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)大麻研究的重點工作之一。植物對逆境脅迫的反應(yīng)和適應(yīng)是一個復(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行了總結(jié)，并提出了幾點建議，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’胚軸生長有促進作用，其他鹽分處理則對種子萌發(fā)等各項指標(biāo)產(chǎn)生負面影響[1]。在對黃麻進行研究時也發(fā)現(xiàn)低濃度(34.2 mmol/L)NaCl處理會對幼苗生長起促進作用[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，隨時間延長有加重趨勢，同時葉片周邊伴有發(fā)黃癥狀[4]。隨著鹽脅迫程度及鹽脅迫時間的增加，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天達最大值；可溶性糖含量在各個脅迫時期與對照差異無統(tǒng)計學(xué)意義；可溶性蛋白(SP)含量則先增加后降低，第4天達最大值[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天的幼苗葉片進行生理指標(biāo)測定，同時提取總RNA進行轉(zhuǎn)錄組測序，結(jié)果表明2個品種在鹽脅迫2天時生理反應(yīng)最強，在此時的差異表達基因中共鑒定出220個上調(diào)表達基因，這些基因在苯丙氨酸代謝通路和多個植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路上顯著富集，鑒定出了MYB、NAC、GATA和HSF等22個轉(zhuǎn)錄因子，之后對所有差異表達基因進行表達趨勢聚類分析，證實2個品種存在品種特異性耐鹽通路，耐鹽機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’進行鹽脅迫的蛋白應(yīng)激機制研究，結(jié)果表明工業(yè)大麻可能通過提高ATP代謝，根據(jù)光照強度調(diào)節(jié)光合代謝，加強葉綠素合成，促進細胞松弛、膨大，促進滲透調(diào)節(jié)物合成，增強無機硫在體內(nèi)的流動，調(diào)控水通道蛋白，加強離子運輸信號傳遞，提高蛋白間、蛋白與細胞膜間的信號傳遞和有機分子和無機分子選擇吸收和運輸速度，降解半纖維素細胞壁，控制細胞物質(zhì)的進出，促進新陳代謝和細胞穩(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道。

在干旱脅迫下，植株的葉片含水量和保護酶活性等生理指標(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個工業(yè)大麻品種進行干旱脅迫，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’進行干旱脅迫下的全基因組表達譜進行特征分析，共鑒定了1292個基因，發(fā)現(xiàn)過氧化物酶、擴展蛋白、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)同的而不是獨立的[13]。工業(yè)大麻在光飽和點下的凈光合速率隨著葉溫的升高而升高，在25～35℃時趨于平穩(wěn)，當(dāng)葉片溫度高于35℃時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，但更具有實際意義。關(guān)于低溫脅迫對工業(yè)大麻的影響未見報道。

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，補充不當(dāng)不僅會造成資源浪費，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)大麻纖維細胞壁薄、纖維束發(fā)育不良和束內(nèi)細胞減少。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)重金屬土壤的時間、費用及產(chǎn)生的經(jīng)濟效益顯著優(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個主栽工業(yè)大麻品種的苗期和工業(yè)成熟期進行Pb、Zn、Cu、Cd與砷(As)5種重金屬的富集和轉(zhuǎn)運能力進行研究，發(fā)現(xiàn)這些品種積累重金屬的能力均較強，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。轉(zhuǎn)錄組分析表明涉及重金屬轉(zhuǎn)運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基因的表達以及組織特異性表達，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制研究與其他植物相比差距較大，抗逆評價體系亟待健全，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)抗逆分子機制的研究還有待驗證。為了解決這些問題，筆者提出了如下幾點建議。

（1）材料的選擇是研究工業(yè)大麻抗逆生理及分子機制的基礎(chǔ)。不同品種對逆境脅迫的敏感性不同，對現(xiàn)有資源進行抗逆性評價，篩選出抗逆性強和逆境脅迫敏感材料。但目前工業(yè)大麻抗逆性評價體系還不健全，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,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，抗旱能力更強，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，開展基因驗證及抗逆分子機制等方面的研究是下一步的研究重點。目前，已經(jīng)建立了工業(yè)大麻瞬時基因轉(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]。