温度对工业大麻生长及大麻二酚含量的影响

王雅妮，曾粮斌，汪洪鹰，杨媛茹，谭志坚，易永健

（中国农业科学院麻类研究所，湖南 长沙 410205）

工业大麻（Cannabis sativaL.）是大麻科大麻属一年生草本植物，原产于中亚和东亚[1]，分布于世界各地，在我国有着悠久的栽培历史，也是具有高附加值的特种经济作物。其种子、纤维和花叶中的天然活性成分被广泛用于食品、纺织、材料、化妆品和医药等领域。大麻素是具有烷基间苯二酚和单萜结构的次生代谢产物，主要存在于大麻叶和花中[2]，最主要的2 种为△9-四氢大麻酚酸（THCA）和大麻二酚酸（CBDA），它们可分别通过脱酸反应生成精神活性化合物四氢大麻酚（THC）和非精神活性化合物大麻二酚（CBD）[3]。近年来，国内外研究表明，CBD 有治疗癫痫[4]、抗惊厥、镇痛、神经保护和抗炎（包括自身免疫性疾病）的益处[5]。目前英国GW 制药公司开发的用于治疗婴儿严重肌阵挛性癫痫（Dravet Syndrome, DS）等和成人多发性硬化症（Multiple Sclerosis，MA）的药物已经在英国、加拿大等多个国家上市销售。近年来，我国在工业大麻栽培和大麻素药用提取方面也发展迅速，黑龙江和云南作为我国工业大麻种植的主产区，产品远销欧美。

目前，我国工业大麻原料主要是通过室外栽培获取，然而由于气候条件、水肥和病虫害等因素的不可控，导致获得的原料产率降低，且品质较差。相比室外栽培，受环境因素的影响小，室内种植因其条件可控性好、空间利用率高、作物产量高等特点而备受青睐[6-8]。工业大麻是一年生植物，室外栽培周期长，而室内栽培可以生产3～4 周期作物。室外栽培生长条件受夏、秋、冬季环境变化和昼夜长短变化，采收不及时，会导致植株迅速衰老，而室内栽培可以通过控制光照、光周期、温度、空气循环和空气中二氧化碳浓度及空气湿度，合理调节环境参数来控制采收时间。加拿大、荷兰等国家室内栽培模式已经十分成熟。因此，开发温室或大棚栽培工业大麻是大势所趋。但是室内栽培也受多种因素影响，其中温度不仅影响植物叶绿素合成、酶活性大小、气孔限制等，还对植物有机物的合成和光合生理生态起着重要作用[9]。大麻生长的适宜温度为20～30℃[10]。利用恒温培养箱来控制大麻生长以达到调控大麻中有效成分含量的目的，目前国内外尚未见报道。

笔者以中国农业科学院麻类研究所培育的大麻品种中大麻5 号为试验材料，对比23、26、29℃恒温条件下工业大麻的农艺性状（株高、茎粗、叶面积、生物量等）、生理生化指标（可溶性蛋白和可溶性糖含量、SOD 和POD 酶活性）、CBD 含量，评估室内栽培温度对大麻CBD 产量的影响，以期为工业大麻室内栽培提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

工业大麻品种为中大麻5 号，由中国农业科学院麻类研究所栽培研究室提供，于麻产品研究室栽培实验室培养完成。CBD 标准品（＞98%）购自赛普瑞思北京技术有限公司。花盆（直径20 cm，高18 cm）栽培土为营养土与红土按1 ∶2 混合。

1.2 试验方法

1.2.1 温度处理和栽培条件试验于2020 年11 月至2021 年3 月在大麻栽培专用恒温气候箱中进行。生长周期控制在14 周，营养期（前8 周）光照控制在L ∶D=14 ∶10，开花期（后6 周）将光照控制在L ∶D=10 ∶14，缩短时长，创造短日照环境诱导大麻开花。恒温气候箱中温度分别设置为23、26、29℃，保证温度恒定且相互独立，互不影响。将大麻种子播种于装满营养土的九孔穴盘中，出苗后每盆移栽3 株长势均匀的健康幼苗至盆中，立即置于Biuepard 恒温气候箱中。试验共3 个处理，每个处理重复3 次，每个重复30 株雌株，施以相同的水肥管理，恒定温度，湿度75%～85%。样品分析均采用雌株。

