理處理數(shù)據(jù)并作圖,采用SPSS軟件進(jìn)行方差分析。
由表1可知,EMS誘變處理后,在不同濃度處理下,與對(duì)照相比,高粱的相對(duì)成苗率顯著降低(P<0.01),隨著EMS處理濃度的增加,1121R、L早615·L17、低稈L17、L17、28R·吉16、LgB7B大粒高的相對(duì)成苗率呈由高到低的下降趨勢(shì)。
表1 不同濃度EMS處理對(duì)高粱成苗率的影響Table 1 Effects of the EMS treatments with different concentrations on the seeding emergence rate of sorghum
0.20% EMS處理時(shí),1121R的相對(duì)成苗率最高,為75.64%;其次為L(zhǎng)早615·L17,為75.34%。1121R和L早615·L17的相對(duì)出苗率無(wú)顯著差異(P>0.05),但是這兩個(gè)材料的相對(duì)出苗率顯著高于其他4個(gè)材料(P<0.01)。LgB7B大粒高相對(duì)成苗率最低,為52.5%,顯著低于其他材料(P<0.01)。L17和低稈L17的相對(duì)出苗率無(wú)顯著差異(P>0.05),LgB7B大粒高和28R·吉16的相對(duì)出苗率無(wú)顯著差異(P>0.05)。
0.25% EMS處理時(shí),1121R相對(duì)出苗率最高,為74.36%,顯著高于其他材料(P<0.01)。28R·吉16相對(duì)成苗率最低,為50%。28R·吉16和LgB7B大粒高無(wú)顯著差異(P>0.05),L17和L早615·L17無(wú)顯著差異(P>0.01)。
0.30% EMS處理時(shí),低稈L17相對(duì)成苗率最高,為64.68%。28R·吉16的相對(duì)成苗率最低,為45.71%。6個(gè)材料中,除了1121R和L17無(wú)顯著差異(P>0.05)外,其他材料間差異顯著(P<0.01)。
0.35% EMS處理時(shí),低稈L17的相對(duì)成苗率最高,為64.68%。28R·吉16相對(duì)成苗率最低,為42.86%。6個(gè)材料中除了LgB7B大粒高和28R·吉16無(wú)顯著差異(P>0.05)外,其他材料間差異顯著(P<0.01)。
就成苗率方面考慮,為了進(jìn)一步確認(rèn)EMS誘變濃度,進(jìn)行了半致死處理分析,結(jié)果顯示,構(gòu)建突變體庫(kù)時(shí),EMS濃度的選擇應(yīng)因材料不同而不同。1121R最佳誘變濃度為0.30%;LgB7B大粒高和28R·吉16最佳誘變濃度為0.25%;L早615·L17和L17最佳誘變濃度為0.35%;而低稈L17則需要高于0.35%的EMS,因設(shè)置的EMS處理最高濃度為0.35%,低稈L17在此處理濃度下成苗率仍較高(61.23%),因此,低稈L17半致死具體濃度仍需進(jìn)一步試驗(yàn)明確。
不同種質(zhì)對(duì)不同濃度EMS處理的敏感性不同(表2)。在各EMS處理濃度下,28R·吉16的相對(duì)成苗率均為最低,即EMS處理后,28R·吉16對(duì)EMS處理最敏感。28R·吉16和LgB7B大粒高的相對(duì)成苗率除了在0.30% EMS濃度時(shí)差異顯著(P<0.01),其他處理濃度時(shí)均無(wú)顯著差異(P>0.01)。0.20%和0.25%EMS處理時(shí),1121R的相對(duì)成苗率最高,即1121R對(duì)EMS最耐受,受EMS誘變處理的影響最小,0.30%和0.35%EMS處理時(shí),低稈L17的相對(duì)成苗最高,即低稈L17對(duì)EMS最耐受,受EMS誘變處理影響最小。
表2 不同濃度EMS處理對(duì)高粱成苗的影響程度比較Table 2 Comparison of affecting degrees of different EMS treatments with different concentrations on the seeding emergence of sorghum
