秋水仙素诱导甜高粱‘FH59’种子变异效应研究

邵荣峰，张 伟，张 阳，王 官，常玉卉，白文斌，赵威军

（山西农业大学高粱研究所，山西 晋中 030600）

0 引言

甜高粱(Sorghum bicolor(L.)Moench)是粒用高粱的一个变种[1]，生物产量高，茎秆含糖量高[2]，抗逆性强，耐贫瘠，饲草营养品质高，是优质的能源和饲草作物[3]。但是当前中国甜高粱种质资源缺少，田间易倒伏，限制了甜高粱的育种和推广[4-5]。秋水仙素是一种微管解聚剂，可以通过抑制正在进行有丝分裂的细胞形成仿缍丝而造成染色体加倍[6-7]。已有多项研究利用秋水仙素诱变创制出优异的多倍体种质资源，主要集中于果蔬、中药材、花卉等方面，吴玉香等[8]采用改良琼脂涂抹法（0.2%的秋水仙碱与0.1%的琼脂混合成半固体）处理黄芪幼苗顶芽，得到四倍体黄芪幼苗。崔广荣等[9]用秋水仙素对文心兰再生类原球茎进行多倍体诱导，加倍产生了四倍体苗。张计育等[10]研究了不同浓度秋水仙素对草莓愈伤组织的诱导率，结果表明0.3%秋水仙素浸泡处理4天是最佳的草莓离体叶片诱导方法，多倍体诱导率为100.0%，并且诱导产生出16X的植株。在作物加倍育种方面，应用较多的是玉米单倍体加倍育性恢复，成锴等[11]以玉米单倍体诱导系诱导产生单倍体，研究发现0.06%浓度的秋水仙素浸种12 h处理加倍效果最好，加倍率为11.76%。李向永等[12]以秋水仙素为加倍剂，采用浸种法、浸芽法、滴心叶法、针刺生长点法4种方法加倍糯玉米单倍体，结果表明浸种法对植株伤害较严重，针刺生长点法处理效果最好，滴心叶法次之。秋水仙素诱变产生的多倍体，营养器官变大，大多表现为茎粗增加，叶片增厚，营养物质含量提高等[13-15]，这些诱变效应均对解决甜高粱生产问题有积极意义，并且可以创制优异的甜高粱种质资源。本实验以二倍体甜高粱‘FH59’为诱变材料，观察不同浓度和处理时间对种子变异率和存活率的影响，筛选突变体后代的变异材料，为创制四倍体甜高粱新种质及优良种质资源选育奠定基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

材料为甜高粱优质恢复系‘FH59’，该品系一般配合力高，是优质甜高粱杂交种‘晋杂1401’的父本品系，种质材料是山西农业大学高粱研究所甜高粱研究室自有品系。

1.2 研究方法

1.2.1 种子处理和变异统计 本试验设处理浓度X和处理时间Y两个处理因素，处理浓度X分别为0.05%、0.1%、0.15%、0.2%，处理时间Y分别24、31、48 h。每个处理3次重复，每次重复100粒种子。处理前将种子用2%的次氯酸钠浸泡消毒10 min，然后用蒸馏水清洗3次，将种子放入铺有定性滤纸的培养皿中，用吸管加入沒过种子的秋水仙素水溶液，将培养皿置于25℃，相对湿度70%的恒温光照培养箱中。秋水仙素处理结束后，用蒸馏水反复冲洗5次，更换滤纸，加入蒸馏水继续在相同条件的培养箱进行发芽。处理结束3天后，开始观察统计幼苗的形态特征，统计每个处理的变异种子数，7天以后停止统计。

1.2.2 田间试验 将实验室内发生变异的种子带芽播种于育苗盘中，在室外进行栽培，将正常出苗成活的幼苗于3叶期移栽至山西农业大学高粱研究所试验田中，田间管理参照常规高粱大田种植，全生育期观察植株变异情况，花期套袋自交，将发生变异的植株单穗收获脱粒。2019年将收获的种子每穗播种一个小区，筛选鉴定变异植株。并对变异进行套袋自交用于后续杂交种组配。

1.3 数据处理

采用SPSS 19.0对数据进行统计分析。室内处理诱变率计算见式(1)。

2 结果与分析

2.1 变异幼苗形态观测

试验观察表明，发生变异的种子主要表现出胚芽和胚根增粗变短，随着处理浓度和浸泡时间的增加，胚芽呈现球状和棒状，胚根呈现鼓槌状，浓度越高胚芽胚根增粗固缩越明显，而且部分幼芽发软极易发生断裂，无法正常生长（图1）。

