黍子矮秆突变体‘87’表型及对赤霉素敏感性分析

郭英杰 刘晓婕 张 帅 刘 洋 张 萍 许晨晨 朱学海*

(1.张家口市农业科学院 黍子研究所，河北 张家口 075032；2.中国农业大学 农学院，北京 100193)

黍子是一年生禾本科作物，具有生育周期短、抗旱耐瘠、耐盐碱和抗风沙等特点，是我国干旱半干旱地区主要的粮食作物之一，同时在盐碱地开发利用、沙漠治理以及晚播救灾等方面也发挥着重要作用[1-3]。此外，由于黍子中含丰富的粗蛋白、膳食纤维、常量元素和微量元素，作为一种健康食品已被消费者广泛关注[4]。但目前我国黍子产业的发展相对于其他作物较缓慢，主要体现在生产技术水平较低，仍沿袭传统种植模式，耕作管理粗放，机械化程度低，另一方面种质资源的改良优化投入较少，种植品种仍以传统农家种为主，品种混杂、退化严重且产量低[5-7]，因此通过选育新品种来实现黍子优质高产和适应未来机械化种植势在必行。

由于诱变育种可以在短时间内获得一些常规育种难以获得的新突变和新种质，并极大地拓宽遗传变异范围，丰富突变体资源库，因此诱变育种已成为常规选择育种和杂交育种的重要补充，得到广泛应用[8-9]。刘美桃等[10]利用EMS诱变获得了谷子抗除草剂‘拿捕净’株系；陈天子等[11]通过EMS诱变获得了水稻非转基因抗除草剂种质；Kuraparthy等[12]用EMS诱变二倍体小麦并成功克隆到控制分蘖的TIN3基因；Brunelle等[13]利用EMS处理玉米植株后发现玉米EMB基因座。以上研究为育种提供了宝贵的种子资源。EMS诱变具有突变率高、变异谱广、染色体畸变率较小、诱变成本低和操作简单便利等优点，已成为挖掘水稻和小麦等多种作物基因资源的有力工具，受到国内外学者青睐[14]。目前国内外关于EMS诱变黍子生理的研究鲜见报道。本研究通过EMS诱变野生型黍子构建突变体库，并从中筛选到稳定遗传的矮秆突变体‘87’，通过对矮秆突变体‘87’的表型及赤霉素敏感性分析，旨在探究黍子突变体矮化生理机制，以期为改良黍子株型和培育抗倒高产新品种提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

野生型黍子材料选取‘石湖千斤糜’，国编号‘5711’，在张家口市种植编号为‘260’(野生型‘260’)及其经0.4%(w/v) EMS诱变20 h获得的稳定遗传的突变体，暂命名为矮秆突变体‘87’。试验材料均来自河北省张家口市农业科学院黍子研究所。

1.2 试验方法

农艺性状调查：试验于2017年6月在张家口市农业科学院沙岭子试验站(40°41′ N，114°54′ E，海拔587 m)进行。每个材料种植2小区，小区长20 m，宽6 m，株距15 cm，行距30 cm，肥水管理措施同一般生产大田。出苗后在每个试验小区随机选取野生型‘260’和矮秆突变体‘87’植株各10株，并挂牌标记。成熟期测定挂牌植株的株高、节间长、基部第一节茎粗以及穗部等性状。

主茎剖面细胞形态学观察：选取抽穗期矮秆突变体‘87’和野生型‘260’第5节间的中间部位作为横、纵向切片材料，委托武汉塞维尔生物技术有限公司进行组织软化、包埋、染色、切片制作与细胞观察。

内源GA含量测定：在抽穗期和成熟期分别采集野生型‘260’和矮秆突变体‘87’的剑叶，采用酶联免疫吸附法(ELISA) 测定抽穗期GA3和GA4含量，成熟期的GA1+GA3含量。

外源GA敏感性分析：在种植小区内挑选10株长势一致的矮秆突变体‘87’植株，选取其中5株从7月19日开始每隔7 d喷施1次50 mg/L的外源GA3(外源GA3为美国Sigma公司产品)，另外5株每次喷施等量清水作为对照，共喷施3次，喷施程度为处理液充分而又均匀分布于整个植株表面，此外每次喷施前测量植株高度。

