摘 要：低溫是限制工業(yè)大麻地理分布范圍和麻籽產(chǎn)量及品質(zhì)的關(guān)鍵因素。研究以籽用型工業(yè)大麻品種“龍大麻9號(hào)”為試驗(yàn)材料，對(duì)其幼苗進(jìn)行1~7d的4℃低溫脅迫處理(25℃為對(duì)照)，并對(duì)低溫脅迫下工業(yè)大麻幼苗生長(zhǎng)和生理指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明：低溫脅迫導(dǎo)致植株生物量積累及葉綠素含量降低，抑制工業(yè)大麻生長(zhǎng)，總鮮重下降29%～37%，總干重下降17%～22%。隨低溫脅迫時(shí)間延長(zhǎng)，大麻幼苗葉片膜透性增大，相對(duì)電導(dǎo)率在處理7d時(shí)升至75.7%；離子滲透及膜脂過(guò)氧化水平加劇，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)增加，在處理3d時(shí)可溶性蛋白含量是對(duì)照組的1.5倍，于處理7d時(shí)，可溶性糖含量增加75%，脯氨酸含量為對(duì)照組的1.2倍；細(xì)胞活性氧在葉片中積累增多；丙二醛含量在整個(gè)處理時(shí)期始終上升，在處理后期上升速率有減緩趨勢(shì)，可在一定程度緩解脅迫造成的損傷。在響應(yīng)低溫脅迫過(guò)程中，工業(yè)大麻主要通過(guò)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)增加及抗氧化酶活性提升，從而緩解低溫脅迫對(duì)植物細(xì)胞造成的損傷。以上為闡明工業(yè)大麻低溫脅迫的響應(yīng)機(jī)制提供重要的理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞：低溫；工業(yè)大麻；生理指標(biāo)；響應(yīng)機(jī)制
大麻是人類歷史上最早被馴化的植物之一，長(zhǎng)期以來(lái)作為纖維、食物和藥物的重要來(lái)源而被廣泛種植[1]。鄭玄注《周禮·天官·疾醫(yī)》中將工業(yè)大麻列為五谷(麻、黍、稷、麥、豆)之首。然而，長(zhǎng)期以來(lái)大麻因其毒品屬性而被禁用。近年來(lái)伴隨工業(yè)大麻概念的提出，極大推進(jìn)了大麻全球合法化進(jìn)程[2-3]。工業(yè)大麻是指植株群體花期頂部葉片及花穗干物質(zhì)中的四氫大麻酚(THC)含量<0.3%，不能直接作為毒品利用的大麻作物品種類型-中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(NY/T3252.1-2018)。工業(yè)大麻富含天然抗氧化物及生物活性物質(zhì)，具有廣泛的藥用和食用價(jià)值[4]。目前，在世界范圍內(nèi)已有30余個(gè)國(guó)家開(kāi)始工業(yè)大麻合法化，并大面積種植、開(kāi)發(fā)和利用工業(yè)大麻[2]。世界范圍內(nèi)對(duì)工業(yè)大麻的需求日益增加，促使工業(yè)大麻種植區(qū)域不斷向高海拔、高緯度地區(qū)擴(kuò)張。在工業(yè)大麻種植區(qū)域由熱帶、亞熱帶向高海拔、高緯度地區(qū)擴(kuò)張時(shí)，麻籽產(chǎn)量及品質(zhì)易受不利環(huán)境影響，嚴(yán)重制約工業(yè)大麻產(chǎn)業(yè)發(fā)展[5]。
溫度是影響作物地理分布、產(chǎn)量和品質(zhì)的主要環(huán)境因素，與麻籽脂肪酸、蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)成分的含量密切相關(guān)[6]。在整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)，農(nóng)作物經(jīng)常遭受各種類型的環(huán)境脅迫。作為主要的非生物脅迫之一，低溫對(duì)植物的生長(zhǎng)和發(fā)育具有負(fù)面影響。作物生長(zhǎng)初期冷害影響其建立足夠的群體，并導(dǎo)致植株黃化和死亡[7]。此外，低溫脅迫會(huì)擾亂植物的生理活動(dòng)，如水分狀況、光合作用和氮代謝[7]。然而，在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中，植物已經(jīng)進(jìn)化出了耐受低溫脅迫的復(fù)雜機(jī)制。