秋水仙素诱变对油莎豆出苗率及品质的影响
摘 要：为确定油莎豆块茎秋水仙素诱变半致死剂量，获得高品质变异种质资源，分别以萌发前和萌发后油莎豆块茎为试验材料，利用不同质量浓度秋水仙素（0、1、2、3、4 g/L）进行诱变处理，1个月后计算出苗率，成熟收获后采用近红外谷物分析仪进行品质检测。结果表明，无论是萌发前还是萌发后诱变处理油莎豆出苗率总体上均随着秋水仙素质量浓度和诱变时间的增加而降低，秋水仙素质量浓度对萌发前和萌发后诱变处理油莎豆出苗率均有极显著影响，诱变时间对萌发前和萌发后诱变处理油莎豆出苗率均有显著影响；萌发前油莎豆块茎对秋水仙素更敏感，其半致死剂量低于萌发后诱变处理，且萌发前诱变可致油莎豆芽畸形，萌发后诱变处理芽无明显变化。以诱变质量浓度低且诱变时间短达到半致死剂量为原则，秋水仙素质量浓度1 g/L、诱变萌发前油莎豆块茎24 h为其最适诱变半致死剂量。经品质检测，发现淀粉含量高于32%的高品质变异材料1份，总糖含量高于36%的高品质变异材料6份，为油莎豆高品质育种奠定了基础。
关键词:油莎豆;秋水仙素诱变:半致死剂量:出苗率;品质;
Effect of Colchicine Mutagenesis on Seedling Emergence Rate and Quality of Tigernut
(Cyperus esculentus)
WEI Zunmiao LIU Jiayao CHENG Yan WANG Zhanhai XU Fangda CHEN Xin MU
Zhongsheng
Economic Plant Research Institute, Jilin Academy of Agricultural Sciences
Abstract：In order to determine the semi-lethal dose for colchicine mutagenesis of tigernut（Cyperus esculentus）tuber and obtain high quality variant germplasm resources，the tubers before and after germination were mutagenized with different concentrations（0，1，2，3，4 g/L）of colchicine, the emergence rate was calculated one month later, and the quality was tested by the near-infrared(NIR) grain analyzer after maturity. The results showed that whether mutagenesis was done before or after germination，the emergence rate of tigernut decreased with the increase of colchicine concentration and mutagenesis time, colchicine concentration had extremely significant effect on the emergence rate, mutagenesis time had significant effect on the emergence rate. Before germination, tigernut tuber was more sensitive to colchicine, the half lethal dose of colchicine was lower than that of mutagenesis after germination, and mutagenesis before germination could cause bud deformity, but buds of mutagenesis treatment after germination did not obviously changed. On the principle of low mutagenesis concentration and short mutagenesis time to half-lethal dose, the optimal half-lethal dose of colchicine was colchicine concentration of 1 g/L, mutagenesis for 24 hours before germination of tigernut tuber. By testing, one germplasm resource with starch content higher than 32% and six germplasm resources with total sugar content higher than 36% were obtained, which layed the foundation for high-quality breeding.