数据处理与分析：试验数据采用Microsoft Excel 2013进行数据整理、作图，采用IBM SPSS Statistics 24软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 矮秆突变体‘87’的表型差异分析

由图1可知，矮秆突变体‘87’拔节期的株高、茎节数和分蘖数远低于野生型‘260’。由表1可知，成熟期矮秆突变体‘87’的株高仅为野生型‘260’的46.7%，分蘖数增加1.7个，差异均达显著水平；茎节数和野生型‘260’差异不显著；矮秆突变体‘87’地上第一节茎粗比野生型‘260’增加14.1%。

表1 野生型‘260’和矮秆突变体‘87’成熟期株型结构Table 1 The plant structure of wild-type ‘260’ and dwarf mutant ‘87’ at mature stage

图1 拔节期矮秆突变体‘87’和野生型‘260’株型比较Fig.1 Comparison of plant type between dwarf mutant ‘87’ and wild-type ‘260’ at jointing stage

由图2可知，矮秆突变体‘87’和野生型‘260’节间长度变化趋势基本一致，均表现为随茎节数的增加节间长度先上升后下降，地上第4茎节节间长度最大。矮秆突变体‘87’基部第1茎节茎长仅为野生型的32.3%，第2～5节长为野生型的40.0%左右，第6～9节长为野生型的45.7%～49.2%。以茎节长度比值作线性趋势线后可知矮秆突变体‘87’基部缩短较多，茎节上部缩短较少。

不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。下同。Different lowercase letters indicate significant differences at the 0.05 level. The same below.图2 成熟期矮秆野生型‘260’和突变体‘87’节间长度及节间比率Fig.2 Internode length and ratio of wild-type ‘260’and dwarf mutant ‘87’ at mature stage

比较野生型‘260’和矮秆突变体‘87’成熟期穗部性状可知，矮秆突变体‘87’的穗柄长度、穗长和千粒重相比于野生型‘260’均有下降，降幅分别为54.5%、31.8%、1.7%，见表2。

表2 野生型‘260’和矮秆突变体‘87’成熟期穗部性状Table 2 Panicle characters of wild-type ‘260’ and dwarf mutant ‘87’ at mature stage

2.2 主茎剖面细胞形态学观察分析

由图3可知， 野生型‘260’和矮秆突变体‘87’纵切细胞排列均较为规则，但矮秆突变体‘87’地上第五节间中5个连续纵向细胞长度为341.0 nm，明显小于野生型‘260’的长度，这表明矮秆突变体‘87’主茎的节间较短是由于细胞纵向长度减小所致。矮秆突变体‘87’地上第五节间中5个连续横向细胞长度为320.0 nm，野生型‘260’的5个连续纵向细胞长度为316.5 nm(图3(c)和(d))，说明矮秆突变体‘87’和野生型‘260’的茎秆横切面的细胞长度基本一致，因此推测矮秆突变体‘87’茎粗的增加可能是由于单位面积细胞数目增加导致。

(a)和(c)分别为野生型‘260’地上第五茎间纵和横剖面结构；(b)和(d)分别为矮秆突变体‘87’地上第五茎间纵和横剖面结构(a) and (c) are the longitudinal and transverse cross-sectional structure of the fifth aboveground stem of the wild-type ‘260’，respectively; (b) and (d) are the longitudinal and transverse cross-sectional structure of the fifth aboveground stem of the dwarf mutant ‘87’，respectively.图3 成熟期野生型‘260’和矮秆突变体‘87’地上第五茎间纵、横剖面结构比较Fig.3 Comparison on the longitudinal and transverse cross-sectional structure of the fifth stem aboveground between wild-type ‘260’ and dwarf mutant ‘87’ at mature stage

2.3 矮秆突变体‘87’对外源GA3敏感性分析

通过不同时期对矮秆突变体‘87’喷施外源GA3及清水，并测量植株高度后可以看出，2种处理植株高度均增加，同一测定日期2种处理的株高差异不显著(图4)。相较于07-19株高，07-26和08-02喷施外源GA后株高增长率分别为16.0%和47.4%；喷施清水后株高增长率分别为24.1%和48.6%，2种处理株高的增长率相近，可见矮秆突变体‘87’对GA3反应不敏感。