植物細(xì)胞可通過(guò)積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)如脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白，以及增加抗氧化酶包括過(guò)氧化氫酶 (CAT)、超氧化物歧化酶 (SOD)和過(guò)氧化物酶 (POD)的活性來(lái)提高其低溫耐性[7]。這些生理變化有助于維持細(xì)胞穩(wěn)定性和活力，防止活性氧的損傷，并維持細(xì)胞膜和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[8]。因此，解析植物生長(zhǎng)發(fā)育早期低溫脅迫下的生理響應(yīng)特性，有助于了解植物對(duì)低溫逆境的響應(yīng)機(jī)制。
黑龍江省作為全國(guó)合法開(kāi)放性種植工業(yè)大麻的兩個(gè)區(qū)域之一，地理緯度較高，是東北三省低溫冷害最強(qiáng)、頻率最高的省份，工業(yè)大麻幼苗在春季經(jīng)常遭受低溫的侵襲，影響其麻籽的產(chǎn)量及品質(zhì)。然而，目前對(duì)于工業(yè)大麻低溫脅迫響應(yīng)機(jī)制少見(jiàn)報(bào)道。鑒于此，本研究擬對(duì)低溫脅迫下工業(yè)大麻生理指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，明確低溫脅迫下工業(yè)大麻的生理響應(yīng)模式，尤其是與脂質(zhì)代謝相關(guān)的生理指標(biāo)，如膜脂過(guò)氧化程度、電解質(zhì)滲透率、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)以及葉綠素含量等指標(biāo)。本研究將為提高工業(yè)大麻麻籽產(chǎn)量及品質(zhì)，提升工業(yè)大麻耐低溫能力提供數(shù)據(jù)支撐。
1 試驗(yàn)材料與方法
1.1 材料及試驗(yàn)設(shè)計(jì)
本試驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室自育籽用型工業(yè)大麻品種“龍大麻9號(hào)”，選擇大小相同、飽滿、健壯的種子，10%次氯酸鈉滅菌20 min后用蒸餾水反復(fù)沖洗3次，無(wú)菌水浸種12 h，春花后于22℃避光催芽2 d后，挑選萌發(fā)狀態(tài)一致的幼苗分別移于水培箱進(jìn)行培養(yǎng)，水培箱內(nèi)裝有1/80的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，每周更換1次營(yíng)養(yǎng)液。置于光照培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)，晝夜溫度分別為25℃和20℃，光照強(qiáng)度為20000 lx，濕度為70%。待幼苗長(zhǎng)至4對(duì)真葉期進(jìn)行4℃處理，正常培養(yǎng)為對(duì)照，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。分別于低溫處理0、1、3、5和7d每組樣品選取生長(zhǎng)狀態(tài)一致的10株工業(yè)大麻幼苗，將其地上與地下部分離，采用直尺對(duì)其株高、根長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量(以植物生長(zhǎng)基部為分界，植株基部到生長(zhǎng)點(diǎn)的長(zhǎng)度為株高，基部到根尖為根長(zhǎng))，采用分析天平對(duì)其重量進(jìn)行測(cè)定記錄。然后，置于烘箱105℃，15min進(jìn)行殺青，于80℃下烘干至恒重，稱取干重。并分別于處理0、1、3、5和7d取樣，每個(gè)樣本取三個(gè)植株混為一個(gè)樣本，剪取工業(yè)大麻第二葉片置于液氮速凍，于-80℃進(jìn)行保存，以備后續(xù)生理指標(biāo)的測(cè)定。
1.2 生理指標(biāo)測(cè)定
