工業(yè)大麻抗逆生理及分子機(jī)制研究進(jìn)展

趙 越，張曉艷，曹 焜，韓承偉，姜 穎，邊 境，王曉楠，孫宇峰

（黑龍江省科學(xué)院大慶分院，黑龍江大慶 163319）

0 引言

工業(yè)大麻(CannabissativaL.)是指四氫大麻酚含量低于0.3%的大麻品種，又名漢麻、火麻和線麻等，為大麻科大麻屬一年生草本植物，在紡織、造紙、建筑、化妝品、醫(yī)藥和保健食品等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。為了避免與糧食爭地，工業(yè)大麻往往種植在較為貧瘠的土地上，制約了工業(yè)大麻的可持續(xù)發(fā)展，提高工業(yè)大麻抗逆性是工業(yè)大麻研究的重點(diǎn)工作之一。植物對逆境脅迫的反應(yīng)和適應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的生理過程，是植物體內(nèi)一系列生理生化代謝過程綜合作用的結(jié)果。了解逆境脅迫下工業(yè)大麻生長性狀等表型指標(biāo)和生理指標(biāo)的變化不僅有助于及時(shí)采取應(yīng)對策略，減少生產(chǎn)上的損失，也有助于揭示植物逆境脅迫適應(yīng)機(jī)制。依靠表型及生理指標(biāo)篩選出高抗逆性資源，不僅能為抗逆育種提供優(yōu)異種源，也能為抗逆機(jī)制的發(fā)現(xiàn)提供基礎(chǔ)材料?？傮w來說，相比較其他作物，工業(yè)大麻逆境脅迫研究較少，評價(jià)體系還有待完善，分子研究剛剛起步。本文對近年來關(guān)于工業(yè)大麻逆境脅迫的研究進(jìn)行了總結(jié)，并提出了幾點(diǎn)建議，以期為工業(yè)大麻抗逆研究提供參考。

1 鹽/堿脅迫

土壤鹽漬化是植物生長中最常遇見的逆境之一。植物的正常生長發(fā)育需要一個(gè)適度的鹽分環(huán)境，超過一定的閾值作物就會受到脅迫甚至傷害?，F(xiàn)有報(bào)道中，鹽堿脅迫研究多采用鹽脅迫或堿脅迫單一處理。不同鹽分（NaCl、Na2SO4、Na2CO3和NaHCO3）對工業(yè)大麻種子萌發(fā)具有不同效應(yīng)，低濃度(50 mmol/L)的NaCl和Na2SO4處理對‘云麻5號’胚軸生長有促進(jìn)作用，其他鹽分處理則對種子萌發(fā)等各項(xiàng)指標(biāo)產(chǎn)生負(fù)面影響[1]。在對黃麻進(jìn)行研究時(shí)也發(fā)現(xiàn)低濃度(34.2 mmol/L)NaCl處理會對幼苗生長起促進(jìn)作用[2]。

工業(yè)大麻在重度鹽/堿環(huán)境下不能生長，不同品種和不同生育期的工業(yè)大麻對鹽/堿的敏感程度不同，有些品種只能在輕度鹽/堿環(huán)境下生長[3]。在鹽脅迫下，工業(yè)大麻的葉片呈現(xiàn)不同程度萎蔫癥狀，隨時(shí)間延長有加重趨勢，同時(shí)葉片周邊伴有發(fā)黃癥狀[4]。隨著鹽脅迫程度及鹽脅迫時(shí)間的增加，大麻生長減緩、株高下降，甚至停止生長發(fā)育。并且在鹽/堿脅迫下植株干重、根長、葉綠素含量、根冠比和含水量降低[5]。

在鹽/堿脅迫下，植物體內(nèi)發(fā)生一系列的生理生化反應(yīng)來降低或消除鹽分的傷害作用?！婉R火麻’幼苗在鹽脅迫處理下葉片超氧化物歧化酶(SOD)活性持續(xù)增高，第6天達(dá)最大值；可溶性糖含量在各個(gè)脅迫時(shí)期與對照差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；可溶性蛋白(SP)含量則先增加后降低，第4天達(dá)最大值[4]。胡華冉等[1]的研究發(fā)現(xiàn)，單種鹽脅迫處理下，‘云麻5號’與‘巴馬火麻’的SOD活性隨鹽濃度增加而升高，但升高的幅度有差異。而在混合鹽處理中，‘云麻5號’在中性混合鹽處理下抗性高于‘巴馬火麻’；堿性混合鹽中，‘巴馬火麻’的抗性較高；堿性混合鹽對個(gè)別品種的危害較大，堿性中高濃度混合鹽處理下，大麻生長受到嚴(yán)重抑制，甚至死亡。