1.2.2 花叶收获时主要农艺性状测定待到雌蕊变褐时，植株标记并收获（2021 年2 月17 日），采用Yaxin-1241 叶面积仪测定同一部位叶面积，使用直尺测量株高，游标卡尺测量茎基部到生长点部的茎粗，洗净根部泥土，吸干水分，使用电子天平（精确到0.001 g）迅速称量地上部、地下部鲜重，再转至70℃烘箱烘至恒重称量干重。

1.2.3 苗期生理生化指标测定雌株收获时，选取大麻植株顶端10 cm 内叶片进行测定。每株同一部位取一片叶，每个重复混为1 个样品，用锡箔纸装好放于液氮速冻，随后置于-80℃冰箱保存，用作可溶性蛋白、可溶性糖、SOD 酶和POD 酶的测定。

1.2.4 花、叶CBD含量的测定（1）CBD 提取。在栽培84 d（2021 年1 月27 日）后取雌株花、叶样，间隔10 d 取样一次，最后一次取全部雌性花、叶样，共取样3 次。每次取样取相同部位的花叶，每株取相同干重混合，每个重复混为1 个样品，70℃烘箱烘干至恒重待测。样品处理参照郭孟璧等[11]的方法，每个样品重复测定3 次，取平均值。（2）HPLC 检测。使用Syncronis C18色谱柱（250 mm×4.6 mm，粒径5 μm）对样品进行检测分析，以体积比90 ∶10 的乙腈和5%醋酸缓冲液为流动相，流速0.6 mL/min，采用等度洗脱方式，柱温30℃，检测波长220 nm，进样量20 μm。流动相和样品溶液均经过0.45 μm 尼龙滤膜过滤。CBD 标准曲线：Y= 110 447X-105.87（R² = 0.999 2），其中Y 为峰面积，X 为CBD 浓度。图1 为高效液相色谱检测CBD 的色谱图。

图1 高效液相检测CBD 结果

1.2.5 花、叶及单株CBD理论平均含量和产量计算

收获雌株全株花和叶，置于70℃烘箱烘干至恒重。花、叶CBD 含量测定方法同上。按照公式（1）、（2）计算雌株单株CBD 平均含量和总量。

单株CBD 平均含量（mg/g）=(花CBD 含量×花干重+叶CBD 含量×叶干重)/(花干重+叶干重)（1）

单株CBD 总量（mg/株）=(花CBD 含量×花干重+叶CBD 含量×叶干重)/株数 （2）

1.2.6 数据处理采用Excel 2010 软件进行数据处理、SPSS 26.0 软件进行显著性检验，并采用Duncan 法在P＜0.05 显著水平上对各项测定指标的平均值进行多重比较，采用GraphpadPrism8.0 软件作图。

2 结果与分析

2.1 温度对工业大麻株高和茎粗的影响

茎是植物的营养器官之一，是自下而上运输通道来供各组织器官的生命周期生长发育所需的水分和矿物质。茎越发达，越有利于营养物质的运输，从而提高植株生产力。图2 显示，26℃处理的株高、茎粗分别为90.7 cm、5.28 mm，分别是23℃的1.5 倍和2.0 倍，差异性显著，表明26℃处理对株高和茎粗的增强作用明显。

图2 温度对工业大麻株高、茎粗的影响

2.2 温度对工业大麻生物量和叶面积的影响

植物叶片是进行光合作用、呼吸作用、蒸腾作用的重要器官，从表1 可以看出，26℃下叶面积最大。合适温度下，植株叶片较大，植株更高，表明该植物更能适应外界环境，因此，更有利于植物体生物量的增加。在3 个处理中，叶面积最大的为26℃处理，达到6 425.4 mm2，与其他2 个处理差异均显著，显著高于23℃和29℃，是23℃时的3.3 倍。同时，26℃处理的大麻花干重、茎叶干重、根干重均高于其余2 个处理，分别为3.27、6.82、1.17 g，分别为23℃的2.8 倍、1.4 倍和3.4 倍。综合植株产量及叶面积，26℃恒定温度适合于工业大麻室内土培生产。

表1 温度对工业大麻生物量和叶面积的影响

2.3 温度对工业大麻生理指标的影响

可溶性蛋白和可溶性糖可为植物细胞生长发育和呼吸作用提供能量，由图3 可知，与23℃和29℃相比，26℃下叶片的可溶性蛋白质（36.5 mg/g）和可溶性糖含量（261.3 mg/g）都显著高于其余2 个处理。