工業(yè)大麻光合指標(biāo)采用多功能植物光合表型測(cè)量系統(tǒng)PlantExplorerPro+于低溫處理0、1、3、5和7d進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)測(cè)量5株植株冠層數(shù)據(jù)，最終數(shù)值結(jié)果取平均值[9]。葉片相對(duì)含水量按王士梅等[10]的描述進(jìn)行測(cè)定。相對(duì)電導(dǎo)率采用電導(dǎo)率儀(DDSJ-308F，上海，中國(guó))進(jìn)行測(cè)定，操作步驟為：稱取0.3g工業(yè)大麻葉片于10mLddH2O中，真空泵抽氣沉淀組織，室溫下保持30min后測(cè)定初始電導(dǎo)率，隨后沸水浴保持5min。冷卻室溫后再次測(cè)定電導(dǎo)率，每處理3次重復(fù)，用電導(dǎo)儀測(cè)定浸提液的電導(dǎo)率(R1)，然后將浸提液進(jìn)行沸水浴加熱30min，冷卻至室溫后搖勻，再次測(cè)定浸提液電導(dǎo)率(R2)，計(jì)算相對(duì)電導(dǎo)率(相對(duì)電導(dǎo)率=R1/R2×100%)。采用硫代巴比妥酸法測(cè)量丙二醛(MDA)含量[11]，取0.3g工業(yè)大麻葉片樣品冰浴研磨，與2mL5%三氯乙酸(TCA)渦旋振蕩混勻后倒入50mL離心管中，取TCA溶液稀釋至5mL，4500r/min離心10min后取上清。上清液2mL中加入0.67%硫代巴比妥酸(TBA)2mL，充分混勻，沸水浴30min，冷卻室溫后以10000r/min離心20min，分別于450nm、532nm和600nm處測(cè)定上清液的吸光度值，計(jì)算MDA含量，具體公式為：MDA濃度(µmol/L)=6.45×(A532－A600)－0.56×A450。葉綠素(Chl)含量的分析參照Li等[12]人描述，取0.2g樣品，加入95%乙醇10ml，快速充分研磨，分別在663和645nm下測(cè)定吸光度值，計(jì)算最終含量，具體公式為：葉綠素總量（mg/g）=0.01×(20.21×A645+8.02×A663)×D÷m。可溶性糖(蒽酮比色法)、可溶性蛋白(分光光度法)、脯氨酸(磺基水楊酸法)、過(guò)氧化氫(分光光度法)含量以及抗氧化酶活性，包括SOD、POD及CAT(分光光度法)均采用試劑盒進(jìn)行測(cè)定。
3，3-二氨基聯(lián)苯胺(DAB)染色：分別取低溫脅迫處理0和7d的工業(yè)大麻植株下部的中間葉，置于50mL離心管中，加入25mLDAB染色液，于室溫染色過(guò)夜后用脫色液沸水浴脫色，直至對(duì)照葉片變白為止，拍照觀察。
1.3 試驗(yàn)試劑及耗材
試驗(yàn)所用試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純，試劑盒及相關(guān)耗材均為北京索萊寶科技有限公司產(chǎn)品，包括：蛋白濃度測(cè)定試劑盒 (PC0020)，植物可溶性糖含量檢測(cè)試劑盒 (BC0035)，脯氨酸(Pro)含量檢測(cè)試劑盒 (BC0290)，過(guò)氧化氫(H2O2)含量檢測(cè)試劑盒 (BC3595)，植物 SOD 檢測(cè)試劑盒 (BC5165)，過(guò)氧化物酶(POD)活性檢測(cè)試劑盒 (BC0090)，過(guò)氧化氫酶(CAT)活性檢測(cè)試劑盒 (BC0205)。
1.4 數(shù)據(jù)處理與分析
采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)初步整理，用SPSS 22軟件進(jìn)行顯著性分析，Graphpad Prism軟件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算及可視化。
2 結(jié)果與分析
2.1 低溫脅迫對(duì)工業(yè)大麻幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的影響
本研究對(duì)低溫脅迫下工業(yè)大麻生長(zhǎng)狀況進(jìn)行觀察，結(jié)果顯示，在低溫脅迫下，工業(yè)大麻植株葉片出現(xiàn)萎蔫、失水癥狀。短期低溫脅迫處理(1d)葉片萎蔫程度不明顯，隨著脅迫處理時(shí)間的延長(zhǎng)，萎蔫程度逐漸加深(圖1A)。生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果顯示，地上和地下部分干重、鮮重均在處理3 d開(kāi)始顯著降低，且隨處理時(shí)間延長(zhǎng)下降幅度呈增加趨勢(shì)，植株總鮮重的下降幅度在處理3~7d由29%增至37%，植株總干重下降比例由17%增至22%(圖1B，C，D，E)。處理7d工業(yè)大麻株高和根長(zhǎng)均顯著降低，相較于對(duì)照組分別下降11%和14%(圖1F，G)。表明低溫脅迫顯著抑制工業(yè)大麻地上和地下部分的生長(zhǎng)，降低植株株高、根長(zhǎng)和生物量積累。