由表3可知,EMS誘變處理后,在不同濃度處理下,與對(duì)照相比,高粱的株高變異率顯著增加(P<0.01),隨著EMS濃度的增加,6個(gè)供試材料的株高變異率均呈顯著上升趨勢(shì),株高變異率最高的為0.35% EMS處理的1121R,為57.57%;最低的為0.20% EMS處理的28R·吉16,為8.33%。
表3 不同濃度EMS處理對(duì)高粱株高變異率的影響Table 3 Effects of EMS treatments with different concentrations on the plant heights of sorghum
0.20% EMS時(shí),變異率最高的材料是LgB7B大粒高,最低的是L早615·L17。L早615·L17和28R·吉16的株高變異率顯著低于其余4個(gè)材料(P<0.01),且其余4個(gè)材料間無(wú)顯著差異(P>0.05)。
0.25% EMS處理時(shí),變異率最高的材料是低稈L17,最低的是L早615·L17。1121R、LgB7B大粒高、低稈L17、L17材料間無(wú)顯著差異(P>0.05),L早615·L17、28R·吉16、1121R材料間無(wú)顯著差異(P>0.05),但是28R·吉16或1121R與LgB7B大粒高或低稈L17或L17材料間差異顯著(P<0.01)。
0.30% EMS處理時(shí),變異率最高的材料是L17,最低的是L早615·L17,6個(gè)材料中,除了1121R和LgB7B大粒高材料間無(wú)顯著差異外(P>0.05),其他材料間差異顯著(P<0.01)。
0.35% EMS處理時(shí),變異率最高的材料是1121R,最低的是L早615·L17,除了LgB7B大粒高和低稈L17材料間無(wú)顯著差異外(P>0.05),其他材料間差異顯著(P<0.01)。
值得注意的是,EMS處理后,高粱材料L早615·L17在各個(gè)處理濃度時(shí)的株高變異率均顯著低于其他材料。結(jié)果表明,在株高變異方面,EMS處理對(duì)L早615·L17的影響最小。
如圖1和表4所示,EMS處理顯著抑制了當(dāng)代高粱植株的結(jié)實(shí)。EMS處理后,6個(gè)高粱材料的育性為0%的變異率變化總趨勢(shì)一致,均隨著EMS濃度的增加而升高。同一EMS處理水平下,各材料間育性突變率差異顯著(P≤0.01)。0.35% EMS處理時(shí),28R·吉16的完全不育突變率最高,為93.55%,低稈L17最低,僅為17.24%,1121R和L早615·L17的完全不育突變率高達(dá)80%以上,LgB7B大粒高為66.67%,L17為43.65%。
圖1 不同EMS處理對(duì)高粱植株育性的影響Fig.1 Effect of different EMS treatmentson the plant fertility of sorghum
表4 不同濃度EMS處理對(duì)高粱育性的影響Table 4 Effects of different EMS treatments with different concentrations on the plant fertility of sorghum
6個(gè)高粱材料在育性≤10%的變異率的變化總趨勢(shì)一致,均隨著EMS濃度的增加先升高后降低,但不同材料達(dá)到最高變異率所需的EMS處理濃度不同,LgB7B大粒高和28R·吉16所需EMS處理濃度為0.20%,1121R、L早615·L17、低稈L17所需EMS濃度為0.25%,L17所需EMS濃度為0.30%。6個(gè)高粱材料中,除了28R·吉16外,10%<育性≤50%的變異率的變化總趨勢(shì)是一致的,均隨著EMS濃度的增加,先升高后降低。但不同材料達(dá)到最高變異率所需的EMS處理濃度不同,1121R、L早615·L17、低稈L17、L17所需EMS濃度為0.25%,LgB7B大粒高和28R·吉16所需EMS處理濃度分別為0.30%和0.20%。1121R、L早615·L17和L17在育性>50%的育性變異率變化總趨勢(shì)一致,均隨著EMS濃度的增加而降低。而LgB7B大粒高、低稈L17、28R·吉16的變異率變化總趨勢(shì)一致,均隨著EMS濃度的增加先降低后升高再降低。
