EMS化学诱变技术在新疆耐盐碱甜高粱培育中的应用

文章编号：1673-887X(2023)02-0081-03
EMS化学诱变技术在新疆耐盐碱甜高粱培育中的应用艾斯坎尔·买提尼牙孜，刘翔宇，艾尼瓦尔·阿不都拉，徐彦军，阿力木·阿不迪力木
（新疆农业科学院吐鲁番农业科学研究所，新疆维吾尔自治区吐鲁番838000）
摘要文章总结了EMS化学诱变用于耐盐碱甜高粱的培育可行性，剖析了EMS化学诱变机制，研究EMS化学诱变技术在耐盐碱甜高粱培育中的应用，首先利用EMS化学诱变剂对甜高粱种子进行化学诱变，并创建突变体库。

然后将这些突变体在新疆重度盐碱地种植，并通过耐盐碱指标鉴定和筛选耐盐碱甜高粱突变体，从而可以实现耐盐碱甜高粱的培育。

关键词耐盐碱；EMS化学诱变技术；甜高粱；培育方法
中图分类号Q93文献标志码A doi:10.3969/j.issn.1673-887X.2023.02.024
Application of EMS Chemical Mutagenesis Technology in Cultivation of Saline-alkali Tolerant
Sweet Sorghum in Xinjiang Uygur Autonomous Region
Iskaner•Maitinyazi,Liu Xiangyu,Enivar•Abdurah,Xu Yanjun,Almur•Albudrilmur
(Turpan Institute of Agricultural Sciences,Xinjiang Academy of Agricultural Sciences,Turpan838000,
Xinjiang Uygur Autonomous Region,China)
Abstract：This paper summarized the feasibility of EMS chemical mutagenesis for saline-alkali resistant sweet sorghum cultivation, analyzed the mechanism of EMS chemical mutagenesis,and studied the application of EMS chemical mutagenesis technology in sa‐line-alkali resistant sweet sorghum cultivation.First,sweet sorghum seeds were chemically mutagenic by EMS chemical mutagens and a mutant library was established.Then,these mutants were planted in severe saline-alkali soil in Xinjiang,and the saline-alkali resistant sweet sorghum mutants were identified and screened by saline-alkali tolerance indexes,so as to realize the cultivation of sa‐line-alkali resistant sweet sorghum.
Key words：salt and alkali resistance,EMS chemical mutagenesis technology,sweet sorghum,cultivation method
盐分是影响植物生长和产量的重要环境因子，现阶段我国对土壤盐渍化的改良方式是以水作为条件，在配备完整的灌、排系统内使用大量的水资源灌溉空地，达到排碱去盐的效果，这种模式虽然能够在短期内保证作物的产量，但该方法的用水量过大，且大量用水会造成经济浪费，影响生态的良性循环。

与此同时利用排碱沟进行排水会造成下游土地的次生盐渍化，对环境的破坏更加明显，不仅会造成经济上的巨大损耗还会对生态环境造成二次破坏[1]。

为改变土壤盐渍化带来的多种问题，国内外展开了生物措施改良技术，即在盐碱地中种植抗盐碱的农作物，在常规化的灌溉管理中保证作物或者植物能够充分吸收灌溉水，并在根系和水系的共同向下作用力中，将土壤中的盐份向下推移，在一定程度上改善水资源浪费的情况，也能够促进生态环境的良性循环。

但由于我国部分地区土壤水土盐碱的含量较大，在培育甜高粱抗盐碱特性时存在局限，无法利用现有的抗性育种进行品种创新。

新疆的生态环境较为恶劣，其土地资源大多数为盐碱地，随着耕地面积的持续减少，对新疆盐碱地的开发利用势在必行。

资源化利用盐碱地的主要途径是引进和培育抗旱耐盐作物，甜高粱是一种优良的饲料作物，在美国、阿根廷、印度等国家已经得到了大面积种植和推广，我国的甜高粱种植生产也具有悠久历史，具备产量高和抗旱以及耐盐碱等特性，是一种具有发展潜力的饲料作物[2]。

针对新疆的土壤类型，为保证盐碱荒地的开发和利用，需要筛选具有抗旱耐盐碱的新种质，因此本文综述了EMS化学诱变应用于抗旱耐盐碱甜高粱的培育方法，以期实现抗旱耐盐碱甜高粱作物的可持续种植。

