工业大麻腺毛研究进展

张 静，粟建光，唐 蜻，戴志刚，陈小军，许 英

（中国农业科学院 麻类研究所/农业农村部麻类生物学与加工重点实验室，湖南 长沙 410205）

大麻（Cannabis sativaL.）为大麻科大麻属1 年生草本植物，是重要的药用和纤维作物，也是现存最古老的作物之一[1]。传统上，大麻的主要功能是提取韧皮纤维作为纺织原料以及种子榨油食用。近年来，对大麻活性成分的大量研究表明，大麻中含有多种生物活性物质，部分生物活性物质具有较高药用价值，如大麻素[2]。目前，研究最多的大麻素为四氢大麻酚（THC）和大麻二酚（CBD），二者均属于萜类化合物，且互为同分异构体[3]，是大麻中含量较高、药用性能研究较成熟的活性物质。THC 有较强的致幻作用和成瘾性，过量摄入会对神经系统和身体造成损伤[4]，因此大麻栽培和利用等环节均受到严格管控，适合大面积种植的工业大麻品种要求THC 含量低于0.3%[5]。CBD 是非成瘾性大麻素，已有研究证实，CBD 能够阻断某些多酚对人体神经系统的影响，对癫痫、癌症、抑郁症等精神性疾病具有很好的药效[6]。工业大麻中CBD 药用性能的开发，丰富了医学原料，同时对工业大麻育种提出了新的要求，选育高CBD低THC含量的工业大麻品种成为大麻育种的首要目标[7]。

腺毛主要参与植物的防御反应、合成并储存某些次生代谢物[8]。按有无分泌功能可将腺毛分为分泌型腺毛和非分泌型腺毛，大麻、黄花蒿、烟草和部分茄科植物等均有分泌型和非分泌型腺毛的相关研究报道。非分泌型腺毛是进行植物分类的一项重要依据，也是植物抵御某些非生物胁迫和生物胁迫的有力屏障[9‑11]；分泌型腺毛被誉为“植物化工厂”，主要分泌和储存某些次生代谢物，其分泌物主要包括部分香料作物的香气物质和某些特定的酚类、醛类等物质[12]。研究发现，大麻素类物质一般是在腺毛中合成与积累[13]，大麻素含量与分泌型腺毛相关。

工业大麻腺毛单位面积数量一般表现为雌株比雄株丰富，雌株中又以种子苞片、花、幼叶等部位腺毛最密集。腺毛分泌物与大麻的药用价值密切相关，大麻腺毛的种类及密度对大麻素含量具有较大影响[13]。目前，国内高CBD 含量工业大麻品种资源匮乏，为推动药用工业大麻定向选育，培育出高药用价值工业大麻品种，系统阐述了工业大麻腺毛的形态结构以及3 种分泌型腺毛的特征及特性、腺毛内主要次生代谢物质合成途径、大麻素调控机制。

1 大麻腺毛的形态与功能

大麻腺毛观察早在20世纪已经开展，不同腺毛的形状、大小差别较大且组成细胞数量不同[14]，有分泌型腺毛和非分泌型腺毛之分，大麻雌雄植株均分布有分泌型腺毛和非分泌型腺毛，其中雄性植株分泌型腺毛的数量和种类均明显少于雌性[15]。笔者通过Leica 立体显微镜观察大麻雌株叶片和雌花发现，雌株叶片及雌花表面腺毛分布较为密集，在显微镜下观察到的腺毛大部分呈透明状，由球形的头部和长柄组成（图1），同时也尝试用扫描电镜观察生长中期的大麻叶表皮，发现大麻叶片表皮腺毛中非分泌型腺毛分布最为广泛，且密度最高（图2），推断叶片表面密布的非分泌型腺毛可能与植物的自我防御有关。

图1 雌性工业大麻叶片（A）和雌花（B）表面腺毛观察Fig.1 Glandular hairs on female industrial hemp leaves（A）and female flowers（B）

图2 大麻叶表皮扫描电镜观察Fig.2 Top view of hemp leaf epidermis by scanning electron microscope

20 世纪70 年代，研究人员通过扫描电镜观察发现，大麻嫩叶和花萼表面存在3 种不同类型的分泌型腺毛，分别为头状有柄腺毛（Capitate‑stalked glandular trichome）、头状无柄腺毛（Capitate‑sessile glandular trichome）和球状腺毛（Bulbous glandular trichome）[3，14]（图3），且3 种分泌腺毛的分泌细胞数量不相同[14，16]，但均有用于储存和分泌代谢物的分泌腔。

