科学网—OCS亮点文章|全球芝麻生产与成果:历史与现状
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2024-11-1 14:25
| 系统分类: 科研笔记
近日，OCS第3期发表了非洲贝宁阿波美-卡拉维大学的关于全球芝麻的生产和研究进展的综述文章，Vincent Ezin博士为通讯作者。文章基于联合国粮食及农业组织(FAO)1961-2021年的数据，讨论了全球芝麻种植产业现状、所面临挑战以及解决这些挑战的方法和成果。该文为更好地理解芝麻产业现状和前景提供参考。
研究背景
得益于其较高的营养价值和健康益处，芝麻（Sesamum indicum）在农业生产、食品工业和作物多样性中占有重要地位。尽管全球芝麻产品需求量不断增加，与其它主要油料作物相比，它的科学关注度并不高。此外，由于芝麻的遗传资源有限、生产技术相对落后以及芝麻本身应对逆境能力较弱的原因，芝麻的单产和总产不高。近年来人们通过创新研究方法、提高育种技术和整合组学技术正逐步消除全球芝麻产业发展的障碍。
1 起源驯化和遗传资源
芝麻（ S . indicum ）属于被子植物门（ Angiosperms ）、双子叶植物纲（ Dicotyledons ）、唇形目（ Lamiales ）、芝麻科（ Pedaliaceae ）、芝麻属（ Sesamum ），是一种二倍体植物，染色体数目为2n=26。
最新研究显示，芝麻属可以根据染色体数目分为三组，第一类为二倍体种（2n = 2x = 26），包括 S. indicum, S. alatum 和 S. capense。第二组为二倍体种（2n = 2x = 32），包括 S. latifolium, S. angolense, S. calycinum,和 S. angustifolium。第3组为异四倍体种（2n = 4x = 64），包括S. radiatum 和 S. schinzianum。
芝麻的起源地尚无定论，对于驯化地，大多数科学家则认为是在印度，并通过人类贸易和移民活动传播到亚洲和欧洲。现今95%的芝麻遗传资源保存在亚洲，主要见于印度、韩国、中国，剩余5%保存于美国。其中印度国家基因库、韩国国家农业生物多样性中心、中国农业科学院油料作物研究所和美国农业部植物遗传资源处共拥有约25,000个芝麻品种资源。这些品种为芝麻育种和研究提供了宝贵的资源。
尽管有大量的遗传资源被保存，但关于芝麻遗传多样性的信息是有限的。为了解决信息分散的问题，Wei等于2017年开发了芝麻功能基因组学的集成数据库——SesameFG。科研人员可以在线查询并免费下载SesameFG中的所有表型和基因型信息。最近，Wang等为了进行复杂的生物信息学分析，开发了一个互动且全面的芝麻多组学数据库Sinbase 2.0，可以评估遗传多样性，并为育种者提供便捷的共享服务。
2 生产历史演变及挑战
根据FAO数据，过去60年（1961-2021），全球芝麻生产主要在亚洲、非洲和美洲，总产量从142万吨增长至667万吨，大约翻了4倍。前50年里， 亚洲在 芝麻总产的持续增长中贡献最大、非洲次之。
随着非洲地区种植面积的不断扩大，自2012年起，非洲成为全球芝麻产量最大地区。2021年非洲芝麻种植面积占全球面积的64. 32%，总产达377万吨（占全球产量的59. 38%）。第二大种植区-亚洲的芝麻种植面积占全球32. 48%（占全球产量的36. 90%）。
芝麻产业发展面临的挑战包括产量低、肥效差、成熟度不均匀、蒴果开裂、分枝高、收获指数低、易感病虫害及缺乏适应性强品种等。
芝麻生长过程中对温度和水分要求严格，过高或过低都会对芝麻的生长和种子产量产生负面影响。因此，在生产过程中通过调节温度、定期灌溉排水、平衡施用有机和矿物肥可以改善这些问题。
芝麻在生长过程中易患叶斑病、枯萎病和炭疽病等病害，在收获期间人们缺乏高效收获和储存方法也是造成芝麻产量低的原因。
