溫度對工業大麻生長及大麻二酚含量的影響

王雅妮，曾糧斌，汪洪鷹，楊媛茹，譚志堅，易永健

（中國農業科學院麻類研究所，湖南 長沙 410205）

工業大麻（Cannabis sativaL.）是大麻科大麻屬一年生草本植物，原產于中亞和東亞[1]，分布于世界各地，在我國有著悠久的栽培歷史，也是具有高附加值的特種經濟作物。其種子、纖維和花葉中的天然活性成分被廣泛用于食品、紡織、材料、化妝品和醫藥等領域。大麻素是具有烷基間苯二酚和單萜結構的次生代謝產物，主要存在于大麻葉和花中[2]，最主要的2 種為△9-四氫大麻酚酸（THCA）和大麻二酚酸（CBDA），它們可分別通過脫酸反應生成精神活性化合物四氫大麻酚（THC）和非精神活性化合物大麻二酚（CBD）[3]。近年來，國內外研究表明，CBD 有治療癲癇[4]、抗驚厥、鎮痛、神經保護和抗炎（包括自身免疫性疾病）的益處[5]。目前英國GW 制藥公司開發的用于治療嬰兒嚴重肌陣攣性癲癇（Dravet Syndrome, DS）等和成人多發性硬化癥（Multiple Sclerosis，MA）的藥物已經在英國、加拿大等多個國家上市銷售。近年來，我國在工業大麻栽培和大麻素藥用提取方面也發展迅速，黑龍江和云南作為我國工業大麻種植的主產區，產品遠銷歐美。

目前，我國工業大麻原料主要是通過室外栽培獲取，然而由于氣候條件、水肥和病蟲害等因素的不可控，導致獲得的原料產率降低，且品質較差。相比室外栽培，受環境因素的影響小，室內種植因其條件可控性好、空間利用率高、作物產量高等特點而備受青睞[6-8]。工業大麻是一年生植物，室外栽培周期長，而室內栽培可以生產3～4 周期作物。室外栽培生長條件受夏、秋、冬季環境變化和晝夜長短變化，采收不及時，會導致植株迅速衰老，而室內栽培可以通過控制光照、光周期、溫度、空氣循環和空氣中二氧化碳濃度及空氣濕度，合理調節環境參數來控制采收時間。加拿大、荷蘭等國家室內栽培模式已經十分成熟。因此，開發溫室或大棚栽培工業大麻是大勢所趨。但是室內栽培也受多種因素影響，其中溫度不僅影響植物葉綠素合成、酶活性大小、氣孔限制等，還對植物有機物的合成和光合生理生態起著重要作用[9]。大麻生長的適宜溫度為20～30℃[10]。利用恒溫培養箱來控制大麻生長以達到調控大麻中有效成分含量的目的，目前國內外尚未見報道。

筆者以中國農業科學院麻類研究所培育的大麻品種中大麻5 號為試驗材料，對比23、26、29℃恒溫條件下工業大麻的農藝性狀（株高、莖粗、葉面積、生物量等）、生理生化指標（可溶性蛋白和可溶性糖含量、SOD 和POD 酶活性）、CBD 含量，評估室內栽培溫度對大麻CBD 產量的影響，以期為工業大麻室內栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

工業大麻品種為中大麻5 號，由中國農業科學院麻類研究所栽培研究室提供，于麻產品研究室栽培實驗室培養完成。CBD 標準品（＞98%）購自賽普瑞思北京技術有限公司。花盆（直徑20 cm，高18 cm）栽培土為營養土與紅土按1 ∶2 混合。

1.2 試驗方法

1.2.1 溫度處理和栽培條件試驗于2020 年11 月至2021 年3 月在大麻栽培專用恒溫氣候箱中進行。生長周期控制在14 周，營養期（前8 周）光照控制在L ∶D=14 ∶10，開花期（后6 周）將光照控制在L ∶D=10 ∶14，縮短時長，創造短日照環境誘導大麻開花。恒溫氣候箱中溫度分別設置為23、26、29℃，保證溫度恒定且相互獨立，互不影響。將大麻種子播種于裝滿營養土的九孔穴盤中，出苗后每盆移栽3 株長勢均勻的健康幼苗至盆中，立即置于Biuepard 恒溫氣候箱中。試驗共3 個處理，每個處理重復3 次，每個重復30 株雌株，施以相同的水肥管理，恒定溫度，濕度75%～85%。樣品分析均采用雌株。

