《Frontiers in Plant Science》：Identification of EMS-induced sesame (Sesamum indicum L.) mutants with improved low-temperature tolerance during germination and early seedling growth
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摘要：芝麻（Sesamum indicum L.）是摩洛哥重要的油料作物，但其栽培受限于播种初期对低温敏感。传统于6月播种，若将播期提前至4月可利用春季残雨、减少灌溉依赖并提高产量，但该策略会使萌发的种子暴露于亚适土温（夜间最低10–15 °C）。采用甲基磺酸
摘要：芝麻（Sesamum indicum L.）是摩洛哥重要的油料作物，但其栽培受限于播种初期对低温敏感。传统于6月播种，若将播期提前至4月可利用春季残雨、减少灌溉依赖并提高产量，但该策略会使萌发的种子暴露于亚适土温（夜间最低10–15 °C）。采用甲基磺酸乙酯（Ethyl Methanesulfonate, EMS）化学诱变是创制非生物逆境耐受性新遗传变异的有效手段。本研究旨在鉴定EMS诱变获得的、在渐进低温胁迫条件下萌发及早期幼苗生长表现优良的芝麻突变体。研究人员在离体（in vitro）可控条件下评估萌发与幼苗生长性状。低温胁迫下除根长和胚芽（plumule）长度外，所有性状均存在极显著基因型差异（p<0.001）。在最冷处理（24 °C/12 °C昼/夜）下，突变体ML2–37和ML2–72的发芽率（Germination Percentage, GP）显著高于冷敏感突变体US1?2。耐受突变体表现出更快的萌发速率（Germination Rate, GR）、更短的平均萌发时间（Mean Germination Time, MGT）、更优的根冠比（Root?Shoot Ratio, RSR）及更高的幼苗活力指数（Seedling Vigor Index, SVI）。ML2–37和ML2–72在关键的萌发阶段展现出良好的低温耐受潜力，是培育早播、气候适应性芝麻品种的重要种质资源。但本研究仅在可控实验室条件下进行，需经多地点、多季节的大田验证方可确认其在真实早春播种条件下的农艺表现与产量稳定性。
论文解读：EMS诱变芝麻低温耐受萌发及早期幼苗突变体的鉴定研究
研究背景与意义
芝麻（Sesamum indicum L.）是世界上最古老的油料作物之一，在摩洛哥Tadla等地区是重要的经济作物。尽管芝麻具有一定的抗旱耐热性，但对低温极为敏感，尤其表现在萌发和早期幼苗建植阶段——其最适发芽温度为25–30 °C。摩洛哥现行播种期为6月初（冬小麦收获后），此时正值干热夏季，需大量灌溉且与高价值作物争水。若将播期提前至4月可利用春季残存土壤水分和降雨、降低灌溉需求并使生殖生长避开盛夏高温，但4月夜间土温可降至12–15 °C，低于芝麻萌发的亚适温下限，导致标准品种出苗延迟、整齐度差及易染土传病害。因此，培育能在凉春条件下正常萌发的耐低温种质是拓宽芝麻播期的先决条件。化学诱变（EMS）可在无转基因监管限制下产生全基因组点突变，已在芝麻中用于创制抗旱、株型改良等突变体。然而此前鲜有研究针对模拟地中海地区早春温和低温（而非极端冷害）评估EMS芝麻突变体的萌发表现。本研究以摩洛哥地方品种ML13及其EMS诱变M5代稳定突变体为材料，在模拟摩洛哥4月温度的渐进低温体系中筛选耐低温萌发突变体，为早熟抗旱气候适应性芝麻育种提供种质与理论依据。论文发表于《Frontiers in Plant Science》。
主要关键技术方法
研究人员选用摩洛哥栽培种ML13（野生型亲本）及其EMS诱变获得的5份稳定M5代突变系（ML2?5、ML2?10、ML2?37、ML2?72源自ML13；US1?2源自另一亲本US06），共计6个基因型。设置4个温度梯度（昼/夜，14 h光/10 h暗）：对照30 °C/18 °C、轻度胁迫28 °C/16 °C、中度胁迫26 °C/14 °C、重度胁迫24 °C/12 °C，模拟摩洛哥4月上旬至中旬土温。种子表面消毒后置铺有双层Whatman滤纸的培养皿中，每皿20粒，各基因型×温度组合3次生物学重复，完全随机设计。逐日记录萌发数（胚根≥2 mm），第10天测定根长（Root Length, RL）、胚轴/地上部长（Shoot Length, SL）、胚芽长（Plumule Length, PL），计算发芽率（GR）、平均萌发时间（MGT）、根冠比（RSR＝RL/SL）及幼苗活力指数（SVI＝(RL＋SL)×GP/100）。双因素方差分析（Two?way ANOVA）配合Duncan多重比较（p<0.05），最冷温下做Pearson相关分析及主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）。
