Ethyl Methane Sulfonate Mutagen Studies ın Pepper (Capsıcum annuum L.) Breeding Variety

Abstract

Researchers are working on methods to increase production in order to meet the nutritional and food needs as a result of the gradual decrease of the plant resources in the world and the increase in the human population. Some cultural practices in existing varieties; A limited increase in yield and quality has been achieved through practices such as improving irrigation systems and methods, soil mechanization, fertilizing, and control of diseases and pests. The development of high quality varieties possible with the implementation of seed-based breeding studies, which are the genetic material of yield and quality in plants. Plant breeders benefit from the variations existing in nature and using new techniques and methods to develop new varieties. In the emergence of a new variety, the breeder can benefit from hybrid breeding, which is one of the classical breeding methods, and started to use the mutation breeding method, which is a new method used to obtain a new variety that shortens the long time and excessive labor in breeding period. Mutation can occur spontaneously in nature or it can be done by using chemical and physical mutagens. Mutations obtained artificially in nature occur with the effect of many physical such as various rays (Gamma ray, X-ray, Cobalt 60 etc.) or chemicals such as diethyl sulfate, sodium azide and ethyl metal sulfonate (EMS). EMS is accepted as the most effective and common among chemical mutagens in mutation breeding, which is frequently used in the development of new varieties. With this study, it is aimed to examine the studies on EMS applications in pepper cultivar breeding. Thus, by compiling the current research results on mutation breeding with EMS in pepper; an attempt was made to obtain a protocol for implementation. Considering factors such as application doses and time used for each variation of pepper with a wide variety potential, it is thought to be reference for future studies. The observations and experiences of our study that still continued in Dicle University of Agriculture Faculty about EMS applying on pepper will be shared.

Keywords

• EMS
• Mutation
• Pepper breeding
• Variety development

Biber (Capsicum annuum L.) Çeşit Islahında Etil Metan Sülfonat Mutagen Çalışmaları

Abstract

Dünyada var olan bitkisel kaynakların giderek azalması, insan nüfusunun artması sonucu beslenme ve gıda ihtiyacının karşılanabilmesi için araştırıcılar üretimi artırıcı yollar ve yöntemler üzerine çalışmalar yapmaktadır. Mevcut çeşitlerde bazı kültürel uygulamalardan; sulama sistem ve metotlarının geliştirilmesi, çapalama, gübreleme, hastalık ve zararlılarla mücadelenin iyileştirilmesi gibi çalışmalarla verim ve kalitede sınırlı artış elde edilmiştir. Bitkilerde verim ve kalitede genetik materyal olan tohuma bağlı ıslah çalışmalarının uygulanması ile üstün nitelikli çeşitlerin geliştirilmesi ile mümkün görünmektedir. Bitki ıslahçıları yeni çeşitlerin ortaya çıkarılmasında, doğada var olan varyasyonlardan ve geliştirdikleri yeni teknik ve yöntemlerden faydalanmaktadırlar. Yeni bir çeşidin ortaya çıkarılmasında ıslahçı klasik ıslah yöntemlerinin başında gelen melezleme ıslahından yararlanabildiği gibi, uzun zaman ve fazla emeği kısaltıcı yeni çeşit elde etmede kullanılan yeni bir yöntem olan mutasyon ıslah yöntemini kullanmaya başlamışlardır. Mutasyon, doğada kendiliğinden gerçekleşebildiği gibi, kimyasal ve fiziksel mutajenler kullanılarak da yapılabilmektedir. Doğada yapay olarak elde edilen mutasyonlar çeşitli ışınlar (Gama ışını, X ışını, Kobalt 60 vd.) gibi çok sayıda fiziksel ya da dietil sülfat, sodyum azide ve etil metal sülfonat (EMS) gibi kimyasalların etkisiyle meydana gelirler. Yeni çeşitlerin geliştirilmesinde sıkça başvurulan mutasyon ıslahında kimyasal mutajenler arasında EMS en etkili ve en yaygın olarak kullanılan mutajen olarak kabul edilmektedir. Bu çalışma ile biber çeşit ıslahında EMS uygulamalarına yönelik yapılan çalışmaların irdelenmesi amaçlanmıştır. Böylece biberde EMS ile mutasyon ıslahına yönelik güncel araştırma sonuçları derlenerek; uygulamaya yönelik protokol oluşturulmaya çalışılmıştır. Geniş çeşit potansiyeline sahip biberde her varyasyona yönelik olarak kullanılan uygulama doz ve süreleri gibi faktörlerin dikkate alınarak gelecekte yapılacak çalışmalara referans olabileceği düşünülmektedir.

