硼和镁元素缺乏对工业大麻生长及大麻二酚（CBD）含量的影响

2022-11-28欧景王佳音孟园园孙杰杜光辉杨阳刘飞虎汤开磊

云南大学学报（自然科学版） 2022年6期

欧景，王佳音，孟园园，孙杰，杜光辉，杨阳，刘飞虎，汤开磊**

(1.云南大学资源植物研究院，云南昆明 650500；2.云南大学生命科学学院，云南昆明 650500)

工业大麻（Cannabis sativaL.）是植株中的致幻成分四氢大麻酚（THC）质量分数低于0.3%、不具备制毒价值的大麻品种类型，因其茎秆中含有高品质纤维，可用于纺织、造纸、制作复合材料等.工业大麻曾在中国广泛种植，是中国历史上最为重要的纤维作物，素有“国纺源头，万年衣祖”之称[1].近年来，工业大麻花叶中所特有的非致幻性大麻素受到广泛关注，其中大麻二酚（CBD）可用于治疗焦虑、抑郁、癫痫等神经类疾病，在抗肿瘤、神经系统保护、免疫调剂和抗炎抗氧化等方面具有巨大的医疗和保健价值[2-3].因此，以收获花叶提取CBD 为主要目的的花叶用工业大麻种植迅速发展，成为云南高原特色农业产业的新亮点.

硼和镁是植物生长所必需的元素.硼参与细胞壁的合成，影响植株生殖生长及碳水化合物的合成、转运、代谢等，从而影响作物的产量和次生代谢物含量[4].Sugier等[5]通过叶面喷施Na2B8O13·4H2O显著提高了菊科植物山车金（Arnica montanaL.）花叶产量及花叶中的精油的含量.Yu等[6]通过浇灌含硼砂的水溶液提高了东北龙胆（Gentiana manshuricaKitag.）的生物量和药用成分龙胆苦甙的含量.镁是叶绿素的中心离子，是很多酶的活化剂，参与能量代谢，对植物生物量的积累也有重要作用[7].杜玉霞等[8]研究表明缺镁会导致柠檬叶片中的叶绿素含量和光合能力下降，抑制植株生长.王丹等[9]发现施用MgSO4·7H2O 可显著影响中药材植物艾纳香叶片中的激素水平，提高生物量以及药用成分L-龙脑的含量.

Cockson等[10]研究了硼和镁元素缺乏对大麻植株表型的影响，发现硼元素缺乏会导致植株干物重显著下降，但目前尚未有研究明确硼和镁元素对CBD 质量分数的影响.鉴于此，本研究采用砂培试验研究硼、镁元素缺乏对工业大麻生长和叶片中CBD 质量分数的影响，以期为花叶用工业大麻种植提供硼、镁元素管理依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料以云麻7 号和晋麻1 号为材料，在云南大学农学院试验温室开展盆栽试验.云麻7号由云南省农业科学院选育，是目前云南省花叶用工业大麻栽培的主要品种，其在云南地区的生育期为210 d 左右，属晚熟型品种.晋麻1 号由山西省农业科学院选育，是山西地区主要推广的籽粒和纤维兼用型品种，其在山西地区的生育期为116 d 左右，属早熟型品种.试验用盆为280 mm 口径、210 mm高带有托盘的圆形塑料花盆，基质为用去离子水冲洗干净的石英砂.

1.2 试验处理每盆装入5 kg 石英砂.每盆播种15 粒饱满均匀的种子，出苗之后每隔3 d 浇300 mL营养液，营养液的养分质量分数为改良Hoagland完全营养液（表1）的一半.当植株长到第3 对真叶时间苗，每盆留长势均匀的幼苗7 株.间苗后分别进行缺硼和缺镁处理，缺硼处理为在完全营养液中不添加HB3O3，缺镁处理为不添加MgSO4·7H2O，缺失的通过Na2SO4补充，对照浇完全营养液，每个处理设置3 个重复.每隔3 d 浇300 mL 营养液，培养4 周后收获，此时对照植株的第6 对真叶展开.