1EMS化学诱变用于耐盐碱甜高粱的培育可行性在使用不同的诱变剂时产生的诱变结果不尽相同，目前经常应用的化学诱变剂包含有碱基类似物和碱基修饰剂以及嵌入燃料。

碱基类似物能够与植物DNA进行互补配对，能够在DNA复制过程中取代正常剪辑实现配对，现阶段应用较多的且效率较高的为EMS甲基磺酸乙酯和MMS甲基磺酸甲酯。

为实现耐盐碱甜高粱的培育，以化学诱变机制为设计前提选择EMS化学诱变剂，在保证化学诱变效率的基础上获取足够大的诱变群体。

作物的突变主要源自于染色体的畸变、DNA损伤、DNA复制，在DNA损伤后将其复制后良好的保存，并将错误复制的DNA结构进行稳定和修复，使其能够遗传给子代实现基因诱变。

验证不同方法的诱变性能，需要测
收稿日期2022-12-02
基金项目新疆少数民族科技人才特殊培养计划（2018D03006）。

作者简介艾斯坎尔·买提尼牙孜（1973-），男，新疆人，农艺师，研究方向：高粱育种。

通讯作者刘翔宇，E-mail：******************。

调查研究
第2期（总第398期）81
试不同方法的对应突变频率。

只有具备较高的变化频率，才
能保证耐盐碱甜高粱培育的成功率。

NaN 3是一种点突变剂，其与DNA 的作用方式表现为碱基替换，对种子的处理基本在NDA 第一次合成中，具体的突变频率为53%。

PYM 即为平阳霉素是一种抗生素，具有高度选择性能够抑制细胞生长，也可以对植株的特殊生长结构进行抑制和诱变，在对甜高粱诱变中的突变频率为68%。

而EMS 进行碱基团活性转移，改变DNA 中氢键的生长能力，可以使作物的突变频率达到83%。

因此，EMS 诱变可以应用于耐盐碱甜高粱的培育。

2EMS 化学诱变的机制
EMS 的分子式为CH 3SO 2OC 2H 5，中文名为甲基磺酸乙酯，
是一种无色的物质。

EMS 在水中的溶解性通常为8%，在pH 为7的条件中期在溶解半衰期主要有2个类型：当20℃时分解时间为93h、当30℃时分解时间为26h。

同时EMS 化学诱变物也是烷化学制备反应中的一个类型，由于在烷化学制备过程中通常含有一个或者多个的活性烷基，因此这些基团都能够转移到较大密度的化合物中去[3]。

与其他烷化学试剂的诱变过程类似，EMS 诱变剂是通过与核苷酸中的磷酸、嘌呤和嘧啶等分子直接反应来诱发突变。

而EMS 诱发变种中通常会产生2种异变效果，第一类是烷基化后鸟嘌呤和胸腺嘧啶的自动配对过程中直接代替胞嘧啶形成突变转化，第二类是在鸟嘌呤中N27烷基发挥活性，在糖苷键断开时就会产生脱嘌呤，促使鸟嘌呤和胸腺嘧啶在烷化时进行配对，从而导致作物的DNA 复制过程中的碱基对序列替换[4]。

3
EMS 化学诱变筛选耐盐碱甜高粱的方法
3.1
基于EMS 化学诱变技术创建甜高粱突变体库
通过EMS 诱变技术构建植物突变体库，是个非常复杂的
物化过程，为保证甜高粱具备较好诱变效应，要精准掌握EMS 诱变剂最佳的使用剂量[5]。

只有合适的诱变剂量才能根据作物的生长特点进行诱变，同时对诱变剂浓度的设定还需要考虑渗入时间和环境温度。

由于不同的物种对EMS 诱变剂敏感程度不一致，因此对EMS 诱变剂浓度的选择需要通过预备试验来确定最佳的处理剂量。

还需要注意的是EMS 诱变剂具有危险性，在渗入过程中会产生强烈的挥发性，在操作中要注意安全防范，当发生危险时一般采用5%浓度硫代硫酸钠进行解毒。

诱变选育过程中受到了诱变选育程度和含量的限制，在不同的诱变选育方法下产生的筛选困难，在确保EMS 诱变剂能够充分地有效进入到甜高粱种植中的同时，也必须确保甜高粱正常的繁殖与发展。

为实现耐盐碱的甜高粱资源的诱变，利用现有的EMS 诱变技术对甜高粱的突变体库进行构建，一般为选择更多更优质的突变体新种质，可以构建大约5000份独立规模的突变体库。

对突变下的甜高粱状态进行记载见表1[6]。

在EMS 诱变技术下对甜高粱的突变结构进行体系库构建，需要在不同的特性中进行标记，实现优质品种的优化和改进。

除此以外对甜高粱的培育与优化需要以抗旱性和抗
倒性进行分析，在不同的等级强度下对甜高粱的种质资源进行评价。

从染色体数量上区分甜高粱可突变的类型：第一种是单倍体在没有染色体的作用下，能够直接将基因的隐性突变显示出来，在突变过程中将基本纯合，但此时甜高粱具备的杂种优势较少；第二种是二倍体或是四倍体，即对多条染色体进行覆盖，对甜高粱的生长习性和叶片进行突变，观察其获取的突变效率以及基因的重组情况。

