大麻二酚高產(chǎn)因素研究進(jìn)展

張?jiān)?，張利?guó)，張明，房郁妍，鄭楠，閆博巍，隋月

(黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，黑龍江哈爾濱 150086)

工業(yè)大麻是一種古老的作物，在我國(guó)種植歷史悠久，據(jù)考證在南北朝時(shí)期已有種植，主要用于紡織、造紙、榨油等[1]。隨著現(xiàn)代科技發(fā)展，工業(yè)大麻產(chǎn)業(yè)規(guī)模越發(fā)興茂，上等的纖維麻制品可遠(yuǎn)銷國(guó)外，優(yōu)質(zhì)的麻籽食品、食用油備受廣大消費(fèi)者青睞，雌花提取出的多種大麻素應(yīng)用更加廣泛，掀起新一輪的生物材料革命。

大麻素是工業(yè)大麻植株中特有的一類萜烯酚類化合物，可分為酚類物質(zhì)和非酚類物質(zhì)，其中酚類物質(zhì)以大麻二酚(cannabidiol，CBD)、四氫大麻酚(Δ9-Tetrahydrocannabinol，THC)為主，大麻萜酚(cannabigerol，CBG)、大麻環(huán)萜酚(cannahichromene，CBC)的含量稍遜色，余下的100 多種萜烯酚類物質(zhì)含量較少[2]，藥用價(jià)值有待進(jìn)一步開發(fā)。

在國(guó)際上，大麻通常分為毒品大麻和工業(yè)大麻，在我國(guó)根據(jù)THC 和CBD 含量，可進(jìn)一步將其分為毒品大麻(THC 含量高于0.3%)、工業(yè)大麻(THC 含量低于0.3%，CBD 含量低)、藥用大麻(THC 含量低于0.3%，CBD 含量高)[3]。目前，藥用大麻主要培育方向仍是高CBD 含量大麻[4]。CBD 的作用廣泛，已證明其具有消炎鎮(zhèn)痛、抗抑郁焦慮、治療癌癥等作用，近期研究[5-8]顯示，CBD在皮膚病變治療、創(chuàng)傷應(yīng)激障礙治療、抗COVID-19 及其他呼吸系統(tǒng)疾病等方面也具有一定療效，是一種多功能、療效強(qiáng)、潛力深的醫(yī)學(xué)原料。

國(guó)外對(duì)藥用大麻的研究處于領(lǐng)先地位，受限于法規(guī)政策，國(guó)內(nèi)藥用大麻的發(fā)展起步較晚，但在一些領(lǐng)域的研究已趕超國(guó)外[9-11]。針對(duì)國(guó)際市場(chǎng)CBD 供不應(yīng)求的現(xiàn)狀，諸多科研團(tuán)隊(duì)為緩解供需壓力，在植株生長(zhǎng)處理、田間管理改良、次生代謝通路及相關(guān)基因等方面均探究出CBD 增產(chǎn)方法或主要影響因素的成果。本文針對(duì)影響CBD 產(chǎn)量的遺傳因素、外界環(huán)境因素進(jìn)行系統(tǒng)性闡述，旨在為藥用大麻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供新思路。

1 環(huán)境因素

在作物生長(zhǎng)發(fā)育的進(jìn)程中，除了受到內(nèi)源遺傳調(diào)控外，還易受到外界環(huán)境因素的影響，使得同一地塊產(chǎn)出的生物量出現(xiàn)波動(dòng)[12]。在工業(yè)大麻中，大麻素的產(chǎn)生與積累極易受到外界因素的影響。

1.1 光照模式

工業(yè)大麻屬于喜光、短日照植物，收獲大麻素的主要工藝器官是雌花，雌花頂葉中大麻素含量最高，光照對(duì)于花期的影響較大，也是能夠影響大麻素積累的主要環(huán)境因素之一。

