溫度對(duì)工業(yè)大麻生長(zhǎng)及大麻二酚含量的影響

王雅妮，曾糧斌，汪洪鷹，楊媛茹，譚志堅(jiān)，易永健

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410205）

工業(yè)大麻（Cannabis sativaL.）是大麻科大麻屬一年生草本植物，原產(chǎn)于中亞和東亞[1]，分布于世界各地，在我國(guó)有著悠久的栽培歷史，也是具有高附加值的特種經(jīng)濟(jì)作物。其種子、纖維和花葉中的天然活性成分被廣泛用于食品、紡織、材料、化妝品和醫(yī)藥等領(lǐng)域。大麻素是具有烷基間苯二酚和單萜結(jié)構(gòu)的次生代謝產(chǎn)物，主要存在于大麻葉和花中[2]，最主要的2 種為△9-四氫大麻酚酸（THCA）和大麻二酚酸（CBDA），它們可分別通過(guò)脫酸反應(yīng)生成精神活性化合物四氫大麻酚（THC）和非精神活性化合物大麻二酚（CBD）[3]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究表明，CBD 有治療癲癇[4]、抗驚厥、鎮(zhèn)痛、神經(jīng)保護(hù)和抗炎（包括自身免疫性疾?。┑囊嫣嶽5]。目前英國(guó)GW 制藥公司開(kāi)發(fā)的用于治療嬰兒嚴(yán)重肌陣攣性癲癇（Dravet Syndrome, DS）等和成人多發(fā)性硬化癥（Multiple Sclerosis，MA）的藥物已經(jīng)在英國(guó)、加拿大等多個(gè)國(guó)家上市銷售。近年來(lái)，我國(guó)在工業(yè)大麻栽培和大麻素藥用提取方面也發(fā)展迅速，黑龍江和云南作為我國(guó)工業(yè)大麻種植的主產(chǎn)區(qū)，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷歐美。

目前，我國(guó)工業(yè)大麻原料主要是通過(guò)室外栽培獲取，然而由于氣候條件、水肥和病蟲(chóng)害等因素的不可控，導(dǎo)致獲得的原料產(chǎn)率降低，且品質(zhì)較差。相比室外栽培，受環(huán)境因素的影響小，室內(nèi)種植因其條件可控性好、空間利用率高、作物產(chǎn)量高等特點(diǎn)而備受青睞[6-8]。工業(yè)大麻是一年生植物，室外栽培周期長(zhǎng)，而室內(nèi)栽培可以生產(chǎn)3～4 周期作物。室外栽培生長(zhǎng)條件受夏、秋、冬季環(huán)境變化和晝夜長(zhǎng)短變化，采收不及時(shí)，會(huì)導(dǎo)致植株迅速衰老，而室內(nèi)栽培可以通過(guò)控制光照、光周期、溫度、空氣循環(huán)和空氣中二氧化碳濃度及空氣濕度，合理調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)來(lái)控制采收時(shí)間。加拿大、荷蘭等國(guó)家室內(nèi)栽培模式已經(jīng)十分成熟。因此，開(kāi)發(fā)溫室或大棚栽培工業(yè)大麻是大勢(shì)所趨。但是室內(nèi)栽培也受多種因素影響，其中溫度不僅影響植物葉綠素合成、酶活性大小、氣孔限制等，還對(duì)植物有機(jī)物的合成和光合生理生態(tài)起著重要作用[9]。大麻生長(zhǎng)的適宜溫度為20～30℃[10]。利用恒溫培養(yǎng)箱來(lái)控制大麻生長(zhǎng)以達(dá)到調(diào)控大麻中有效成分含量的目的，目前國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)報(bào)道。

筆者以中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所培育的大麻品種中大麻5 號(hào)為試驗(yàn)材料，對(duì)比23、26、29℃恒溫條件下工業(yè)大麻的農(nóng)藝性狀（株高、莖粗、葉面積、生物量等）、生理生化指標(biāo)（可溶性蛋白和可溶性糖含量、SOD 和POD 酶活性）、CBD 含量，評(píng)估室內(nèi)栽培溫度對(duì)大麻CBD 產(chǎn)量的影響，以期為工業(yè)大麻室內(nèi)栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