研究者[15]通过观察大麻花萼发育进程发现，不同发育时期分泌型腺毛的种类和密度不同，推测此现象可能与植株所处的生长时期有关，其中，有柄腺毛通过一个由多细胞组成的长柄将球形的分泌腔与植物表面连接（图3A）；球状腺毛由球状的头部和短柄状的基座组成（图3C）[14]，且已有研究结果显示，球状腺毛只能生产有限的特定代谢产物；无柄腺毛是由一个直径50～70 μm 的球形分泌腔直接着生在大麻组织表面[14‑15]（图3B）。研究表明，有柄腺毛的分泌能力最强，分泌的大麻素种类最多[13，17]，荧光染色试验[14]同样证实，有柄腺毛能合成的大麻素种类最多，分泌能力较无柄腺毛更强，可能与有柄腺毛和无柄腺毛头部大小差异有关[13]。研究者在观察大麻苞片表面腺毛发育进程时发现，有柄腺毛较无柄腺毛和球状腺毛出现时期滞后，且随着植株发育进程不断推进，有柄腺毛占总腺毛比例不断上升[15]。LIVINGSTON 等[14]推测，无柄腺毛可能是有柄腺毛发育的早期阶段，有柄腺毛可能由无柄腺毛进化形成。

图3 大麻嫩叶和花萼表面3种分泌型腺毛Fig.3 Three types of hemp glandular trichomes on tender leaves and calyces

2 腺毛内主要次生代谢物质的合成途径

植物次生代谢物质是指通过植物次生代谢途径合成的一类生物小分子[18]，是植物适应环境和应对不良环境的重要防护屏障，植物次生代谢物主要包括黄酮类、萜类等。腺毛是植物重要的分泌器官，大量次生代谢物的合成以及储存在此进行，大麻素是大麻腺毛的主要次生代谢物，研究报道，大麻素主要由大麻分泌型腺毛合成和储存，大麻素的合成过程较为复杂，包括己酸途径、2-甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径、焦磷酸香叶酯（GPP）途径和以这3个途经合成产物为底物的Cannabinoid 途径4 个环节共同完成[19‑22]（图4）。其中，MEP途径为大麻素与青蒿素合成中共有的环节，也是植物进行萜类物质合成的重要步骤[23]，通过MEP 途径合成的异戊烯基二磷酸（IPP）和二甲烯丙基二磷酸（DMAPP）同为大麻素和青蒿素合成的重要底物之一。大麻素合成过程中，己酸途径产物乙酰辅酶A 通过聚酮合酶（OLS）催化形成戊基二羟基苯酸（OLA），与GPP 途径产生的GPP 在异戊烯基转移酶催化下形成产物大麻萜酚酸（CBGA）[20，24]，这一步骤被认为是大麻素合成途径中最为关键的一步，通过此次催化反应生成大麻素合成途径中的第一类大麻素[25]，也为后续多种大麻素的合成提供底物。此外，大麻素合成过程中OLA 也可以和GPP 的异构体焦磷酸橙花酯（NPP）同样通过异戊烯基转移酶催化生成大麻酚酸（CBNRA）[26‑27]，但由于CBNRA 合成量较少，此路径研究报道较少。CBGA 经腺毛中特异性表达的四氢大麻酚酸合成酶（THCAS）、大麻二酚酸合成酶（CBDAS）、大麻环萜酚酸合成酶（CBCAS）催化形成四氢大麻酚酸（THCA）、大麻二酚酸（CBDA）、大麻环萜酚酸（CBCA）[28‑29]，最后经过非酶促反应脱羧形成THC、CBD和大麻环萜酚（CBC）[30]。

图4 大麻素合成途径Fig.4 The synthesis pathway of cannabinoid

3 大麻素调控机制

大麻素是大麻腺毛合成的重要药用活性物质，目前关于大麻素的研究热点主要集中在降低精神活性物质THC 含量及提高药用价值成分CBD 含量方面[7]。CBDA 和THCA 是由共同的前体物质CBGA转化而来，且互为同分异构体，调控机制较为复杂[31]，易受环境和品种本身因素影响。大麻中CBD和THC 含量波动较大，但CBD 与THC 比值在作物的生命周期中变化较小，推测CBD/THC 易受位于同一个基因座上的2 个共显性基因影响，当BT基因纯合时以THC的合成为主，当BD基因纯合时则主要合成CBD，BD和BT同时出现则THC和CBD均合成[32]。

陈璇等[20]筛选了16 个与大麻素合成相关的基因，通过荧光定量PCR 发现，4-磷酸胞苷-2-甲基赤藓糖激酶（CMK）基因、2-C-甲基-D-赤藓糖醇-2，4-环焦磷酸合成酶（MDS）基因、4-羟基-2-甲基-2-E-丁烯基-4-焦磷酸合酶（HDS）基因、4-羟基-2-甲基-2-E-丁烯基-4-焦磷酸还原酶（HDR）基因、GPP基因的表达量与大麻素合成量呈正相关。研究还发现，在以大麻萜酚酸为底物的下游生物合成过程中，单一CBDAS 可以催化CBGA 合成CBDA 和少量THCA，同样，单一THCAS 也可以催化合成少量CBDA[20，33]。

