硼和鎂元素缺乏對工業(yè)大麻生長及大麻二酚（CBD）含量的影響

歐景，王佳音，孟園園，孫杰，杜光輝，楊陽，劉飛虎，湯開磊**

(1.云南大學(xué) 資源植物研究院，云南 昆明 650500；2.云南大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500)

工業(yè)大麻（Cannabis sativaL.）是植株中的致幻成分四氫大麻酚（THC）質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.3%、不具備制毒價(jià)值的大麻品種類型，因其莖稈中含有高品質(zhì)纖維，可用于紡織、造紙、制作復(fù)合材料等.工業(yè)大麻曾在中國廣泛種植，是中國歷史上最為重要的纖維作物，素有“國紡源頭，萬年衣祖”之稱[1].近年來，工業(yè)大麻花葉中所特有的非致幻性大麻素受到廣泛關(guān)注，其中大麻二酚（CBD）可用于治療焦慮、抑郁、癲癇等神經(jīng)類疾病，在抗腫瘤、神經(jīng)系統(tǒng)保護(hù)、免疫調(diào)劑和抗炎抗氧化等方面具有巨大的醫(yī)療和保健價(jià)值[2-3].因此，以收獲花葉提取CBD 為主要目的的花葉用工業(yè)大麻種植迅速發(fā)展，成為云南高原特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的新亮點(diǎn).

硼和鎂是植物生長所必需的元素.硼參與細(xì)胞壁的合成，影響植株生殖生長及碳水化合物的合成、轉(zhuǎn)運(yùn)、代謝等，從而影響作物的產(chǎn)量和次生代謝物含量[4].Sugier等[5]通過葉面噴施Na2B8O13·4H2O顯著提高了菊科植物山車金（Arnica montanaL.）花葉產(chǎn)量及花葉中的精油的含量.Yu等[6]通過澆灌含硼砂的水溶液提高了東北龍膽（Gentiana manshuricaKitag.）的生物量和藥用成分龍膽苦甙的含量.鎂是葉綠素的中心離子，是很多酶的活化劑，參與能量代謝，對植物生物量的積累也有重要作用[7].杜玉霞等[8]研究表明缺鎂會導(dǎo)致檸檬葉片中的葉綠素含量和光合能力下降，抑制植株生長.王丹等[9]發(fā)現(xiàn)施用MgSO4·7H2O 可顯著影響中藥材植物艾納香葉片中的激素水平，提高生物量以及藥用成分L-龍腦的含量.

Cockson等[10]研究了硼和鎂元素缺乏對大麻植株表型的影響，發(fā)現(xiàn)硼元素缺乏會導(dǎo)致植株干物重顯著下降，但目前尚未有研究明確硼和鎂元素對CBD 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響.鑒于此，本研究采用砂培試驗(yàn)研究硼、鎂元素缺乏對工業(yè)大麻生長和葉片中CBD 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，以期為花葉用工業(yè)大麻種植提供硼、鎂元素管理依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料以云麻7 號和晉麻1 號為材料，在云南大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)溫室開展盆栽試驗(yàn).云麻7號由云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育，是目前云南省花葉用工業(yè)大麻栽培的主要品種，其在云南地區(qū)的生育期為210 d 左右，屬晚熟型品種.晉麻1 號由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育，是山西地區(qū)主要推廣的籽粒和纖維兼用型品種，其在山西地區(qū)的生育期為116 d 左右，屬早熟型品種.試驗(yàn)用盆為280 mm 口徑、210 mm高帶有托盤的圓形塑料花盆，基質(zhì)為用去離子水沖洗干凈的石英砂.