Keywords

• Biber ıslahı
• Çeşit geliştirme
• EMS
• Mutagen

References

1. Akbay G. 1988. Farklı EMS dozlarının uygulandığı tokak 157/57 (Hordeum vulgare L.) iki sıralı arpa çeşidi tohumlarının farklı ortam ve farklı sürelerle bekletilmesinin M1 bitkilerinin bazı özellikleri üzerindeki etkileri. Ankara Ü Z Fak Yayınları, 1070, Bilimsel Araştırma ve İncelemeler, s: 573.
2. Alcantara TP, Bosland PW, Smith DW. 1996. Ethyl methanesulfonate-induced seed mutagenesis of Capsicum annuum. J Hered, 87(3): 239-241.
3. Altıntaş D. 2020. Mutasyon ıslahı yoluyla pamukta (Gossypium hirsutum L.) herbisitlere toleranslı genotip geliştirebilme olanaklarının değerlendirilmesi. Doktora tezi, Adnan Menderes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Tarla Bitkileri Anabilim Dalı, Aydın, Türkiye ss: 147.
4. Ariramana M, Gnanamurthy S, Dhanavelb D, Bharathi T, Murugan S. 2014. Mutagenic effect on seed germination, seedling growth and seedling survival of pigeon pea (Cajanus cajan L. Millsp). Int Lett Nat Sci, 21: 41-49.
5. Arisha MH, Liang BK, Shah SM, Gong ZH, Li DW. 2014. Kill curve analysis and response of first generation Capsicum annuum L. B12 cultivar to ethyl methane sulfonate. Genet Mol Res, 13(4): 10049-10061.
6. Arisha MH, Shah SN, Gong ZH, Jing H, Li C, Zhang HX. 2015. Ethyl methane sulfonate induced mutations in M2 generation and physiological variations in M1 generation of peppers (Capsicum annuum L.). Front Plant Sci, 6: 399.
7. Aziz S, Kantoglu Y, Tomlekova N, Staykova T, Ganeva D. Sarsu F. 2021. Characterization of tomato genotypes by simple sequence repeats (SSR) molecular markers. Biharean Biol, 15(2): 142-148.
8. Bado S, Forster BP, Nielen S, Ali AM, Lagoda PJ, Till BJ, Laimer M. 2015. Plant mutation breeding: current progress and future assessment. Plant Breed Rev, 39: 23-88.

