全 文 ：·研究报告·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2014年第9期
收稿日期 ：2014-03-12
基金项目 ：农业部现代农业产业技术体系项目（CARS-06-01-06）
作者简介 ：王春语，女，研究方向 ：高粱突变体库的构建及抗除草剂的筛选 ；E-mail ：wangchunyu88899@126.com
通讯作者 ：张丽霞，女，博士，助理研究员，研究方向 ：玉米、高粱重要农艺性状相关基因克隆和功能 ；E-mail ：zhanglx993@sohu.com
作物诱变育种是人为利用物理诱变因素（如 Y
射线、X 射线、中子、B 射线、激光、离子束、电
子束等）和化学诱变剂（如烷化剂、叠氮化物、碱
基类似物等）诱导植物发生遗传变异，在较短时间
内获得有利用价值的突变体。根据育种目标要求，
选育成新品种直接生产利用，或育成新种质作为亲
本在育种上利用，即突变体间接利用的育种途径［1］。
1953 年 Kalmark［2］ 首次报告了甲基磺酸乙酯
（Ethylmethylsulfone，EMS）对诱导突变的有效性研
究以来，EMS 在作物诱变育种中得到广泛的应用。
近年来，国内在诱变育种中利用 EMS 诱导大豆、花
生、大麦、春小麦、水稻、菠萝等［3］均获得了巨大
成就。石家庄现代化研究所曾利用 EMS 处理冬小麦，
获得 9 个早熟植株、矮秆突变株，比未经 EMS 诱导
高粱 EMS 诱变及突变体筛选、鉴定
王春语  朱振兴  李丹  丛玲  张丽霞
（辽宁省农业科学院创新中心，沈阳 110161）
摘 要 ： 突变率和突变类型是突变体表型筛选和构建饱和突变体库的重要依据。采用不同时间和不同浓度甲基磺酸乙酯
（EMS）处理高粱品种 BTx623 的种子，突变率和突变类型差异较大。突变类型可分为叶色、叶形、穗型、育性及生育期等，变异
类型较丰富。根据处理后种子出苗率、结实率和突变率的情况，最终确定 20 h+EMS 0.2% 为最佳的诱变处理时间和浓度。但构建
饱和突变体库，建议采用多浓度多时间处理方式。
关键词 ： 高粱 甲基磺酸乙酯（EMS） 突变体 突变率 突变类型
EMS Mutagenesis，Mutant Screening and Identification of Sorghum
Wang Chunyu Zhu Zhenxing Li Dan Cong ling Zhang Lixia
（Innovation Center，Liaoning Academy of Agricultural Sciences，Shenyang 110161）
Abstract: Mutation rate and mutation type are important bases for phenotype screening and constructing saturation mutant library.
Different treating time and different concentrations of Ethylmethylsulfone（EMS）for BTx623 seeds have been used in this study, mutation
rate and mutation type are quite different. Mutation types are very rich, including leaf color, leaf shape, spike type, fertility, and growth period.
According to the emergence rate, seed rate and mutation rate, 20 h+EMS 0.2% is considered the optimum treating time and concentration.
However, if we want to build a saturated mutant library, different treating-time and various concentrations should be used.