Keyword：
Tigernut(Cyperus esculentus); Colchicine mutagenesis; Half lethal dose; Emergence rate; Quality;
油莎豆是集油、粮、牧、饲于一体的新兴经济作物，富含脂肪、淀粉、糖、维生素和矿物质。其中，脂肪含量一般约为30%，非洲有些油莎豆品种脂肪含量在40%以上[1]。大力发展油莎豆产业，可增加油脂、淀粉和饲料供应，缓解能源短缺，对保障我国食用植物油、粮食和动物蛋白质供给安全等有重要的现实意义和战略意义。油莎豆开花一般不结实[2]，即使结实成熟度也不好[3]，主要以块茎繁殖。目前，油莎豆育种主要通过系选和诱变的方法，诱变育种可以提高突变频率、创造新基因，缩短育种年限，被广泛应用。何嘉欣等[4]开展了EMS溶液对油莎豆块茎萌发特性的影响研究，确定了油莎豆EMS诱变的最适条件。秋水仙素是使用范围广且处理效果较好的诱变剂[5]，在大枣[6]、苹果[7]、黄瓜[8]、西瓜[9]、万寿菊[10]等作物上均有应用，但在莎豆块茎上的报道很少，吴琼[11]采用秋水仙素诱变油莎豆离体茎尖，获得了染色体加倍的植株；李佳婷[12]用秋水仙素处理油莎豆无菌苗，获得了四倍体油莎豆植株，但尚未见秋水仙素诱变油莎豆块茎和诱变后块茎品质分析的报道。为此，利用不同质量浓度的秋水仙素溶液分别诱变萌发前和萌发后油莎豆块茎，以期确定油莎豆块茎秋水仙素诱变半致死剂量，并对诱变株油莎豆块茎的品质进行检测，分析秋水仙素诱变对油莎豆块茎品质的影响，并从诱变材料中筛选出高品质变异株，为油莎豆品质育种奠定基础。
1 材料和方法
1.1 试验地概况及试验材料
试验于2021年6—10月在吉林省农业科学院经济植物研究所试验地进行，土质为砂壤土。
供试油莎豆为吉林省农业科学院经济植物研究所油莎豆团队自育品系SS4-3（长粒型），发芽率在95%以上。化学诱变剂为秋水仙素，购于上海源叶生物科技有限公司。
1.2 试验方法
1.2.1 秋水仙素溶液的制备
采用8.5 g/LNaCl溶液溶解秋水仙素，分别称取秋水仙素粉末，配制质量浓度为0（CK）、1、2、3、4 g/L的秋水仙素溶液。
1.2.2秋水仙素诱变萌发前油莎豆块茎
选择饱满无虫眼油莎豆块茎900粒，用0.3%多菌灵浸泡15 min，然后于35 ℃恒温箱中清水浸泡12 h，充分吸水后取出，用滤纸将其表面水分吸干，室温下，分别用上述5个不同质量浓度的秋水仙素溶液浸泡，设3个诱变时间，分别为12、24、36 h，共15个处理，每个处理3次重复，每次重复20粒。浸泡处理结束，用流水冲洗5遍，待最后一个处理结束后，统一进行播种，株距10 cm，行距65 cm，施用复合肥1 000 kg/hm2，进行常规田间管理。30 d后统计出苗数，计算出苗率。
1.2.3秋水仙素诱变萌发后油莎豆块茎
选择饱满无虫眼油莎豆块茎1 000粒，用0.3%多菌灵浸泡15 min，然后于35 ℃恒温箱中清水浸泡12 h，充分吸水后取出，放到发芽盘中35 ℃催芽，每天清洗一遍，萌发后挑选发芽一致的900粒，用滤纸吸干表面水分后立即进行诱变处理，诱变剂质量浓度、诱变时间及田间管理等均与1.2.2相同。
1.3 测定项目及方法
油莎豆块茎成熟后人工单株收获，清洗表面，自然晾晒，含水量降到约13%后采用近红外谷物分析仪（波通7250A）对诱变块茎进行品质检测，包括脂肪含量、蛋白质含量、总糖含量、淀粉含量。
1.4数据处理
试验数据采用SPSS 22软件进行处理、统计分析。
2 结果与分析
2.1 秋水仙素诱变萌发前油莎豆块茎对出苗率的影响
使用秋水仙素对萌发前油莎豆块茎进行诱变（表1），发现油莎豆出苗率总体上随着秋水仙素质量浓度和诱变时间的增加而逐渐降低。正常条件下，油莎豆出苗率最高可达到96.66%；在秋水仙素质量浓度4 g/L、诱变时间36 h条件下，出苗率最低，为20.00%；在秋水仙素质量浓度1 g/L、诱变时间24 h条件下，出苗率为51.67%，接近半致死剂量。
方差分析结果（表2）显示，使用秋水仙素对萌发前油莎豆块茎进行诱变，秋水仙素质量浓度对油莎豆出苗率的影响达到极显著水平，诱变时间对油莎豆出苗率的影响达到显著水平。
2.2 秋水仙素诱变萌发后油莎豆块茎对出苗率的影响
使用秋水仙素对萌发后油莎豆块茎进行诱变（表3），发现油莎豆出苗率随着秋水仙素质量浓度和诱变时间的增加而逐渐降低。正常条件下，油莎豆出苗率最高可达到98.33%；在秋水仙素质量浓度4 g/L、诱变时间36 h条件下，出苗率最低，为36.67%；在秋水仙素质量浓度3 g/L、诱变时间36 h条件下，出苗率为48.33%，接近半致死剂量。与萌发前油莎豆块茎秋水仙素诱变处理相比，萌发后油莎豆块茎秋水仙素诱变处理达到半致死剂量的秋水仙素质量浓度更高、诱变时间更长，说明萌发后油莎豆块茎比萌发前油莎豆块茎抗诱变能力更强，对秋水仙素的敏感度更低。