图4 外源GA3对矮秆突变体‘87’株高的影响Fig.4 The effect of exogenous GA3 on plant height of dwarf mutant ‘87’

2.4 内源GA含量分析

由图5可知，抽穗期矮秆突变体‘87’和野生型‘260’内源GA4含量分别高于GA3含量8.1%和5.6%，且矮秆突变体‘87’内源GA3含量和GA4含量均高于野生型‘260’，但均未达显著水平；成熟期，矮秆突变体‘87’内源GA1+GA3含量比野生型‘260’增加14.4%。综上，矮秆突变体‘87’的矮化性状可能与内源GA含量增高有关。

内源GA3和内源GA4测定时期为抽穗期，内源GA1+GA3测定时期为成熟期。The measurement period of endogenous GA3 and endogenous GA4 is the heading period, and the measurement period of endogenous GA1+GA3 is the mature period.图5 野生型‘260’和矮秆突变体‘87’内源GA含量测定Fig.5 Determination of endogenous GA content in wild-type ‘260’ and dwarf mutant ‘87’

3 讨 论

黍子是非常容易发生倒伏的禾本科作物，加之近年黍子产区降雨增多、温度升高等极端天气的出现，倒伏已成为黍子生产中存在的普遍问题，严重影响了产量[15]。大量研究表明，株高、节间数和节间长度等因素与倒伏有极显著相关关系[16-17]，这是因为株高与地上部鲜重呈显著正相关，地上部鲜重越大，茎秆基部的弯曲力矩越大，越容易发生倒伏[18]。但也有一些研究者认为株高并不是影响倒伏的主要因素，在一定株高范围内，株高与倒伏并没有必然的联系，而茎秆基部粗度及充实度的贡献更大[19-20]。本研究利用EMS诱变获得的矮秆突变体‘87’节间数与野生型‘260’基本一致，而地上各节间长度和株高均显著低于野生型‘260’，且地上第五节间的纵向细胞长度显著低于野生型‘260’，可见矮秆突变体‘87’的株高降低是由于细胞纵向长度减小使节间长度下降所致，这一结果与Yang等[21]在矮秆甜瓜上的研究结论一致；相较于野生型‘260’，矮秆突变体‘87’基部茎粗增加，且茎秆横切片单位面积内细胞数目增加，从而使矮秆突变体‘87’的茎秆力学性能强于野生型‘260’[22]，正是矮秆突变体‘87’株高和茎秆力学性能上的改善，使其抗倒伏性优于野生型‘260’。

矮秆突变体植株常常由于赤霉素的生物合成或信号传导缺陷在表型上表现出矮化、分蘖增多、叶色变深、开花推迟、花发育异常、产量及产量构成下降等变异[23-25]，这和本研究中获得的矮秆突变体‘87’表型变化基本一致，成熟期矮秆突变体‘87’与野生型‘260’相比，株高下降、分蘖数增加，穗长、千粒重显著下降。通过对矮秆突变体‘87’施加外源激素及内源激素含量测定发现，矮秆突变体‘87’在施加外源GA3后，株高变化与对照清水处理基本一致，且抽穗期内源GA3和GA4含量及成熟期内源GA1+GA3含量均高于野生型‘260’，其中成熟期内源GA差异达显著水平。这一结果与GA3钝感型植株研究结果一致，当施加外源GA后，植株表型没有明显响应，不能恢复野生型表型[26]，且内源活性GA水平高于野生型或与野生型相当[27-28]。因此，推断矮秆突变体‘87’是由于GA合成或信号转导途径发生变化导致植株矮化，是一个GA不敏感性矮化突变体，有待进一步研究验证。

4 结 论

本研究结果表明，矮秆突变体‘87’由于茎秆纵向细胞数目减少，节间长度下降，使其株高降低；由于茎秆横向数目增加，使其茎秆变粗，从而增强抗倒伏性能。抽穗期和成熟期突变体‘87’植株内源活性GA水平均高于野生型。因此，矮秆突变体‘87’可以作为黍子矮化育种的种质材料。