Key words: Sorghum bicolor Ethylmethylsulfone（EMS） Mutant Mutation rate Mutation type
的品种增产 2.8%-20.5%，M2 代变异率达到 15.7% 以
上 ；另外，用 EMS 结合其它药物处理大豆种子，成
功获得 6 个农艺性状较好的突变植株。目前，利用
EMS 诱导获得了许多优良性状的突变体，并构建了
拟南芥［4］、玉米［5］、番茄［6］等植物的 EMS 突变体库。
植物利用 EMS 诱变获得突变体，是遗传学鉴定
和验证基因功能的主要方法之一。EMS 是一种烷化
剂，也是一种高效、稳定的化学诱变剂，主要诱发
点突变［7］。其烷化作用是 DNA 鸟嘌呤 N7 位置上烷
基取代 H 离子后，使之成为一个带正电荷的季铵基
团。容易产生两种遗传效应 ：一是烷化的鸟嘌呤与
胸腺嘧啶配对，不再与胞嘧啶配对，发生转换型突变；
二是烷基活化的鸟嘌岭，由于糖苷键断裂造成脱嘌
呤，脱去鸟嘌呤的 DNA 分子，原来的鸟嘌呤的位置
2014年第9期 79王春语等：高粱 EMS 诱变及突变体筛选、鉴定
成了一个空位，然后进行复制。互补位置上的碱基
配对不受限制，4 种碱基都有机会进入，从而导致
置换现象发生［8］。此外，还可以发生糖 - 磷酸骨架
断裂，造成染色体缺失。EMS 的诱变效率高、频率
高和范围广［9，10］。其产生点突变的频率较高，染色
体畸变相对较少，可以对作物的某一种性状进行改
良。因此，EMS 诱变所构建的突变群体在基因功能
研究上具有独特的优势［11］。本研究采用不同浓度和
不同时间处理粒用高粱品种 BTx623 的种子，根据处
理后统计的出苗率、结实率以及突变率情况，确定
EMS 处理高粱种子最佳的诱变条件。根据表型来筛
选、鉴定突变体类型，构建 EMS 饱和突变体库，旨
在为高粱功能基因组的研究奠定基础。
1 材料与方法
1.1 材料
粒用高粱品种 BTx623。
1.2 方法
1.2.1 诱变处理 取 12 份供试材料，每份取 0.265
kg 均匀、饱满的 BTx623 种子，分别放入 55 mL 水
中，浸泡 5 h。然后用 0.1%、0.2%、0.25% 和 0.3%
的 EMS 溶液分别处理 12、20 和 28 h。处理后用流
水冲洗种子 2 h，去除残留的 EMS 溶液。以水浸泡
的 BTx623 种子作为对照。
1.2.2 田间试验 处理后的高粱 BTx623 种子播种于
辽宁省农业科学院（沈阳）温室及试验地中。随机
区组，3 次重复试验。苗期分别统计温室和田间的
出苗率。成熟后测量各处理每株的株高，并单株收获，
收获后统计每株的结实率。
收获的 M1 代种子播种于辽宁省农业科学院试
验地中，取 2 800 个 M1 单株，每个单株播种两行，
行长 1.5 m，株距 10 cm。在 M2 代中，调查记载每
株的表型，统计各处理的突变率，成熟后单株收获。
在 M3 代鉴定突变体的突变类型。
2 结果
2.1 EMS处理高粱BTx623种子的最佳诱变浓度及
时间
2.1.1 EMS 处理后的出苗率 利用 EMS 不同浓度及
不同时间处理高粱 BTx623 种子进行温室和田间播种
试验。以种子萌发、生长到 3 叶期为准来计算出苗
率，统计结果如表 1 所示。在温室和田间分别种植，
均表现出随着 EMS 诱变时间的增长和 EMS 浓度的
增加，出苗率逐渐降低。经过分析比较温室种植和
田间种植的出苗率，发现田间的出苗率普遍低于温
室内的出苗率，主要原因在于温室和田间的温度和
水分供给的差别。在温室内补足水分的条件下，随
着处理浓度的增加和处理时间增长，出苗时间逐渐
延缓。田间种植由于无法控制温度和水分，在自然
条件下生长导致出苗率偏低，当浓度达到 0.3% 时出
苗率极低，但两者的变化趋势是相同的。表 1 显示，