9. Baghery MA, Kazemitabar SK, Kenari RE. 2015. Effect of EMS on germination and survival of okra (Abelmoschus esculentus L.). Int J Biol 24: 982–989.
10. Beşirli G, Göçmen M, Yanmaz R, Kantoğlu KY. 2006. bazı sarımsak genotiplerinin (Allium sativum L.) ve mutantların rapd belirleyiciler ile tanımlanması. VI Sebze Tarımı Sempozyumu Kitabı, 19-22 Eylül, Kahramanmaraş, Türkiye, ss: 49-54.
11. Büyükdinç TD, Kantoğlu KY, Karataş A, İpek A, Ellialtıoğlu ŞŞ. 2019. Determination of effective mutagen dose for carrot (Daucus carota ssp. sativus var. atrorubens alef and D. carota) callus cultures. IJSTR, 5(3): 15-23.
12. Çancı H, İnci NE, Baloğlu FÖC, Yıldırım T. 2015. Inheritance of rose-flowered mutation in chickpea (Cicer arietinum L.). JAS, 23: 208-212.
13. Cheng GX, Zhang RX, Liu S, He YM, Feng XH, Haq SU, Gong ZH. 2019. Leaf-color mutation induced by ethyl methane sulfonate and genetic and physio-biochemical characterization of leaf-color mutants in pepper (Capsicum annuum L.). Sci Hortic, 257(108709): 1-12
14. Devi SA, Selvakumar G. 2013. Chemical mutagens induced alterations in chlorophyll mutants and flower development of chilli (Capsicum annuum L.). Int J Mod Agric, 2: 39-42.
15. Dhamayanthi KPM, Reddy VRK. 2000. Cytogenetic effects of gamma rays and ethyl methane sulphonate in chilli pepper (Capsicum annuum L.). Cytologia 65(2): 129-133.
16. Dongfu H, Jianwen H, Wenting F, Mingwen H, Hong Y. 2022. Phenotypic variation analysis of ethyl methane sulfonate induced mutant population of pepper. Pak J Bot, 54(1): 195-203.
17. Gaul H. 1963. Mutationen in der pflanzenzuchtung. Z Pflanzen 50: 194-207.
18. Gerami M, Abbaspour H, Ghasemiomran V, Pirdashti H. 2017. Effects of ethyl methanesulfonate on morphological and physiological traits of plants regenerated from Stevia (Stevia rebaudianaBertoni) Calli. Appl Ecol Env Res, 15(3): 373-385.
19. Güvercin RŞ. 2020. Etil metan sülfonat mutageninin pamuk (Gossypium hirsutum L. ve Gossypium barbadense L.) tohumu çimlenmesine etkisi. UAZİMDER, 2(1): 24-29.
20. IAEA. 2021. Mutant variety database. URL: https://mvd.iaea.org (erişim tarihi: 20 Kasım 2023).
21. Jankowicz-Cieslak J, Till BJ. 2015. Forward and reverse genetics in crop breeding. Advn Plant Bree Strtg: Bree, Biotec Mlclr Tls, 2015: 215-240.
22. Jenks MA, Hasegawa PM, Jain SM, Foolad M. 2007. Advances in molecular breeding toward drought and salt tolerant crops. Springer Nature, Berlin, Germany, pp: 797.
23. Jeong HJ, Kwon JK, Pandeya D, Hwang J, Hoang NH, Bae JH, Kang BC. 2012. A survey of natural and ethyl methane sulfonate-induced variations of eIF4E using high-resolution melting analysis in Capsicum. MOLB, 29: 349-360.
24. Juliandari RR, Mastuti R, Arumningtyas EL. 2019. Microsatellite marker for genetic variation analysis in local chili pepper (Capsicum frutescens L.) ınduced by ethyl methane sulfonate (EMS). J Trop Life Sci, 9(2): 189 –194.
25. Kantoglu Y, Seçer E, Erzurum K, Tutluer İ, Kunter B, Peşkırcıoğlu H, Sağel Z. 2010a. Mass screening techniques for selecting crops resistant to disease. Improving tolerance to Fusarium oxysporum f. sp. melonis in melon using tissue culture and mutation techniques. IAEA, Vienna, Austria, Chapter 14, pp: 235-244.
26. Kantoğlu KY, Tepe A, Kunter B, Fırat AF, Ekiz H, Peşkircioğlu H. 2010b. Farklı tip biberlerde mutasyon ıslahı. Türkiye Atom Enerjisi Kurumu, Teknik Rapor, Ankara, Türkiye, ss:1-7.