劉家佳等[6]對‘云麻5號’和‘巴馬火麻’兩個(gè)工業(yè)大麻品種用500 mmol/L NaCl處理0、2、4、6天的幼苗葉片進(jìn)行生理指標(biāo)測定，同時(shí)提取總RNA進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序，結(jié)果表明2個(gè)品種在鹽脅迫2天時(shí)生理反應(yīng)最強(qiáng)，在此時(shí)的差異表達(dá)基因中共鑒定出220個(gè)上調(diào)表達(dá)基因，這些基因在苯丙氨酸代謝通路和多個(gè)植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路上顯著富集，鑒定出了MYB、NAC、GATA和HSF等22個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，之后對所有差異表達(dá)基因進(jìn)行表達(dá)趨勢聚類分析，證實(shí)2個(gè)品種存在品種特異性耐鹽通路，耐鹽機(jī)制由不同代謝途徑參與調(diào)節(jié)。程霞等[7]以耐鹽品種‘巴馬火麻’和鹽敏感品種‘云麻5號’進(jìn)行鹽脅迫的蛋白應(yīng)激機(jī)制研究，結(jié)果表明工業(yè)大麻可能通過提高ATP代謝，根據(jù)光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)光合代謝，加強(qiáng)葉綠素合成，促進(jìn)細(xì)胞松弛、膨大，促進(jìn)滲透調(diào)節(jié)物合成，增強(qiáng)無機(jī)硫在體內(nèi)的流動(dòng)，調(diào)控水通道蛋白，加強(qiáng)離子運(yùn)輸信號傳遞，提高蛋白間、蛋白與細(xì)胞膜間的信號傳遞和有機(jī)分子和無機(jī)分子選擇吸收和運(yùn)輸速度，降解半纖維素細(xì)胞壁，控制細(xì)胞物質(zhì)的進(jìn)出，促進(jìn)新陳代謝和細(xì)胞穩(wěn)定性來適應(yīng)脅迫。

2 水分/溫度脅迫

工業(yè)大麻在短期水分脅迫條件下，植株會通過氣孔效應(yīng)來適應(yīng)水分脅迫。在長期水分脅迫條件下，葉片加速衰老，葉面積指數(shù)降低，氮素利用率降低[8]。在工業(yè)大麻生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，工業(yè)大麻不耐澇，但這方面的研究卻未見報(bào)道。

在干旱脅迫下，植株的葉片含水量和保護(hù)酶活性等生理指標(biāo)會發(fā)生變化以適應(yīng)環(huán)境，最終會影響株高和莖粗等生長指標(biāo)，不同品種對干旱脅迫的響應(yīng)模式不同[9]。干旱脅迫試驗(yàn)多采用聚乙二醇-6000(PEG-6000)溶液模擬[10]。孔佳茜等[11]就采用6種不同濃度的PEG-6000對5個(gè)工業(yè)大麻品種進(jìn)行干旱脅迫，結(jié)果發(fā)現(xiàn)低濃度的PEG溶液對大麻種子的萌發(fā)及根長有促進(jìn)作用，增加PEG濃度會抑制種子的萌發(fā)，莖長、莖重和根重會隨著PEG濃度的增加而降低。對工業(yè)大麻干旱敏感品種‘云麻1號’進(jìn)行干旱脅迫下的全基因組表達(dá)譜進(jìn)行特征分析，共鑒定了1292個(gè)基因，發(fā)現(xiàn)過氧化物酶、擴(kuò)展蛋白、肌醇加氧酶、NAC和B3轉(zhuǎn)錄因子可能與工業(yè)大麻抗旱性有關(guān)，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)脫落酸在抗旱脅迫中起重要作用[12]。

在對亞麻的一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)亞麻對干旱和高溫脅迫的響應(yīng)是協(xié)同的而不是獨(dú)立的[13]。工業(yè)大麻在光飽和點(diǎn)下的凈光合速率隨著葉溫的升高而升高，在25～35℃時(shí)趨于平穩(wěn)，當(dāng)葉片溫度高于35℃時(shí)凈光合速率開始下降[14]。雖然研究溫度和水分協(xié)同作用對工業(yè)大麻生理生化的影響具有一定的難度，但更具有實(shí)際意義。關(guān)于低溫脅迫對工業(yè)大麻的影響未見報(bào)道。

