工业大麻抗逆生理及分子机制研究进展

赵 越，张晓艳，曹 焜，韩承伟，姜 颖，边 境，王晓楠，孙宇峰

（黑龙江省科学院大庆分院，黑龙江大庆 163319）

0 引言

工业大麻(CannabissativaL.)是指四氢大麻酚含量低于0.3%的大麻品种，又名汉麻、火麻和线麻等，为大麻科大麻属一年生草本植物，在纺织、造纸、建筑、化妆品、医药和保健食品等领域有广泛应用前景。为了避免与粮食争地，工业大麻往往种植在较为贫瘠的土地上，制约了工业大麻的可持续发展，提高工业大麻抗逆性是工业大麻研究的重点工作之一。植物对逆境胁迫的反应和适应是一个复杂的生理过程，是植物体内一系列生理生化代谢过程综合作用的结果。了解逆境胁迫下工业大麻生长性状等表型指标和生理指标的变化不仅有助于及时采取应对策略，减少生产上的损失，也有助于揭示植物逆境胁迫适应机制。依靠表型及生理指标筛选出高抗逆性资源，不仅能为抗逆育种提供优异种源，也能为抗逆机制的发现提供基础材料。总体来说，相比较其他作物，工业大麻逆境胁迫研究较少，评价体系还有待完善，分子研究刚刚起步。本文对近年来关于工业大麻逆境胁迫的研究进行了总结，并提出了几点建议，以期为工业大麻抗逆研究提供参考。

1 盐/碱胁迫

土壤盐渍化是植物生长中最常遇见的逆境之一。植物的正常生长发育需要一个适度的盐分环境，超过一定的阈值作物就会受到胁迫甚至伤害。现有报道中，盐碱胁迫研究多采用盐胁迫或碱胁迫单一处理。不同盐分（NaCl、Na2SO4、Na2CO3和NaHCO3）对工业大麻种子萌发具有不同效应，低浓度(50 mmol/L)的NaCl和Na2SO4处理对‘云麻5号’胚轴生长有促进作用，其他盐分处理则对种子萌发等各项指标产生负面影响[1]。在对黄麻进行研究时也发现低浓度(34.2 mmol/L)NaCl处理会对幼苗生长起促进作用[2]。

工业大麻在重度盐/碱环境下不能生长，不同品种和不同生育期的工业大麻对盐/碱的敏感程度不同，有些品种只能在轻度盐/碱环境下生长[3]。在盐胁迫下，工业大麻的叶片呈现不同程度萎蔫症状，随时间延长有加重趋势，同时叶片周边伴有发黄症状[4]。随着盐胁迫程度及盐胁迫时间的增加，大麻生长减缓、株高下降，甚至停止生长发育。并且在盐/碱胁迫下植株干重、根长、叶绿素含量、根冠比和含水量降低[5]。

在盐/碱胁迫下，植物体内发生一系列的生理生化反应来降低或消除盐分的伤害作用。‘巴马火麻’幼苗在盐胁迫处理下叶片超氧化物歧化酶(SOD)活性持续增高，第6天达最大值；可溶性糖含量在各个胁迫时期与对照差异无统计学意义；可溶性蛋白(SP)含量则先增加后降低，第4天达最大值[4]。胡华冉等[1]的研究发现，单种盐胁迫处理下，‘云麻5号’与‘巴马火麻’的SOD活性随盐浓度增加而升高，但升高的幅度有差异。而在混合盐处理中，‘云麻5号’在中性混合盐处理下抗性高于‘巴马火麻’；碱性混合盐中，‘巴马火麻’的抗性较高；碱性混合盐对个别品种的危害较大，碱性中高浓度混合盐处理下，大麻生长受到严重抑制，甚至死亡。

刘家佳等[6]对‘云麻5号’和‘巴马火麻’两个工业大麻品种用500 mmol/L NaCl处理0、2、4、6天的幼苗叶片进行生理指标测定，同时提取总RNA进行转录组测序，结果表明2个品种在盐胁迫2天时生理反应最强，在此时的差异表达基因中共鉴定出220个上调表达基因，这些基因在苯丙氨酸代谢通路和多个植物激素信号转导通路上显著富集，鉴定出了MYB、NAC、GATA和HSF等22个转录因子，之后对所有差异表达基因进行表达趋势聚类分析，证实2个品种存在品种特异性耐盐通路，耐盐机制由不同代谢途径参与调节。程霞等[7]以耐盐品种‘巴马火麻’和盐敏感品种‘云麻5号’进行盐胁迫的蛋白应激机制研究，结果表明工业大麻可能通过提高ATP代谢，根据光照强度调节光合代谢，加强叶绿素合成，促进细胞松弛、膨大，促进渗透调节物合成，增强无机硫在体内的流动，调控水通道蛋白，加强离子运输信号传递，提高蛋白间、蛋白与细胞膜间的信号传递和有机分子和无机分子选择吸收和运输速度，降解半纤维素细胞壁，控制细胞物质的进出，促进新陈代谢和细胞稳定性来适应胁迫。