注：“*”代表相同處理時(shí)間對(duì)照組與處理組差異顯著（p<0.05）。下同
圖1 低溫脅迫下工業(yè)大麻生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定
此外，葉綠素與植株光合作用密切相關(guān)，對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育具有關(guān)鍵作用。對(duì)低溫脅迫下工業(yè)大麻葉綠素含量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明，低溫脅迫下，葉綠素的合成受到抑制，在處理1d后葉綠素含量相較于對(duì)照而言呈顯著下降趨勢(shì)。處理7d，低溫脅迫下工業(yè)大麻葉綠素含量?jī)H為1.2mg/g，為對(duì)照組的50%(圖2A)。同時(shí)，低溫脅迫下，工業(yè)大麻葉片組織含水量與對(duì)照相比呈逐漸降低的趨勢(shì)，葉片相對(duì)含水量降低7%(圖2B)。
圖2 低溫脅迫下工業(yè)大麻葉片葉綠素和相對(duì)含水量測(cè)定結(jié)果
2.2 低溫脅迫對(duì)工業(yè)大麻幼苗光合指標(biāo)的影響
植物的生長(zhǎng)與光合作用密切相關(guān)，而低溫會(huì)抑制植物的活動(dòng)，干擾其光合作用。通過(guò)葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)可以表征工業(yè)大麻幼苗葉片光合作用能力的變化。結(jié)果顯示，低溫脅迫下工業(yè)大麻葉片冠層葉綠素?zé)晒獬上癜l(fā)生明顯變化(圖3A)。低溫脅迫導(dǎo)致工業(yè)大麻葉片組織中光系統(tǒng)II(PSII)的原初光能轉(zhuǎn)化效率Fv/Fm和PSII的運(yùn)行效率Fq'/Fm'均顯著下降，且處理3d后下降的速度變緩(圖3B、C)。此外，低溫脅迫導(dǎo)致電子傳輸速率ETR降低，其中低溫處理1 d時(shí)ETR的下降率為24%，處理3d時(shí)為34%，處理5d時(shí)為36%，而處理7d時(shí)下降的幅度明顯較低，為4%(圖3D)。
圖3 低溫脅迫下工業(yè)大麻葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)
2.3 低溫脅迫對(duì)工業(yè)大麻細(xì)胞膜完整性的影響
丙二醛是膜脂過(guò)氧化的主要產(chǎn)物之一，其含量高低可反應(yīng)植物膜損傷程度，是低溫脅迫下膜結(jié)構(gòu)完整性的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。由圖4結(jié)果可以看出，工業(yè)大麻幼苗在低溫處理下MDA含量整體呈上升趨勢(shì)，且在處理的1~5d上升速率較快，表明隨處理時(shí)間延長(zhǎng)植株膜損傷加劇，但在處理7 d時(shí)上升速率有減緩趨勢(shì)(圖4A)。
生物膜是植物應(yīng)對(duì)外界脅迫的第一道屏障，膜損傷可導(dǎo)致膜透性變化，電解質(zhì)滲透量增加。研究結(jié)果顯示(圖4B)，隨低溫脅迫時(shí)間延長(zhǎng)，工業(yè)大麻幼苗葉片的相對(duì)電導(dǎo)率逐漸增加，且呈“S”型上升趨勢(shì)。在低溫處理的1、3、5和7d的相對(duì)電導(dǎo)率分別為24.0%、48.9%、70.01%和75.7%，表明隨低溫處理時(shí)間延長(zhǎng)，工業(yè)大麻幼苗葉片受損傷程度不斷增加。
圖4 低溫脅迫下工業(yè)大麻葉片MDA含量和相對(duì)電導(dǎo)率測(cè)定
2.4 低溫脅迫對(duì)工業(yè)大麻幼苗葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響