1.2.2 花葉收獲時主要農藝性狀測定待到雌蕊變褐時，植株標記并收獲（2021 年2 月17 日），采用Yaxin-1241 葉面積儀測定同一部位葉面積，使用直尺測量株高，游標卡尺測量莖基部到生長點部的莖粗，洗凈根部泥土，吸干水分，使用電子天平（精確到0.001 g）迅速稱量地上部、地下部鮮重，再轉至70℃烘箱烘至恒重稱量干重。

1.2.3 苗期生理生化指標測定雌株收獲時，選取大麻植株頂端10 cm 內葉片進行測定。每株同一部位取一片葉，每個重復混為1 個樣品，用錫箔紙裝好放于液氮速凍，隨后置于-80℃冰箱保存，用作可溶性蛋白、可溶性糖、SOD 酶和POD 酶的測定。

1.2.4 花、葉CBD含量的測定（1）CBD 提取。在栽培84 d（2021 年1 月27 日）后取雌株花、葉樣，間隔10 d 取樣一次，最后一次取全部雌性花、葉樣，共取樣3 次。每次取樣取相同部位的花葉，每株取相同干重混合，每個重復混為1 個樣品，70℃烘箱烘干至恒重待測。樣品處理參照郭孟璧等[11]的方法，每個樣品重復測定3 次，取平均值。（2）HPLC 檢測。使用Syncronis C18色譜柱（250 mm×4.6 mm，粒徑5 μm）對樣品進行檢測分析，以體積比90 ∶10 的乙腈和5%醋酸緩沖液為流動相，流速0.6 mL/min，采用等度洗脫方式，柱溫30℃，檢測波長220 nm，進樣量20 μm。流動相和樣品溶液均經過0.45 μm 尼龍濾膜過濾。CBD 標準曲線：Y= 110 447X-105.87（R2 = 0.999 2），其中Y 為峰面積，X 為CBD 濃度。圖1 為高效液相色譜檢測CBD 的色譜圖。

圖1 高效液相檢測CBD 結果

1.2.5 花、葉及單株CBD理論平均含量和產量計算

收獲雌株全株花和葉，置于70℃烘箱烘干至恒重。花、葉CBD 含量測定方法同上。按照公式（1）、（2）計算雌株單株CBD 平均含量和總量。

單株CBD 平均含量（mg/g）=(花CBD 含量×花干重+葉CBD 含量×葉干重)/(花干重+葉干重)（1）

單株CBD 總量（mg/株）=(花CBD 含量×花干重+葉CBD 含量×葉干重)/株數 （2）

1.2.6 數據處理采用Excel 2010 軟件進行數據處理、SPSS 26.0 軟件進行顯著性檢驗，并采用Duncan 法在P＜0.05 顯著水平上對各項測定指標的平均值進行多重比較，采用GraphpadPrism8.0 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 溫度對工業大麻株高和莖粗的影響

莖是植物的營養器官之一，是自下而上運輸通道來供各組織器官的生命周期生長發育所需的水分和礦物質。莖越發達，越有利于營養物質的運輸，從而提高植株生產力。圖2 顯示，26℃處理的株高、莖粗分別為90.7 cm、5.28 mm，分別是23℃的1.5 倍和2.0 倍，差異性顯著，表明26℃處理對株高和莖粗的增強作用明顯。

圖2 溫度對工業大麻株高、莖粗的影響

2.2 溫度對工業大麻生物量和葉面積的影響

植物葉片是進行光合作用、呼吸作用、蒸騰作用的重要器官，從表1 可以看出，26℃下葉面積最大。合適溫度下，植株葉片較大，植株更高，表明該植物更能適應外界環境，因此，更有利于植物體生物量的增加。在3 個處理中，葉面積最大的為26℃處理，達到6 425.4 mm2，與其他2 個處理差異均顯著，顯著高于23℃和29℃，是23℃時的3.3 倍。同時，26℃處理的大麻花干重、莖葉干重、根干重均高于其余2 個處理，分別為3.27、6.82、1.17 g，分別為23℃的2.8 倍、1.4 倍和3.4 倍。綜合植株產量及葉面積，26℃恒定溫度適合于工業大麻室內土培生產。

表1 溫度對工業大麻生物量和葉面積的影響

2.3 溫度對工業大麻生理指標的影響

可溶性蛋白和可溶性糖可為植物細胞生長發育和呼吸作用提供能量，由圖3 可知，與23℃和29℃相比，26℃下葉片的可溶性蛋白質（36.5 mg/g）和可溶性糖含量（261.3 mg/g）都顯著高于其余2 個處理。