3 科学研究进展与成果
近年来的科学研究成果为芝麻的遗传改良、抗逆境能力提升、病害管理以及机械化种植提供了重要的科学基础和技术支持。
基因组测序与组装：芝麻的平均基因组大小约为360 Mb，相较于其他油料作物如向日葵（约3500 Mb）、大豆（约1013.2 Mb）和油菜（1200-1280 Mb）较小。芝麻品种““Zhongzhi 13”的基因组经过重新组装，使用Hi-C数据和第三代PacBio测序数据，得到了一个全长292.3 Mb的基因组，包含约28,406个编码基因。除了“zhongzhi13”，包括印度品种“Swetha”、现代品种“Yuzhi 11”以及地方品种“baizhima”和“mishouzhima”等在内的多个芝麻基因组被测序和组装。
分子标记技术：开发了包括RAPD、AFLP、SSR、ISSRs、SNPs和SRAP在内的分子标记技术，用于芝麻的多样性分析、连锁作图和性状相关标记的鉴定。
产量相关QTLs：通过RAD-seq识别了与产量相关的30个QTL，其中包括与每株蒴果数、每蒴粒数和千粒重相关的QTL。鉴定了控制蒴果数量的SiACS8基因、控制蒴果长度的SiOFP1基因以及调节每蒴种子数的SiCRC基因。
性状相关基因鉴定：通过全基因组测序（WGS）技术，鉴定了与油脂含量、脂肪酸生物合成和产量相关的46个候选基因。蒴果开裂是芝麻生产中的主要限制因素，导致高达50%的产量损失。SiCL1基因控制着叶片卷曲和蒴果开裂。
抗逆性研究：通过转录组和基因组研究，鉴定了与耐旱相关的基因，为培育更耐逆境的品种提供了可能。通过GWAS分析，在芝麻中发现了与多种非生物胁迫抗性增强相关的SiTPS基因区域。
病害抗性研究：芝麻枯萎病（SFW）、炭疽病和叶斑病是造成产量损失的主要病害。最近，Sindi_0812,400位点被鉴定为SFW抗性基因，并被正式命名为SiRLK1。
表观遗传学研究：全基因组亚硫酸盐测序（WGBS）技术被用于分析DNA甲基化，这对于理解基因表达调控和维持基因组稳定性至关重要
通过对芝麻病虫害的有效管理、增强气候适应的策略、创新生产力和提升种子质量以及探索产品高值化、市场准入路径的实践，可以显著促进芝麻产业发展，包括产量、抗逆性以及机械化适应性提升。
4 未来展望
近年来，通过创新的研究方法、育种技术的进步，以及尖端技术的整合，逐渐打破了限制芝麻产量扩增的障碍。
组学技术和各种生物技术的整合彻底改变了对芝麻遗传基础的理解，为针对其生长和产量的关键性状改良铺平了道路。
随着芝麻在全球农业中的地位日益突出，这些研究成果证明了跨学科合作和科学创新的重要性。
建议在基础研究、技术转让和知识传播等方面持续投资，利用芝麻遗传多样性、探索芝麻可持续生产途径，充分发掘芝麻产业的潜力。
芝麻产业的发展和进步对农民、政府和农业部门等利益相关者有积极重要的意义。
表1. 1961年至2021年全球芝麻产区的总产、单产及收获面积的比例变化
图1 1961年至2021年世界芝麻总产量发展趋势
图2 1961年至2021年非洲、美国和亚洲芝麻生产趋势
图3. 芝麻研究的多组学技术成就
原文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2096242824000435
Oil Crop Science是由中国农业科学院油料作物研究所主办的开放获取型(OA)的英文学术期刊。期刊旨在全面展示油料产业相关科学研究的最新成果和进展，坚持理论性和应用性相结合，促进油料科技学术交流，推动国内外油料产业健康、快速发展。OCS刊发油料科研领域创新性研究论文、高质量简讯及前沿类综述等。期刊已被Scopus、CSCD、DOAJ和FSTA等国际知名数据库，影响力逐年提升。
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