工業(yè)大麻品種為中大麻5 號(hào)，由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所栽培研究室提供，于麻產(chǎn)品研究室栽培實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)完成。CBD 標(biāo)準(zhǔn)品（＞98%）購(gòu)自賽普瑞思北京技術(shù)有限公司。花盆（直徑20 cm，高18 cm）栽培土為營(yíng)養(yǎng)土與紅土按1 ∶2 混合。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 溫度處理和栽培條件試驗(yàn)于2020 年11 月至2021 年3 月在大麻栽培專用恒溫氣候箱中進(jìn)行。生長(zhǎng)周期控制在14 周，營(yíng)養(yǎng)期（前8 周）光照控制在L ∶D=14 ∶10，開(kāi)花期（后6 周）將光照控制在L ∶D=10 ∶14，縮短時(shí)長(zhǎng)，創(chuàng)造短日照環(huán)境誘導(dǎo)大麻開(kāi)花。恒溫氣候箱中溫度分別設(shè)置為23、26、29℃，保證溫度恒定且相互獨(dú)立，互不影響。將大麻種子播種于裝滿營(yíng)養(yǎng)土的九孔穴盤中，出苗后每盆移栽3 株長(zhǎng)勢(shì)均勻的健康幼苗至盆中，立即置于Biuepard 恒溫氣候箱中。試驗(yàn)共3 個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3 次，每個(gè)重復(fù)30 株雌株，施以相同的水肥管理，恒定溫度，濕度75%～85%。樣品分析均采用雌株。

1.2.2 花葉收獲時(shí)主要農(nóng)藝性狀測(cè)定待到雌蕊變褐時(shí)，植株標(biāo)記并收獲（2021 年2 月17 日），采用Yaxin-1241 葉面積儀測(cè)定同一部位葉面積，使用直尺測(cè)量株高，游標(biāo)卡尺測(cè)量莖基部到生長(zhǎng)點(diǎn)部的莖粗，洗凈根部泥土，吸干水分，使用電子天平（精確到0.001 g）迅速稱量地上部、地下部鮮重，再轉(zhuǎn)至70℃烘箱烘至恒重稱量干重。

1.2.3 苗期生理生化指標(biāo)測(cè)定雌株收獲時(shí)，選取大麻植株頂端10 cm 內(nèi)葉片進(jìn)行測(cè)定。每株同一部位取一片葉，每個(gè)重復(fù)混為1 個(gè)樣品，用錫箔紙裝好放于液氮速凍，隨后置于-80℃冰箱保存，用作可溶性蛋白、可溶性糖、SOD 酶和POD 酶的測(cè)定。

1.2.4 花、葉CBD含量的測(cè)定（1）CBD 提取。在栽培84 d（2021 年1 月27 日）后取雌株花、葉樣，間隔10 d 取樣一次，最后一次取全部雌性花、葉樣，共取樣3 次。每次取樣取相同部位的花葉，每株取相同干重混合，每個(gè)重復(fù)混為1 個(gè)樣品，70℃烘箱烘干至恒重待測(cè)。樣品處理參照郭孟璧等[11]的方法，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3 次，取平均值。（2）HPLC 檢測(cè)。使用Syncronis C18色譜柱（250 mm×4.6 mm，粒徑5 μm）對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)分析，以體積比90 ∶10 的乙腈和5%醋酸緩沖液為流動(dòng)相，流速0.6 mL/min，采用等度洗脫方式，柱溫30℃，檢測(cè)波長(zhǎng)220 nm，進(jìn)樣量20 μm。流動(dòng)相和樣品溶液均經(jīng)過(guò)0.45 μm 尼龍濾膜過(guò)濾。CBD 標(biāo)準(zhǔn)曲線：Y= 110 447X-105.87（R2 = 0.999 2），其中Y 為峰面積，X 為CBD 濃度。圖1 為高效液相色譜檢測(cè)CBD 的色譜圖。

