趙越，王曉楠，孫宇峰，曹焜，韓承偉，姜穎，韓喜財(cái)，張曉艷，邊境

(黑龍江省科學(xué)院大慶分院，黑龍江 大慶 163319)

中國(guó)紡織工業(yè)已將科技、時(shí)尚和綠色定位為產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。工業(yè)大麻韌皮纖維作為人類最先開(kāi)始使用的纖維之一，具有天然抑菌除臭、抗紫外線、防靜電和吸濕透氣等特性，符合產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。2018年以工業(yè)大麻為基礎(chǔ)的全球紡織品市場(chǎng)價(jià)值為10.8億美元，預(yù)計(jì)2023年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到22.5億美元[1]。在中國(guó)，2017年紡織纖維占工業(yè)大麻總產(chǎn)值的76%[1]，中國(guó)工業(yè)大麻紡織產(chǎn)品在全球工業(yè)大麻市場(chǎng)上具有相對(duì)強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。為了繼續(xù)保持這種優(yōu)勢(shì)，對(duì)紡織原料的要求越來(lái)越高，紡織工業(yè)要求最適宜的纖維應(yīng)該具有如下特征：纖維素含量高；木質(zhì)化程度低；細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)成分與果膠之間的交聯(lián)度低[2]。國(guó)外的品種趨向于以籽實(shí)產(chǎn)量為主，其纖維原料主要用于復(fù)合材料或建筑等領(lǐng)域，對(duì)纖維品質(zhì)要求不高；而國(guó)內(nèi)的品種在纖維品質(zhì)上略勝一籌，但產(chǎn)量卻不高。因此，市場(chǎng)迫切需要兼顧高產(chǎn)及優(yōu)質(zhì)的工業(yè)大麻品種。采用分子輔助育種可極大加快育種進(jìn)程，但需要預(yù)先了解調(diào)控作物目標(biāo)農(nóng)藝性狀的關(guān)鍵基因。測(cè)序技術(shù)、生物信息學(xué)等現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展推進(jìn)了性狀相關(guān)基因的挖掘。本文將對(duì)工業(yè)大麻纖維產(chǎn)量、品質(zhì)影響因素及相關(guān)功能基因研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，旨在為工業(yè)大麻纖維產(chǎn)量及品質(zhì)調(diào)控機(jī)制的研究和分子育種提供理論依據(jù)。

1 工業(yè)大麻纖維的結(jié)構(gòu)與成分

工業(yè)大麻莖稈可以分為韌皮部和稈芯兩部分，韌皮部位于莖稈表皮部，紡織纖維主要來(lái)源于此，包括初生纖維和次生纖維。工業(yè)大麻品種火麻一號(hào)(黑龍江省科學(xué)院大慶分院提供)顯微結(jié)構(gòu)如圖1所示。初生纖維長(zhǎng)度在20～50 mm，次生纖維長(zhǎng)度在2 mm左右[3]，初生纖維的品質(zhì)較好，稈芯中含有的纖維木質(zhì)化程度較高。從莖的頂部到底部，韌皮纖維的次生細(xì)胞壁逐漸變厚。工業(yè)大麻韌皮纖維主要成分包括纖維素、果膠、木質(zhì)素、半纖維素、脂蠟質(zhì)和灰分等。

注：A.初生纖維；B.次生纖維；C.形成層；D.木質(zhì)部圖1 火麻一號(hào)莖橫切4倍顯微圖Fig.1 4-fold microscopic from stem crosscutting of fire No.1

Blake等[4]對(duì)工業(yè)大麻莖的韌皮纖維細(xì)胞壁多聚物進(jìn)行了原位雜交分析，發(fā)現(xiàn)纖維細(xì)胞初生細(xì)胞壁和次級(jí)細(xì)胞壁中含有的糖的種類不同，這可能解釋了初生纖維和次生纖維產(chǎn)生差異的原因。韌皮纖維有多層次級(jí)和第三級(jí)(凝膠狀)細(xì)胞壁，不同類型的分生組織形成初級(jí)和次級(jí)韌皮部纖維，次生纖維比初生纖維有更厚的次級(jí)細(xì)胞壁層，這也更進(jìn)一步解釋了初生和次生纖維的差別[5]。

在不考慮環(huán)境因素和基因型的條件下，植物纖維產(chǎn)量和品質(zhì)由三個(gè)階段調(diào)控，纖維發(fā)育起始階段決定纖維類型和個(gè)體纖維細(xì)胞數(shù)量；纖維伸長(zhǎng)階段決定了纖維的長(zhǎng)度和寬度，影響纖維束的形成和結(jié)構(gòu)；纖維細(xì)胞壁加厚階段影響纖維強(qiáng)度和機(jī)械性能[6]。