方差分析结果（表4）显示，使用秋水仙素对萌发后油莎豆块茎进行诱变，秋水仙素质量浓度对油莎豆出苗率的影响达到极显著水平，诱变时间对油莎豆出苗率的影响达到显著水平，与萌发前诱变结果一致。
2.3 秋水仙素诱变对油莎豆块茎芽形态的影响
萌发前油莎豆块茎经秋水仙素诱变处理3 d后开始陆续发芽，经观察，部分芽存在明显变异，共有3种变异类型，分别为圆形、锥形、半圆半尖（图1），萌发后油莎豆块茎经秋水仙素诱变后芽无明显变化。
2.4 秋水仙素诱变块茎品质分析
2.4.1 秋水仙素诱变油莎豆块茎品质变化
经秋水仙素诱变的油莎豆块茎成熟时，每个诱变处理选取3个诱变株，收获块茎并晒干后，进行品质检测（表5）。由表5可知，油莎豆块茎萌发前诱变处理品质指标的变异系数为13.97%~17.65%，平均正向变异率为59.72%；油莎豆块茎萌发后诱变处理品质指标的变异系数为11.69%~18.78%，平均正向变异率为56.94%，总体上萌发前油莎豆块茎秋水仙素诱变的变异系数和正向变异率均略高于萌发后。正向变异率最高的是油莎豆块茎萌发后诱变处理蛋白质含量，为94.44%；正向变异率最低的是油莎豆块茎萌发后诱变处理总糖含量，为5.56%。对油莎豆块茎萌发前和萌发后诱变处理的4个品质指标正向变异率进行比较，发现油莎豆块茎萌发前诱变处理和萌发后诱变处理的脂肪含量正向变异率相同；油莎豆块茎萌发后诱变处理蛋白质含量和淀粉含量正向变异率高于萌发前诱变处理；萌发前诱变处理总糖含量正向变异率远高于萌发后诱变处理。
2.4.2 油莎豆高品质变异材料的筛选
根据育种目标，在油莎豆诱变株中筛选出7个高品质变异材料（表6）。其中，5个为油莎豆块茎萌发前诱变获得，2个为油莎豆块茎萌发后诱变获得。在高品质变异材料中，淀粉含量大于32%的1个，为油莎豆块茎萌发后诱变所得；总糖含量大于36%的6个，其中，萌发前诱变获得5个，萌发后诱变获得1个，未获得脂肪含量大于27%的诱变材料。
3 结论与讨论
本研究发现，油莎豆出苗率随秋水仙素质量浓度和诱变时间的增加而降低，诱变时间对出苗率有显著影响，秋水仙素质量浓度对出苗率有极显著影响，秋水仙素质量浓度对油莎豆出苗的影响大于诱变时间，这与任雪羽[13]用秋水仙素诱变木槿种子，任威威[14]用秋水仙素诱变花生种子得出的结论相同。油莎豆块茎萌发前进行诱变，秋水仙素质量浓度1 g/L、诱变时间24 h为其半致死诱变剂量；油莎豆块茎萌发后进行诱变，秋水仙素质量浓度3 g/L、诱变时间36 h为其半致死诱变剂量，以诱变质量浓度低且诱变时间短达到半致死剂量为原则，秋水仙素质量浓度1 g/L、诱变萌发前油莎豆块茎24 h为其最适秋水仙素诱变半致死剂量，萌发前油莎豆块茎对秋水仙素更敏感。祝朋芳[15]采用秋水仙素诱变菊花干种子、萌动种子、双子叶期植株，半致死剂量分别为2 g/L处理1 d、2 g/L处理0.5 d、20 g/L处理6 d，同样得出秋水仙素诱变萌动的种子比干种子和双子叶期植株需要的质量浓度低且时间短。植物诱变一般选择种子、芽、茎尖、花粉、愈伤组织等生命力较强、分裂旺盛的部位或组织，油莎豆主要以块茎繁殖，所以本试验以油莎豆块茎作为诱变材料，分别选取了萌发前块茎和萌发后块茎进行诱变，发现萌发前块茎经秋水仙素诱变后部分芽表现出畸形，萌发后块茎经秋水仙素诱变后无明显变化，可见萌发前块茎对诱变剂更敏感，萌发前块茎秋水仙素诱变半致死浓度在相同时间下比萌发后低，说明萌发前油莎豆块茎是较合适的化学诱变材料。
品质育种的育种目标是改良和提高农作物产品品质，秋水仙素诱导植物加倍可提高品质。彭丹[16]采用秋水仙素诱导的四倍体不结球白菜烤青和夏帝与二倍体相比，可溶性糖、维生素C含量和干物质量显著提高。本研究虽未对诱变株做倍性鉴定，但是通过近红外谷物分析仪对诱变株块茎品质进行检测，获得了6个总糖含量增加的高糖变异株和1个淀粉含量增加的高淀粉变异株，同样证实了秋水仙素诱变可使油莎豆品质提高，是油莎豆品质育种的有效方法之一。本研究未筛选出高油变异材料，可能与所选基础材料脂肪含量低有关，吉莎系SS4-3脂肪含量较低，仅为14.26%，虽然变异空间较大，正向变异率也较高，达到66.67%，但是基数小，最后达到的峰值有限。所以若要获得某个品质指标高的诱变材料，首先应选择此品质指标相对较高的基础材料，此结论只是初步推断，还需进一步验证。
秋水仙素诱导多倍体鉴定的方法，主要有形态学观测、染色体计数、气孔观测、流式细胞仪测定[13]、叶绿素含量测定[14]等，多种鉴定方法之间相互验证，得出的结果更准确，也可以根据多倍体抗逆性强的特点[17]，尝试采用胁迫法鉴定油莎豆诱变植株倍性。郭启高等[18]通过低温胁迫法(5 ℃ 5 h)和高温胁迫法（50 ℃ 10 h）检测出西瓜四倍体平均符合程度在80%以上，证实胁迫法可用。油莎豆属新兴植物，学者对其染色体研究较少，且油莎豆为无性繁殖，遗传背景不详，此前国外学者报道油莎豆染色体有18条、108条和208条[19]。目前为止，油莎豆染色体数量及倍性还无定论，现阶段对油莎豆诱变株进行染色体计数鉴定有一定难度，下一步将对秋水仙素诱变的油莎豆植株进行染色体倍性鉴定等深入研究。
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