表1 改良Hoagland 完全营养液及缺硼和缺镁营养液配方Tab.1 The composition of modified Hoagland,borondeficient and magnesium-deficient nutrient solutions

1.3 指标测定收获时，一次性拔出所有植株，测量每株株高和茎基部直径，之后按盆将植株分离为根、茎、叶，108 ℃杀青20 min，80 ℃烘干，称重.烘干后的叶片用于测定硼和镁质量分数以及CBD和THC 质量分数.硼和镁质量分数的测定使用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）、参照GB 5009.268—2016《食品安全国家标准食品中多元素的测定》程序进行.CBD 和THC 含量的测定参照NY/T 3252.1—2018 《工业大麻种子第一部分：品种》使用液相色谱法，其中提取液改为甲醇，流动相B 改为纯水.

1.4 数据处理使用Microsoft Excel 2016 对收集的数据进行整理、计算和绘图.采用SPSS 25.0 对数据进行统计分析，试验中品种和缺素对生物量及大麻素含量的影响采用双因素方差分析，若方差分析显示处理间存在显著差异，则采用Duncan 法进行多重比较（P＜0.05）.

2 结果与分析

2.1 硼缺乏对工业大麻生长及叶中大麻素质量分数的影响缺硼处理2 周后，植株新生小叶出现卷曲和失绿症状.4 周后，植株生长点坏死，株高增长停滞（图1）.处理4 周后收获所有植株，此时云麻7 号和晋麻1 号植株叶片中的硼质量比分别为0.83、0.97 mg/kg，是完全营养液培养条件下的7.7%、8.5%（图2）.缺硼处理导致植株的平均株高、茎粗和单株茎干重显著降低（P＜ 0.05），分别较对照低35%、13%和19%，但对根干重、叶干重以及根冠比的影响不显著（P＞ 0.05）.硼缺乏对根、茎、叶干重以及根冠比的影响在品种间差异不显著（表2）.缺硼处理植株叶片中的CBD 质量分数和THC 质量分数均低于对照，云麻7 号缺硼处理植株叶片中的CBD 质量分数较对照低50%，THC 质量分数较对照低61%，晋麻1 号缺硼处理植株叶片中的CBD 质量分数较对照低69%，THC 质量分数较对照低9%（图2）.

表2 缺硼处理对不同工业大麻品种生物量的影响Tab.2 Effect of boron-deficiency on the biomass of different hemp cultivars

图1 缺硼处理对不同工业大麻品种叶片和植株形态的影响Fig.1 Effect of boron-deficiency on the leaf and plant morphology of different hemp cultivars

图2 缺硼处理对不同工业大麻品种叶片中硼质量比和CBD、THC 质量分数的影响Fig.2 Effect of boron-deficiency on the leaf boron,CBD and THC concentration of different hemp cultivars

2.2 镁缺乏对工业大麻生长及叶中大麻素质量分数的影响缺镁处理2 周后，植株表现出老叶脉间失绿症状.4 周后，老叶脉间失绿程度加深，部分变黄枯死，新叶表现出失绿症状（图3）.缺镁处理4周后，植株叶片中的镁质量比仅为完全营养液培养条件下的10.1%（云麻7号，928 mg/kg）和17.1%（晋麻1号，1 660 mg/kg）（图4）.与对照相比，缺镁处理植株的茎粗、根干重和茎干重分别低13%，29%和35%，达到了显著水平（P＜ 0.05），但株高、叶干重和根冠比没有显著差异（P＞ 0.05）.镁缺乏对上述指标的影响在品种间差异不显著（表3）.缺镁处理植株叶片中的CBD 质量分数和THC 质量分数与对照相比没有显著差异（P＞ 0.05）（图4）.

表3 镁缺乏对工业大麻不同品种生物量的影响Tab.3 Effect of magnesium-deficiency on the biomass of different hemp cultivars

图3 缺镁处理对不同工业大麻品种叶片和植株形态的影响Fig.3 The effect of magnesium-deficiency on the leaf and plant morphology of different hemp cultivars

图4 缺镁处理对不同工业大麻品种叶片中镁质量比和CBD、THC 质量分数的影响Fig.4 The effect of magnesium-deficiency on the leaf magnesium,CBD and THC concentration of different hemp cultivars

3 讨论

3.1 缺硼对工业大麻产量与大麻素质量分数的影响硼是植物生长所必需的营养元素，缺硼培养2周后工业大麻植株即表现出明显的症状，4 周后植株叶片中的硼含量显著下降，植株的生长点坏死，茎和叶发育畸形.这一症状与Cockson等[10]对毒品大麻植株的观测一致，也与红麻等植物对硼缺乏的响应类似[11].