結(jié)構(gòu)決定性能，已有研究[7]表明工業(yè)大麻韌皮纖維間木質(zhì)素的高聚合度使得工業(yè)大麻纖維具有耐腐蝕性，但相對(duì)較高的木質(zhì)素含量和纖維單纖較短使得工業(yè)大麻纖維粗、硬及難于紡紗，不易與棉、毛和紗等其他紡織原料混紡，紡織原料市場(chǎng)亟須產(chǎn)量高且具有高纖維素含量、低木質(zhì)素含量和長(zhǎng)單纖長(zhǎng)度的優(yōu)質(zhì)品種。

2 工業(yè)大麻纖維產(chǎn)量和品質(zhì)的影響因素

工業(yè)大麻纖維產(chǎn)量及品質(zhì)受品種選擇(基因)、播種栽培(播期、密度和行距)、田間管理(自然環(huán)境與人為措施，包括水肥光溫的管理和收獲等)及收獲后處理等諸多因素的影響。

品種是影響纖維產(chǎn)量和品質(zhì)的首要因素，潘冬梅等[8]對(duì)3個(gè)工業(yè)大麻品種在黑龍江大慶地區(qū)引種的試驗(yàn)表明，不同品種的產(chǎn)量及品質(zhì)差異很大；孔佳茜等[9]的研究表明，不同品種即使在相同的栽培條件下產(chǎn)量差異也很顯著。Musio等[10]對(duì)2個(gè)青莖品種和2個(gè)黃莖品種進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)黃莖品種的清棉效率和出麻率都高于青莖品種，黃莖品種更適宜作為纖用品種。

播種期改變工業(yè)大麻生育期長(zhǎng)短，對(duì)產(chǎn)量造成影響，Westerhuis等[11]研究認(rèn)為播期對(duì)纖維大麻的纖維/木質(zhì)比例沒(méi)有影響，曹焜等[12]研究播種期對(duì)工業(yè)大麻纖維產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)不同品種最適播期不同。較高的植株密度條件下，植株間的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致植株的自疏作用會(huì)降低莖的產(chǎn)量和品質(zhì)。Werf等[13]的研究表明，隨著密度的增加，莖稈的韌皮纖維含量增加，莖稈品質(zhì)提高，當(dāng)初始種植密度達(dá)到90株/m2時(shí)，植株開(kāi)始因自疏作用而死亡，此時(shí)莖稈產(chǎn)量達(dá)到最高值，之后隨著種植密度增加，莖稈的韌皮纖維含量開(kāi)始減少，產(chǎn)量與最佳種植密度之間的關(guān)系可用麻類自疏線性方程近似表示。Lisson等[14]的研究表明大麻莖和纖維產(chǎn)量隨著播種的推遲而下降，初始種植密度對(duì)纖維含量的影響并不顯著，但響應(yīng)回歸分析表明，隨初始密度的增加纖維含量呈線性下降，這與Werf等[13]的研究結(jié)果有所差異，可能是由品種的選擇及氣候差異導(dǎo)致的。Amaducci等[15]研究發(fā)現(xiàn)在植株密度較低時(shí)，纖維成熟度更好且次生纖維的含量更高。高金虎等[16]對(duì)“晉麻1號(hào)”進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，密度和行距對(duì)工業(yè)大麻產(chǎn)量影響顯著，不同行距設(shè)置下密度對(duì)產(chǎn)量影響表現(xiàn)不同。

光照等外界條件通過(guò)調(diào)控開(kāi)花時(shí)間等重要農(nóng)藝性狀影響纖維產(chǎn)量和品質(zhì)，工業(yè)大麻莖和纖維產(chǎn)量在雄株到達(dá)盛花期時(shí)達(dá)到最大，開(kāi)花時(shí)間標(biāo)志著次生纖維形成的起始時(shí)間點(diǎn)，之后隨著植株成熟，木質(zhì)化過(guò)程繼續(xù)并加強(qiáng)，纖維素和果膠的沉積也會(huì)減少，導(dǎo)致沿莖的初生韌皮纖維層比例下降，次生韌皮纖維含量增加[17-18]。因此，在花期前后收獲的植株纖維品質(zhì)較好。Werf等[19]研究晝長(zhǎng)對(duì)纖維產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)在24 h晝長(zhǎng)條件下的大麻纖維含量較低。品種和播期會(huì)影響花期長(zhǎng)短和開(kāi)花時(shí)間，短的花期更利于植株發(fā)育一致便于收獲，但是從發(fā)芽到開(kāi)花的時(shí)間越短，工業(yè)大麻的產(chǎn)量就越低[20]。Hall等[21]研究了光周期對(duì)產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)短光照導(dǎo)致早花，限制了工業(yè)大麻產(chǎn)量。隨著光照時(shí)間的延長(zhǎng)，收獲時(shí)莖粗、植株高度、莖和根產(chǎn)量增加。從始花期開(kāi)始養(yǎng)分更多地供應(yīng)到花和種子的發(fā)育上，對(duì)莖、葉和根的養(yǎng)分供應(yīng)較少，纖維大麻的莖產(chǎn)量與營(yíng)養(yǎng)期持續(xù)時(shí)間呈正相關(guān)，因此營(yíng)養(yǎng)期延長(zhǎng)的晚熟品種莖稈產(chǎn)量最高。