由于四倍体中存在更大的染色体区间，单位下细胞能够接收到的诱变剂量就更多，在没有特殊约束下获取的不稳定因素就更多，甜高粱植株可以产生更多基因突变优势。

通过不同突变特性的分析构建突变体库，在诱变技术下鉴定和筛选出优质的突变植株，实现耐盐碱甜高粱的培育。

3.2
鉴定与筛选耐盐碱甜高粱突变体
上文中说明EMS 诱变剂的作用机理为DNA 碱基修饰，通过破坏甜高粱DNA 基础生物学功能，对其遗传特性进行破坏。

EMS 具有活泼的烷基化基团，能够在水溶液中进行充分反应，当初次构成碳正离子后，对DNA 中碱基亲核部位不间断攻击，促使高密度电荷发生改变。

与此同时在DNA 复制过程中局部碱基的配对会存在滑移现象，当重复的碱基在某个区域内滑移后，会在成未配对的单个碱基的螺旋结构凸起，当凸起的螺旋结构在复制过程中融入到模板链中，会导致复制连中出现额外的碱基，使得DNA 的复制过程发生破损，因此需要对不同的异变情况进行鉴定和筛选[7]。

对EMS 诱变创建的甜高粱突变体，可以按照室内筛选鉴定作为判断基础，分别对甜高粱的突变植株进行鉴定，确定甜高粱植株的最佳诱变方案。

甜高粱EMS 突变植株室内的耐盐性鉴定：主要采用不同浓度的NaCl 溶液，分别在0d、1d、3d、5d、7d、9d、11d 对甜高粱植株进行盐处理，浓度分别为0mmol/L、80mmol/L、1200mmol/L。

对NaCl 的不同处理浓度和对应时间进行标记，对照甜高粱突变特性观察甜高粱植株的表型，测定在不同盐浓度胁迫下甜高粱的发芽率和活力指数等。

由于新疆土壤的盐含量为0.8%~1.2%，属于重度的盐
（下转第85页）
表1甜高粱突变特性记载
Tab.1Record of mutation characteristics of sweet sorghum
特性株高茎粗节数秆长秆质量折合产秆锤度穗长穗籽粒质量折合产籽粒
粒色千粒质量
方式
从地表至穗顶高度
采用卡尺对植株中部节间茎直径测量植株从地表至旗叶叶痕处节间数目从地表至穗下端枝梗叶痕处茎长度剥去叶片除去穗头的净秆重量秆质量×每0.067hm 2株数÷1000
茎中部节间的糖汁锤度穗下端枝梗叶痕处到穗尖长度
样株籽粒平均干质量
穗籽粒质量×每0.067hm 2株数÷1000成熟时的自然色泽分为红、白、黄褐等颜色
数1000粒称质量，计算两次平均值
单位cm cm 节cm g kg %
cm g kg g g 艾斯坎尔•买提尼牙孜，
刘翔宇，艾尼瓦尔•阿不都拉，等：EMS 化学诱变技术在新疆耐盐碱甜高粱培育中的应用调查研究82
处理效果，建议沉淀剂选择NaHS、Na
2S、H
2
S等，这些沉淀剂
对镉离子的去除效果较佳。

同时，操作人员需要对硫化物用
量进行严格控制，不可过大也不可过小，不然会造成沉淀不完全或是药剂浪费，还会让水体中产生更多的S
2
-、HS-[4]。

但部分硫化物沉淀颗粒很小，难以沉淀，所以需要使用一定量的絮凝剂来实现沉降。

该处理技术的缺点是：当遇到酸时，
往往会产生H
2
S气体，引发二次污染。

二是氢氧化物沉淀法。

也就是中和沉淀法，通过将碱放入到被镉污染的水环境中，促使镉离子转化成氢氧化物，最后被沉淀析出。

在具体沉淀过程中，沉淀方式、沉淀剂类型、pH等均会在很大程度上影响到镉离子的去除效果，所以操作人员需要对pH进行严格控制，不可太低或是太高，不然无法充分沉淀镉离子，或是出
现沉淀物反溶问题。

