摘 要:工業(yè)大麻是一種傳統(tǒng)經(jīng)濟作物,大麻二酚(Cannabidiol, CBD)是工業(yè)大麻中特有的萜烯酚類化合物,具有鎮(zhèn)痛?抗炎?抗抑郁?調(diào)節(jié)免疫?抗腫瘤等豐富的藥理活性,醫(yī)療潛力強大?國際市場上CBD供不應(yīng)求,CBD產(chǎn)量的提升備受國際關(guān)注?文章主要從影響CBD含量的遺傳調(diào)控機制?外界環(huán)境因素等角度出發(fā),對近5年CBD研究進(jìn)展進(jìn)行歸納?梳理和闡述,以期為CBD增產(chǎn)的深入研究提供參考依據(jù),同時為藥用大麻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供新思路?
關(guān)鍵詞:藥用大麻;大麻二酚;遺傳因素;環(huán)境因素
工業(yè)大麻是一種古老的作物,在我國種植歷史悠久,據(jù)考證在南北朝時期已有種植,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)銷國外,優(yōu)質(zhì)的麻籽食品?食用油備受廣大消費者青睞,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],藥用價值有待進(jìn)一步開發(fā)?
在國際上,大麻通常分為毒品大麻和工業(yè)大麻,在我國根據(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?潛力深的醫(yī)學(xué)原料?
國外對藥用大麻的研究處于領(lǐng)先地位,受限于法規(guī)政策,國內(nèi)藥用大麻的發(fā)展起步較晚,但在一些領(lǐng)域的研究已趕超國外[9-11]?針對國際市場CBD供不應(yīng)求的現(xiàn)狀,諸多科研團隊為緩解供需壓力,在植株生長處理?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[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1500μmol/m2/s時,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450μmol/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;Magagnini等[16]證明在約450μmol/m2/s的藍(lán)光(12h光照?12h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?在光照時間的研究中,張靜等[17]發(fā)現(xiàn)光照強度為460μmol/m2/s情況下,12h光照的工業(yè)大麻植株CBD含量與8?10h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,合理選擇光周期時間?光譜波長可提高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,對田間土肥管理摸索出部分技術(shù)要點?
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養(yǎng)生長,至少需要施加能夠提供90kg/hm2氮?60kg/hm2鉀?40kg/hm2磷酸鹽的肥料,同時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;澆水時可按照75kg/hm2添加魚蛋白營養(yǎng)液,豐富植株有機質(zhì);在開花后葉面噴施600~1000倍甲殼素營養(yǎng)液,在花葉表面形成角質(zhì)保護層降低CBD揮發(fā)損耗;收獲花葉前15d,追加高質(zhì)量鉀肥,進(jìn)一步促進(jìn)CBD積累,同時避免次級代謝底物合成為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)幾種對植株的破壞力較強,可能造成經(jīng)濟效益的流失,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,對工業(yè)大麻花期雌性植株材料的莖稈施加機械穿刺,在損傷后的2d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)量的研究相對較少?
1.5 外源刺激
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,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,并測定大麻素含量以探尋合適的增產(chǎn)激素,其證實:200mg/L的ETH噴施工業(yè)大麻花葉能顯著提升CBD產(chǎn)量,同時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,隨時間延長大麻素含量顯著降低;20mg/L的激動素(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)大麻中該項研究尚為匱乏,在其他作物中有所試驗[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[33]?目前工業(yè)大麻中腺毛發(fā)育的調(diào)控機制尚不清楚,但在其他植物中已有研究證實,R2R3-MYB和HD-ZIPIV(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可能會提升大麻素的產(chǎn)量?在Ma等[36]對工業(yè)大麻HD-ZIPIV轉(zhuǎn)錄因子的全基因組鑒定和表達(dá)分析中,鑒定到9個HD-ZIPIV轉(zhuǎn)錄因子,與擬南芥?水稻的HD-ZIPIV基因家族有共同的祖先,該基因家族中有4個主要在花中表達(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,會對正常的植物細(xì)胞產(chǎn)生一定的毒害,而腺毛細(xì)胞的抵御機制能夠削弱毒性,使得大麻素主要存在于雌花中,同時細(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]對工業(yè)大麻轉(zhuǎn)運蛋白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)運植物激素?各種離子外,還可以轉(zhuǎn)運大麻素到細(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),推測其可能參與到大麻素的轉(zhuǎn)運,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,填補了腺毛發(fā)育分子機制的部分空白,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]對工業(yè)大麻PEBP基因家族分析中,共鑒定出12個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 漢麻 AL 轉(zhuǎn)錄因子保守基序及基因結(jié)構(gòu)分析
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]?整個合成途徑以CBGA為中心前體,CBGA主要由兩個前體物質(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,提升底物濃度能夠提高大麻素的最終產(chǎn)量,對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)研究主要針對大麻素合成酶展開?常麗等[43]對CBDA1進(jìn)行生物學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)該基因編碼544個氨基酸,其二級結(jié)構(gòu)豐富,包含較多蛋白質(zhì)修飾及活化位點,表明CBDA1在體內(nèi)受多種因子調(diào)控?潘根等[44]對CBDAS基因家族進(jìn)行全基因組鑒定,共分析出5個成員,部分成員在雌蕊中表達(dá)量很高,該家族基因的啟動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,證實光照?激素是影響CBD產(chǎn)量的重要因素;在針對高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CsTHCA進(jìn)行克隆,結(jié)果發(fā)現(xiàn):該基因共編碼545個氨基酸,證實基因的多態(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);簡單的提高底物濃度或豐富CsCBDAS表達(dá)量僅能在一定限度內(nèi)提升CBD產(chǎn)量,中間或旁支代謝通路可能會截取前體物質(zhì),通過分子育種手段抑制CsTHCA的表達(dá)實現(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,眾多學(xué)者在藥用大麻生長發(fā)育進(jìn)程中選取不同的切入點,從腺毛的發(fā)育到花的建成,從植株的營養(yǎng)生長時期到工藝成熟期,從土肥管理到物理刺激,針對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,對不同基因(如bZIP?PEBP?CBDAS等)進(jìn)行生物信息學(xué)分析,均在啟動子區(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現(xiàn),但在Luo等[49]的努力下,酵母生產(chǎn)大麻素成為現(xiàn)實,通過給工程菌株喂食不同的脂肪酸輔以簡單的化學(xué)合成進(jìn)行補充,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和補充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?
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文章摘自:張元野,張利國,張明等.大麻二酚高產(chǎn)因素研究進(jìn)展[J].中國麻業(yè)科學(xué),2023,45(05):254-260.