研究结果
3.1 低温对萌发参数的影响（Effects of low temperature on germination parameters）
双因素ANOVA显示低温胁迫及基因型对除RL和PL外的所有性状影响极显著（p<0.001），基因型×温度互作也显著，说明各基因型对低温响应不同。随温度降低，所有基因型的GP、GR、SVI下降，MGT延长，RL/SL/PL受抑。在最冷处理（24 °C/12 °C）下，ML2?37 GP近最高（约85%~以上），ML2?72次之，二者GR较高且MGT较短；冷敏感突变体US1?2 GP最低（约55%）、GR最低、MGT最长。ML13（野生型亲本）介于中间。表明ML2?37和ML2?72在严重低温下维持较好的萌发启动能力与幼苗活力。
3.1.1 发芽率（Germination Percentage）
对照组下所有材料GP达90%~100%；轻度胁迫基本不受影响；中度胁迫时ML13、ML2?10、US1?2 GP下降明显（75%~85%），ML2?5、ML2?37、ML2?72仍维持100%；最冷处理时ML2?37和ML2?72 GP分别保持最高水平，US1?2降幅最大。说明ML2?37和ML2?72在中度及重度低温下发芽稳定性优于其他基因型。
3.1.2 萌发速率与平均萌发时间（Germination rate and mean germination time）
最冷处理下ML2?37和ML2?72 GR分别为~7和~6.5（最高组），MGT增幅最小；US1?2 GR<3且MGT大幅上升。表明耐低温突变体能更快完成萌发启动，缩短种子暴露于不利环境的时间。
3.1.3 幼苗生长与活力（Seedling growth and vigor）
低温抑制RL、SL、PL，最冷处理下ML2?5最低，ML13和US1?2 RL/SL相对略高，ML2?37和ML2?72与ML13、US1?2在PL和SL上无显著差异。RSR在最冷处理下ML13、ML2?37较高；SVI在最冷处理下ML13、ML2?37、ML2?72高于其余突变体，ML2?5和ML2?10 SVI骤降，US1?2最低。说明ML2?37和ML2?72在低温下仍能维持较优的根系分配比例与综合幼苗活力。
3.2 低温胁迫下多性状分析（Multi?traits analysis under cold stress）
3.2.1 性状间相关性（Correlation among the studied traits）
最冷温度下GR与MGT极显著负相关（r=-0.92），SVI与PL（r=0.99）、RL（r=0.76）极显著正相关，PL与RL显著正相关（r=0.76）。表明快速萌发与高幼苗活力紧密偶联，萌发和幼苗生长可作为低温耐受协同选择指标。
3.2.2 基因型分组（Genotypes grouping）
PCA前两个主成分解释总变异83.30%（PC1 52.50%，PC2 30.80%）。Group G1（ML13、ML2?37、ML2?72）沿GP、GR、RL、SL、PL、SVI、RSR正向向量分布，代表低温耐受型；Group G2仅US1?2，关联长MGT，为高度敏感型；Group G3（ML2?5、ML2?10）位于PC1负端，表现中等敏感性。证实ML2?37和ML2?72与野生型亲本同属耐低温群组。
讨论与结论翻译
本研究证明低温胁迫显著抑制芝麻萌发与早期幼苗生长，但EMS诱变群体中检测到显著基因型差异。在最冷模拟早春温度（24 °C/12 °C）下，突变体ML2?37和ML2?72较其他突变体表现出更优的低温耐受性——发芽率>85%、萌发速率快、平均萌发时间短、胚芽较长、根冠比与幼苗活力指数高。相反，US1?2被鉴定为高度冷敏感，不适宜早播。ML2?37和ML2?72此前已被表征具抗旱性，是适于半干旱区多逆境育种的宝贵种质。耐受机制可能与膜不饱和脂肪酸含量增加（维持膜流动性）、渗透调节物质（脯氨酸、可溶性糖）积累及抗氧化酶（SOD、CAT、POD）活性增强有关，尚需生化与分子验证。由于评价仅限于离体（in vitro）培养条件，后续须开展摩洛哥多生态区（Tadla、Sa?s、Gharb）多年多点大田试验确认其实用价值。
结论：本研究在模拟摩洛哥早春温度的渐进低温胁迫下，成功鉴定出EMS诱变芝麻群体中存在显著基因型变异。突变体ML2?37和ML2?72在最冷处理（24 °C/12 °C）下相较其他突变体表现出更优的低温耐受性——高发芽率（>85%）、快速萌发、优良胚芽长度及强健幼苗活力。反之，US1?2被判定为高度冷敏感。ML2?37和ML2?72是培育适应早播及缺水环境芝麻品种的潜在遗传资源。但因实验仅在可控离体条件下完成，结果须谨慎解读，需经多环境多季节大田评估以确认其农艺表现、稳定性及实际应用价值。