在Eichhorn 等[13]的研究中指出，美國(guó)將室內(nèi)培育工業(yè)大麻列為能源密集型產(chǎn)業(yè)之一，室內(nèi)PPFD(光合光子通量密度)達(dá)到1500 μmol/m2/s 時(shí)，可獲得穩(wěn)定、高產(chǎn)、高質(zhì)量的大麻素。研究[14]表明，為植株提供特定波譜的光照，能夠改變植株的形態(tài)，如:葉面積、葉片數(shù)量、花芽大小等。Mahlberg 等[15]研究發(fā)現(xiàn)，使用約450 μmol/m2/s 的綠光照射工業(yè)大麻植株情況下，THC 的含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；Magagnini 等[16]證明在約450 μmol/m2/s 的藍(lán)光(12 h 光照、12 h 黑暗)下種植的工業(yè)大麻，大麻素含量得到有效提升，類似地UV-A 能夠與藍(lán)光協(xié)同促進(jìn)大麻酚類物質(zhì)的積累。在光照時(shí)間的研究中，張靜等[17]發(fā)現(xiàn)光照強(qiáng)度為460 μmol/m2/s 情況下，12 h 光照的工業(yè)大麻植株CBD 含量與8、10 h 光照處理的呈顯著性差異。上述研究表明，在室內(nèi)或田間種植工業(yè)大麻時(shí)，合理選擇光周期時(shí)間、光譜波長(zhǎng)可提高CBD 的最終產(chǎn)出。

1.2 土肥管理

工業(yè)大麻是一種具有抗旱能力的作物，適宜種植在透水性好、富砂土的坡崗地，黑龍江省種植藥用大麻有一定歷史，對(duì)田間土肥管理摸索出部分技術(shù)要點(diǎn)。

藥用大麻溫室種植的肥料管理尤為重要，為了保證秧苗的快速營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，至少需要施加能夠提供90 kg/hm2氮、60 kg/hm2鉀、40 kg/hm2磷酸鹽的肥料，同時(shí)增添其他特殊肥料有效提升CBD產(chǎn)量[18]。如可每周噴施稀釋800 倍的鮮牛奶以增加植株含鈣量、乳酸菌含量和蛋白酶活性；澆水時(shí)可按照75 kg/hm2添加魚蛋白營(yíng)養(yǎng)液，豐富植株有機(jī)質(zhì)；在開花后葉面噴施600～1000 倍甲殼素營(yíng)養(yǎng)液，在花葉表面形成角質(zhì)保護(hù)層降低CBD 揮發(fā)損耗；收獲花葉前15 d，追加高質(zhì)量鉀肥，進(jìn)一步促進(jìn)CBD 積累，同時(shí)避免次級(jí)代謝底物合成為THC。適宜的田間管理技術(shù)，是保障CBD 增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的有效手段。

1.3 生物脅迫

大麻素具有一定的抗蟲性，使得工業(yè)大麻具有較好的抗蟲能力。在McPartland[21]的統(tǒng)計(jì)中，約300 種害蟲能夠?qū)I(yè)大麻植株造成損害，其中只有少數(shù)幾種對(duì)植株的破壞力較強(qiáng)，可能造成經(jīng)濟(jì)效益的流失，如歐洲玉米螟蟲(Ostrinia nubilalis)、大麻螟蟲(Grapholita delineana)。Park 等[22]的研究中，意外地發(fā)現(xiàn)煙草角蟲(Manduca sexta)使得工業(yè)大麻植株中CBGA、CBG、CBD 的含量明顯降低，與預(yù)期的結(jié)果不同，推斷煙草角蟲的反流物抑制了植物的防御系統(tǒng)。在其他研究中[23]，昆蟲造成生物脅迫，是非常有效的大麻素含量提升刺激劑。不同的昆蟲對(duì)CBD 產(chǎn)量影響模式不同，適宜昆蟲刺激產(chǎn)生的生物脅迫能否應(yīng)用為增產(chǎn)技術(shù)，有待進(jìn)一步挖掘。

1.4 物理刺激

在生產(chǎn)中，除了通過土肥調(diào)整措施提高產(chǎn)量外，還可采用一些物理刺激提升大麻素的含量[19]。物理刺激的方法通常包括遮光處理、收獲前降溫或冷水澆灌、人工機(jī)械損傷等，通過刺激觸發(fā)工業(yè)大麻植株的應(yīng)激系統(tǒng)，促進(jìn)次生代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生，最終達(dá)到使CBD 增產(chǎn)的目的。在程超華[20]的研究中，對(duì)工業(yè)大麻花期雌性植株材料的莖稈施加機(jī)械穿刺，在損傷后的2 d 內(nèi)CBD 和THC 含量顯著提升，JA、SA、ABA 等激素水平也隨之改變。鑒于成本偏高、操作復(fù)雜等方面原因，通過物理刺激提升CBD 產(chǎn)量的研究相對(duì)較少。