1.2 試驗(yàn)處理每盆裝入5 kg 石英砂.每盆播種15 粒飽滿均勻的種子，出苗之后每隔3 d 澆300 mL營養(yǎng)液，營養(yǎng)液的養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為改良Hoagland完全營養(yǎng)液（表1）的一半.當(dāng)植株長到第3 對真葉時(shí)間苗，每盆留長勢均勻的幼苗7 株.間苗后分別進(jìn)行缺硼和缺鎂處理，缺硼處理為在完全營養(yǎng)液中不添加HB3O3，缺鎂處理為不添加MgSO4·7H2O，缺失的通過Na2SO4補(bǔ)充，對照澆完全營養(yǎng)液，每個(gè)處理設(shè)置3 個(gè)重復(fù).每隔3 d 澆300 mL 營養(yǎng)液，培養(yǎng)4 周后收獲，此時(shí)對照植株的第6 對真葉展開.

表1 改良Hoagland 完全營養(yǎng)液及缺硼和缺鎂營養(yǎng)液配方Tab.1 The composition of modified Hoagland,borondeficient and magnesium-deficient nutrient solutions

1.3 指標(biāo)測定收獲時(shí)，一次性拔出所有植株，測量每株株高和莖基部直徑，之后按盆將植株分離為根、莖、葉，108 ℃殺青20 min，80 ℃烘干，稱重.烘干后的葉片用于測定硼和鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及CBD和THC 質(zhì)量分?jǐn)?shù).硼和鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定使用電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）、參照GB 5009.268—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中多元素的測定》程序進(jìn)行.CBD 和THC 含量的測定參照NY/T 3252.1—2018 《工業(yè)大麻種子 第一部分：品種》使用液相色譜法，其中提取液改為甲醇，流動相B 改為純水.

1.4 數(shù)據(jù)處理使用Microsoft Excel 2016 對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、計(jì)算和繪圖.采用SPSS 25.0 對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，試驗(yàn)中品種和缺素對生物量及大麻素含量的影響采用雙因素方差分析，若方差分析顯示處理間存在顯著差異，則采用Duncan 法進(jìn)行多重比較（P＜0.05）.

2 結(jié)果與分析

2.1 硼缺乏對工業(yè)大麻生長及葉中大麻素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響缺硼處理2 周后，植株新生小葉出現(xiàn)卷曲和失綠癥狀.4 周后，植株生長點(diǎn)壞死，株高增長停滯（圖1）.處理4 周后收獲所有植株，此時(shí)云麻7 號和晉麻1 號植株葉片中的硼質(zhì)量比分別為0.83、0.97 mg/kg，是完全營養(yǎng)液培養(yǎng)條件下的7.7%、8.5%（圖2）.缺硼處理導(dǎo)致植株的平均株高、莖粗和單株莖干重顯著降低（P＜ 0.05），分別較對照低35%、13%和19%，但對根干重、葉干重以及根冠比的影響不顯著（P＞ 0.05）.硼缺乏對根、莖、葉干重以及根冠比的影響在品種間差異不顯著（表2）.缺硼處理植株葉片中的CBD 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和THC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于對照，云麻7 號缺硼處理植株葉片中的CBD 質(zhì)量分?jǐn)?shù)較對照低50%，THC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)較對照低61%，晉麻1 號缺硼處理植株葉片中的CBD 質(zhì)量分?jǐn)?shù)較對照低69%，THC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)較對照低9%（圖2）.

表2 缺硼處理對不同工業(yè)大麻品種生物量的影響Tab.2 Effect of boron-deficiency on the biomass of different hemp cultivars

圖1 缺硼處理對不同工業(yè)大麻品種葉片和植株形態(tài)的影響Fig.1 Effect of boron-deficiency on the leaf and plant morphology of different hemp cultivars

圖2 缺硼處理對不同工業(yè)大麻品種葉片中硼質(zhì)量比和CBD、THC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig.2 Effect of boron-deficiency on the leaf boron,CBD and THC concentration of different hemp cultivars

