盐碱胁迫对工业大麻生长发育的影响

曹 焜，孙宇峰，张晓艳，赵 越，边 境，姜 颖，张志国，朱 浩，王 盼，韩承伟，郭永霞，王晓楠

(1.黑龙江省科学院大庆分院，黑龙江 大庆 163319；2.黑龙江八一农垦大学农学院，黑龙江 大庆 163319；3.国家杂粮工程技术研究中心，黑龙江 大庆 163319；4.黑龙江省作物-有害生物互作生物学及生态防控重点实验室，黑龙江 大庆 163319)

大麻(CannabissativaL.)又称线麻、火麻、寒麻等，是大麻科(Cannabinaceae)大麻属(Cannabis)一年生草本植物，按用途分为工业用和医药用两种。国际上将四氢大麻酚(THC)含量低于0.3%的品种类型称为工业大麻[1]。随着《黑龙江省禁毒管理条例》的颁布和实施，加之工业大麻产业的发展，黑龙江省逐渐成为工业大麻种植的主要省份[2-3]，种植面积达3.4万hm2。

工业大麻适应性广，具有较强的盐碱耐受性[4-5]，随着供给侧结构的改革和种植结构调整，工业大麻种植向“非耕地”转移已成为趋势。黑龙江省约有66.7万hm2盐碱地，且呈逐年递增趋势，严重影响粮食、牧草产量，进而限制农牧业的发展。通常，根据pH值将苏打盐碱地划分为非盐碱地(pH值小于7.5)，轻度盐碱地(pH值7.5～8.5)、中度盐碱地(pH值8.5～9.0)和重度盐碱地(pH值9.0以上)。目前，关于工业大麻盐碱耐受性方面的研究大多集中在苗期的渗透调节物质合成和抗氧化酶活性改变等方面[4-6]。通过多年的栽培试验发现，工业大麻能在轻、中度盐碱环境下生长，但关于盐碱胁迫对工业大麻生长发育影响的研究鲜有报道。为此，本研究从生长发育角度，选择具有不同盐碱耐受性工业大麻品种，分析盐碱胁迫对其生长发育的影响，为工业大麻抗盐碱性育种提供理论基础。

表1 土壤基础养分状况Table 1 Basic nutrient status of soil

1 材料和方法

1.1 试验概况

以盐碱耐受型品种火麻一号(H)和敏感型品种金刀-15(J)为研究对象。在大庆市东风农场(46.63° N，125.19° E)选择一块耕作5年以上的老耕地，根据土壤盐碱化程度，多点采集土样，形成pH梯度，分别为对照(0)、轻度盐碱土样(1)、中度盐碱土样(2)和重度盐碱土样(3)，土壤基本理化性质见表1。

1.2 试验设计和管理

试验在黑龙江省科学院大庆分院内遮雨大棚开展，采用盆栽方法，将采集土壤样品阴干过筛，将土样装在底部无孔的桶内(桶口直径为30 cm，桶深度为25 cm)，每桶装土15 kg，每桶施入3.15 g(N∶K∶P=12∶15∶18)硫酸钾复合肥，每个土壤样品种植20盆。挑选饱满一致的工业大麻种子，根据田间生产实际情况，每盆播种40粒，于5月10日播种，出苗后每盆定苗30株。日常管理方法参照大田。

1.3 测定指标与方法

1.3.1农艺性状和产量性状

分别在苗期、快速生长期1(初期)、快速生长期2(末期)、现蕾期和工艺成熟期，取长势均一的5株工业大麻测定株高、叶面积、根体积等农艺性状。工艺成熟期收获后，测定原茎产量、出麻率等产量性状，重复3次。根据土样和品种，分别标记为对照(H 0、J 0)、轻度盐碱胁迫(H 1、J 1)、中度盐碱胁迫(H 2、J 2)和重度盐碱胁迫(H 3、J 3)。

1.3.2叶片光合指标

在晴天的09：00—11：00时，选取不同生育时期的顶端叶片，使用SPAD-plus叶绿素测定仪测定SPAD值；使用OPTI-SCIENCES OS-30 P快速植物胁迫测定仪测定荧光指标；使用Li-6400 XL光合测定仪测定光合速率参数Pn(净光合速率)、Tr(蒸腾速率)、Gs(气孔导度)、Ci(细胞间隙CO2浓度)；每个生育时期测定1次，重复5次，测定时避开叶脉。