1.5 外源激素

自發(fā)現(xiàn)植物激素以來，通過噴施外源激素來增產(chǎn)的方式已廣泛應(yīng)用于多種作物中[24]，外源激素對(duì)大麻素的產(chǎn)生與積累的影響少有研究[25]。Apicella 等[26]的研究證實(shí)，噴施茉莉酸甲酯(Me-JA)能夠提升大麻素含量，在之前研究中JA 被認(rèn)為可能參與調(diào)控腺毛發(fā)育和次生代謝合成。吳姍[27]對(duì)于激素影響大麻素含量的研究比較深入，使用多種外源激素處理工業(yè)大麻材料，并測(cè)定大麻素含量以探尋合適的增產(chǎn)激素，其證實(shí):200 mg/L 的ETH 噴施工業(yè)大麻花葉能顯著提升CBD 產(chǎn)量，同時(shí)THC 的含量也有所提升；噴施赤霉素(GA3)后，短期內(nèi)能夠提升CBD 含量，隨時(shí)間延長(zhǎng)大麻素含量顯著降低；20 mg/L 的激動(dòng)素(KT)噴施花葉后，CBD 可提高69.08%，增產(chǎn)一半以上，但THC 的含量有所提升。外源激素雖能達(dá)到增產(chǎn)目的，但THC 與CBD 含量通常同步增加，多種外源激素聯(lián)合噴施可能會(huì)產(chǎn)生抑制THC 產(chǎn)量、提高CBD 產(chǎn)出的效果，在工業(yè)大麻中該項(xiàng)研究尚為匱乏，在其他作物中有所試驗(yàn)[28]。

2 遺傳因素

自1995年鑒定得到四氫大麻酸合成酶(THCA)以來[29]，大麻素合成途徑備受關(guān)注，THC、CBD、CBG 等主要大麻素的代謝途徑目前已基本明了，關(guān)鍵的合成酶OAC、PT、AAE 等已有所研究。隨著科技進(jìn)步，更多的合成酶基因、轉(zhuǎn)錄因子、激素信號(hào)分子、結(jié)構(gòu)基因等為學(xué)者們發(fā)現(xiàn)和解析[30]，進(jìn)一步了解THC、CBD 等大麻素的調(diào)控機(jī)理指日可待。

2.1 腺毛發(fā)育

腺毛是植物外部防御的重要屏障之一，可分為分泌型和非分泌型，分泌型腺毛是工業(yè)大麻花葉中產(chǎn)生和存儲(chǔ)大麻素的主要器官[31]，分泌型腺毛根據(jù)形態(tài)特征可進(jìn)一步分為頭狀有柄腺毛、頭狀無柄腺毛、球狀腺毛[32]，其中有柄腺毛能夠產(chǎn)生的大麻素種類最多，且分泌能力最強(qiáng)[33]。目前工業(yè)大麻中腺毛發(fā)育的調(diào)控機(jī)制尚不清楚，但在其他植物中已有研究證實(shí)，R2R3-MYB和HD-ZIP IV(plant-specific homeodomain zipper family IV)轉(zhuǎn)錄因子家族參與到無柄腺毛發(fā)育為有柄腺毛的進(jìn)程[34]。在Haiden 等[35]的研究中，發(fā)現(xiàn)在本氏煙中過表達(dá)R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子家族的CsMIXTA，能夠增大腺毛的體型和密度，并促進(jìn)分支的產(chǎn)生，工業(yè)大麻中過表達(dá)CsMIXTA可能會(huì)提升大麻素的產(chǎn)量。在Ma 等[36]對(duì)工業(yè)大麻HD-ZIP IV轉(zhuǎn)錄因子的全基因組鑒定和表達(dá)分析中，鑒定到9個(gè)HD-ZIP IV轉(zhuǎn)錄因子，與擬南芥、水稻的HD-ZIP IV基因家族有共同的祖先，該基因家族中有4個(gè)主要在花中表達(dá)，可能參與到腺毛形態(tài)發(fā)育與次生代謝產(chǎn)物的調(diào)控。