Werf等[22]還研究了土壤氮素水平(80、200 kg/hm2)和行距(12.5、25、50 cm)對(duì)工業(yè)大麻產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)在高氮素水平下莖產(chǎn)量提高但纖維含量相對(duì)較低，在生長(zhǎng)早期行距越大，莖稈產(chǎn)量越小。Aubin等[23]的研究則表明氮肥對(duì)纖維素和半纖維素含量的影響極其微小。楊陽(yáng)等[24]以云麻5號(hào)為材料，發(fā)現(xiàn)低施氮量(50 kg/hm2)對(duì)大麻農(nóng)藝性狀改善作用明顯，繼續(xù)增加氮肥用量(最大用量150 kg/hm2)只對(duì)株高有影響。Westerhuis等[25]的研究表明，播種密度和收獲時(shí)間對(duì)莖重的影響是間接的，大麻莖中纖維的含量幾乎完全由莖的重量和位置決定，當(dāng)植物生長(zhǎng)時(shí)，增加的干物質(zhì)以固定的方式分化成纖維和木質(zhì)部，總纖維/木質(zhì)比在莖的中部最高，在莖的基部和頂部都較低。單莖長(zhǎng)纖維重隨總纖維重增加，進(jìn)而隨莖重增加。長(zhǎng)纖維/總纖維的比例在莖基部5 cm處最低，但在其他部位的比例相似。隨著莖重增加，漚制后大麻的纖維百分比下降到一定數(shù)值后不再改變，這可能與品種特性有關(guān)，后續(xù)的研究表明植株重量影響次生纖維的形成[26]。

收獲后的田間浸漬過(guò)程對(duì)于韌皮纖維的收獲至關(guān)重要，該過(guò)程還會(huì)影響纖維的性能，如顏色、纖維素含量和纖維的結(jié)晶度。Mazian等[27]研究不同漚麻時(shí)間(最多9周)對(duì)始花期收獲的工業(yè)大麻纖維成分、纖維結(jié)構(gòu)、熱性能和力學(xué)性能的影響，隨著漚麻時(shí)間的延長(zhǎng)，纖維顏色從青綠色變?yōu)榛疑?，纖維素組分的增加和結(jié)晶度的增加均可提高拉伸性能，隨后Mazian等[28]分析了始花期、終花期和種子成熟期3個(gè)不同收獲時(shí)期漚麻時(shí)間對(duì)纖維品質(zhì)的差異影響，發(fā)現(xiàn)在始花期和終花期收獲的纖維需要5周時(shí)間才能達(dá)到最高的機(jī)械性能，種子成熟期收獲的纖維則只需要1周的時(shí)間，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則會(huì)導(dǎo)致品質(zhì)下降。Musio等[10]的研究證實(shí)了種子成熟期收獲的大麻莖的復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度低于開(kāi)花期的大麻莖。這些研究都說(shuō)明了采收時(shí)間和漚麻時(shí)間對(duì)纖維品質(zhì)的形成至關(guān)重要，目前纖用工業(yè)大麻普遍在終花期即工藝成熟期收獲，漚麻4周左右。