1.3.3生理指标测定

采用硫代巴比妥酸法测定丙二醛含量(MDA)[7]；茚三酮法测定游离脯氨酸含量(Pro)[7]；使用NBT光化还原法测定超氧化物歧化酶活性(SOD)[7]；使用紫外吸收法测定过氧化氢酶活性(CAT)[7]，重复3次。

图1 不同pH值的盐碱土对工业大麻农艺性状的影响Fig.1 Effects of different pH values of saline-alkali soil on agronomic traits of industrial hemp

1.3.4钠钾钙离子含量测定

采用原子吸收分光光度计法测定根部钠、钾、钙离子含量，重复3次。

1.3.5数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010软件进行数据处理，采用SPSS 20软件进行数据统计分析，采用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同pH值盐碱土对工业大麻农艺性状和产量性状的影响

在土样3(pH值9.3)的盆栽中，火麻一号和金刀-15的种子出苗率极低，受到极显著抑制作用，且均在出苗后10 d内全部枯萎死亡，无法开展后续试验，说明工业大麻不能在pH值大于9.3的盐碱化土壤中生长。

如图1所示，在不同生育时期，随着土壤盐碱程度加重，工业大麻株高、根体积和叶面积等农艺性状呈降低趋势；但在快速生长期1，轻度盐碱条件下，火麻一号的株高和根体积分别较对照增加了8.45%和13.17%，金刀-15较对照分别增加了5.00%和0。

随着土壤盐碱程度的加重，工业大麻纤维产量、秆芯重量和出麻率均显著降低(表2)，说明盐碱胁迫从纤维产量、秆芯重量和出麻率等方面影响工业大麻的产量。

表2 工艺成熟期产量性状Table 2 Yield characters at technical maturing stage

2.2 不同pH值盐碱土对工业大麻根部生理特性的影响

如图2所示，工业大麻根部CAT、SOD、MDA含量和Pro含量随着生育时期延长呈上升趋势；在同一生育时期，随着土壤盐碱程度的加剧呈上升趋势。与对照相比，火麻一号的CAT在轻度和中度盐碱胁迫下分别升高17.67%～38.99%和59.33%～119.69%，而金刀-15的升高30.81%～85.26%和35.29%～66.33%；火麻一号的SOD在轻度和中度盐碱胁迫下分别升高12.65%～29.90%和24.40%～90.83%，而金刀-15的升高11.50%～42.87%和36.17%～61.69%。火麻一号的MDA在轻度和中度盐碱胁迫下分别升高22.89%～136.10%和75.20%～294.97%，而金刀-15的升高68.75%～239.12%和104.20%～414.05%；火麻一号的Pro含量在轻度和中度盐碱胁迫下分别升高4.25%～102.07%和22.64%～177.47%，而金刀-15分别升高11.31%～68.84%和28.72%～189.75%。说明盐碱胁迫通过提高工业大麻根部CAT和SOD活性及MDA和Pro含量来增强工业大麻对盐碱的适应能力。

图2 不同pH值的盐碱土对工业大麻根部生理特性的影响Fig.2 Effects of saline-alkali soil with different pH values on physiological characteristics of industrial hemp root

如图3所示，工业大麻根部Ca2+含量随生育时期延长呈上升趋势，但K+/Na+值则随生育时期延长呈下降趋势；在同一生育时期，Ca2+含量和K+/Na+值随着土壤盐碱程度的加剧呈下降趋势。与对照相比，火麻一号的Ca2+含量在轻度和中度盐碱胁迫下分别降低8.11%～27.45%和20.72%～47.55%，而金刀-15的K+/Na+值降低6.84%～23.75%和12.63%～24.70%；火麻一号的K+/Na+值在轻度和中度盐碱胁迫下分别降低38.76%～67.55%和67.74%～84.17%，而金刀-15分别降低49.60%～65.90%和73.40%～83.87%。说明盐碱胁迫影响工业大麻根部离子平衡，促进Na+的吸收和Ca2+、K+的外排。