3 營養(yǎng)脅迫

植物生長必需元素包括氮、磷、鉀、鈣、硫、鎂和鈉等。其中氮磷鉀是大量元素，中國耕地存在大量元素不足的情況，補(bǔ)充不當(dāng)不僅會造成資源浪費(fèi)，也會導(dǎo)致水體污染等環(huán)境問題。營養(yǎng)缺乏或過量都會對作物形成一定的脅迫作用。

氮素水平較低會造成工業(yè)大麻纖維細(xì)胞壁薄、纖維束發(fā)育不良和束內(nèi)細(xì)胞減少。在1.50、3.00、6.00 mmol/L氮素水平下，工業(yè)大麻生長正常。隨著氮素水平的增加不僅會降低氮的利用效率，其他營養(yǎng)元素如磷和鉀的利用效率也會降低。不同工業(yè)大麻品種對氮素的生理響應(yīng)差異較大，與1.50 mmol/L氮濃度相比，在低氮(0.3 mmol/L、0.75 mmol/L)和高氮條件下4個(gè)受試品種（‘皖麻1號’、‘云麻7號’、‘云麻5號’和‘巴馬火麻’）的葉綠素含量、SP含量、硝酸還原酶、SOD、丙二醛(MDA)和可溶性糖等各項(xiàng)生理指標(biāo)均表現(xiàn)為降低或增加[15]。

施鉀不足或過量都對其生長有抑制作用，‘云麻1號’在5個(gè)濃度(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mmol/L)處理下，隨著施鉀量的增加，苗高、莖粗和葉面積均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，并在2.0 mmol/L的鉀處理下達(dá)到最大值；大麻的鉀利用效率和SOD活性降低，葉綠素含量升高，蔗糖含量和蔗糖酶活性先升高后降低；大麻的干物質(zhì)量、鉀含量與鉀積累量呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，均在2.0 mmol/L的鉀處理下達(dá)到最大值[16]。

李璇等對‘云麻7號’和‘巴馬火麻’在不同磷水平下植株生長和生理指標(biāo)進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)不同品種磷耐受能力不同，‘云麻7號’的最適磷濃度是0.50 mmol/L，‘巴馬火麻’的最適磷濃度為8.00 mmol/L，增加或降低磷濃度會降低鮮重、株高和莖粗，升高葉片的相對電導(dǎo)率、丙二醛含量及過氧化物酶活性[17]。

目前，可通過兩種途徑減少營養(yǎng)脅迫。一是篩選耐低氮/磷/鉀品種。二是篩選不同品種的最佳氮/磷/鉀耐受濃度，結(jié)合土地肥力合理施肥。

4 重金屬等有害物質(zhì)脅迫

工業(yè)大麻是理想的植物修復(fù)土地候選作物，對鎘(Cd)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鉛(Pb)、鎳(Ni)、鐳(Ra)、硒(Se)、鍶(Sr)、鉈(Tl)和鋅(Zn)污染的土地都有修復(fù)作用[18-24]。修復(fù)重金屬土壤的時(shí)間、費(fèi)用及產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益顯著優(yōu)于其他作物[25]。在高濃度的土壤重金屬環(huán)境下，工業(yè)大麻會依靠穩(wěn)定的光合系統(tǒng)和提升自身抗氧化能力來緩解重金屬脅迫帶來的危害[26]。

不同品種對土壤修復(fù)能力不同。許艷萍等對云南省5個(gè)主栽工業(yè)大麻品種的苗期和工業(yè)成熟期進(jìn)行Pb、Zn、Cu、Cd與砷(As)5種重金屬的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)能力進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)這些品種積累重金屬的能力均較強(qiáng)，其中‘云麻1號’和‘云麻5號’的對土壤的修復(fù)效率高于其他3個(gè)品種。工業(yè)大麻不同部位對不同重金屬的富集能力不同，這5個(gè)品種中，除Cu外，其他重金屬在莖葉中的富集系數(shù)都大于根[27-29]。

