《Heliyon》：The comparative mutagenic effectiveness and efficiency of electron beam, gamma rays, ethyl methane sulphonate and sodium azide to induce novel genetic variation in grain amaranth (A. hypochondriacus L.)
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本研究针对籽粒苋遗传基础狭窄、育种进展有限的问题，系统评估了电子束、伽马射线、甲基磺酸乙酯和叠氮化钠四种诱变剂的诱变效果与效率。研究人员通过分析M2代群体的生物学损伤、叶绿素突变频率及M3代农艺性状，发现中低剂量的电子束（100-200 Gy）单独或联合EMS处理可高效诱导出株高降低、早熟、高产的新型突变体。该研究为籽粒苋的遗传改良提供了有效的诱变剂剂量方案和宝贵的育种材料，对提升这种营养作物的育种效率具有重要意义。
在当今全球粮食安全面临挑战的背景下，作物多样性日益减少，仅有12种主要作物提供了全球约75%的食物，而其中水稻、小麦和玉米三种作物就贡献了近一半的粮食需求。这种作物多样性的丧失不仅限制了人类的营养来源，也对农业生态系统的韧性构成了威胁。在此背景下，苋菜这种营养丰富、适应性强的小作物逐渐受到关注，被誉为应对气候变化和营养不良的“超级食物”。
籽粒苋富含均衡的氨基酸和多种微量元素，且具有低血糖指数和无麸质蛋白的特性，非常适合高血糖和乳糜泻患者食用。尽管籽粒苋拥有巨大的潜力，但由于其花器微小（直径小于1毫米）、花序结构复杂且常自花授粉，导致通过传统杂交育种进行遗传改良困难重重。更棘手的是，籽粒苋的种质资源中自然遗传变异狭窄，尤其在籽粒小、易倒伏、成熟期不一致和落粒性等关键农艺性状上缺乏足够的变异，严重制约了其品种改良进程。
为了解决这些瓶颈问题，研究人员将目光投向了诱变育种技术。诱导突变被认为是创造新遗传变异的有效手段。然而，诱变育种的成功很大程度上取决于所选诱变剂的诱变有效性（单位剂量诱导的突变率）和诱变效率（诱导的有利突变与生物损伤的比率）。为此，研究人员开展了一项系统研究，旨在比较电子束、伽马射线这两种物理诱变剂，以及甲基磺酸乙酯和叠氮化钠这两种化学诱变剂，在籽粒苋中诱导遗传变异的相对效能。
为了开展这项研究，研究人员选用了籽粒苋品种VL 44作为实验材料。他们设计了一个全面的实验方案，分别用不同剂量的电子束和伽马射线处理种子，以及不同浓度的EMS和SA溶液处理种子。此外，还设置了物理和化学诱变剂的组合处理组。这些经过诱变处理的种子被播种并在大田条件下种植，从而产生了M1代群体。研究人员随后系统评估了M1代的生物学损伤指标。研究结果表明，所有诱变剂处理都导致了种子发芽率的下降，且这种抑制作用呈现出剂量依赖性。值得注意的是，诱变剂组合处理（如伽马射线+SA）对发芽的抑制效应最强，其抑制顺序为：伽马射线+SA > 电子束+EMS > 伽马射线 > 电子束 > SA > EMS。
花粉育性是反映诱变剂引起的生物损伤的另一个关键指标。研究发现，随着诱变剂剂量的增加，花粉不育率显著上升。在高剂量处理下，花粉育性降低了超过50%，其中EMS处理在1.0%浓度时导致的花粉不育率最高。同样地，叶绿素含量也随着诱变剂剂量的增加而降低，特别是在高剂量的组合处理中下降最为明显。这些结果一致表明，高剂量的诱变处理会对植株造成严重的生理损伤。