可溶性蛋白作為植物體內(nèi)一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，其在低溫脅迫下的積累能提高植物細(xì)胞的保水能力，對(duì)細(xì)胞內(nèi)的生物活性物質(zhì)和生物膜具有保護(hù)作用。由圖5A結(jié)果可以看出，低溫脅迫處理后，工業(yè)大麻幼苗葉片在短時(shí)間內(nèi)迅速積累可溶性蛋白，在處理3d時(shí)可溶性蛋白含量達(dá)2.3mg/g，是對(duì)照組的1.5倍。對(duì)照組的可溶性蛋白含量在整個(gè)處理時(shí)間段波動(dòng)不明顯。
低溫脅迫可影響作物對(duì)水分的吸收和利用效率，而可溶性糖作物植物細(xì)胞新陳代謝的主要原料，可通過(guò)自身積累提升細(xì)胞的滲透濃度，增加細(xì)胞的保水能力，避免生理性干旱，是評(píng)價(jià)植物耐低溫的重要指標(biāo)。工業(yè)大麻幼苗葉片可溶性糖含量測(cè)定結(jié)果顯示(圖5B)，低溫脅迫下工業(yè)大麻可溶性糖在體內(nèi)不斷積累，且隨處理時(shí)間延長(zhǎng)其含量逐漸升高，相較于對(duì)照組，可溶性糖含量于處理的1、3、5和7d分別增加了37%、42%、22%和75%。
圖5 低溫脅迫下工業(yè)大麻葉片可溶性物質(zhì)含量測(cè)定
脯氨酸是一種廣泛分布于植物體的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，植物可以通過(guò)調(diào)節(jié)自身脯氨酸的合成防止逆境脅迫對(duì)其細(xì)胞造成損傷。由圖6可以看出，低溫脅迫下工業(yè)大麻幼苗葉片脯氨酸含量隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸上升，且始終高于對(duì)照組，在處理7d時(shí)脯氨酸含量達(dá)到最大值，為對(duì)照組的1.2倍。
圖6 低溫脅迫下工業(yè)大麻葉片脯氨酸含量測(cè)定
2.5 低溫脅迫對(duì)工業(yè)大麻幼苗葉片活性氧系統(tǒng)的影響
非生物逆境脅迫可引起植物活性氧爆發(fā)，導(dǎo)致產(chǎn)生大量有害的活性氧物質(zhì)，如：H2O2和O2-大量積累，會(huì)對(duì)植物體細(xì)胞膜造成損傷，是植物抵抗外界脅迫環(huán)境的早期防御事件。DAB染液可與H2O2特異性結(jié)合，產(chǎn)生積累過(guò)氧化氫的葉片可染成褐色，通過(guò)顏色分布可見(jiàn)工業(yè)大麻葉片H2O2分子的積累情況和分布狀態(tài)。如圖7所示，低溫脅迫后工業(yè)大麻葉片經(jīng)DAB染色后形成明顯褐色沉積，而對(duì)照組則沒(méi)有明顯變化，表明低溫脅迫誘導(dǎo)過(guò)氧化氫在工業(yè)大麻葉片中的大量積累。過(guò)氧化氫含量測(cè)定結(jié)果也表明，低溫脅迫促使過(guò)氧化氫含量增加（圖8A）。
圖7 低溫脅迫下工業(yè)大麻葉片DAB染色結(jié)果
逆境脅迫下，活性氧的產(chǎn)生與清除始終保持動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，SOD和POD是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶，可清除有害的過(guò)氧化物，將對(duì)植物有害的自由基還原成無(wú)害的水和氧分子，防止膜脂過(guò)氧化的發(fā)生，是衡量植物耐逆性的重要指標(biāo)。研究結(jié)果表明，低溫脅迫下工業(yè)大麻體內(nèi)CAT、SOD和POD活性在低溫處理下先上升后降低，且始終高于對(duì)照組。CAT和POD活性在處理5d時(shí)達(dá)到最大值，分別為對(duì)照組的2倍和3倍(圖8BD)，SOD活性在處理3d時(shí)達(dá)到最大值，是對(duì)照組的2倍(圖8C)。說(shuō)明低溫脅迫下，工業(yè)大麻可通過(guò)提升SOD、POD和CAT活性響應(yīng)低溫脅迫。
圖8 低溫脅迫下工業(yè)大麻葉片抗氧化體系測(cè)定
3 討論