3 工業(yè)大麻纖維發(fā)育的候選相關(guān)基因

Guerriero等[29]對(duì)雌雄同株工業(yè)大麻韌皮纖維不同發(fā)育階段進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組分析，提供了不同莖長(zhǎng)的轉(zhuǎn)錄指紋圖譜，發(fā)現(xiàn)幼莖期控制細(xì)胞周期和光合作用的相關(guān)基因?qū)g皮纖維發(fā)育起主要作用，與次生代謝物如含吲哚的化合物及寡聚物生物合成有關(guān)的基因也有表達(dá)，還發(fā)現(xiàn)在較老的莖節(jié)部植物激素(生長(zhǎng)素代謝和赤霉酸、脫落酸、茉莉酸的生物合成)相關(guān)基因、纖維素多糖沉積和木質(zhì)化有關(guān)的基因表達(dá)量更高。大部分細(xì)胞壁相關(guān)基因主要在節(jié)間包括節(jié)點(diǎn)表達(dá)，在此部位纖維實(shí)現(xiàn)從伸長(zhǎng)期到加厚期的轉(zhuǎn)變。Behr等[30]對(duì)工業(yè)大麻節(jié)點(diǎn)進(jìn)行基因表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)，與纖維伸長(zhǎng)相關(guān)基因(擴(kuò)張素或特定束狀阿拉伯半乳糖蛋白(FLAs))和次級(jí)細(xì)胞壁(SCW)沉積相關(guān)基因(CesAs，木質(zhì)素生物合成)的表達(dá)譜證實(shí)了纖維伸長(zhǎng)到增厚的轉(zhuǎn)變過(guò)程，節(jié)點(diǎn)外部和內(nèi)部的基因表達(dá)模式存在差異，特別是與單核酶/木質(zhì)素生物合成途徑有關(guān)的基因。值得注意的是，一些FLA基因(其在木本和草本物種中的作用才開(kāi)始被關(guān)注)更多地表達(dá)在伸長(zhǎng)組織中(如FLA6)，而其他基因則在經(jīng)歷SCW沉積的組織中表達(dá)上調(diào)(如FLA3)。后期對(duì)工業(yè)大麻莖部組織發(fā)育過(guò)程中與細(xì)胞壁相關(guān)的基因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在基部的稈芯組織中，與苯丙素生物合成和次級(jí)細(xì)胞壁纖維素合成酶有關(guān)的基因有更高水平的表達(dá)，三類過(guò)氧化物酶和參與木酚素生物合成的一個(gè)基因在伸長(zhǎng)的節(jié)間高效表達(dá)[31]。

Broeck等[32]研究纖用大麻發(fā)育過(guò)程中韌皮組織與木質(zhì)化組織的差異表達(dá)譜，發(fā)現(xiàn)在木質(zhì)化組織中木質(zhì)素生物合成基因和甲基化循環(huán)編碼酶表達(dá)更高，在5種相關(guān)的代謝途徑(磷酸戊糖途徑、莽草酸途徑、芳香氨基酸生物合成、木質(zhì)素生物合成和單碳代謝)中基因表達(dá)上調(diào)，說(shuō)明這些基因與木質(zhì)素有直接或間接的聯(lián)系，其中大部分基因也在韌皮纖維組織中表達(dá)，但表達(dá)量很低，編碼阿拉伯半乳聚糖相關(guān)蛋白、脂質(zhì)轉(zhuǎn)移蛋白、脂肪氧合酶和內(nèi)切木糖葡聚糖轉(zhuǎn)移酶的基因能在工業(yè)大麻韌皮纖維組織中高效表達(dá)。

次生生長(zhǎng)是影響工業(yè)大麻產(chǎn)量的重要因素之一。Koziel等[33]進(jìn)行了兩套微陣列試驗(yàn)，結(jié)果表明，大麻纖維改變的最佳靶基因?yàn)榭Х人峒谆D(zhuǎn)移酶Ⅱ(COMT2) 、阿魏酸5羥基化酶(F5H)和β-D半乳糖苷酶(BGAL)。Behr等[34]通過(guò)轉(zhuǎn)錄組學(xué)結(jié)合顯微技術(shù)和激素分析確定了與大麻次生生長(zhǎng)有關(guān)的大部分基因，發(fā)現(xiàn)了三個(gè)關(guān)鍵階段：第一階段的特征是初生細(xì)胞壁的沉積和重塑，涉及木葡聚糖(CSL)生物合成和修飾的幾個(gè)基因(Ⅲ類過(guò)氧化物酶、擴(kuò)張酶(expansins)、木葡聚糖內(nèi)切轉(zhuǎn)糖苷酶/水解酶(XTHs)和β-半乳糖苷酶)表達(dá)上調(diào)，這一階段是通過(guò)較高生物活性的生長(zhǎng)素調(diào)節(jié)上述基因的表達(dá)實(shí)現(xiàn)的；第二階段次生韌皮纖維開(kāi)始變厚，此時(shí)活性茉莉酸鹽顯著增加以及與次生生長(zhǎng)相關(guān)的基因如薄壁基因(WAT1)和Wuschel相關(guān)同源框(WOX4)高表達(dá)；最后一個(gè)階段對(duì)應(yīng)于韌皮纖維的進(jìn)一步增厚(伴隨著纖維素、鼠糖醛酸- I和木聚糖的沉積)，伴隨的是次生細(xì)胞壁纖維素合成酶(CesAs)的高表達(dá)，以及與單酚生物合成和木質(zhì)素聚合有關(guān)基因(漆酶和Ⅲ類過(guò)氧化物酶)的高表達(dá)，此時(shí)的高脫落酸含量可能通過(guò)改變細(xì)胞骨架組織，特別是微管的方向來(lái)調(diào)節(jié)纖維發(fā)育。