图1 同处理甜高粱诱变苗

2.2 不同处理诱变效应分析

效应值是指双因素实验中，一个因素处理水平下另一个因素变异率的平均值，可以有效反映单一因素下变异率的变化规律，分析表明，不同处理时间24 h处理诱变数效应值最大，不同处理浓度下0.15%诱变效应数最大（表1）。方差分析表明，不同处理浓度、处理时间以及两者的交互作用对甜高粱种子诱变效果极显著(P＜0.01)（表2）。秋水仙素水溶液处理24、31 h，处理浓度的增加变异率逐渐增加，处理48 h，处理浓度增加诱变率降低。

表1 不同秋水仙素处理组合甜高粱的变异率 %

表2 方差分析结果

2.3 田间变异植株鉴定

‘FH59’野生品系株高为2.5 m，穗长为21 cm，茎粗16.9 mm，锤度为15.67 Brix，籽粒颜色为白色，无芒，有较强的配合力，是优异的甜高粱父本品系。田间观察发现M1代植株存在大量不育植株，未发现其他性状变异。田间M2代发现大量的矮化变异植株，发现株高90 cm以下变异株系一株，90～150 cm变异株17株，150～250 cm变异株16株（图2-A）；大量变异株穗长发生变化，穗长最短变异为11 cm（图2-B），最长为29.5 cm（图2-C）；茎粗也发生明显变化，最细的植株茎粗为10.65 mm，最粗的变异株为29.42 mm；锤度变异明显，部分变异品系已不属于甜高粱，锤度增大的变异系较少，锤度最大变异为17.6 Brix（表3）；部分变异株籽粒颜色白色增强或变异为淡紫色，无芒变异为有芒（图3）。野生型植株花期为8月17日，属于偏晚熟品系，田间发现部分早熟变异植株。

图3 籽粒颜色和芒性变异

表3 变异植株农艺性状

3 讨论

3.1 芽期诱变效应

许兴泽等[16]利用秋水仙素诱变燕麦种子，诱变结果表明种苗胚芽和胚根的直径明显增大，长度急剧缩短，随着秋水仙素浓度和处理时间的延长种苗存活率急剧下降。胡瑞阳等[17]利用秋水仙素诱变杉木种子也有相同的发现。本试验诱变观察表明，芽期甜高粱秋水仙素诱变效应主要表现在胚根和胚芽固缩变粗，随着诱变时间和浓度的增加，致死率增加，虽然变异效果更加显著，但是变异苗的死亡率也在逐渐增加，而且田间移栽成活率受到覆土厚度和浇水量的影响，成活更加困难。

3.2 诱变时间和浓度

化学诱变在种质资源创制中有积极意义，可以用于改良高配合力亲本性状。秋水仙素可以在有丝分裂过程中抑制纺锤丝分离而造成植物染色体加倍，处理时间和浓度对加倍作用的效果影响显著。周亚星等[18]研究表明甜高粱×白壳苏丹草和散穗高粱×白壳苏丹草杂交F1适宜的秋水仙素的浓度与处理的时间分别为0.05%、40 h和0.10%、24 h。房永雨等[19]研究表明散穗高粱×红壳苏丹草杂种F1和散穗高粱×黑壳苏丹草杂种F1的适宜秋水仙素浓度和时间处理组合分别为0.1%、24 h和0.05%、36 h。本试验分析表明甜高粱在24 h，0.15%诱变条件下变异数最高，且变异苗固缩适中，田间成活率相对较高，这一处理为最适诱变条件，这与前人研究结果相似。诱变数主要反映变异苗的数量，但是随着浓度和处理时间的增加，种子致死未能发芽数增多，而且有多变异幼苗也由于固缩过于明显而无法成活。因此本试验筛选出的诱变时间和浓度既可以保证诱变率，又能保证变异苗成活率。

3.3 田间变异株鉴定

当前化学诱变创制突变体主要是利用EMS，秋水仙素主要是作为加倍药剂使用，但是多数的诱变试验，芽期加倍效果显著，成熟期倍性鉴定困难，而且绝大部分为嵌合体，无法稳定遗传，当前试验对于秋水仙素诱变后代变异的筛选较少，主要集中于室内诱变。吴杰等[20]以不同浓度秋水仙素处理黄花酢浆草腋芽外植体，变异成株出现茎膨大、矮化等突变体。本研究发现秋水仙素诱变后代性状变异明显，可以作为一种诱变药剂使用，而且性状变异主要表现在M2代，许多性状变异符合育种改良目标。‘FH59’生育期较晚，对于杂交种的组配限制明显，本次诱变后代发现的早熟突变株对后期的育种作用明显。‘FH59’作为恢复系一般配合力高，是优异的甜高粱父本品系，本次诱变发现大量的矮化变异株，其中株高低于150 cm的均可以转为A3型不育系，若是转育成的不育系依旧能保持优良的一般配合力，这可以对甜高粱育种产生积极意义。

4 结论

秋水仙素诱变效果受到诱变时间、药剂浓度以及二者交互作用的影响，在24 h，0.15%诱变条件下诱变效果最佳。秋水仙素苗期加倍效应明显，成熟期M2变异效果也十分显著，可以产生大量的突变体。