圖1 高效液相檢測(cè)CBD 結(jié)果

1.2.5 花、葉及單株CBD理論平均含量和產(chǎn)量計(jì)算

收獲雌株全株花和葉，置于70℃烘箱烘干至恒重?；ā⑷~CBD 含量測(cè)定方法同上。按照公式（1）、（2）計(jì)算雌株單株CBD 平均含量和總量。

單株CBD 平均含量（mg/g）=(花CBD 含量×花干重+葉CBD 含量×葉干重)/(花干重+葉干重)（1）

單株CBD 總量（mg/株）=(花CBD 含量×花干重+葉CBD 含量×葉干重)/株數(shù) （2）

1.2.6 數(shù)據(jù)處理采用Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、SPSS 26.0 軟件進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，并采用Duncan 法在P＜0.05 顯著水平上對(duì)各項(xiàng)測(cè)定指標(biāo)的平均值進(jìn)行多重比較，采用GraphpadPrism8.0 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對(duì)工業(yè)大麻株高和莖粗的影響

莖是植物的營(yíng)養(yǎng)器官之一，是自下而上運(yùn)輸通道來(lái)供各組織器官的生命周期生長(zhǎng)發(fā)育所需的水分和礦物質(zhì)。莖越發(fā)達(dá)，越有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸，從而提高植株生產(chǎn)力。圖2 顯示，26℃處理的株高、莖粗分別為90.7 cm、5.28 mm，分別是23℃的1.5 倍和2.0 倍，差異性顯著，表明26℃處理對(duì)株高和莖粗的增強(qiáng)作用明顯。

圖2 溫度對(duì)工業(yè)大麻株高、莖粗的影響

2.2 溫度對(duì)工業(yè)大麻生物量和葉面積的影響

植物葉片是進(jìn)行光合作用、呼吸作用、蒸騰作用的重要器官，從表1 可以看出，26℃下葉面積最大。合適溫度下，植株葉片較大，植株更高，表明該植物更能適應(yīng)外界環(huán)境，因此，更有利于植物體生物量的增加。在3 個(gè)處理中，葉面積最大的為26℃處理，達(dá)到6 425.4 mm2，與其他2 個(gè)處理差異均顯著，顯著高于23℃和29℃，是23℃時(shí)的3.3 倍。同時(shí)，26℃處理的大麻花干重、莖葉干重、根干重均高于其余2 個(gè)處理，分別為3.27、6.82、1.17 g，分別為23℃的2.8 倍、1.4 倍和3.4 倍。綜合植株產(chǎn)量及葉面積，26℃恒定溫度適合于工業(yè)大麻室內(nèi)土培生產(chǎn)。

表1 溫度對(duì)工業(yè)大麻生物量和葉面積的影響

2.3 溫度對(duì)工業(yè)大麻生理指標(biāo)的影響

可溶性蛋白和可溶性糖可為植物細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育和呼吸作用提供能量，由圖3 可知，與23℃和29℃相比，26℃下葉片的可溶性蛋白質(zhì)（36.5 mg/g）和可溶性糖含量（261.3 mg/g）都顯著高于其余2 個(gè)處理。

圖3 不同溫度對(duì)工業(yè)大麻生理指標(biāo)的影響

2.4 溫度對(duì)工業(yè)大麻植株酶活的影響

由圖4 可知，溫度對(duì)大麻葉片中SOD 酶和POD酶活性影響變化趨勢(shì)均基本一致，23℃時(shí)最高，29℃時(shí)次之，26℃時(shí)最低。恒溫23℃促進(jìn)了大麻植株過(guò)氧化物酶和超氧化歧化酶的含量，其SOD 酶活值為339.4 U/g，POD 酶活值為12 203.1 U/g，是26℃時(shí)的1.5倍和1.3 倍，表明23℃下大麻植株老化程度更高，受到的環(huán)境脅迫更大，其中26℃時(shí)受到的環(huán)境脅迫最低。

圖4 溫度對(duì)工業(yè)大麻SOD 酶活和POD 酶活的影響

2.5 溫度對(duì)雌株花葉中CBD 含量的影響

從圖5 中可以看出，隨著溫度的增加，大麻二酚的含量呈現(xiàn)整體上升趨勢(shì)，恒定26℃對(duì)大麻植株花、葉中CBD 含量起顯著促進(jìn)作用，栽培84 d 到104 d，23℃條件下花、葉的CBD 含量分別從1.25、0.89 mg/g 增至6.15、4.12 mg/g；26℃條件下花、葉的CBD 含量從6.14、3.55 mg/g 增至8.86、5.63 mg/g；29℃條件下花、葉的CBD 含量從3.37、1.59 mg/g 增至7.47、5.23 mg/g。