4 總結(jié)與展望

工業(yè)大麻纖維不僅是優(yōu)質(zhì)的紡織原料，而且在建筑材料、汽車、衛(wèi)生、新能源、化妝用品等行業(yè)有更廣泛的應(yīng)用前景[35-36]。因此培育出滿足市場(chǎng)需求的專用型工業(yè)大麻是未來(lái)工業(yè)大麻品種選育的主要目標(biāo)。針對(duì)紡織行業(yè)需要培育高產(chǎn)且纖維可紡性能優(yōu)良的品種；針對(duì)建筑和汽車等行業(yè)需要培育莖稈產(chǎn)量高的品種；針對(duì)新能源領(lǐng)域需要培育生物質(zhì)產(chǎn)量高的品種；針對(duì)醫(yī)藥和化妝用品等行業(yè)需要培育花葉產(chǎn)量高的品種；針對(duì)保健食品等行業(yè)需要培育籽粒產(chǎn)量高的品種。在單純以收獲纖維為目的的工業(yè)大麻生產(chǎn)中建議選擇晚熟雌雄異株品種以較高密度種植；以獲得種子為目的的生產(chǎn)中建議選擇早熟雌雄異株品種適當(dāng)減小密度；兼顧種子及纖維的生產(chǎn)中建議使用雌雄同株早熟或中熟的品種。獲得理想纖維產(chǎn)量和品質(zhì)需要根據(jù)品種選擇合理的播期和密度、施氮量、收獲期和漚麻時(shí)間，還需要根據(jù)品種不同特性進(jìn)行配套栽培技術(shù)措施的研究。

目前，國(guó)內(nèi)工業(yè)大麻遺傳背景有限，為了提升品種特性，引進(jìn)國(guó)外優(yōu)異資源及進(jìn)行誘變育種是目前改良種質(zhì)的主要手段，應(yīng)用分子輔助育種手段進(jìn)行優(yōu)異種質(zhì)篩選及新品種培育可有效提高育種效率[37-38]，但前提是要充分了解工業(yè)大麻產(chǎn)量品質(zhì)影響因素及性狀調(diào)控關(guān)鍵基因，尋找與產(chǎn)量品質(zhì)緊密相關(guān)的分子標(biāo)記。

對(duì)工業(yè)大麻莖部不同發(fā)育階段韌皮部、木質(zhì)部和莖部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)各階段韌皮部細(xì)胞壁次生生長(zhǎng)和木質(zhì)素合成的莖發(fā)育相關(guān)調(diào)控基因，同時(shí)在韌皮纖維組織和韌皮部節(jié)點(diǎn)也發(fā)現(xiàn)了可以高效表達(dá)的基因，但總體上發(fā)現(xiàn)的基因較少且有些基因的功能還有待驗(yàn)證，并且目前的報(bào)道僅從纖維發(fā)育角度進(jìn)行了研究，未見(jiàn)從影響品質(zhì)及產(chǎn)量的表型性狀出發(fā)發(fā)掘關(guān)鍵基因。Pedró等[39]的最新研究表明，大麻纖維品質(zhì)的表型性狀如大部分細(xì)胞壁成分(由纖維素和半纖維素衍生的單糖含量、木質(zhì)素含量)、韌皮纖維含量和開(kāi)花性狀的遺傳成分較大，且基因和環(huán)境因子互作程度低，廣義遺傳力值高，可見(jiàn)，從這些表型性狀挖掘產(chǎn)量及品質(zhì)控制關(guān)鍵基因具有可行性。此外，組學(xué)及測(cè)序技術(shù)[40-44]的發(fā)展也為關(guān)鍵功能基因的挖掘提供了必要的輔助手段，尤其是對(duì)植物群體多表型性狀和大量基因型數(shù)據(jù)進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)可加快性狀基因定位及可用分子標(biāo)記篩選。大麻再生體系的建立及大麻遺傳轉(zhuǎn)化已有報(bào)道[45-46]，可以對(duì)基因功能進(jìn)行驗(yàn)證，但植株再生效率很低，如何建立植株高效再生體系及提高轉(zhuǎn)化效率是未來(lái)工業(yè)大麻研究的重點(diǎn)之一。