化学诱变剂（EMS和SA）诱导红花M1和M2代中羟基红花黄色素A和红花素的积累评估

《Plant Breeding》：Evaluation of HSYA and Carthamin Accumulation in Safflower (Carthamus tinctorius L.) Induced by Chemical Mutagens (EMS and SA) in M1 and M2 Generations

本研究针对工业与医药领域对高色素含量红花新品种的需求，探究了化学诱变剂EMS和SA对红花M1和M2代中关键色素HSYA和carthamin含量的影响，明确了最优诱变处理组合，并发现了花色L值与HSYA含量显著相关，为非破坏性筛选高色素基因型提供了新方法，对红花定向育种有重要意义。

　　

红花，一种拥有数千年栽培历史的古老作物，曾因其绚丽的黄色和红色花瓣而被广泛用于织物染色和传统医药。然而，自20世纪20年代以来，其角色悄然转变，作为油料作物的经济价值使其“染料”和“药用”的古老身份逐渐被淡忘。近年来，随着天然色素在食品、化妆品和医药领域的价值重获青睐，市场对高色素含量的红花品种需求日益迫切。然而，现有的红花品种，尤其是那些长期以来以产油为育种目标的品系，其花瓣中的有效色素（如羟基红花黄色素A (HSYA) 和 红花素 (carthamin)）含量往往不高，这成为制约红花“重操旧业”、发挥其天然优势的瓶颈。面对这一挑战，传统的育种方法周期长、效率有限，科学家们开始探索更高效的品种改良途径。化学诱变育种，作为一种能够快速创造遗传变异的经典方法，为加速培育高色素红花新品种带来了希望。那么，通过特定的化学诱变剂处理，能否有效提升红花花瓣中HSYA和carthamin的含量？这种提升是否能够稳定遗传给后代？此外，花瓣的颜色是否能够作为快速、无损地筛选高色素含量植株的直观指标？为了回答这些问题，由Tansu Uskutoglu等人领导的研究团队，在土耳其的科学与技术研究理事会的资助下，开展了一项系统的研究，相关成果发表在《Plant Breeding》杂志上。

为了探究上述问题，研究人员采用了以化学诱变结合多代田间与实验室分析为核心的研究策略。研究以土耳其当地适应性好、产籽量高的红花品种“Linas”为材料，在土耳其优素费利（Yozgat）的生态条件下进行。研究团队使用了两种作用机制不同的化学诱感剂：作为烷化剂的甲基磺酸乙酯 (EMS) 和作为呼吸抑制剂的叠氮化钠 (SA)，并设置了不同浓度（0.2%、0.3%、0.4%）和处理时间（2、4、6小时）的组合对种子进行预处理。经过处理的种子于2020年5月播种，产生M₁代植株，通过自花授粉获得种子后，于2021年4月播种产生M₂代。研究对两代植株的花瓣进行了系统的分析。在实验技术层面，首先通过高效液相色谱 (HPLC) 配合光电二极管阵列 (PDA) 检测器，建立了准确测定花瓣中HSYA和carthamin含量的方法。其次，使用色度计测量了完整花瓣和花瓣粉末的L、a、b*色彩空间值，以量化花色。最后，综合运用方差分析、相关性分析、主成分分析 (PCA) 和双标图分析等生物统计方法，评估了诱变处理对色素含量和花色的影响及其相互关系。

3.1 诱变剂对M₁代中HSYA、红花素和花瓣颜色值的影响

在M₁代，所有诱变处理的平均HSYA含量（18.51 mg/g）均高于对照组（15.06 mg/g），增幅达22.91%。其中，0.2% EMS处理6小时的效果最为显著，HSYA含量达到20.99 mg/g，比对照组高出39.38%。相比之下，各处理间的carthamin含量变化在统计学上不显著，其平均值（0.055 mg/g）甚至略低于对照组（0.062 mg/g）。在花色方面，诱变处理组花瓣的L值（亮度）普遍高于对照组。然而，相关性分析显示，在M₁代，HSYA和carthamin含量与花瓣颜色值之间不存在统计学上的显著相关性。主成分分析进一步揭示，高剂量和长时处理的SA诱变倾向于与较低的色素含量相关联。