在工業(yè)大麻的其他組織器官內(nèi)大麻素的含量很低，因大麻素具有細(xì)胞毒性，會(huì)對(duì)正常的植物細(xì)胞產(chǎn)生一定的毒害，而腺毛細(xì)胞的抵御機(jī)制能夠削弱毒性，使得大麻素主要存在于雌花中，同時(shí)細(xì)胞毒性也是工程菌生產(chǎn)大麻素難的主要原因之一。Wang 等[37]對(duì)工業(yè)大麻轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白MATE(Multidrug and toxic compound extrusion proteins)家族進(jìn)行了鑒定與分析，發(fā)現(xiàn)MATEs 蛋白除了能夠轉(zhuǎn)運(yùn)植物激素、各種離子外，還可以轉(zhuǎn)運(yùn)大麻素到細(xì)胞內(nèi)，避免其遭受不必要的修飾(如糖基化)和對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒性；RT-PCR 結(jié)果顯示，CsMATEs家族的CsMATE23、CsMATE28 和CsMATE34 主要在花中表達(dá)，推測(cè)其可能參與到大麻素的轉(zhuǎn)運(yùn)，UV-B 可以提升大麻素的產(chǎn)量，在UV-B 處理下CsMATE23、CsMATE34 的表達(dá)量有所提升，二者呈正相關(guān)，CsMATEs可能在大麻素的生物合成與分泌中發(fā)揮重要作用。多種轉(zhuǎn)錄因子與基因的研究，填補(bǔ)了腺毛發(fā)育分子機(jī)制的部分空白，為今后闡明腺毛發(fā)育和大麻素增產(chǎn)提供了新方向。

2.2 花發(fā)育

花的發(fā)育情況也是影響大麻素產(chǎn)生與積累的主要因素，其他植物中調(diào)控花發(fā)育的基因在工業(yè)大麻中被認(rèn)為具有相似的作用。如Lu 等[38]的研究中:通過全基因組表達(dá)分析從工業(yè)大麻中共鑒定出51 個(gè)bZIP基因家族成員，CsbZIP2、CsbZIP8、CsbZIP15 和CsbZIP325 等在花、苞片、莖和種子中均有表達(dá)，尤其是CsbZIP2、CsbZIP8 在花和苞片中呈高表達(dá)；已證實(shí)水稻中bZIP56、bZIP64、bZIP79 參與酚類和萜類化合物的合成[39]，CsbZIP25、CsbZIP32 的結(jié)構(gòu)與之十分相似，親緣關(guān)系較近，推斷其可能參與大麻素的合成。

陳晗等[40]對(duì)工業(yè)大麻PEBP基因家族分析中，共鑒定出12 個(gè)PEBPs基因，主要參與到光形態(tài)建成、花的發(fā)育和調(diào)控等，該基因家族的啟動(dòng)子中多包含光反應(yīng)順式調(diào)節(jié)元件、脫落酸反應(yīng)順式作用元件以及茉莉酸響應(yīng)元件等，其他參與花期的基因CsCOL、CsHd3a也有類似的元件[41]。上述提到的CsMATE23 等的啟動(dòng)子中同樣包含豐富的光響應(yīng)順式作用元件，而在外源激素噴施的研究中，茉莉酸能夠提升大麻素的含量，推測(cè)PEBP基因家族等FT 家族成員與大麻素的產(chǎn)生與積累存在一定聯(lián)系。

2.3 合成途徑及相關(guān)基因

大麻素及相關(guān)酶類主要在腺毛中合成和分泌，基本的代謝合成途徑已闡述明了[42]。整個(gè)合成途徑以CBGA 為中心前體，CBGA 主要由兩個(gè)前體物質(zhì)OLA 和GPP 經(jīng)過異戊烯基轉(zhuǎn)移酶(PT)合成而來，其中OLA 是2-甲基赤蘚糖醇磷酸(MEP)途徑合成的乙酰輔酶A 在聚酮合酶(OLS)催化下產(chǎn)生，而GPP 來自焦磷酸香葉酯(GPP)合成途徑；隨后CBGA 作為前體物質(zhì)，經(jīng)由不同的合成酶氧化環(huán)化成不同的大麻素，如大麻二酚酸合酶(CBDAS)催化產(chǎn)生CBDA，四氫大麻酸合酶(THCAS)催化產(chǎn)生THCA，這些大麻素還可進(jìn)一步變化為同系物或其他大麻素。