2.2 鎂缺乏對工業(yè)大麻生長及葉中大麻素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響缺鎂處理2 周后，植株表現(xiàn)出老葉脈間失綠癥狀.4 周后，老葉脈間失綠程度加深，部分變黃枯死，新葉表現(xiàn)出失綠癥狀（圖3）.缺鎂處理4周后，植株葉片中的鎂質(zhì)量比僅為完全營養(yǎng)液培養(yǎng)條件下的10.1%（云麻7號，928 mg/kg）和17.1%（晉麻1號，1 660 mg/kg）（圖4）.與對照相比，缺鎂處理植株的莖粗、根干重和莖干重分別低13%，29%和35%，達(dá)到了顯著水平（P＜ 0.05），但株高、葉干重和根冠比沒有顯著差異（P＞ 0.05）.鎂缺乏對上述指標(biāo)的影響在品種間差異不顯著（表3）.缺鎂處理植株葉片中的CBD 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和THC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對照相比沒有顯著差異（P＞ 0.05）（圖4）.

表3 鎂缺乏對工業(yè)大麻不同品種生物量的影響Tab.3 Effect of magnesium-deficiency on the biomass of different hemp cultivars

圖3 缺鎂處理對不同工業(yè)大麻品種葉片和植株形態(tài)的影響Fig.3 The effect of magnesium-deficiency on the leaf and plant morphology of different hemp cultivars

圖4 缺鎂處理對不同工業(yè)大麻品種葉片中鎂質(zhì)量比和CBD、THC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig.4 The effect of magnesium-deficiency on the leaf magnesium,CBD and THC concentration of different hemp cultivars

3 討論

3.1 缺硼對工業(yè)大麻產(chǎn)量與大麻素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響硼是植物生長所必需的營養(yǎng)元素，缺硼培養(yǎng)2周后工業(yè)大麻植株即表現(xiàn)出明顯的癥狀，4 周后植株葉片中的硼含量顯著下降，植株的生長點(diǎn)壞死，莖和葉發(fā)育畸形.這一癥狀與Cockson等[10]對毒品大麻植株的觀測一致，也與紅麻等植物對硼缺乏的響應(yīng)類似[11].

在缺硼條件下培養(yǎng)工業(yè)大麻幼苗4 周后，植株的莖和葉干重分別較對照低19%（P=0.002）和11%（P=0.069）.缺硼導(dǎo)致植株干物質(zhì)積累量降低在針對棉花、油菜等作物的研究中得到廣泛證實(shí)[12]，其原因可能有兩方面：一是葉片發(fā)育畸形、生長點(diǎn)壞死導(dǎo)致光合面積減?。▓D1），二是光合系統(tǒng)發(fā)育異常導(dǎo)致單位葉面積的光合速率降低.已有研究表明，硼參與細(xì)胞壁的形成，對細(xì)胞分裂和伸長以及葉綠體的發(fā)育有較大影響，因而缺硼會抑制葉面積擴(kuò)大，降低葉綠素含量，進(jìn)而導(dǎo)致光合能力下降以及干物質(zhì)積累量降低[12-13].除了對干物質(zhì)積累的影響外，硼缺乏還會影響植物體內(nèi)的酚類物質(zhì)代謝[4].本研究缺硼條件下葉片中的CBD 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和THC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于對照（圖2），這可能是因?yàn)镃BD 和THC 的積累與細(xì)胞壁形成有關(guān).Mahlberg等[14]和Livingston等[15]研究發(fā)現(xiàn)，CBD和THC 等大麻素的合成主要是在葉片和苞葉表面腺體的圓片形細(xì)胞膜上，合成的大麻素貯存在由細(xì)胞壁包裹形成的腔室內(nèi).因此，硼缺乏引起的細(xì)胞壁發(fā)育異常可導(dǎo)致CBD 和THC 的積累量下降.類似的，Hajlboland等[16]研究發(fā)現(xiàn)茶樹缺硼會導(dǎo)致與細(xì)胞壁結(jié)合的酚類物質(zhì)含量下降.