27. Kantoğlu KY, Tepe A, Kunter B, Fırat AF, Peşkırcıoğlu H. 2014. Vegetable crops breeding by induced mutation and a practical case study of Capsicum annuum L. Mutagenesis: exploring genetic diversity in crops. Wageningen Academic Publishers, Amsterdam, Netherlands, 1: 41-56.
28. Kantoğlu KY, Kantoğlu Ö, Özmen D, İç E, Özçoban M, Peşkircioğlu H, Kunter M, Seçer E. 2018. Quality and yield traits of developed mutant tomato lines. İçinde: International Agriculture Congress, Abstract Book, 9- 12 Mayıs 2018, Van, Türkiye, ss: 429.
29. Kazaz S, Kholmurotov M. 2022. Melezleme Yoluyla Gül Islahı. Sci Innov, 2022s: 268-275.
30. Kodym A, Afza R. 2003. Physical and chemical mutagenesis. Methods and protocols. Methods in molecular biology. Humana Press, Inc., Totowa NJ. PlantFUNCO, New Jersey, USA, 236: 189-203
31. Krupa-Małkiewicz M, Kosatka A, Smolik B, Sędzik M. 2017. Induced mutations through EMS treatment and In Vitro screening for salt tolerance plant of petunia x atkinsiana D. Don. NAPOCA, 45(1): 190-196.
32. Kökpınar Ş, Kantoğlu KY, Ellialtıoğlu ŞŞ. 2021. Bitkilerde mutagen uygulamaları ile genetik çeşitliliğin artırılması ve sebze ıslahında kullanımı. Ziraat, Orman ve Su Ürünlerinde Araştırma ve Değerlendirmeler-1, Gece Kitaplığı/Gece Publishing, Ankara, Türkiye, ss: 341- 362.
33. Khursheed S, Laskar RA, Raina A, Amin RKS. 2015. Comparative analysis of cytological abnormalities induced in Vicia faba L. genotypes using physical and chemical mutagenesis. Chrom Sci, 18(3–4): 47–51.
34. Lambat A, Gadewar R, Lambat P, Charjan S, Gulhane R. 2012. Effects of gamma rays and ethyl methane sulphonate on chilli (Capsicum Annuum L.). Bion Front, 5: 2.
35. Masuda M, Agong S, Tanaka A, Shikazono N, and Hase Y. 2004. Mutation spectrum of tomato seed induced by radiation with helium ion beams and coal. Acta Hort. 637: 257-262.
36. Minocha JL, Arnason TJ. 1962. Mutagenic effectiveness of ethyl methane sulphonate in barley. Nature, 196: 499.
37. Okagaki RJ, Neuffer MG, Wessler SR, 1991. A Deletion common to two independently derived waxy mutations of maize. Gntcs, 127: 425-431.
38. Omosun G, Akanwa FE, Lazarus B. 2022. Effect of ethyl methanesulfonate (EMS) on the germination, growth and yield of two Okra (Abelmoschus esculentus L. Moench) varieties. Afrc Scnst, 22(2): 66-74.
39. Pakyürek M. 2020. Mutasyon ıslahı: Meyvecilik alanındaki uygulamalar. ISPEC 5th Internatıonal Conference Onengineering and Natural Sciences, July 10 - 12, Konya, Türkiye, pp: 718-725.
40. Pharmawati M, Defiani MR, Wrasiati LP, Wijaya IMAS. 2018. Morphological changes of Capsicum annuum L. induced by ethyl methanesulfonate (EMS) at M2 generation. Curr Agri Res J, 6(1): 1.
41. Pour AH, Tosun M, Haliloğlu K. 2021. Buğdayda (Triticum aestivum L.) farklı süre ve dozlarda uygulanan etil metansülfonat (EMS)’ın çimlenme ve fide ile ilgili bazı karakterler üzerine etkileri. Atatürk Üni Zir Fak Derg, 52(2): 190-200.
42. Rao AV, Farooqui MA, Sadanandam A. 1997. Induction of lincomycin and streptomycin resistance by nitrosomethylurea and ethyl methanesulphonate in Capsicum annuum L. Plant Cell Rep, 16: 865 868.
43. Ripley LS. 2013. Mutation. In Brenner’s Encyclopedia of Genetics: Second Edition. URL: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-374984-0.01007-X (erişim tarihi: 18 Aralık 2023).
44. Sağel Z, Tutluer Mİ, Peşkircioğlu H. 1994. Bitki ıslahında mutasyonlar. Tarla Bitk Mrkz Arş Enst Drgs, 3(1-2): 1-3