在大田种植，EMS 浓度达到 0.25% 或以上时，或者
处理时间达到 28 h 时，出苗率都不足 50%。所以，
EMS 处理浓度不宜过高，处理时间不宜过长，才可
以保证较好的出苗率。因此，在确定 EMS 诱变处理
浓度和时间时，出苗率是重要的考察指标。突变体
筛选工作多在大田条件下筛选，所以出苗率直接影
响后期突变体的成功筛选。
2.1.2 EMS 处理高粱 BTx623 种子的结实率 EMS
诱变后，在成熟期测量植株的结实情况，EMS 处理
影响种子的结实率，统计结果如图 1 所示。随着处
理浓度的增加、处理时间的增长，结实率逐渐降低。
当 EMS 浓度为 0.1% 时，处理 12、20 和 28 h 后结实
率都达到 60% 以上，结实率较高。当 EMS 浓度为
表 1 EMS 处理高粱 BTx623 种子的出苗率（温室和田间）
EMS 浓度
12 h 出苗率（%） 20 h 出苗率（%） 28 h 出苗率（%）
温室 田间 温室 田间 温室 田间
CK 88.7±3.2 69.3±5.1 88.3±5.5 65.3±5.0 88.7±4.2 64.3±4.0
0.1% 86.0±6.6 64.3±2.5 86.7±6.1 62.0±4.4 81.0±7.5 44.0±3.6
0.2% 85.3±2.1 61.3±4.0 85.7±6.7 53.0±1.0 80.3±4.2 34.3±4.1
0.25% 75.7±2.5 42.0±2.0 82.3±5.1 43.0±11.4 78.7±4.2 19.7±1.2
0.3% 72.3±5.3 41.0±3.6 82.0±11.8 34.3±14.1 78.0±2.6 17.3±8.1
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2014年第9期80
0.2% 时，处理 12 h 后的结实率为 73%，而处理 20 h
和 28 h 后结实率只有 15.3% 和 7%，差别比较明显。
当 EMS 浓度为 0.25% 时，处理 12 h 后的结实率为
13.2%，而处理 20 h 和 28 h 后结实率不足 10%。当
EMS 浓度达到 0.3% 时，3 个处理时间的结实率都低
于 5%。一般情况下，突变体筛选的结实率在 10%-
20% 之间较为理想，在这个范围内，不会因为种子
数量过多而造成筛选的困扰。由此可见，20 h+0.2%
和 12 h+0.25% 两个处理组合的结实率都比较理想。
通过调查发现，处理后的植株中发生半不育现
象，甚至还有完全不育植株产生，表明 EMS 诱变浓
度和时间对植株的结实率有很大影响。 2.2 EMS处理后株高变化
M0 代植株成熟后，对不同处理浓度和处理时间
分别统计 15 株。结果（图 3）显示，随着处理浓度增
加、时间的增长，株高逐渐变矮。EMS 诱变剂处理
严重影响着植株的生长，也可能会使控制株高的基
因位点发生变异，在后代筛选出株高突变体，经过
基因定位和克隆可以挖掘出控制株高的基因，应用
于高粱的育种中。
0
CK 0.1 0.2 0.25
12 h
20 h
28 h
0.3
20
40
60
80
100㔃ᇎ⦷%
EMS浓度%
图 1 EMS 处理高粱 BTx623 种子的结实率
2.1.3 EMS 处理高粱 BTx623 种子的突变率 将收
获的 M1 代种子单株种植，在 M2 代中依据植株的表
型来统计各处理的突变率，结果（图 2）显示，随
着处理时间的增长、浓度的增加，突变率逐渐增大。
当处理时间和浓度都达到最大值时，突变率最高，
但该处理条件严重影响种子的出苗率和结实率，获
得的种子数量较少。在 20 h+EMS 0.2% 处理组合中，
在田间的出苗率为 53%，结实率为 15.3%，突变率
为 11% 时较为适宜。在其他处理组合中，如果突变
率较高时，出苗率和结实率较低，会遗漏很多有价