在M2代群体中，研究人员观察到了一系列形态突变，包括株高、分枝、叶片、花序和根系等多个性状的变异。其中，叶绿素突变被作为评估诱变效果的重要指标。共鉴定出六种类型的叶绿素突变体，包括绿黄突变体、金黄突变体、黄化突变体、白化突变体、斑叶突变体和绿色突变体。突变频率分析显示，EMS在处理中诱导的形态突变频率最高，其次是SA、电子束和伽马射线。然而，综合诱变有效性（即单位剂量诱导的突变数）来看，伽马射线表现出最高的有效性，其次是电子束+EMS的组合处理。
研究的另一个重要发现是，中低剂量的诱变处理（如100-200 Gy的电子束）在诱导有益突变方面表现出更高的效率。从M3代群体中，研究人员成功筛选出七个具有优良农艺性状的突变株系。这些突变体主要来源于中低剂量的电子束处理（单独或与EMS组合），它们表现出株高降低、早熟和高产等优良特性。遗传参数估计显示，这些突变性状具有较高的遗传率，表明其遗传稳定性较好，受环境影响较小。
主要技术方法
本研究的关键技术方法包括：使用电子束加速器和伽马辐照装置对籽粒苋品种VL 44的种子进行物理诱变；采用EMS和SA溶液对预浸泡种子进行化学诱变处理；通过田间试验评估M1代群体的生物学损伤（如发芽率、花粉育性）；在M2和M3代系统调查形态突变和叶绿素突变频率；并运用数量遗传学方法估计优良突变体的遗传参数。
研究结果
不同诱变剂对籽粒苋生物学性状的影响
研究发现，所有诱变剂处理均导致籽粒苋种子发芽率下降，且这种抑制作用与剂量呈正相关。组合处理的抑制效果强于单一处理，其中伽马射线+SA的组合处理抑制效应最强。花粉育性也呈现类似的剂量依赖性下降趋势，高剂量处理导致超过50%的花粉不育。叶绿素含量在不同诱变处理下均显著降低，特别是在高剂量组合处理中最为明显。
诱变诱导的形态和叶绿素突变
在M2代群体中，研究人员观察到了丰富的形态突变类型，包括株高、分枝、叶片、花序和根系等性状的变异。叶绿素突变频率分析表明，EMS在处理中诱导的形态突变频率最高（1.74%），其次是SA（1.70%）。诱变有效性评估显示，伽马射线的诱变有效性最高，而电子束在中低剂量（100-200 Gy）下表现出良好的诱变效率。
优良突变体的筛选与遗传特性
从M3代群体中成功筛选出七个优良突变株系，这些突变体主要来源于中低剂量的电子束处理（单独或与EMS组合）。这些突变体具有株高降低（95-118 cm）、早熟（91-102天）和高产（90.27-100.9 g/株）等优良农艺性状。遗传参数估计表明，这些突变性状具有较高的广义遗传率，说明其受遗传控制程度高，环境影响小，具有良好的遗传稳定性。
研究结论与意义
这项研究系统地评估了四种诱变剂在籽粒苋中诱导遗传变异的效果，建立了电子束作为新型物理诱变剂在籽粒苋育种中的应用参数。研究结果表明，中低剂量的电子束（100-200 Gy）单独或与EMS组合使用，能够高效地诱导出具有优良农艺性状的突变体。这些突变体为籽粒苋的遗传改良提供了宝贵的育种材料，对丰富这种营养作物的遗传基础、促进其品种改良具有重要意义。
本研究首次在籽粒苋中系统比较了电子束与其他常规诱变剂的诱变效果，为这种潜在作物的诱变育种提供了重要的方法论指导。研究中所获得的优良突变体不仅可以直接用于品种选育，还可以作为重要的遗传材料用于基因功能研究和育种实践。此外，建立的诱变处理条件和方法也可为其他伪谷物和未被充分利用作物的遗传改良提供参考。总的来说，这项研究为拓宽籽粒苋的遗传基础、促进其作为未来营养谷物的发展提供了有力的技术支撑和种质资源。