2 水分/温度胁迫

工业大麻在短期水分胁迫条件下，植株会通过气孔效应来适应水分胁迫。在长期水分胁迫条件下，叶片加速衰老，叶面积指数降低，氮素利用率降低[8]。在工业大麻生产中发现，工业大麻不耐涝，但这方面的研究却未见报道。

在干旱胁迫下，植株的叶片含水量和保护酶活性等生理指标会发生变化以适应环境，最终会影响株高和茎粗等生长指标，不同品种对干旱胁迫的响应模式不同[9]。干旱胁迫试验多采用聚乙二醇-6000(PEG-6000)溶液模拟[10]。孔佳茜等[11]就采用6种不同浓度的PEG-6000对5个工业大麻品种进行干旱胁迫，结果发现低浓度的PEG溶液对大麻种子的萌发及根长有促进作用，增加PEG浓度会抑制种子的萌发，茎长、茎重和根重会随着PEG浓度的增加而降低。对工业大麻干旱敏感品种‘云麻1号’进行干旱胁迫下的全基因组表达谱进行特征分析，共鉴定了1292个基因，发现过氧化物酶、扩展蛋白、肌醇加氧酶、NAC和B3转录因子可能与工业大麻抗旱性有关，同时也发现脱落酸在抗旱胁迫中起重要作用[12]。

在对亚麻的一项研究中发现亚麻对干旱和高温胁迫的响应是协同的而不是独立的[13]。工业大麻在光饱和点下的净光合速率随着叶温的升高而升高，在25～35℃时趋于平稳，当叶片温度高于35℃时净光合速率开始下降[14]。虽然研究温度和水分协同作用对工业大麻生理生化的影响具有一定的难度，但更具有实际意义。关于低温胁迫对工业大麻的影响未见报道。

3 营养胁迫

植物生长必需元素包括氮、磷、钾、钙、硫、镁和钠等。其中氮磷钾是大量元素，中国耕地存在大量元素不足的情况，补充不当不仅会造成资源浪费，也会导致水体污染等环境问题。营养缺乏或过量都会对作物形成一定的胁迫作用。

氮素水平较低会造成工业大麻纤维细胞壁薄、纤维束发育不良和束内细胞减少。在1.50、3.00、6.00 mmol/L氮素水平下，工业大麻生长正常。随着氮素水平的增加不仅会降低氮的利用效率，其他营养元素如磷和钾的利用效率也会降低。不同工业大麻品种对氮素的生理响应差异较大，与1.50 mmol/L氮浓度相比，在低氮(0.3 mmol/L、0.75 mmol/L)和高氮条件下4个受试品种（‘皖麻1号’、‘云麻7号’、‘云麻5号’和‘巴马火麻’）的叶绿素含量、SP含量、硝酸还原酶、SOD、丙二醛(MDA)和可溶性糖等各项生理指标均表现为降低或增加[15]。

施钾不足或过量都对其生长有抑制作用，‘云麻1号’在5个浓度(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mmol/L)处理下，随着施钾量的增加，苗高、茎粗和叶面积均呈现出先升高后降低的趋势，并在2.0 mmol/L的钾处理下达到最大值；大麻的钾利用效率和SOD活性降低，叶绿素含量升高，蔗糖含量和蔗糖酶活性先升高后降低；大麻的干物质量、钾含量与钾积累量呈现出先升高后降低的趋势，均在2.0 mmol/L的钾处理下达到最大值[16]。

李璇等对‘云麻7号’和‘巴马火麻’在不同磷水平下植株生长和生理指标进行调查，发现不同品种磷耐受能力不同，‘云麻7号’的最适磷浓度是0.50 mmol/L，‘巴马火麻’的最适磷浓度为8.00 mmol/L，增加或降低磷浓度会降低鲜重、株高和茎粗，升高叶片的相对电导率、丙二醛含量及过氧化物酶活性[17]。