1121R、L早615·L17、L17在0.20% EMS處理下,1121R、L早615·L17和L17育性>50%的變異率大于50%,其他處理濃度,材料均低于50%。
就育性方面考慮,構(gòu)建突變體庫(kù)時(shí),各材料的最佳誘變濃度因材料不同而不同。1121R、L早615·L17和28R·吉16最佳誘變濃度均為0.25%;LgB7B大粒高最佳誘變濃度為0.30%;L17的最佳誘變濃度為0.35%;0.35% EMS時(shí),低稈L17的敗育變異率僅為17.24%,所以低稈L17可以使用高于0.35%的EMS處理濃度,因所設(shè)置最高EMS處理濃度為0.35%,所以低稈L17最高濃度仍需進(jìn)一步試驗(yàn)明確。
EMS處理后,6個(gè)供試高粱材料的植株葉片均出現(xiàn)了變異。調(diào)查葉片的變異類型包括葉形和葉色。由表5和圖2可知,EMS誘變處理后,在不同濃度處理下,與對(duì)照相比,高粱的葉片變異率顯著增加(P<0.01)。隨著EMS濃度的增加,6個(gè)供試材料的葉片變異率呈顯著上升趨勢(shì)。各濃度EMS處理時(shí),葉片突變率最大值均為1121R,且顯著高于其他材料(P<0.01)。
圖2 不同EMS處理對(duì)高粱植株葉片的影響Fig.2 Effects of different EMS treatments on the plant leaves of sorghum
表5 不同濃度EMS處理對(duì)高粱葉片變異的影響Table 5 Effects of EMS treatments with different concentrations on the plant leaf mutation rates of sorghum
0.20%和0.30% EMS處理時(shí),葉片突變率最小值均為L(zhǎng)17。0.25%和0.35% EMS處理時(shí),葉片突變率最小值均是低稈L17。EMS誘變處理時(shí),L17和低稈L17的葉片突變率均顯著低于其他材料(P<0.01),L17和低稈L17間除了0.25% EMS處理時(shí)葉片變異率差異顯著(P<0.01)外,其他處理時(shí)無(wú)顯著差異(P>0.05)。結(jié)果表明,EMS處理對(duì)6個(gè)供試高粱的葉片的影響程度因種質(zhì)的不同而差異顯著。EMS處理對(duì)1121R的葉片的影響最大,能顯著提高其葉片的突變率,而對(duì)L17和低稈L17的葉片影響最小。
不同EMS濃度處理對(duì)高粱穗型有一定的影響(表6),EMS處理后,少數(shù)高粱穗型發(fā)生變異,主要表現(xiàn)為穗子變短小、變長(zhǎng)、變散3種類型。如表6和圖3所示,EMS誘變處理后,在不同濃度處理下,與對(duì)照相比,高粱的葉片變異率顯著增加(P<0.01)。6個(gè)供試高粱材料的穗型變異率隨著EMS濃度的增加而增加。與對(duì)照相比,0.20% EMS處理的L17的穗型變異率不顯著,其他處理均呈顯著差異(P<0.01)。與對(duì)照相比,其他5個(gè)材料的各個(gè)EMS處理均呈顯著差異(P<0.01)。0.20% EMS處理時(shí),穗型突變率最大值為L(zhǎng)早615·L17,為2.59%,且顯著高于除低稈L17的其他材料(P<0.01);0.25% EMS處理時(shí),穗型突變率最大值為28R·吉16,為4.29%,且顯著高于除LgB7B大粒高外的其他材料(P<0.01);0.30% EMS處理時(shí),穗型突變率最大值為L(zhǎng)gB7B大粒高,為7.58%,且顯著高于除低稈L17的其他材料(P<0.01);0.35% EMS處理時(shí),穗型突變率最大值為L(zhǎng)早615·L17,為8.81%,顯著高于低稈L17、L17、28R·吉16(P<0.01),與1121R和LgB7B大粒高材料無(wú)差異(P>0.01)。