硼缺乏會顯著抑制工業(yè)大麻生長，降低葉片中的CBD 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，進(jìn)而影響種植效益，因此明確工業(yè)大麻對硼的需求量對提高工業(yè)大麻產(chǎn)量具有重要意義.本研究表現(xiàn)出缺硼癥狀植株葉片中的硼質(zhì)量比小于1.0 mg/kg，正常生長植株葉片中的硼質(zhì)量比在2.3～11.3 mg/kg，但Cockson等[10]針對毒品大麻的研究顯示，當(dāng)植株葉片中的硼質(zhì)量比為58.6 mg/kg 也能正常生長.因此，有必要進(jìn)一步開展研究明確工業(yè)大麻對硼的需求范圍.

3.2 缺鎂對用工業(yè)大麻產(chǎn)量與大麻素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響鎂是植物生長所必需的營養(yǎng)元素，在植物體內(nèi)的移動性強(qiáng)，因而缺鎂培養(yǎng)工業(yè)大麻植株的老葉先出現(xiàn)脈間失綠癥狀，隨著缺素程度的加深，新葉也表現(xiàn)出脈間失綠癥狀，部分老葉枯死凋落.本研究中工業(yè)大麻植株對鎂元素缺乏的響應(yīng)與Cockson等[10]對毒品大麻植株的觀測一致，也與草莓、香蕉等植物的響應(yīng)類似[17-18].

在缺鎂條件下培養(yǎng)4 周后，工業(yè)大麻植株的根干重和莖干重顯著低于對照，葉干重是對照的86%.缺鎂導(dǎo)致工業(yè)大麻植株干物質(zhì)積累量減少可能是因?yàn)槿~片的光合作用受阻.鎂是葉綠素的重要組成部分，也參與光合產(chǎn)物由源向庫的轉(zhuǎn)運(yùn)，對葉片光合系統(tǒng)的正常進(jìn)行具有重要作用[19-20].唐磊等[20]研究發(fā)現(xiàn)缺鎂導(dǎo)致茶樹光合器官破壞，光合能力降低，從而抑制茶樹生物量的積累；杜玉霞等[8]研究表明在低鎂脅迫時(shí)檸檬的光合作用受到抑制，限制了植株生長.鎂元素也會對植株次生代謝物積累產(chǎn)生影響，例如王丹等[21]研究發(fā)現(xiàn)外源鎂顯著提高了艾納香中的L-龍腦含量（2-茨醇），但本研究試驗(yàn)結(jié)果表明鎂缺乏對工業(yè)大麻中的CBD 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和THC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響不顯著，因此鎂可能不參與CBD 和THC 合成過程.

鎂缺乏會顯著降低工業(yè)大麻植株的生物產(chǎn)量，因此工業(yè)大麻種植中需要滿足植株對鎂的最低需求.水稻、玉米、小麥等作物葉片中的臨界鎂質(zhì)量比在1 000～2 000 mg/kg 左右，低于這一質(zhì)量比即會表現(xiàn)出缺素癥狀[22].在Cockson等[10]針對毒品大麻的研究中，植株表現(xiàn)出缺鎂癥狀時(shí)的葉片鎂質(zhì)量比為1 200 mg/kg，正常生長植株的鎂質(zhì)量比為6 100 mg/kg.本研究中植株表現(xiàn)出缺鎂癥狀時(shí)的葉片鎂質(zhì)量比（900～1 700 mg/kg），與Cockson 等的研究結(jié)果相似，但正常生長植株的鎂質(zhì)量比（9 200～9 800 mg/kg）偏高.因此，進(jìn)一步研究品種類型對鎂需求的差異，可為工業(yè)大麻種植過程中的鎂元素管理提供依據(jù).

4 結(jié)論

硼和鎂元素缺乏皆會抑制工業(yè)大麻植株生長，降低植株生物量和花葉產(chǎn)量，鎂元素缺乏不會導(dǎo)致花葉中的CBD 和THC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，但硼元素缺乏會導(dǎo)致花葉中的CBD 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和THC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低.