低溫是限制植物生長(zhǎng)發(fā)育、地理分布及產(chǎn)量品質(zhì)提升的主要環(huán)境因子。在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中，植物可通過(guò)調(diào)節(jié)自身生理代謝水平增強(qiáng)對(duì)低溫脅迫的耐受性[13]。植物對(duì)低溫的耐性受多因素的影響，細(xì)胞膜是植物應(yīng)對(duì)外界脅迫的第一道屏障，其完整性和流動(dòng)性是低溫適應(yīng)的物理基礎(chǔ)。低溫脅迫下，細(xì)胞膜由液態(tài)向凝膠態(tài)轉(zhuǎn)變，細(xì)胞膜通透性增強(qiáng)，導(dǎo)致電導(dǎo)率、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和膜脂過(guò)氧化等生理指標(biāo)的變化。此外，植物葉綠素含量和活性氧清除系統(tǒng)與植物的低溫耐性也密切相關(guān)[14]。
植物生長(zhǎng)發(fā)育與光合作用密切相關(guān)，低溫脅迫會(huì)抑制植物的生命活動(dòng)，干擾光合作用進(jìn)行，降低生物量積累[15]。本研究表明，4℃低溫對(duì)工業(yè)大麻幼苗產(chǎn)生生理性傷害，抑制其生長(zhǎng)速率，這與高粱、茄子和木豆的研究結(jié)果相一致[16–18]。光系統(tǒng)II(PSII)在光能轉(zhuǎn)換和電子傳遞中起著重要作用，是高等植物光合作用的重要組成部分[19]。Fv/Fm表示PSII的最大光化學(xué)效率，F(xiàn)q'/Fm'表示PSII在光照下的光化學(xué)效率，可以判斷植物是否受到光抑制[20]。本研究中，低溫脅迫導(dǎo)致工業(yè)大麻葉片組織中Fv/Fm和Fq'/Fm'均顯著下降，致使工業(yè)大麻葉片對(duì)光能的捕獲效率下降，進(jìn)而影響一次光能轉(zhuǎn)換效率和PSII的潛在活性，使光合作用受到影響，這與高璐鑫等[21]對(duì)油茶低溫響應(yīng)機(jī)制的研究結(jié)果相一致[22]。謝聰穎等[23]對(duì)條斑紫菜的低溫響應(yīng)特性研究中表明，低溫可通過(guò)影響光合作用抑制其生長(zhǎng)速率。而電子傳遞速率(ETR)表示PSII反應(yīng)中心電子傳遞效率，與光合速率有很強(qiáng)的線性關(guān)系[24]。低溫脅迫導(dǎo)致ETR下降，表明低溫脅迫導(dǎo)致產(chǎn)生過(guò)多激發(fā)能，PSII反應(yīng)中心受到損害，開(kāi)放程度降低，電子傳遞效率降低，光化學(xué)反應(yīng)受阻，光抑制加強(qiáng)，進(jìn)而影響工業(yè)大麻的光合作用。這與李瑞等[25]對(duì)甘草幼苗低溫響應(yīng)機(jī)制研究結(jié)果相一致。
葉綠素的合成是一個(gè)高度復(fù)雜有序的過(guò)程，受環(huán)境因素影響。低溫脅迫會(huì)破壞葉綠體結(jié)構(gòu)并抑制葉綠素合成酶的活性，進(jìn)而抑制植物生物量的積累和生長(zhǎng)發(fā)育[13,26]。本研究發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫抑制了工業(yè)大麻葉片葉綠素的合成，且在整個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期處于下降趨勢(shì)，這與低溫處理下的玉米、水稻、高粱等結(jié)果高度一致[27–29]。細(xì)胞膜是植物接收外界環(huán)境變化信息的重要受體，低溫脅迫下細(xì)胞膜的生理變化可反映膜系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是植物抗性的重要指標(biāo)[30]。低溫脅迫下，膜透性改變，完整性遭到破壞，細(xì)胞內(nèi)離子外滲，引起電導(dǎo)率升高。丙二醛作為膜脂過(guò)氧化作用主要產(chǎn)物，與電導(dǎo)率常作為評(píng)價(jià)植物低溫耐性的指標(biāo)。本研究中，工業(yè)大麻幼苗葉片的相對(duì)電導(dǎo)率隨著低溫處理時(shí)間延長(zhǎng)逐漸升高，丙二醛含量也隨處理時(shí)間延長(zhǎng)在體內(nèi)積累，表明隨著低溫脅迫時(shí)間延長(zhǎng)，膜透性不斷下降，低溫脅迫下膜脂損傷更加嚴(yán)重，此結(jié)果與其他植物的研究結(jié)果一致[31-32]。低溫脅迫下植物可以通過(guò)可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透勢(shì)，從而降低植物細(xì)胞冰晶形成的可能性，此外，脯氨酸含量的提升有助于保持細(xì)胞膜完整性，提高植物對(duì)環(huán)境脅迫的適應(yīng)能力。本研究發(fā)現(xiàn)工業(yè)大麻幼苗葉片的可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸含量變化趨勢(shì)與丙二醛、電導(dǎo)率相似，整體呈上升趨勢(shì)。