值的突变体 ；如果突变率较低时，出苗率和结实率
较高，筛选工作量太大，不利于优良突变体的筛选。
突变率的高低是筛选突变体的重要因素之一，但同
时必须考虑出苗率和结实率，才可筛选出最佳的处
理浓度和时间。因此，综合考虑出苗率、结实率和
突变率，建议采用 20 h+EMS 0.2% 处理组合进行高
粱突变体的诱变。
12 h
20 h
28 h
0
5
10
15
20
CK 0.1 0.2 0.25 0.3
ケਈ⦷%
EMS⎃ᓖ%
图 2 EMS 处理高粱 BTx623 种子的突变率
12 h
20 h
28 h
0
20
40
60
80
100
120
140
CK 0.1 0.2 0.25 0.3
Ṛ儈cm
EMS⎃ᓖ%
图 3 EMS 处理高粱 BTx623 种子株高变化
2.3 EMS诱变突变类型分析
2.3.1 叶色突变 在诱变群体中有白化苗出现，这
些白化苗部分因为不能进行光合作用而在苗期死亡，
还有一部分生长到 3 叶期转为绿色后正常生长。在
M2 代中筛选出叶片是浅绿色的突变体（图 4-A），该
突变体整个生育期叶片的颜色都呈现浅绿色，未发
生分离，稳定遗传。近年来，叶色突变体的利用价
值越来越受到关注。叶色突变体在高等植物的光合
作用机制，叶绿素生物合成途径，叶绿体结构、功
2014年第9期 81王春语等：高粱 EMS 诱变及突变体筛选、鉴定
能、遗传、分化与发育以及细胞器的移植、细胞融合、
遗传转化、基因表达调控等基础研究中具有重要意
义［12，13］。另外，叶色突变体在生产实践过程中也具
有重要的意义，如利用容易识别的特点提高杂交种
的纯度，作为形态标记加快分子标记辅助育种的应
用［14］。
2.3.2 叶形突变 机械化栽培高粱通常是通过密植
以增加群体产量为育种目标，种植密度一般比传统
种植增加 30%-50%，要求栽培的品种必须耐密植。
叶片数多、叶片大的品种单株叶面积大，光合生产
率高，单株产量高，但不适合密植，单位面积产量
不一定高。而叶片窄小、叶数少的品种，虽然单株
叶面积小，单株产量不高，由于适于密植，也可以
获得较高单位面积产量［15］。在该研究中，诱变后代
筛选出许多叶片上挺的植株（图 4-B），叶片直立上
挺，利用构建定位群体的方法，挖掘控制叶片角度
的基因，应用于大田生产中。
2.3.3 株高变异 高粱 BTx623 品种的株高在 120-
130 cm，诱变后的群体中，发现有的植株株高在
45-60 cm，初步确定为株高变异（图 4-C）。植株矮
化是农作物育种实践中最重要的农艺性状之一，高
粱株高的降低是培育适合机械化新品种的最重要指
标之一。因此，挖掘高粱矮秆基因，是培育适宜株
高新品种的前提条件。
WT WTMT WT
WT
MT MT
MTWT MTWT MT
A
D E F G
B C
MT
W7 ：野生型 ；MT ：突变型
图 4 EMS 处理高粱 BTx623 种子的植株表型
2.3.4 穗部突变 EMS 处理后，穗的大小发生了明
显的变化（图 4-D）。BTx623 品种的穗重在 0.436 kg
左右，而突变的植株穗重在 0.18-0.25 kg 左右。虽
然穗的大小发生了变化，但籽粒的大小和重量几乎
未发生变化，推测可能这些突变体控制穗的基因发
生突变，可定位、克隆基因，应用于育种工作中。
2.3.5 植株生理性状突变
2.3.5.1 育性突变 在本研究中，育性突变主要有
完全不育和半不育两种（图 4-E）。这些突变的植株
主要是由于自身花粉育性降低而不能正常结实，但
这些突变植株柱头发育正常，可以接受外来花粉，
因此为了达到试验的准确性，需隔离种植。
2.3.5.2 生育期突变 生育期是作物生长发育的重
要指标，并直接影响作物的经济指标［16，17］。以高
粱 BTx623 品种的抽穗期及成熟期为考察对象，调查
突变体的生育期变异情况。有些植株提前 8 d 抽穗，