圖3 不同溫度對工業大麻生理指標的影響

2.4 溫度對工業大麻植株酶活的影響

由圖4 可知，溫度對大麻葉片中SOD 酶和POD酶活性影響變化趨勢均基本一致，23℃時最高，29℃時次之，26℃時最低。恒溫23℃促進了大麻植株過氧化物酶和超氧化歧化酶的含量，其SOD 酶活值為339.4 U/g，POD 酶活值為12 203.1 U/g，是26℃時的1.5倍和1.3 倍，表明23℃下大麻植株老化程度更高，受到的環境脅迫更大，其中26℃時受到的環境脅迫最低。

圖4 溫度對工業大麻SOD 酶活和POD 酶活的影響

2.5 溫度對雌株花葉中CBD 含量的影響

從圖5 中可以看出，隨著溫度的增加，大麻二酚的含量呈現整體上升趨勢，恒定26℃對大麻植株花、葉中CBD 含量起顯著促進作用，栽培84 d 到104 d，23℃條件下花、葉的CBD 含量分別從1.25、0.89 mg/g 增至6.15、4.12 mg/g；26℃條件下花、葉的CBD 含量從6.14、3.55 mg/g 增至8.86、5.63 mg/g；29℃條件下花、葉的CBD 含量從3.37、1.59 mg/g 增至7.47、5.23 mg/g。

圖5 溫度對不同栽培時間花葉中CBD 含量的影響

2.6 溫度對雌株花葉中CBD 平均含量和產量的影響

大麻二酚的產量是衡量藥用工業大麻經濟生產價值的重要指標之一[12]。如圖6 所示，26℃恒溫能顯著提高雌株CBD 含量，達到53.82 mg/株，是23℃時的2.7倍，29℃時的2.2 倍。同時單株CBD 平均含量達到5.33 mg/g，高于23℃和29℃時的含量。

圖6 溫度對工業大麻CBD 積累量的影響

3 小結與討論

試驗結果表明，工業大麻的溫度響應差異明顯，在26℃恒溫條件下，工業大麻的生長和體內各項生理生化指標達到最佳，這可以為進一步溫室工業大麻栽培提供參考。

影響室內栽培的因素很多，例如溫度、光照、水分、空氣中CO2濃度等，其中溫度對植物生長發育的影響尤為顯著，合適的溫度有助于提高目標產物的產量[13]。在該研究中，不同的恒定溫度對工業大麻生長和生理生化指標的影響差異顯著，結果表明，26℃時，工業大麻生長（圖2）和CBD 積累（圖6）較23℃和29℃時有顯著增長。這可能是由于隨著溫度的升高，工業大麻的生長趨勢先增加后降低，凈光合作用與蒸騰作用的比率隨著溫度的升高增加到一定水平，再隨著溫度的升高而減少的結果[14]。該研究中，工業大麻在恒定溫度26℃時，生物量、葉面積、株高、莖粗指標最佳，這可能與植物體對溫度的適應機制有關，在23℃和29℃時，持續較低或者較高的溫度使得工業大麻生長變慢，低溫抑制地上部生長，使得干物質積累量減少[15]。而短時間的高溫可以通過活化光合作用代謝酶來加快植株體內物質的轉化和代謝，促進植物生長發育，但是持續升溫，會抑制植株生長，使得植物生物量、干物質的量和生長速率都有所下降[16-17]。

過氧化物酶（SOD）和超氧化歧化酶（POD）是衡量植物逆境條件的一個指標，他們是抗氧化酶系統的重要組成部分。當植物受到環境脅迫時，體內的活性氧會大量增加，影響植物正常生長，此時植物抗氧化酶系統中過氧化物酶含量SOD 含量也會增加，提高植物抵抗逆境和適應環境的能力[18-19]。在逆境條件下，它們消除過量的自由基，保護植物細胞的膜結構功能，維持植物細胞活性氧代謝平衡[20-21]。試驗中，23 和29℃時的SOD 和POD 酶活均高于26℃，這說明26℃時工業大麻的生長最適宜，受到的外界脅迫最輕。

適宜的溫度能促進植物生長發育，增加有機物產量的積累。不同恒定溫度對工業大麻CBD 的含量和積累產生了不同影響。大麻中CBD 的產量不僅取決于花、葉中CBD 相對含量，也與花、葉的生物量相關[22]。該研究中，26℃能顯著增加工業大麻花、葉中CBD 含量，同時也能增加花、葉的生物量。