大麻素的代謝途徑較長(zhǎng)，提升底物濃度能夠提高大麻素的最終產(chǎn)量，對(duì)DXR、DXS、HDR、HDS、MCT、MDS、OAC、PT等參與前體物質(zhì)合成的基因如何受到調(diào)控尚不明朗，目前多數(shù)研究主要針對(duì)大麻素合成酶展開。常麗等[43]對(duì)CBDA1 進(jìn)行生物學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)該基因編碼544 個(gè)氨基酸，其二級(jí)結(jié)構(gòu)豐富，包含較多蛋白質(zhì)修飾及活化位點(diǎn)，表明CBDA1 在體內(nèi)受多種因子調(diào)控。潘根等[44]對(duì)CBDAS基因家族進(jìn)行全基因組鑒定，共分析出5 個(gè)成員，部分成員在雌蕊中表達(dá)量很高，該家族基因的啟動(dòng)子中普遍存在較多光響應(yīng)元件，且激素響應(yīng)元件含量豐富，證實(shí)光照、激素是影響CBD 產(chǎn)量的重要因素；在針對(duì)高CBD 品種與低CBD 品種的表達(dá)量鑒定中，高CBD 品種CBDAS1 的表達(dá)量顯著增加。姜穎等[45]對(duì)CsTHCA進(jìn)行克隆，結(jié)果發(fā)現(xiàn):該基因共編碼545 個(gè)氨基酸，證實(shí)基因的多態(tài)性是不同品種THC 含量差異的主要原因，且CsTHCA的表達(dá)量與THC 含量呈現(xiàn)正相關(guān)；簡(jiǎn)單的提高底物濃度或豐富CsCBDAS表達(dá)量?jī)H能在一定限度內(nèi)提升CBD 產(chǎn)量，中間或旁支代謝通路可能會(huì)截取前體物質(zhì)，通過分子育種手段抑制CsTHCA的表達(dá)實(shí)現(xiàn)CBD 產(chǎn)量提升是可行的。

3 結(jié)語與展望

藥用成分CBD 的增產(chǎn)一直是藥用大麻領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，眾多學(xué)者在藥用大麻生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程中選取不同的切入點(diǎn)，從腺毛的發(fā)育到花的建成，從植株的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)時(shí)期到工藝成熟期，從土肥管理到物理刺激，針對(duì)CBD 含量提升進(jìn)行深入的研究，為指導(dǎo)藥用大麻產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

在許多研究[46-47]中，影響CBD 含量的因素間接或直接指向了光照和植物激素，對(duì)不同基因(如bZIP、PEBP、CBDAS等)進(jìn)行生物信息學(xué)分析，均在啟動(dòng)子區(qū)域發(fā)現(xiàn)了光反應(yīng)元件或植物激素響應(yīng)元件，其他轉(zhuǎn)錄因子如C2H2、GRAS等也被證實(shí)參與到大麻素的合成，二者在響應(yīng)逆境脅迫中具有重要作用，與本文所述的物理刺激或脅迫能夠提升大麻素含量的研究不謀而合。因而，探究外界環(huán)境因素的影響，要與內(nèi)源遺傳因素相結(jié)合才能進(jìn)一步了解大麻素合成與積累的奧秘。

除本文敘述的產(chǎn)量提升方法外，一些學(xué)者對(duì)新方向進(jìn)行了嘗試，如CBD 原材料提取方法的改良，Tiago 等[48]使用DESs 取代常規(guī)的提取液，能夠有效保留CBD 的生物活性，減少葉綠素和蠟質(zhì)等雜質(zhì)留存并大幅提高萃取率。生物工程菌生產(chǎn)大麻素因大麻素的生物毒性很難實(shí)現(xiàn)，但在Luo等[49]的努力下，酵母生產(chǎn)大麻素成為現(xiàn)實(shí)，通過給工程菌株喂食不同的脂肪酸輔以簡(jiǎn)單的化學(xué)合成進(jìn)行補(bǔ)充，得到了大麻素類似物。自Mechoulam 等[50]確定CBD 結(jié)構(gòu)以來，已有諸多學(xué)者通過化工手段實(shí)現(xiàn)了CBD 的合成[51]，基因改造酵母合成大麻素是工業(yè)大麻合成生物學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)舉，有望構(gòu)建完整的大麻素體外合成產(chǎn)業(yè)鏈。

在其他作物中有“理想株型”的理念，在藥用大麻領(lǐng)域，也可以存在類似的期望，即通過多種生物學(xué)手段培育出高前體底物、高表達(dá)CBDAS、基因敲除或沉默THAS且能夠正常生長(zhǎng)發(fā)育的藥用大麻品種，輔以合適的田間水肥、光照管理，并在收獲前進(jìn)行合適的物理刺激，最終獲得高產(chǎn)CBD。室內(nèi)培育藥用大麻技術(shù)還需要進(jìn)一步探索，可嘗試提高正常光照的光強(qiáng)和補(bǔ)充UV-A 和藍(lán)光等光質(zhì)來促進(jìn)CBD 的產(chǎn)生和積累。本文就影響CBD 產(chǎn)生與積累的主要因素進(jìn)行總結(jié)，進(jìn)一步拓寬CBD 的研究方向，為藥用大麻產(chǎn)業(yè)提供合理導(dǎo)向。