《Ecological Genetics and Genomics》：Selective emergence and intergenerational stability of Imazethapyr resistance in mutagenized rice hybrids under DSR conditions
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摘要直插水稻（DSR）种植因其用水量少和劳动力需求低而日益普及，然而，严重的杂草侵害仍然是主要制约因素。通过诱变育种培育抗除草剂水稻为有效杂草管理提供了一种非转基因策略。本研究评估了多种除草剂策略在提高五个水稻杂交种（DPS-Virat、Delta Speed、Arize 6
摘要
直插水稻（DSR）种植因其用水量少和劳动力需求低而日益普及，然而，严重的杂草侵害仍然是主要制约因素。通过诱变育种培育抗除草剂水稻为有效杂草管理提供了一种非转基因策略。本研究评估了多种除草剂策略在提高五个水稻杂交种（DPS-Virat、Delta Speed、Arize 6444 Gold、Srichakra 1168和PAC 807+）抗除草剂能力方面的有效性。种子经亚硫酸乙基甲酯（EMS）、叠氮化钠和秋水仙碱联合处理后，在田间条件下推进多个世代。对M2F2（M = 诱变世代；F = 杂交背景自交世代）植株的抗除草剂筛选结果显示，异噁草酮的假抗性植株数量最多（47株），其次为草铵膦铵盐（4株）、草甘膦（2株）、异丙甲草胺（2株）和烯草酮（1株）。然而，在M3F3世代中，仅观察到异噁草酮抗性的表型稳定突变，而对其他四种除草剂的抗性未能保持。经确认的表型抗性植株在农艺性状上表现出显著变异，表明存在表型多样性。从M3F3到M4F4的过渡伴随着性状变异的减少，趋向正态分布，且性状相关性降低。主成分分析显示，与产量相关的性状是表型变异的主要贡献者。研究表明，联合化学诱变是开发表型稳定的异噁草酮抗性水稻突变体的有效非转基因方法，并为培育适应直插条件的抗除草剂品种提供了宝贵的遗传资源。
引言
水稻（Oryza sativa L.）是全球主要粮食作物之一，为数百万人提供日常膳食需求。然而，由于劳动力成本上升和水资源短缺，传统泡田插秧系统日益难以为继。这导致印度及许多东南亚国家从传统水稻种植向直插水稻（DSR）的区域性转变[1]。虽然DSR提供了一种可持续的替代方案，但其推广因杂草侵害而受到严重制约，分别在泡田移栽水稻中造成60-80%的产量损失，在DSR中造成70-80%的产量损失[2]。DSR田中的杂草种类遗传多样性更高、丰度更大，对整体生产力构成严重威胁。严重的作物杂草竞争和产量减少加剧了杂草管理的需求，尤其是通过施用除草剂进行杂草管理。传统杂草管理实践，包括人工除草和机械除草，因劳动力短缺和高操作成本而日益受限。因此，基于除草剂的杂草管理已成为现代DSR生产体系的不可或缺的组成部分[3]。
抗除草剂水稻品种的培育是提高杂草管理效率同时保持作物生产力的有效策略[4]、[5]、[6]。抗除草剂品种能够使用广谱除草剂而不对作物造成伤害，从而增强对多种杂草的控制[7]、[8]。将抗除草剂性状整合到高产广泛栽培的水稻品种中，如Swarna（MTU 1001）、Samba Mahsuri（BPT5204）、MTU1010等，这些品种能耐受广谱除草剂施用同时保持其产量潜力和生长习性，是解决上述问题的迫切需求[9]、[10]。在现有的广谱除草剂中，异噁草酮尤为重要，因为它能有效控制禾本科杂草、阔叶杂草和莎草科杂草[11]，其机制是抑制支链氨基酸（如亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸）生物合成所需的关键酶丙酮酸羟化酶（ALS）或乙酰乳酸合酶（AHAS）[12]、[13]。抑制此类氨基酸的生成会导致蛋白质合成受阻，进而导致生长和发育不良，最终导致杂草死亡[14]。
杂交种具有较高的遗传多样性和杂合度，因为它们是由具有不同基因组合的不同亲本系培育而成的。这种增加的杂合度可以对诱变处理引起的有害突变起到缓冲作用，降低严重表型后果的可能性[15]、[16]。诱变处理可以在杂交群体中诱导广泛的遗传变异。随着这些群体在后续世代中分离，遗传变异增加，为具有多样化性状提供了更大的潜在突变体库[17]。