各濃度EMS處理時(shí),穗型突變率最小值均為L(zhǎng)17,其中0.20% EMS處理時(shí)L17穗型突變率為0.00%,也就是說(shuō)0.20% EMS處理不能使L17產(chǎn)生穗部突變。分析結(jié)果表明,EMS處理對(duì)6個(gè)供試高粱的穗部的影響程度因種質(zhì)的不同而差異顯著。0.20%和0.35%EMS對(duì)L早615·L17影響最大,0.25% EMS對(duì)28R·吉16影響最大,0.30% EMS對(duì)LgB7B大粒高影響最大,各濃度EMS對(duì)L17影響最小。
圖3 不同EMS處理對(duì)高粱穗型的影響Fig.3 Effect of EMS treatments with different concentrations on the panicle types of sorghum
表6 不同濃度EMS處理對(duì)高粱穗型的影響Table 6 Effects of EMS treatments with different concentrations on the plant panicle types of sorghum
EMS處理對(duì)高粱的成熟有一定的抑制作用,使高粱延后成熟。由表7和圖4可知,不同濃度EMS誘變處理后,與對(duì)照相比,6個(gè)供試高粱材料的成熟期變異率均顯著提高(P<0.01),且隨著EMS濃度的增加而增加。其中,1121R成熟期變異率在0.25%和0.30% EMS處理間無(wú)顯著差異(P<0.01)。L早615·L17在0.20%和0.25% EMS處理間以及0.30%和0.35% EMS處理間無(wú)顯著差異(P<0.01)。低稈L17的成熟期突變率在0.25%、0.30%和0.35% EMS處理間無(wú)顯著差異(P<0.01)。同一EMS處理濃度下,6個(gè)供試材料的成熟期變異率也存在明顯差異(P<0.01)。0.2%和0.25% EMS處理時(shí),成熟期變異率最高值均為L(zhǎng)17,分別為3.93%和6.25%,均顯著高于其他材料(P<0.01)。0.30%和0.35% EMS處理時(shí),成熟期變異率最高值均是LgB7B大粒高,分別為7.3%和14.33%,均顯著高于其他材料(P<0.01)。各濃度EMS處理時(shí),成熟期變異率最低值均為低稈L17;0.30% EMS處理時(shí),除1121R和低稈L17成熟期變異率無(wú)顯著差異(P<0.01)外,其他材料間差異顯著(P<0.01);0.25% EMS處理時(shí),LgB7B大粒顯著(P<0.01)。結(jié)果表明,EMS處理對(duì)各材料的成熟期的影響因種質(zhì)和處理濃度不同而不同,EMS處理對(duì)LgB7B大粒高和L17的影響較大,對(duì)L17的影響最小。高和28R·吉16成熟期變異率無(wú)顯著差異(P<0.01),其他材料間差異顯著(P<0.01);0.35% EMS處理時(shí),低稈L17與L早615·L17的變異率差異不顯著外。其他處理時(shí),低稈L17的變異率與其他材料均差異
圖4 不同EMS處理對(duì)高粱成熟期的影響Fig.4 Effects of EMS treatments with different concentrations on the maturity stages of sorghum
表7 不同濃度EMS處理對(duì)高粱成熟期的影響Table 7 Effect of different EMS treatments with different concentrations on the plant maturity stage of sorghum