沉淀剂可选择CaO、CaCO
3
、NaOH等。

氢氧化物沉淀法的缺点为：颗粒微细很难沉淀，需要使用絮凝剂。

三是铁氧体法。

通过将铁盐放入到被镉污染的水环境中，使镉离子转化成铁氧体晶粒，最后被沉淀析出。

在具体沉淀过程中，反应温度、沉淀剂用量、pH等均会在很大程度上影响到镉离子的去除效果，所以操作人员需要对pH进行严格控制，从而确保沉淀可以完全析出[5]。

由于铁氧化的
形成必须具有足够的Fe
2+和Fe
3
+，但被镉污染的水环境并不
能满足这一要求，就需要增加使用FeCl
2或是FeSO
4。

同时升
温虽然能够促使铁氧体尽快生成，然后会产生较大的能源消耗，还会污染环境。

为此，在处理水环境中的镉污染时，需要对上述影响因素进行充分考虑，不断优化和改进处理工艺。

4结语
综上所述，当前我国工业的蓬勃发展，产生了大量的重金属镉，由于一些企业缺乏环境保护意识，且将大量被重金属镉污染的废水排入大自然中，这就对土壤、水等造成严重污染，影响到人类的生命健康。

近年来，我国各地出现了多起地下水污染事件，引起了政府和大众的广泛关注，相关文件中明确规定了饮用水中镉浓度不可超过0.005mg·L-1。

为达到这一目的，工业领域必须加大对更加高效、经济的水体中镉污染处理工艺和技术的研究力度，以此来确保自身的经济效益，并不断提高生态效益，实现对生态环境的有效保护。

参考文献
[1]曹秀,刘丰,柴莲莲.污泥与污泥生物炭对比修复铜、镉污染土壤
[J].应用化工,2022(3):8.
[2]黄卫,庄荣浩.农田土壤镉污染现状与治理方法研究进展[J].湖
南师范大学自然科学学报,2022(1):49-56.
[3]赵哲豪,李大鹏.摄入负载镉生物炭对斑马鱼的异常行为分析
[J].环境科学学报,2021,41(12):5221-5228.
[4]徐韶足,张美丽.镉抗性细菌的筛选及其生物矿化硫化镉去除
溶液中的镉离子[J].农业环境科学学报,2021,40(6):1289.
[5]柴冠群,杨娇娇.高镉地质背景区设施菜地土壤镉生物有效性
主控因子分析[J].生态与农村环境学报,2021,37(7):918.
碱地资源类型，将甜高粱播种在该土地中，前期需要经过材料的诱变，在播种和重复筛选的过程中得到具有稳定遗传性的抗旱耐盐碱甜高粱植株，在多次的突变选择后，获取具有稳定的耐盐碱优质甜高粱品系。

至此基于EMS诱变技术优化诱变体系创建甜高粱突变体库，通过突变体的筛选和鉴定实现耐盐碱甜高粱培育方法设计。

4结语
化学诱变作为一种较为经典的育种技术，在作物和植物培育中具有重要的研究地位，在近年来的植物种质资源研究中发挥了重要作用。

主要是化学诱变技术能够快速筛选植株，在设定好的操作程序内对植物或者作物进行多轮筛选。

而在盐碱地种植甜高粱具有其他作物无法比拟的优势。

本文总结了EMS化学诱变技术在耐盐碱甜高粱中的培育方法，可以为新疆盐碱地的开发和利用提供技术支持。

参考文献
[1]蒋榕,赵亿嘉,袁林,等.不同化学诱变剂对苎麻种子萌发的影响
[J].中国麻业科学,2022,44(5):278-284.
[2]刘正杰,张全,林春,等.藜麦EMS诱导条件优化及穗突变体的筛
选[J].种子,2022,41(4):6-12.
[3]刘欢,张玉霞,孙明雪,等.混合盐碱胁迫对饲用高粱幼苗生理特
性的影响[J].内蒙古民族大学学报(自然科学版),2022,37(2): 143-148.
[4]张庆昕,张玉霞,陈卫东,等.饲用高粱品种种子萌发期耐盐碱指
标筛选及耐盐碱性综合评价[J].安徽农业科学,2022,50(1):40-42+62.
[5]黄禹翕,赵雨潼,高佳昕,等.盐碱胁迫下甜高粱生理生化指标及
综合评价方法的研究进展[J].新农业,2021(18):45-47.
[6]李娟宁,吕英,赵桂琴,等.化学诱变剂EMS和MNU对燕麦种子
萌发和幼苗生长的影响[J].草原与草坪,2021,41(3):108-118. [7]吕亮杰,陈希勇,张文英,等.EMS诱变抗旱小麦冀麦418的突变
体筛选与鉴定[J].华北农学报,2020,35(S1):47-55.
（上接第82页）
调查研究农业技术与装备
第2期（总第398期）85。