虽然转基因方法提供了解决方案，但面临重大的监管障碍和公众质疑。化学诱变代表了一种稳健的非转基因替代方案，可诱导稳定和可遗传的突变，产生新的等位基因变异，而不引入外源DNA[18]、[19]。种子诱变是一种可用于多种作物的非转基因方法，包括水稻、大麦、油菜、大豆、番茄和小麦，用于开发抗除草剂性状[20]、[21]。然而，突变育种有其局限性，主要表现为高度不确定性和产生有利突变频率极低。利用杂合F1杂交种作为基础材料可以增强对有害突变的缓冲能力，提高恢复抗性突变体的概率，并为识别稀有的功能获得性等位基因提供更广泛的分离群体[16]。尽管突变育种已在多种作物中产生了抗除草剂突变体，但关于这些突变体在杂交水稻中的稳定性和农艺表现的信息仍然有限。此外，在同一诱变群体中对多种除草剂进行比较评估的资料也十分匮乏。
因此，本研究旨在利用联合化学诱变在五个适应印度东部地区的精英水稻杂交种中开发抗除草剂突变体。具体目标为：(i) 评估诱变处理对种子萌发和群体发展的影响；(ii) 鉴定和确认对多种除草剂的抗性；(iii) 表征抗性突变体跨世代的表型变异；(iv) 评估所培育品系在直插水稻条件下的稳定性和育种潜力。
章节摘要
植物材料与试验地点
根据成熟期和适应性选择了五个精英商业水稻杂交种，分别为DPS-Virat、Delta Speed、Arize 6444 Gold、Srichakra 1168和PAC 807+，适应印度东部高原和丘陵地区。研究历时三年，跨越四个季节（2023年雨季、2023年旱季、2024年雨季和2025年雨季），在比尔萨农业大学坎克兰齐水稻试验农场进行（图1）。
突变群体的构建
在2023年雨季，将五个水稻杂交种各1公斤M0F1种子分别分装……
突变群体的构建与萌发响应
采用EMS、叠氮化钠和秋水仙碱联合化学诱变成功在所有五个水稻杂交种中产生了突变群体。随着处理时间的延长，种子萌发率有所下降，这表明长时间接触诱变剂对种子活力有负面影响（图2）。此外，所有五个杂交种中，诱变处理时间与种子萌发率之间存在负相关关系，且下降速率（回归斜率）各不相同。
讨论
联合使用EMS、秋水仙碱和叠氮化钠等诱变剂在突变群体中产生变异是有效的，并成功鉴定出了异噁草酮抗性突变体。突变育种是产生群体内一个或少数基因变异的有效策略[18]、[20]。联合使用多种诱变剂的目的是产生大量有益突变体。类似的方法已成功在多种作物中产生了变异。
结论
联合使用化学诱变剂（EMS、叠氮化钠和秋水仙碱）成功培育出具有可利用表型多样性的异噁草酮抗性水稻突变体。假抗性除草剂突变体，尤其是异噁草酮抗性突变体，表现出跨世代稳定遗传的抗性，凸显了诱变育种在开发抗除草剂水稻品种方面的潜力。这些突变体品系提供了丰富的遗传资源，对……（原文未完整）
CRediT作者贡献声明
Arjun Kumar Agarwal：撰写–初稿。Manoj Kumar Barnwal：监督指导。Nutan Verma：方法学。Krishna Prasad：概念构思。Manigopa Chakraborty：撰写–审稿与编辑。Sumit Kumar Mishra：数据管理。Ekhlaque Ahmad：监督指导。Ankita Mishra：撰写–初稿。Anita Pande：监督指导。Raushan Kumar：监督指导。：监督指导。：撰写–审稿与编辑。Priyanka Goswami：数据管理。
利益冲突声明
? 作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
所有作者衷心感谢贾坎德邦兰齐比尔萨农业大学在整个研究过程中提供的全部必要资源、实验田间实验室场地以及其他设施和设备。
Arjun Kumar Agarwal｜Manigopa Chakraborty｜Krishna Prasad｜Nutan Verma｜Manoj Kumar Barnwal｜Anita Pande｜Ankita Mishra｜Ekhlaque Ahmad｜Sumit Kumar Mishra｜Priyanka Goswami｜Raushan Kumar