图3 不同温度对工业大麻生理指标的影响

2.4 温度对工业大麻植株酶活的影响

由图4 可知，温度对大麻叶片中SOD 酶和POD酶活性影响变化趋势均基本一致，23℃时最高，29℃时次之，26℃时最低。恒温23℃促进了大麻植株过氧化物酶和超氧化歧化酶的含量，其SOD 酶活值为339.4 U/g，POD 酶活值为12 203.1 U/g，是26℃时的1.5倍和1.3 倍，表明23℃下大麻植株老化程度更高，受到的环境胁迫更大，其中26℃时受到的环境胁迫最低。

图4 温度对工业大麻SOD 酶活和POD 酶活的影响

2.5 温度对雌株花叶中CBD 含量的影响

从图5 中可以看出，随着温度的增加，大麻二酚的含量呈现整体上升趋势，恒定26℃对大麻植株花、叶中CBD 含量起显著促进作用，栽培84 d 到104 d，23℃条件下花、叶的CBD 含量分别从1.25、0.89 mg/g 增至6.15、4.12 mg/g；26℃条件下花、叶的CBD 含量从6.14、3.55 mg/g 增至8.86、5.63 mg/g；29℃条件下花、叶的CBD 含量从3.37、1.59 mg/g 增至7.47、5.23 mg/g。

图5 温度对不同栽培时间花叶中CBD 含量的影响

2.6 温度对雌株花叶中CBD 平均含量和产量的影响

大麻二酚的产量是衡量药用工业大麻经济生产价值的重要指标之一[12]。如图6 所示，26℃恒温能显著提高雌株CBD 含量，达到53.82 mg/株，是23℃时的2.7倍，29℃时的2.2 倍。同时单株CBD 平均含量达到5.33 mg/g，高于23℃和29℃时的含量。

图6 温度对工业大麻CBD 积累量的影响

3 小结与讨论

试验结果表明，工业大麻的温度响应差异明显，在26℃恒温条件下，工业大麻的生长和体内各项生理生化指标达到最佳，这可以为进一步温室工业大麻栽培提供参考。

影响室内栽培的因素很多，例如温度、光照、水分、空气中CO2浓度等，其中温度对植物生长发育的影响尤为显著，合适的温度有助于提高目标产物的产量[13]。在该研究中，不同的恒定温度对工业大麻生长和生理生化指标的影响差异显著，结果表明，26℃时，工业大麻生长（图2）和CBD 积累（图6）较23℃和29℃时有显著增长。这可能是由于随着温度的升高，工业大麻的生长趋势先增加后降低，净光合作用与蒸腾作用的比率随着温度的升高增加到一定水平，再随着温度的升高而减少的结果[14]。该研究中，工业大麻在恒定温度26℃时，生物量、叶面积、株高、茎粗指标最佳，这可能与植物体对温度的适应机制有关，在23℃和29℃时，持续较低或者较高的温度使得工业大麻生长变慢，低温抑制地上部生长，使得干物质积累量减少[15]。而短时间的高温可以通过活化光合作用代谢酶来加快植株体内物质的转化和代谢，促进植物生长发育，但是持续升温，会抑制植株生长，使得植物生物量、干物质的量和生长速率都有所下降[16-17]。

过氧化物酶（SOD）和超氧化歧化酶（POD）是衡量植物逆境条件的一个指标，他们是抗氧化酶系统的重要组成部分。当植物受到环境胁迫时，体内的活性氧会大量增加，影响植物正常生长，此时植物抗氧化酶系统中过氧化物酶含量SOD 含量也会增加，提高植物抵抗逆境和适应环境的能力[18-19]。在逆境条件下，它们消除过量的自由基，保护植物细胞的膜结构功能，维持植物细胞活性氧代谢平衡[20-21]。试验中，23 和29℃时的SOD 和POD 酶活均高于26℃，这说明26℃时工业大麻的生长最适宜，受到的外界胁迫最轻。

适宜的温度能促进植物生长发育，增加有机物产量的积累。不同恒定温度对工业大麻CBD 的含量和积累产生了不同影响。大麻中CBD 的产量不仅取决于花、叶中CBD 相对含量，也与花、叶的生物量相关[22]。该研究中，26℃能显著增加工业大麻花、叶中CBD 含量，同时也能增加花、叶的生物量。