45. Sağel Z, Tutluer Mİ, Peşkircioğlu H, Kunter B, Kantoğlu Y. 2013. Mutasyon ıslahı ile geliştirilen soya, tütün, nohut çeşitleri ve özellikleri. İçinde: Uluslararası Bitki Islahı Kongresi, 10-14 Kasım 2013 Antalya, Türkiye, ss:1-8.
46. Sağel Z, Pekiştiricioğlu H, Tutluer Mİ. 2003. Nükleer tekniklerin bitki ıslahında kullanılması. VIII. Ulusal Nükleer Bilimler ve Teknolojileri Kongresi, 15-17 Ekim, Kayseri, Türkiye, ss: 14.
47. Salam CA, and Thoppil JE. 2010. Isolation of Induced Morphological Mutants in Capsicum annuum L. J Phytol, 2(2): 57–63
48. Sanjai Gandhi E, Sri Devi A, Mullainathan L. 2014. The effect of ethyl methane sulphonate and diethyl sulphate on chilli (Capsicum annuum L.) in M1 generation. ILNS, 05: 18-23
49. Sarıçam Ş, Kantoğlu KY, Ellialtıoğlu ŞŞ. 2017. Determination of effective mutagen dose for lettuce (Lactuca sativa var. longifolia cv. Cervantes) seeds. EJAR, 1(2): 106-113.
50. Shah D, Kamili AN, Wani AA, Nazir N, Sajad N, Khan I, Parray JA, Shah S. 2016. Mutagenic action of ethyl methane sulphonate (EMS): A review. J Res Dev (Srinagar), 16: 63-68.
51. Shu QY, Forster BP, Nakagawa H, Nakagawa H. (Eds). 2012. Plant mutation breeding and biotechnology. CABI, Wallingford UK, pp: 608.
52. Siddique MI, Back S, Lee JH, Jo J, Jang S, Han K, Venkatesh J, Kwon JK, Jo YD, Kang BC. 2020. Development and characterization of an ethyl methane sulfonate (EMS) induced mutant population in Capsicum annuum L. Plants, 9(3): 396.
53. Spencer-Lopes MM, Forster BP, Jankuloski L. 2018. Manual on mutation breeding. FAO/IAEA Centre of Nuclear Techniques in Food and Agriculture, Plant Breeding and Genetics Subprogramme, Vienna, Austria , pp: 299.
54. Soyam SR. 2021. Effect of EMS (Ethyl methane sulphonate) on chlorophyll content and ascorbic acid of chilli in M1 generation. J Pharmacogn Phytochem, 10(1): 331-332.
55. Talebi AB, Talebi AB, Shahrokhifar B. 2012. Ethyl methane sulphonate (EMS) induced mutagenesis in Malaysian rice (cv. MR219) for lethal dose determination. Am J Plant Sci, 3: 1661-1665.
56. Tanaka Y, Mitani A, Shimizu N, Goto T, Yoshida Y, Yasuba KI. 2021. Characterization and bulk segregant analysis of a novel seedless mutant tn-1 of chili pepper (Capsicum annuum). Sci Hortic, 276, 109729.
57. Taner KY, Beşirli G, Kunter B, Yanmaz R. 2004. Sarimsakta (Allium sativum L.) mutasyon ıslahına yönelik olarak etkili mutasyon dozunun belirlenmesi. Bahçe, 33(1-2): 95-99.
58. Tantray AY, Raina A, Khursheed S, Amin R, Khan S. 2017. Chemical mutagen affects pollination and locule formation in capsules of black cumin (Nigella sativa L.). Int J Agric Sci, 8(1): 108–117.
59. Tepe A, Kantoğlu KY, Kunter B, Peşkircioğlu H, Ekiz H. 2003. Sera Demre 8 biber çeşidinde mutasyon ıslahına yönelik olarak etkili mutasyon dozunun belirlenmesi. İçinde: IV. Ulusal Bahçe Bitkileri Kongresi, 8-12 Eylül 2003, Antalya, Türkiye, s. 365-366.
60. Upadhyaya NM, Bhat RS, Upadhyaya NM, Chaudhury A, Raghavan C, Qiu F, Comai L. 2007. Chemical-and irradiation-induced mutants and TILLING. Rice Functional Genomics: Challenges, Progress and Prospects, pp: 148-180.
61. Van Harten AM. 1998. Mutation breeding theory and practical applications. Cambridge University (Press Cambridge United Kingdom), London, UK, 127-140.
62. Walter RF, Elinor LF, Holly IJ. 1987. Mutation breeding principles of cultivar development, theory and technique. Macmillan Publislıing Company. A Oivision of Macıni Han, lnc, New York, USA, pp: 287-303.