2.3 不同pH值盐碱土对工业大麻叶片光合特性的影响

如图4所示，工业大麻叶片的Pn、Tr、Gs、Ci、SPAD和荧光参数Fv/Fm随着工业大麻的生长，呈先升高后降低的趋势，在同一生育时期，随着土壤盐碱程度的加剧呈降低趋势。苗期轻度盐碱环境下火麻一号叶片的Tr和Gs分别高于对照3.55%和4.74%，而金刀-15分别高于对照13.94%和6.37%。快速生长期1的轻度盐碱环境下火麻一号叶片Pn、SPAD和Fv/Fm值分别高于对照8.04%、0.74%和1.02%，而金刀-15分别高于对照10.65%、1.53%和2.53%。说明在苗期，轻度盐碱胁迫对工业大麻的光合作用具有一定的促进作用，但随工业大麻的生长，抑制作用逐渐增强。

图3 不同pH值的盐碱土对工业大麻根部离子含量的影响Fig.3 Effects of saline-alkali soil with different pH values on ion content in root of industrial hemp

2.4 各指标间的相关性分析

不同盐碱度胁迫条件下，火麻一号和金刀-15的生理指标间相关性分析(表3、表4)，各指标间的相关性随盐碱胁迫条件的变化而发生变化。在盐碱胁迫条件下，火麻一号的SPAD值与Fv/Fm呈显著正相关，Ca2+与K+/Na+呈显著负相关，而在正常条件下，这些生理指标间无显著相关性；而K+/Na+与Pro呈显著负相关，而在盐碱胁迫条件下，这些生理指标间无显著相关性。在中度盐碱环境胁迫下，金刀-15的Ci与Tr呈显著正相关，Fv/Fm与Ci、Tr和SPAD呈显著正相关，而在正常和轻度盐碱环境下，这些生理指标间无显著相关性；正常和轻度盐碱环境下，K+/Na+与CAT、SOD和Pro呈显著负相关，而在中度盐碱环境下，这些生理指标间无显著相关性。

2.5 盐碱胁迫下工业大麻各性状的主成分分析

不同程度盐碱胁迫条件下，火麻一号和金刀-15农艺性状和生理特性进行主成分分析，提取特征值大于1的主成分，其累计贡献率大于90%，符合要求。综合得分可作为整个生育时期内各指标受盐碱胁迫影响程度的评价方式，分值越高，指标受影响越大，反之越小。综合得分见表5，可知在正常条件下，叶面积的综合分最高；在轻度和中度盐碱胁迫下，SOD的综合分最高。

3 讨 论

为精准控制胁迫强度，许多学者利用氯化钠、碳酸钠、碳酸氢钠或硫酸钠模拟盐或碱的逆境条件，从盐胁迫或碱胁迫角度揭示植物的响应机制[8-11]。但在实际生产中，土壤盐碱化是个复杂的逆境条件[12]。因此，以生产应用为目的的盐碱耐受性研究可直接采用盐碱土进行外源胁迫[13-15]。

3.1 盐碱胁迫对工业大麻农艺性状和产量性状的影响

工业大麻在受到盐碱胁迫时，农艺性状、产量性状和生理特性都会受到影响[10,16-17]。pH值为9.44的高碱性盐胁迫时，工业大麻种子在萌发后期胚根和胚芽会变黄腐烂[18]。本研究发现，在pH值为9.3的盐碱胁迫时，工业大麻出苗率极低，且在出苗后10 d内全部枯萎死亡。土壤盐碱环境较复合盐模拟条件更加恶劣，说明工业大麻不能在pH值大于9.3的盐碱化土壤中生长。

不同时期工业大麻农艺性状受到的影响程度是不同的[16]。本研究发现，在轻度盐碱条件下，苗期的工业大麻株高和根体积较对照升高，可见低浓度的盐碱胁迫对苗期的工业大麻生长具有一定的促进作用[17,19]，也说明工业大麻具有较强的盐碱耐受性，具有一定的盐碱地改良功能[12]。但随着盐碱胁迫强度的增加和生育时期的变化，均表现出不同程度的抑制作用。