在缺硼条件下培养工业大麻幼苗4 周后，植株的茎和叶干重分别较对照低19%（P=0.002）和11%（P=0.069）.缺硼导致植株干物质积累量降低在针对棉花、油菜等作物的研究中得到广泛证实[12]，其原因可能有两方面：一是叶片发育畸形、生长点坏死导致光合面积减小（图1），二是光合系统发育异常导致单位叶面积的光合速率降低.已有研究表明，硼参与细胞壁的形成，对细胞分裂和伸长以及叶绿体的发育有较大影响，因而缺硼会抑制叶面积扩大，降低叶绿素含量，进而导致光合能力下降以及干物质积累量降低[12-13].除了对干物质积累的影响外，硼缺乏还会影响植物体内的酚类物质代谢[4].本研究缺硼条件下叶片中的CBD 质量分数和THC 质量分数显著低于对照（图2），这可能是因为CBD 和THC 的积累与细胞壁形成有关.Mahlberg等[14]和Livingston等[15]研究发现，CBD和THC 等大麻素的合成主要是在叶片和苞叶表面腺体的圆片形细胞膜上，合成的大麻素贮存在由细胞壁包裹形成的腔室内.因此，硼缺乏引起的细胞壁发育异常可导致CBD 和THC 的积累量下降.类似的，Hajlboland等[16]研究发现茶树缺硼会导致与细胞壁结合的酚类物质含量下降.

硼缺乏会显著抑制工业大麻生长，降低叶片中的CBD 质量分数，进而影响种植效益，因此明确工业大麻对硼的需求量对提高工业大麻产量具有重要意义.本研究表现出缺硼症状植株叶片中的硼质量比小于1.0 mg/kg，正常生长植株叶片中的硼质量比在2.3～11.3 mg/kg，但Cockson等[10]针对毒品大麻的研究显示，当植株叶片中的硼质量比为58.6 mg/kg 也能正常生长.因此，有必要进一步开展研究明确工业大麻对硼的需求范围.

3.2 缺镁对用工业大麻产量与大麻素质量分数的影响镁是植物生长所必需的营养元素，在植物体内的移动性强，因而缺镁培养工业大麻植株的老叶先出现脉间失绿症状，随着缺素程度的加深，新叶也表现出脉间失绿症状，部分老叶枯死凋落.本研究中工业大麻植株对镁元素缺乏的响应与Cockson等[10]对毒品大麻植株的观测一致，也与草莓、香蕉等植物的响应类似[17-18].

在缺镁条件下培养4 周后，工业大麻植株的根干重和茎干重显著低于对照，叶干重是对照的86%.缺镁导致工业大麻植株干物质积累量减少可能是因为叶片的光合作用受阻.镁是叶绿素的重要组成部分，也参与光合产物由源向库的转运，对叶片光合系统的正常进行具有重要作用[19-20].唐磊等[20]研究发现缺镁导致茶树光合器官破坏，光合能力降低，从而抑制茶树生物量的积累；杜玉霞等[8]研究表明在低镁胁迫时柠檬的光合作用受到抑制，限制了植株生长.镁元素也会对植株次生代谢物积累产生影响，例如王丹等[21]研究发现外源镁显著提高了艾纳香中的L-龙脑含量（2-茨醇），但本研究试验结果表明镁缺乏对工业大麻中的CBD 质量分数和THC 质量分数影响不显著，因此镁可能不参与CBD 和THC 合成过程.

镁缺乏会显著降低工业大麻植株的生物产量，因此工业大麻种植中需要满足植株对镁的最低需求.水稻、玉米、小麦等作物叶片中的临界镁质量比在1 000～2 000 mg/kg 左右，低于这一质量比即会表现出缺素症状[22].在Cockson等[10]针对毒品大麻的研究中，植株表现出缺镁症状时的叶片镁质量比为1 200 mg/kg，正常生长植株的镁质量比为6 100 mg/kg.本研究中植株表现出缺镁症状时的叶片镁质量比（900～1 700 mg/kg），与Cockson 等的研究结果相似，但正常生长植株的镁质量比（9 200～9 800 mg/kg）偏高.因此，进一步研究品种类型对镁需求的差异，可为工业大麻种植过程中的镁元素管理提供依据.