目前，可通过两种途径减少营养胁迫。一是筛选耐低氮/磷/钾品种。二是筛选不同品种的最佳氮/磷/钾耐受浓度，结合土地肥力合理施肥。

4 重金属等有害物质胁迫

工业大麻是理想的植物修复土地候选作物，对镉(Cd)、铬(Cr)、铜(Cu)、铅(Pb)、镍(Ni)、镭(Ra)、硒(Se)、锶(Sr)、铊(Tl)和锌(Zn)污染的土地都有修复作用[18-24]。修复重金属土壤的时间、费用及产生的经济效益显著优于其他作物[25]。在高浓度的土壤重金属环境下，工业大麻会依靠稳定的光合系统和提升自身抗氧化能力来缓解重金属胁迫带来的危害[26]。

不同品种对土壤修复能力不同。许艳萍等对云南省5个主栽工业大麻品种的苗期和工业成熟期进行Pb、Zn、Cu、Cd与砷(As)5种重金属的富集和转运能力进行研究，发现这些品种积累重金属的能力均较强，其中‘云麻1号’和‘云麻5号’的对土壤的修复效率高于其他3个品种。工业大麻不同部位对不同重金属的富集能力不同，这5个品种中，除Cu外，其他重金属在茎叶中的富集系数都大于根[27-29]。

对镉耐受性品种和镉敏感性品种在镉处理下发现，MDA含量、SOD和过氧化物酶(POD)等活性结果表明Cd耐受品种比Cd敏感性品种的解毒能力更强。转录组分析表明涉及重金属转运和氧化还原过程的相关基因与品种的镉耐受能力相关[30]。

重金属对工业大麻的生长发育、产量、性别和酚类含量等方面都会产生影响。低浓度的重金属在一定程度上能促进工业大麻的生长发育和提高产量[31-32]。Cu和Zn盐通过提高工业大麻玉米素水平，使大麻雌性化[33]。硝酸铅通过降低玉米素水平和增加赤霉素水平促使大麻明显雄性化。硫代硫酸银可诱导工业大麻雌性系的产生[34]。结合Cd胁迫下2个大麻品种的转录组数据，从工业大麻MYB基因中鉴定了7个影响Cd胁迫反应的CsMYB基因。根据Cd胁迫下大麻中大麻素含量的变化、高大麻二酚和低大麻二酚大麻中不同CsMYB基因的表达以及组织特异性表达，推测CsMYB024可能受Cd胁迫影响并介导CBD合成途径[35]。

5 展望

工业大麻抗逆生理及分子机制研究与其他植物相比差距较大，抗逆评价体系亟待健全，生理生化指标因品种的耐受性不同呈现出不同的变化，相关抗逆分子机制的研究还有待验证。为了解决这些问题，笔者提出了如下几点建议。

（1）材料的选择是研究工业大麻抗逆生理及分子机制的基础。不同品种对逆境胁迫的敏感性不同，对现有资源进行抗逆性评价，筛选出抗逆性强和逆境胁迫敏感材料。但目前工业大麻抗逆性评价体系还不健全，研究较少[36]，可借鉴其他麻类作物相关研究[37-39]。

（2）施用外源物质对植物逆境胁迫有缓解作用[40-42]。如硅能通过维持作物光合机制、降低蒸腾速率和气孔导度、调节养分吸收和转移以及减少氧化胁迫来缓解植物营养缺乏、Cd毒害所造成的胁迫[43-44]。赤霉素、维生素C和烯效唑等外源物质能够缓解干旱对工业大麻的伤害[45-46]，但不同大麻品种适宜的外源物质浓度不同，需要根据不同品种进行外源物质种类和浓度的筛选。如‘云麻1号’分别在600 mg/L赤霉素和400 mg/L Vc浸种处理时,表现出较好的生理抗旱特性；‘巴马火麻’分别在600 mg/L赤霉素和600 mg/L Vc浸种处理时，抗旱能力更强，并且赤霉素处理效果优于Vc[46]。但施用外源物质是否能缓解其他胁迫对工业大麻造成的伤害还有待研究。

（3）工业大麻在对抗逆境胁迫过程中，硝酸盐转运蛋白、氮代谢相关基因、转录因子和参与次生代谢的基因都参与其中，因此，这些基因家族可能通过改善逆境胁迫耐受性、氮同化作用，并最终产生生物量和次生代谢物，是工业大麻和其他纤维作物遗传改良的潜在目标[47]。应用测序技术、多组学技术和生物信息学方法发现更多抗逆基因和相关代谢产物，开展基因验证及抗逆分子机制等方面的研究是下一步的研究重点。目前，已经建立了工业大麻瞬时基因转化方法[48]。亟待建立稳定的工业大麻高效遗传转化方法和体系[49-50]。