圖5 溫度對(duì)不同栽培時(shí)間花葉中CBD 含量的影響

2.6 溫度對(duì)雌株花葉中CBD 平均含量和產(chǎn)量的影響

大麻二酚的產(chǎn)量是衡量藥用工業(yè)大麻經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)價(jià)值的重要指標(biāo)之一[12]。如圖6 所示，26℃恒溫能顯著提高雌株CBD 含量，達(dá)到53.82 mg/株，是23℃時(shí)的2.7倍，29℃時(shí)的2.2 倍。同時(shí)單株CBD 平均含量達(dá)到5.33 mg/g，高于23℃和29℃時(shí)的含量。

圖6 溫度對(duì)工業(yè)大麻CBD 積累量的影響

3 小結(jié)與討論

試驗(yàn)結(jié)果表明，工業(yè)大麻的溫度響應(yīng)差異明顯，在26℃恒溫條件下，工業(yè)大麻的生長(zhǎng)和體內(nèi)各項(xiàng)生理生化指標(biāo)達(dá)到最佳，這可以為進(jìn)一步溫室工業(yè)大麻栽培提供參考。

影響室內(nèi)栽培的因素很多，例如溫度、光照、水分、空氣中CO2濃度等，其中溫度對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響尤為顯著，合適的溫度有助于提高目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)量[13]。在該研究中，不同的恒定溫度對(duì)工業(yè)大麻生長(zhǎng)和生理生化指標(biāo)的影響差異顯著，結(jié)果表明，26℃時(shí)，工業(yè)大麻生長(zhǎng)（圖2）和CBD 積累（圖6）較23℃和29℃時(shí)有顯著增長(zhǎng)。這可能是由于隨著溫度的升高，工業(yè)大麻的生長(zhǎng)趨勢(shì)先增加后降低，凈光合作用與蒸騰作用的比率隨著溫度的升高增加到一定水平，再隨著溫度的升高而減少的結(jié)果[14]。該研究中，工業(yè)大麻在恒定溫度26℃時(shí)，生物量、葉面積、株高、莖粗指標(biāo)最佳，這可能與植物體對(duì)溫度的適應(yīng)機(jī)制有關(guān)，在23℃和29℃時(shí)，持續(xù)較低或者較高的溫度使得工業(yè)大麻生長(zhǎng)變慢，低溫抑制地上部生長(zhǎng)，使得干物質(zhì)積累量減少[15]。而短時(shí)間的高溫可以通過(guò)活化光合作用代謝酶來(lái)加快植株體內(nèi)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和代謝，促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育，但是持續(xù)升溫，會(huì)抑制植株生長(zhǎng)，使得植物生物量、干物質(zhì)的量和生長(zhǎng)速率都有所下降[16-17]。

過(guò)氧化物酶（SOD）和超氧化歧化酶（POD）是衡量植物逆境條件的一個(gè)指標(biāo)，他們是抗氧化酶系統(tǒng)的重要組成部分。當(dāng)植物受到環(huán)境脅迫時(shí)，體內(nèi)的活性氧會(huì)大量增加，影響植物正常生長(zhǎng)，此時(shí)植物抗氧化酶系統(tǒng)中過(guò)氧化物酶含量SOD 含量也會(huì)增加，提高植物抵抗逆境和適應(yīng)環(huán)境的能力[18-19]。在逆境條件下，它們消除過(guò)量的自由基，保護(hù)植物細(xì)胞的膜結(jié)構(gòu)功能，維持植物細(xì)胞活性氧代謝平衡[20-21]。試驗(yàn)中，23 和29℃時(shí)的SOD 和POD 酶活均高于26℃，這說(shuō)明26℃時(shí)工業(yè)大麻的生長(zhǎng)最適宜，受到的外界脅迫最輕。

適宜的溫度能促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育，增加有機(jī)物產(chǎn)量的積累。不同恒定溫度對(duì)工業(yè)大麻CBD 的含量和積累產(chǎn)生了不同影響。大麻中CBD 的產(chǎn)量不僅取決于花、葉中CBD 相對(duì)含量，也與花、葉的生物量相關(guān)[22]。該研究中，26℃能顯著增加工業(yè)大麻花、葉中CBD 含量，同時(shí)也能增加花、葉的生物量。