3.2 诱变剂对M₂代中HSYA、红花素和花瓣颜色值的影响

在M₂代，HSYA含量的变化在统计学上不显著，但0.2% EMS处理6小时的HSYA含量（17.28 mg/g）依然是所有处理中最高的，与M₁代的趋势一致，表明可能存在高HSYA含量的基因型。与M₁代形成鲜明对比的是，M₂代carthamin含量的变化变得高度显著。多个处理的carthamin含量相比对照组（0.04 mg/g）有超过一倍的提升，其中0.3% SA处理4小时的效果最佳，carthamin含量达到0.1 mg/g。更重要的是，在M₂代发现了关键的表型-成分关联：HSYA浓度与花瓣的L值（亮度）呈显著正相关。这意味着，花瓣颜色更亮、更黄（b*值更高）的植株，其HSYA含量也倾向于更高。这种相关性在结合M₁和M₂两代数据的综合分析中得到了进一步确认，而carthamin含量与大多数颜色参数仍无显著关联。主成分分析表明，0.2% EMS的所有处理在双标图上与HSYA向量位于同一象限，提示该剂量可能是选育高HSYA基因型的适宜条件。

4 结论

本研究系统评估了EMS和SA两种化学诱变剂对红花M₁和M₂代花瓣中HSYA和carthamin积累的影响。研究得出以下核心结论：首先，化学诱变能够有效调控红花的色素谱。对于主要黄色色素HSYA，0.2% EMS处理6小时在M₁和M₂代均能诱导出最高的含量，显示出其诱导的遗传增强具有跨代稳定性，是筛选高HSYA候选基因型的优选方案。对于红色色素carthamin，其含量的显著提升在M₂代才表现出来，其中0.3% SA处理4小时效果最佳，这揭示了诱变效应在不同色素合成途径和不同世代中的差异表达。其次，研究发现了重要的表型标记。HSYA含量与花瓣的L值（亮度）存在稳定且显著的正相关关系，这使得利用简单的色度计测量花色亮度来无损、快速地初筛高HSYA含量的红花植株成为可能，为育种实践提供了高效的工具。最后，研究通过群体水平的批量分析和并行的单株选育方案，成功地从M₂代群体中鉴定出了HSYA含量高达38.24 mg/g、carthamin含量达159 μg/g的优异单株，并已将其发展为独立的M₃家系，为培育具有更高染料和药用价值的新型红花品种奠定了坚实的遗传材料基础。

讨论与意义

这项研究的深刻意义在于，它将经典的化学诱变育种技术与现代分析化学、色彩计量学相结合，不仅证实了通过诱变快速提升红花高价值次生代谢产物含量的可行性，更重要的是确立了一个可应用于田间育种的、基于颜色的表型筛选策略。研究揭示了M₁代与M₂代在色素积累响应上的差异：M₁代HSYA的普遍提升可能包含生理应激等非遗传因素，而M₂代carthamin的显著变化及HSYA与颜色的稳定关联，则更多地反映了可遗传的变异。这提示在诱变育种中，对M₂及以后世代的评估至关重要。虽然本研究中carthamin的绝对含量仍低于一些历史悠久的染料用红花品种，但诱变处理能使其含量在特定条件下成倍增加，证明了通过遗传手段改良这一性状的潜力。研究者也指出，未来需要结合对HSYA和carthamin生物合成通路关键基因（如糖基转移酶CtUGT9）的功能研究，以深入理解诱变效应的分子机制。总体而言，该研究为满足日益增长的天然色素工业与医药需求，提供了一条通过诱变育种结合表型标记辅助选择来高效开发高色素红花新品种的清晰路径。