低溫脅迫與其他非生物脅迫相同，均會(huì)誘導(dǎo)ROS產(chǎn)生，ROS可導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起植物組織壞死[33]。一般而言，低溫耐性強(qiáng)的植物可以更高速率清除ROS，防止膜脂過(guò)氧化損傷加劇[34]?？寡趸赶到y(tǒng)和非酶系統(tǒng)組成了植物的抗氧化系統(tǒng)，兩者可在低溫脅迫下同時(shí)發(fā)揮作用，以清除植物細(xì)胞內(nèi)因氧代謝失衡而積累的ROS，抑制脂類物質(zhì)的過(guò)氧化反應(yīng)，提高低溫脅迫下的光合作用速率，從而提高植物對(duì)低溫的耐受性。SOD和POD可使超氧陰離子和過(guò)氧化氫變成水和氧分子，以緩解由于ROS積累對(duì)細(xì)胞造成的損害。本研究表明，低溫脅迫下工業(yè)大麻的SOD和POD活性隨低溫脅迫處理時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸升高，說(shuō)明SOD和POD酶對(duì)于工業(yè)大麻響應(yīng)低溫脅迫，降低低溫?fù)p傷具有重要作用。
目前，工業(yè)大麻低溫響應(yīng)生理機(jī)制研究相對(duì)較少，本研究將對(duì)篩選更加優(yōu)質(zhì)的耐低溫種質(zhì)資源，為今后工業(yè)大麻產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。在今后育種工作中，宏觀上可通過(guò)植物形態(tài)指標(biāo)以及生理生化指標(biāo)的研究來(lái)鑒定工業(yè)大麻耐低溫品種；微觀上可進(jìn)一步對(duì)低溫脅迫下工業(yè)大麻的轉(zhuǎn)錄調(diào)控水平進(jìn)行研究，從而深化工業(yè)大麻低溫耐性評(píng)價(jià)的內(nèi)容。目前，大量與植物響應(yīng)低溫脅迫表達(dá)的相關(guān)基因已經(jīng)得到鑒定和分離，但工業(yè)大麻在耐低溫基因功能方面的研究較少，今后應(yīng)從分子方面入手，通過(guò)分子育種手段培育出耐低溫能力較強(qiáng)的工業(yè)大麻品種。
4 總結(jié)
通過(guò)對(duì)低溫脅迫下工業(yè)大麻幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)、光合指標(biāo)、膜脂過(guò)氧化水平、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量及活性氧系統(tǒng)等指標(biāo)的測(cè)定結(jié)果顯示，低溫對(duì)工業(yè)大麻光合作用及生長(zhǎng)具有抑制作用。脅迫過(guò)程中，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，工業(yè)大麻幼苗葉片的膜透性增大，離子滲透加劇，膜脂過(guò)氧化水平提高，細(xì)胞活性氧積累增加，膜損傷程度加深。在響應(yīng)低溫脅迫過(guò)程中，工業(yè)大麻主要通過(guò)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的增加以及抗氧化酶活性的提升來(lái)緩解低溫脅迫對(duì)植物細(xì)胞造成的損傷，從而提升其耐低溫能力。
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文章摘自：閆博巍,常傳義,隋月,等.低溫脅迫下工業(yè)大麻幼苗的生理響應(yīng)[J/OL].中國(guó)麻業(yè)科學(xué),1-16[2025-03-13].http://kns.cnki.net/kcms/detail/43.1467.s.20250225.1417.002.html.