THCAS 与CBDAS 基 因 位 于6 号 染 色 体[33]，CBDAS/THCAS 相关的13 个基因拷贝主要分布在9号 染 色 体25～33 Mb 的3 段 区 间 内，1 个 单 拷 贝CBDAS 相关基因位于30 Mb 区间，其余基因分别位于25 Mb和29 Mb 2个串联重复簇内，每个重复单元由基因序列和两侧的LTR 序列构成[5]。目前，THCAS 基因是大麻素调控基因中功能研究最深入的基因。1995年，TAURA等[34]发现，THCAS是74 ku的单体脱氢酶，催化由戊基间苯二酚酸到THCA 的氧化环化反应。2004 年，科学家成功克隆THCAS基因，进一步证明THCAS 基因的功能是调控CBGA转换为THCA[35]。研究发现，高THC 含量大麻中THCAS基因表达量量高[36]，而CBDAS基因在工业大麻中表达量呈偏高[37]。不同pH 值同样影响着THCAS及CBDAS 的催化活性，当pH 值为4.5 时，CBDAS 催化能力最强，分泌CBD 含量相对较高[33]。THCA 和CBDA 的合成是由2 个碱基序列相似度较高且联系较为密切的不同基因控制[38‑39]，且THC 和CBD 在不同类型大麻中以相似的路径合成[40]。随着测序技术的发展，在2011年第1 个大麻品种Purple Kush 参考基因组序列发布后，研究人员发现，该品种的基因序列中存在1个THCAS基因和多个CBDAS基因，由此推测CBD 合成由多位点控制[41]，然而，其多个CBDAS 基因能否行使功能尚未完全验证。进一步研究大麻品种Finola 基因组和转录组发现，CBDAS基 因 也 能 合 成THC[39，41]。THCAS 和CBDAS 同 为 大麻素合成途径末端最重要的2 种酶，这2 种酶的催化作用显著影响大麻重要药用成分和毒性物质含量，调整THCAS 基因的表达能够有效抑制THC 的合成，通过RNA 干扰THCAS 基因是降低THC 合成量的一个有效途径[42]。

4 讨论及展望

非分泌型腺毛是植物抵御某些非生物胁迫和生物胁迫的有力屏障，分泌型腺毛是分泌和储存某些次生代谢物的植物化工厂。据报道，植物腺毛生长除受自身因素影响外，还受光、水、肥、激素等环境因素影响。不同的光照强度可以改变烟叶表面腺毛的类型、密度以及内容物含量，影响烟叶的化学品质[43]，也可影响薄荷次生代谢物的分泌[44]；蓝光可诱导茶树合成更多次生代谢类物质[45]。干旱胁迫可改变荆芥表面腺毛数量及分泌的次生代谢物的种类和比例[46]，显著影响烟草香气物质西柏烷类化合物含量[47]。缺少Fe、B、Ca、Mg 等元素都会对烟草腺毛的生长不利[48]，而增施腐植酸类有机肥料能够显著提高烟草腺毛密度，提升烟草香气物质合成量[49]。植物激素茉莉酸甲酯能使番茄[50]、向日葵[51]和黄花蒿[52‑53]腺毛数目增加，次生代谢物质和防御蛋白含量上升；喷施水杨酸能够缓解非生物胁迫对青蒿的影响，同时刺激其腺毛发育，提高青蒿素的合成量[54]；喷施赤霉素使烟草叶片表面腺毛密度增加近1/3，进而增加腺毛分泌物含量，提升烤烟香气[55]，也能促进番茄表面腺毛生长[56]。有关工业大麻腺毛生长影响因子的报道较少，除吴姗[57]报道激动素（KT）影响其代谢物质分泌外，光、水、肥及其他激素对腺毛生长的影响鲜有研究报道，因此，今后工业大麻研究可侧重于深入研究光、水、肥、激素等非生物因素对工业大麻腺毛分泌能力的影响。

大麻腺毛的观察研究历时近50 a，其功能和结构已得到清晰展示，其分泌的重要次生代谢物质CBD 及THC 的合成途径和调控机制研究也已有颇多报道。但是，大麻腺毛分泌的代谢物质除CBD 及THC 外还有很多其他物质，其中，酚类物质就有60多种，如大麻酚（CBN）、次大麻二酚（CBDV）及CBC等，这些物质大部分具有特殊药用功效[58]，然而，这些酚类物质在腺毛中分泌、合成及调控的途径研究少见报道，故更多的大麻腺毛分泌次生代谢产物功能及其调控机制尚待挖掘，以有助于工业大麻药用物质的开发与利用。

大麻腺毛中分泌代谢物质THC 具较强的致幻作用和成瘾性，致使大麻种植一直受限。分子设计育种和分子聚合辅助育种是遗传改良的有效途径，也是未来的育种方向。若能采用敲除或者沉默等方法消除与THC 分泌相关联基因的影响，或者通过分子设计育种和分子聚合辅助育种选育出零THC含量的工业大麻品种，将促进工业大麻各领域的蓬勃发展。然而，目前与工业大麻腺毛生长发育及次生代谢分泌调控关联基因的报道较少，研究深度较浅，加上工业大麻遗传转化系统不成熟，关联基因功能尚未得到充分验证。因此，有必要加大与腺毛分泌代谢物质关联基因尤其是与THC 关联关键基因的挖掘研究，优异等位基因的挖掘及功能验证将为大麻腺毛分泌特性改良、药用工业大麻定向选育、低毒甚至无毒高药用价值工业大麻品种培育奠定基础。