對鎘耐受性品種和鎘敏感性品種在鎘處理下發(fā)現(xiàn)，MDA含量、SOD和過氧化物酶(POD)等活性結(jié)果表明Cd耐受品種比Cd敏感性品種的解毒能力更強(qiáng)。轉(zhuǎn)錄組分析表明涉及重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)和氧化還原過程的相關(guān)基因與品種的鎘耐受能力相關(guān)[30]。

重金屬對工業(yè)大麻的生長發(fā)育、產(chǎn)量、性別和酚類含量等方面都會產(chǎn)生影響。低濃度的重金屬在一定程度上能促進(jìn)工業(yè)大麻的生長發(fā)育和提高產(chǎn)量[31-32]。Cu和Zn鹽通過提高工業(yè)大麻玉米素水平，使大麻雌性化[33]。硝酸鉛通過降低玉米素水平和增加赤霉素水平促使大麻明顯雄性化。硫代硫酸銀可誘導(dǎo)工業(yè)大麻雌性系的產(chǎn)生[34]。結(jié)合Cd脅迫下2個(gè)大麻品種的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，從工業(yè)大麻MYB基因中鑒定了7個(gè)影響Cd脅迫反應(yīng)的CsMYB基因。根據(jù)Cd脅迫下大麻中大麻素含量的變化、高大麻二酚和低大麻二酚大麻中不同CsMYB基因的表達(dá)以及組織特異性表達(dá)，推測CsMYB024可能受Cd脅迫影響并介導(dǎo)CBD合成途徑[35]。

5 展望

工業(yè)大麻抗逆生理及分子機(jī)制研究與其他植物相比差距較大，抗逆評價(jià)體系亟待健全，生理生化指標(biāo)因品種的耐受性不同呈現(xiàn)出不同的變化，相關(guān)抗逆分子機(jī)制的研究還有待驗(yàn)證。為了解決這些問題，筆者提出了如下幾點(diǎn)建議。

（1）材料的選擇是研究工業(yè)大麻抗逆生理及分子機(jī)制的基礎(chǔ)。不同品種對逆境脅迫的敏感性不同，對現(xiàn)有資源進(jìn)行抗逆性評價(jià)，篩選出抗逆性強(qiáng)和逆境脅迫敏感材料。但目前工業(yè)大麻抗逆性評價(jià)體系還不健全，研究較少[36]，可借鑒其他麻類作物相關(guān)研究[37-39]。

（2）施用外源物質(zhì)對植物逆境脅迫有緩解作用[40-42]。如硅能通過維持作物光合機(jī)制、降低蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度、調(diào)節(jié)養(yǎng)分吸收和轉(zhuǎn)移以及減少氧化脅迫來緩解植物營養(yǎng)缺乏、Cd毒害所造成的脅迫[43-44]。赤霉素、維生素C和烯效唑等外源物質(zhì)能夠緩解干旱對工業(yè)大麻的傷害[45-46]，但不同大麻品種適宜的外源物質(zhì)濃度不同，需要根據(jù)不同品種進(jìn)行外源物質(zhì)種類和濃度的篩選。如‘云麻1號’分別在600 mg/L赤霉素和400 mg/L Vc浸種處理時(shí),表現(xiàn)出較好的生理抗旱特性；‘巴馬火麻’分別在600 mg/L赤霉素和600 mg/L Vc浸種處理時(shí)，抗旱能力更強(qiáng)，并且赤霉素處理效果優(yōu)于Vc[46]。但施用外源物質(zhì)是否能緩解其他脅迫對工業(yè)大麻造成的傷害還有待研究。

（3）工業(yè)大麻在對抗逆境脅迫過程中，硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、氮代謝相關(guān)基因、轉(zhuǎn)錄因子和參與次生代謝的基因都參與其中，因此，這些基因家族可能通過改善逆境脅迫耐受性、氮同化作用，并最終產(chǎn)生生物量和次生代謝物，是工業(yè)大麻和其他纖維作物遺傳改良的潛在目標(biāo)[47]。應(yīng)用測序技術(shù)、多組學(xué)技術(shù)和生物信息學(xué)方法發(fā)現(xiàn)更多抗逆基因和相關(guān)代謝產(chǎn)物，開展基因驗(yàn)證及抗逆分子機(jī)制等方面的研究是下一步的研究重點(diǎn)。目前，已經(jīng)建立了工業(yè)大麻瞬時(shí)基因轉(zhuǎn)化方法[48]。亟待建立穩(wěn)定的工業(yè)大麻高效遺傳轉(zhuǎn)化方法和體系[49-50]。