EMS誘變育種是目前進(jìn)行新種質(zhì)創(chuàng)制、材料改良以及功能基因研究的高效且安全的一種途徑。大量研究表明,不同植物對(duì)EMS的選擇濃度是不同的,白菜對(duì)EMS處理的最適濃度范圍為0.60%[27],黃花苜蓿對(duì)EMS處理的最適濃度為1.40%[28],小麥的最適濃度為0.30%[13],苦蕎的最適濃度為1.20%和1.70%[29]。研究證明EMS誘變處理對(duì)高粱性狀突變的影響因種質(zhì)和農(nóng)藝性狀的不同而不同,這與前期的研究結(jié)果以及前人的研究結(jié)果一致[20,22-23]。建議高粱晉粱5號(hào)和V4B構(gòu)建突變體庫(kù)的EMS最適濃度分別為0.25%和不超過(guò)0.20%[22],0.35%和0.30%的EMS可分別作為11494B和11476B構(gòu)建突變體庫(kù)和篩選株高突變體的最適濃度[23];0.35%的EMS可作為11494B和11476B篩選葉形、穗型和成熟期突變體的最適濃度[23]。李輝等[20]建議的酒用糯高粱突變體的篩選EMS處理最適濃度為0.30%。丁延慶等[21]建議紅纓子的EMS處理最適濃度為0.40%;王春語(yǔ)等[15]建議TX623的EMS處理最適濃度為0.20%;劉言龍等[16]則認(rèn)為Tx623在0.10%誘變濃度下突變率最高;于淼等[19]建議保持系2055B的最佳誘變處理時(shí)間和濃度為14 h和0.25%,恢復(fù)系10125的最佳誘變處理?xiàng)l件是0.30%+14 h。王煒等[17]建議甜高粱自交系甜94適宜的EMS誘變條件為0.20%+16 h;張偉等[18]用0.25%+24 h的EMS處理?xiàng)l件對(duì)甜高粱甜C-1進(jìn)行了突變體創(chuàng)制;Wanga等[26]報(bào)道Parbhani Shakti、ICSV 15013、Parbhani Moti和Macia的EMS最佳劑量范圍分別為0.41%-0.60%、0.48%-0.58%、0.46%-0.51%、0.36%-0.45%。
構(gòu)建突變體庫(kù)是快速獲得豐富的農(nóng)藝性狀的一條高效途徑。構(gòu)建突變體庫(kù)的前提是EMS誘變條件的選擇,EMS處理濃度不能太小,處理時(shí)間不能太短,不然會(huì)導(dǎo)致突變少;構(gòu)建飽和突變體庫(kù)所需要的群體太大,不僅會(huì)增加成本,而且篩選效率也低;EMS濃度不能太大,處理時(shí)間不能太長(zhǎng),否則會(huì)因群體太小而導(dǎo)致突變體飽和度不夠。所以,首先種子的成苗率應(yīng)控制在50%左右為宜。構(gòu)建飽和突變體庫(kù),除了要考慮成苗率,育性也應(yīng)被重視,本研究表明,EMS誘變處理會(huì)導(dǎo)致植株發(fā)生敗育突變,而且隨著EMS處理濃度的增加,高粱植株敗育變異率呈增加趨勢(shì)。因此,構(gòu)建突變體庫(kù)時(shí),植株的敗育突變率應(yīng)低于50%,這樣不會(huì)因可結(jié)實(shí)突變體少而影響突變的飽和性。綜合成苗率和育性兩方面考慮,構(gòu)建突變體庫(kù)時(shí),6個(gè)供試材料的最佳EMS誘變濃度應(yīng)為:1121R、LgB7B大粒高、L早615·L17、28R·吉16最佳誘變濃度均為0.25%,L17最佳誘變濃度應(yīng)為0.35%,而低稈L17則需要高于0.35%的EMS。
綜上分析,可以證明,EMS處理對(duì)各高粱種質(zhì)影響不同,供試6個(gè)材料中,EMS處理對(duì)低稈L17的影響最小,其次是L17。EMS對(duì)高粱的影響不是單因素作用的結(jié)果,而是EMS濃度、處理時(shí)間、種質(zhì)以及種植環(huán)境等多種因素共同作用的結(jié)果,成功構(gòu)建一個(gè)飽和突變體庫(kù),需要一定的大田預(yù)試驗(yàn)。
EMS誘變處理后,在當(dāng)代誘變?nèi)后w就可觀察到影響高粱產(chǎn)量重要農(nóng)藝性狀的豐富表型變異類型,如株高、葉型、穗型、育性、成熟期等。但是,EMS誘變處理后在當(dāng)代表現(xiàn)的突變絕大多數(shù)不能穩(wěn)定遺傳給后代[30],而且EMS誘變劑在處理過(guò)程中會(huì)對(duì)種子造成不同程度的損傷,很多植株在誘變當(dāng)代會(huì)表現(xiàn)出生理?yè)p傷。因此,在當(dāng)代不建議進(jìn)行突變體篩選,從M2代開始進(jìn)行篩選和鑒定。
