《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(A. hypochondriacus L.)遗传基础狭窄、育种进展缓慢的问题，系统比较了电子束(Eb)、伽马射线、EMS和SA四种诱变剂的诱变效果。研究发现低中剂量(100–200 Gy)电子束单独或联合EMS处理可诱导出株高降低、早熟和高产的新型突变体，M3代突变系在株高(95–118 cm)、成熟期(91–102天)和产量(90.27–100.9 g/株)等性状上显著优于对照。该研究为籽粒苋的诱变育种提供了标准化剂量参数，对拓宽该作物的遗传基础具有重要意义。
随着全球人口持续增长和气候变化加剧，粮食安全面临严峻挑战。目前，水稻、小麦和玉米等12种主要作物提供了全球75%的食物来源，其中半数以上需求仅由前三者满足。这种过度依赖少数作物的农业生产模式，不仅导致农业生态系统脆弱性增加，还引发了生物多样性丧失、土壤退化等一系列环境问题。在此背景下，开发利用营养丰富且适应性强的小宗作物成为保障粮食安全的重要策略。其中，籽粒苋（Amaranthus hypochondriacus L.）因其卓越的营养价值（富含平衡氨基酸和微量营养素）、低血糖指数和无麸质特性，被誉为“超级食物”，特别适合糖尿病患者和乳糜泻患者食用。
然而，籽粒苋的遗传改良面临重大挑战。该作物存在种子细小、易倒伏、成熟期不同步和落粒性强等生产瓶颈。由于其花器微小（直径<1 mm）、花序结构复杂且自花授粉特性，传统杂交育种难以有效开展。更关键的是，种质资源中自然变异有限，严重制约了关键性状的遗传改良。因此，如何快速创制遗传变异成为籽粒苋育种突破的关键。
诱导突变技术（Induced mutagenesis）作为创制遗传变异的有效手段，在遗传基础狭窄的作物中展现出独特优势。诱变剂的有效性（effectiveness，单位剂量诱导突变数）和效率（efficiency，突变数与生物学损伤的比值）直接决定突变育种成败。虽然伽马射线作为传统物理诱变剂在多数作物中广泛应用，但新兴诱变剂如电子束（electron beam）因其高线性能量转移（Linear Energy Transfer, LET）和相对生物有效性（Relative Biological Effectiveness, RBE）在水稻、花生等作物中表现出高密度DNA损伤能力，尚未在籽粒苋中系统研究。化学诱变剂EMS（ethyl methane sulphonate）和SA（sodium azide）则擅长诱导点突变。物理-化学诱变剂组合使用可能产生协同效应，但相关研究在籽粒苋中仍属空白。
为解决上述问题，印度ICAR-Vivekananda山地农业研究所的研究团队在《Heliyon》发表了题为《电子束、伽马射线、EMS和SA诱导籽粒苋新遗传变异的比较诱变有效性及效率》的研究论文。该研究以主栽品种VL 44为材料，系统比较了电子束、伽马射线、EMS和SA四种诱变剂单剂及组合处理的诱变效果。通过M1代生物学损伤评估、M2代叶绿素突变频率统计和形态突变鉴定、M3代农艺性状遗传参数分析等多代研究，明确了各诱变剂的最佳使用剂量和组合方案。
本研究采用多代连续筛选策略，在严格控制条件下开展田间突变实验。关键技术方法包括：（1）通过LD50（半致死剂量）测定确定诱变剂适宜剂量范围；（2）利用花粉育性、叶绿素含量等生理指标量化M1代生物学损伤；（3）采用植物形态学系统分类法对M2代突变体进行表型组学分析；（4）通过遗传变异系数（GCV）、广义遗传力（h2bs）和遗传进展（GA）等参数评估M3代突变系稳定性。所有实验采用随机区组设计，数据经DMRT（最小显著差异法）检验，确保结果可靠性。
3.1 诱变剂对种子萌发的比较效应
研究发现所有诱变剂的种子萌发抑制率均呈剂量依赖性。500 Gy伽马射线+1.00% SA组合处理萌发率降低达63.40%，显著高于单剂处理。抑制强度排序为：伽马射线+SA > 电子束+EMS > 伽马射线 > 电子束 > SA > EMS，表明组合处理具有协同抑制效应。
3.2 诱变剂对花粉育性的比较效应
M1代花粉育性在较高剂量下降低超过50%。1.00% EMS处理育性降低73.23%，而500 Gy伽马射线+1.00% SA组合处理降低63.45%。结果证实高剂量诱变剂通过诱导染色体畸变导致生殖损伤。
3.3 诱变剂对叶绿素含量的影响
总叶绿素含量在对照中为1.84 mg·g-1。500 Gy电子束+1.00% EMS处理降至1.20 mg·g-1，500 Gy伽马射线+1.00% SA处理降至1.12 mg·g-1，表明组合处理对光合系统的损伤更为显著。
3.4 形态性状表征
M2代共鉴定出株高、分枝、叶片、花序和根系5类形态突变。EMS在1.00%浓度下形态突变频率最高（1.74%），显著高于其他处理。突变频率排序为：EMS > SA > 电子束 > 伽马射线 > 电子束+EMS > 伽马射线+SA。
3.5 叶绿素突变体表征及突变频率
发现 chlorina（绿黄）、aurea（金黄）、xantha（黄白）、albino（白化）、variegated（花叶）和viridis（淡绿）6类叶绿素突变。EMS处理的总体叶绿素突变频率达0.677%，显著高于电子束（0.593%）和组合处理。相互作用系数（k）分析证实组合处理存在协同诱变效应。
3.6 诱变有效性及效率
低剂量诱变剂表现出最高诱变有效性。100 Gy电子束+0.10% EMS组合的有效性值达106.45，显著高于单剂处理。但随着剂量增加，所有诱变剂效率均下降，表明高剂量导致不可逆生物学损伤。
3.7 不同诱变剂对数量性状的影响
低剂量诱变剂对农艺性状有积极影响，而高剂量产生抑制作用。500 Gy伽马射线+1.00% SA处理使株高降低24.8%，花序长度降低35.4%，千粒重降低24.8%，单株产量降低23.4%。抑制效应排序与萌发试验一致。
3.8 遗传参数量化及优良突变系鉴定
M3代筛选出7个优良突变系，其中5个来源于电子束（100-200 Gy）单剂或联合EMS处理。这些突变系株高（95-118 cm）较对照（152.34 cm）显著降低，成熟期（91-102天）提前，产量（90.27-100.9 g/株）提高。遗传参数显示各性状遗传力（h2bs）达60-84%，表明突变性状稳定性高且受环境影响小。
本研究通过多代系统分析，首次建立了籽粒苋电子束诱变的标准化剂量体系（100-200 Gy）。研究证实低中剂量电子束单独或联合EMS处理是诱导有益突变的最有效方案，其诱导的矮秆、早熟、高产突变系为籽粒苋品种改良提供了重要种质资源。这些突变系不仅可直接用于新品种选育，还可作为亲本用于杂交育种以拓宽遗传基础。此外，本研究构建的突变群体为后续TILLING（ Targeting Induced Local Lesions IN Genomes）平台建立和功能基因克隆奠定了基础。
该研究的创新点在于：首次系统比较电子束与传统诱变剂在籽粒苋中的效应；明确组合处理的协同作用机制；建立可推广至藜麦等其他假谷类作物的诱变技术规范。研究成果对促进营养型小宗作物的遗传改良具有重要实践意义，为应对气候变化下的粮食安全挑战提供了新的技术路径。