图4 不同pH值的盐碱土对工业大麻叶片光合作用的影响Fig.4 Effects of saline-alkali soil with different pH values on photosynthesis of industrial hemp leaves

表3 火麻一号各指标间的相关性分析Table 3 Correlation analysis among indexes of Huoma No.1

表4 金刀-15各指标间的相关性分析Table 4 Correlation analysis among indexes of Jindao-15

表5 盐碱胁迫下工业大麻各指标的主成分综合得分Table 5 The comprehensive scores of principal components of various characters in industrial hemp under saline-alkali stress

3.2 盐碱胁迫对工业大麻生理特性的影响

植物受到逆境胁迫后，细胞膜透性增大、与抗性相关的酶和渗透调节物质的含量也会升高[20-21]。本研究发现，在同一生育时期，随着土壤盐碱程度的加剧，CAT和SOD升高；相同条件下，火麻一号的SOD活性高于金刀-15，表明拥有高活性SOD的品种往往具有更高的盐碱耐受性[22]。在同一生育时期，随着土壤盐碱程度的加剧，MDA含量显著升高，说明盐碱胁迫致使膜脂过氧化而产生更多的MDA[23]；相同条件下，盐碱耐受型品种的MDA含量升高幅度小于盐碱敏感型品种，该规律与甜菜和冬青的盐碱耐受性评价规律一致[21,24]。本研究表明，随着土壤盐碱程度的加剧，工业大麻根部Pro含量升高，说明通过积累较多的Pro能维持细胞渗透势，从而增强工业大麻适应盐碱胁迫的能力[25]。植物根系的渗透调节物质主要是有机溶质和无机酸盐两类。盐碱胁迫下，Na+通常会对K+产生拮抗作用[26]，随着Na+含量的升高，进而使得K+/Na+值降低。本研究发现，在同一生育时期，随着土壤盐碱程度的加剧，工业大麻根部的K+和Ca2+含量呈降低趋势，Na+含量呈升高趋势，该规律与张海军等[27]和颜佳倩等[28]发现的规律相似。相同条件下，盐碱耐受型品种的K+/Na+值较盐碱敏感型品种高，说明较高的K+/Na+值是工业大麻适应盐碱环境的方式之一[25,29]。

盐碱胁迫对植物叶绿素造成影响，进而影响植物的光合生理[30]。本研究表明随着土壤盐碱程度的加剧，叶片的光合指标呈下降趋势。但在苗期，轻度盐碱环境下，叶片的净光合速率和叶绿素含量高于对照[8,31]，叶面积和根体积也高于对照[32]，说明轻度盐碱胁迫在苗期对工业大麻具有一定程度的促进作用。

渗透调节能力越强，抗氧化酶活性越高的植物，对盐碱环境就具有更好的适应性[33-34]。本研究发现工业大麻的Pro、离子、CAT和SOD间具有显著的相关性，但随着盐碱胁迫程度的加剧，他们之间的相关性发生变化，说明不同盐碱耐受性品种在缓解盐碱对其造成伤害时的调节机制是不同的[13,35]。工业大麻根部CAT、SOD和Pro的综合得分随着土壤盐碱胁迫强度的增强呈上升趋势，且在盐碱胁迫条件下SOD综合得分最高，说明SOD在清除活性氧方面发挥主要作用[35]；随着土壤盐碱胁迫强度的增强，Ci的综合得分呈显著降低趋势，但Ci的综合得分高于其他光合指标，说明盐碱胁迫通过抑制气孔导度而抑制工业大麻的光合作用，下一步将结合气孔限制值、叶绿体活性等指标进一步分析盐碱土胁迫对工业大麻光合作用的影响[36]。

4 结 论

在盐碱环境下，工业大麻受到抑制作用随土壤pH值的上升而增加，当土壤pH值超过9.3时，工业大麻无法生长。土壤盐碱胁迫通过抑制气孔导度而抑制工业大麻光合作用，进而抑制工业大麻生长；根部通过积累较多Pro、提高SOD活性，增强工业大麻对盐碱环境适应性。通过分析不同盐碱耐受性品种的盐碱响应机制，为工业大麻耐盐碱性育种提供理论基础。