表8 高粱EMS誘變處理最佳濃度Table 8 Optimal concentrations of sorghum treated with EMS
矮化育種是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要育種目標(biāo),利用EMS誘變產(chǎn)生高粱矮稈資源對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。本研究表明EMS具有矮化效果,易導(dǎo)致后代植株矮化。不同高粱材料經(jīng)EMS誘變劑處理后,其各個(gè)材料誘變?nèi)后w中均產(chǎn)生了株高降低的變異植株,株高變異統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,EMS處理能降低高粱植株的高度,EMS浸種一定程度上能夠提高植株的株高變異率,且隨著EMS濃度的增加,高粱株高變異率顯著增加。但EMS處理對(duì)不同高粱材料株高變異的影響存在較大差異。這與前人研究結(jié)果一致[21-23]。但是在0.30% EMS處理后,本研究6個(gè)材料株高變異率范圍為23.92%-34.13%,而李輝等[20]研究顯示EMS誘變處理紅纓子和紅珍珠后株高的變異率為72.5%和80.0%,兩者差異較大。在株高突變方面,EMS對(duì)株高較高的高粱影響較大,突變效果更好。紅纓子株高為245 cm左右,紅珍珠是紅纓子的姐妹系,株高為240 cm左右,本研究中6個(gè)材料株高均較低,1121R、L早615·L17、低稈L17、L17、28R·吉16、LgB7B大粒高株高分別為142.0、106.7、179.7、141.7、108.0和127.3 cm。前人已報(bào)道,高粱株高主要由4對(duì)非連鎖遺傳的等位基因Dw1、Dw2、Dw3和Dw4調(diào)控,株高矮化是這4個(gè)基因和其他未知基因共同作用的結(jié)果[31-33],因此,可以通過(guò)分析這4個(gè)基因在不同種質(zhì)的分布頻率和突變情況來(lái)明確該差異產(chǎn)生的原因。
高粱植株的穗型、育性也是決定高粱產(chǎn)量的重要指標(biāo)。EMS誘變處理后,大多數(shù)高粱穗子變得散而小,穗子變大、變緊的變異極少觀察到。李輝等[20]認(rèn)為EMS處理更易導(dǎo)致一級(jí)枝梗長(zhǎng)度和數(shù)量的變異,使得一級(jí)枝梗變短、變少。穗子變散也未必是有害變異,不同的生態(tài)環(huán)境對(duì)穗型的要求不同,如北方由于氣候干燥少雨,適合緊穗,而南方由于氣候濕潤(rùn)多雨,更適合散穗型高粱,緊穗型高粱容易發(fā)生大面積螟蟲蟲害導(dǎo)致嚴(yán)重減產(chǎn)。
EMS處理對(duì)高粱植株的雄蕊的發(fā)育具有抑制作用,隨著EMS濃度的增加,這種抑制作用越強(qiáng),誘變后代的結(jié)實(shí)率越低,即育性越低。植株育性降低的變異主要是雄蕊發(fā)育不正常只能產(chǎn)生少量或不能產(chǎn)生正常有功能的花粉而導(dǎo)致的,一般變異株的柱頭育性正常,這與前人以及團(tuán)隊(duì)前期的研究結(jié)果都一致[22,15]。王春語(yǔ)等[15]認(rèn)為這些突變的植株主要是由于自身花粉育性降低而不能正常結(jié)實(shí),但這些突變植株柱頭發(fā)育正常,可以接受外來(lái)花粉。
EMS誘變處理對(duì)不同高粱材料的成苗率和主要農(nóng)藝性狀影響程度不同。種子成苗率隨著EMS處理濃度增加而逐漸降低,處理后代植株的株高、葉片、穗型、育性以及成熟期變異率隨著EMS濃度的增加而增加。構(gòu)建突變體庫(kù)時(shí),1121R、 LgB7B大粒高、L早615·L17、28R·吉16最佳誘變濃度均為0.25%,L17最佳誘變濃度為0.35%,而低稈L17則需要高于0.35%的EMS。