有些植株延后 13 d 左右抽穗，甚至延后 20 d 才开始
抽穗（图 4-F）。成熟期以籽粒变硬，籽粒大小接近
正常为标准，经过统计发现，该突变群体中晚熟植
株要比早熟植株多。
2.3.5.3 早衰突变 诱变后的群体中，有的植株在
灌浆完成后，叶片开始变得枯萎，出现早衰现象（图
4-G），成熟缓慢，籽粒不饱满、褶皱。除了诱变影响外，
不排除会有环境因素影响，所以需要进一步试验的
验证。
3 讨论
2008 年，Xin 等［18］报道了关于 EMS 诱变高粱
的情况，不同处理浓度（0.1%-0.6%）处理 16 h 后
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2014年第9期82
获得了矮化、叶色和叶形等不同类型的突变体，但
未确定 EMS 处理高粱 BTx623 最适宜的浓度和时间。
EMS 诱变浓度和时间的不同，则诱发的突变类型不
同。突变类型有叶的突变，株高变异，穗部突变，
育性突变及生育期的变化。在一定剂量范围内，随
着诱变剂量增加及处理时间的增长，突变类型也相
应增多。当浓度达到 0.3% 时，出苗率和结实率极
低，虽然突变率增大，但无法实现变异类型的丰富。
本研究中，诱变条件为 20 h+0.2% EMS 产生的突变
类型最多，同时，出苗率和结实率满足大田筛选突
变体的要求，所以确定为最佳诱变条件。诱变条件
的合理确定，是构建一个成功突变体库的重要指标。
早熟突变易在比适宜诱变剂量小的条件下产生，矮
秆突变多在比适宜诱变剂量高的情况下出现。植株
的畸形突变多在诱变剂量较高时出现。
据报道，诱变当代表型不明显，可能大多突变
属于隐性变异，M2 代开始产生分离
［19］。所以，M2
代是选择突变体的关键时期。因此，在 M1 代时只进
行突变体的鉴定，不加以选择。而在 M2 代株系中，
突变性状多是以单株形式表现出来，表现纯合的突
变几率较少。有些株系在 M3 代还会出现分离，有些
株系则在 M3 代时性状表现不明显而被淘汰。突变体
库的构建应选择 M3 代以上的材料进行保存
［20］。突
变体的性状受环境影响也较大，这是突变体筛选和
构建中应注意的问题。
本试验中，EMS 处理浓度对植株的影响大于处
理时间的影响。EMS 浓度过高会造成植株损伤过度
以致植株死亡 ；而浓度过低，突变率减少，降低筛
选效率。虽然拟定出最佳的诱变浓度和时间，但考
虑突变的多样性，还建议采用多浓度多时间来进行
诱变，这样获得的突变类型会更丰富，以便构建饱
和的突变体库。另外，大田种植避免杂种的产生，
应在开花前单株套袋自交，避免影响筛选效果。
EMS 诱变技术现已广泛应用于作物育种中，随
着现代分子生物学技术的不断发展，EMS 化学诱变
技术与分子标记技术相结合对突变位点、遗传信息
进行定位，以定向地诱变高粱性状，根据育种目标
对突变材料进行筛选，以获得理想的育种材料和培
育出优良的品种。关于高粱诱变后期诱变效应及其
突变体的筛选等研究仍处于探索阶段，有些诱变机
理研究还不十分明确。因此，有必要从细胞学、分
子生物学和生理生化等方面继续深入探究诱发突变
的机理［21］，分析后代各变异类型的发生频率及遗传
规律，结合分子标记及其他生物标记技术，提高选
择的准确性和突变体的利用效率，构建饱和的突变
体库。
4 结论
本研究利用不同 EMS 浓度和不同时间诱变高粱
BTx623 种子，随着处理浓度的增加、处理时间的增
长，出苗率和结实率逐渐降低，株高逐渐变矮，而
突变率逐渐增大。通过对出苗率、结实率和突变率
的统计分析最终确定 20 h+0.2% EMS 为最佳处理组
合。经 EMS 处理后植株的突变类型可分为叶色、叶
形、穗型、育性及生育期等，变异类型较丰富。
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（责任编辑 马鑫）