大麻在耐寒过程中的脂质组重塑


发布时间:

2025-04-23

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大麻(Cannabis sativa L.)是兼具药用和食用特性的传统作物,在全球范围内已被广泛用作食品、工业和药用资源。黑龙江省是中国两个合法公开种植大麻地区之一,该省的大麻幼苗易受冷害影响其产量和品质。冷害威胁植物生长,植物可通过冷适应抵御,其中脂质代谢和脂质重塑起重要作用。但目前在冷应激下形成这些特定脂质的机制及其在增强大麻耐寒性中的确切作用仍不清楚。本研究旨在通过生理生化、转录组和脂质组学分析,探究大麻在冷胁迫下的生理变化、脂质组成和代谢途径的改变,构建脂质代谢调控网络,为理解大麻冷胁迫响应机制提供理论基础,从而填补现有冷胁迫下大麻脂质重塑研究的空白。

 

研究人员选用“Long Dama No. 9”的大麻品种,待幼苗长至四对真叶时,部分置于 4℃环境下进行冷胁迫处理 1、3、5、7 天,以正常温度培养的幼苗为对照,实验测量植株光合荧光参数、植物形态、生理指标。同时取正常和冷胁迫 72 小时的幼苗样本进行转录组测序并分析。以及采用 MTBE 法提取脂质,经色谱分离和质谱检测分析脂质成分。
  
关键发现
生长受抑制:冷胁迫3 天后,大麻地上、地下部分干重和鲜重显著下降;7 天后,株高和根长明显缩短,表明冷胁迫抑制大麻生长和生物量积累。
 

图1.冷应激期间大麻的生长指数(A) 拍摄鲜重。(B) 射击干重。(行政长官)新鲜根重。(D) 根干重。(E) 株高。(F) 根长。星号 (*) 表示显著性水平为 0.05 时不同处理之间的显著差异。误差线表示具有标准误差 (SE) 的均值表型在实验的 0 、 1 、 3 、 5 和 7 天取

 

光合作用受损:通过多功能植物光合表型成像测量系统(PlantExplorer PRO+),研究人员发现在冷胁迫下,大麻叶片 Fv/Fm、Fq'/Fm' 和 ETR 下降,фNO增加,叶绿素含量降低,说明冷胁迫影响大麻光合作用,导致光捕获效率和电子传递效率下降,光损伤加剧。Fv/Fm和Fq′/Fm′显著下降,这可能有助于影响光能的初级转换和 PSII 的潜在活性,从而影响光合作用效率;冷应激降低了 ETR,表明激发能过高,损害了 PSII 反应中心,降低了它们的开放程度,并降低了电子转移效率。фNO 在冷胁迫后各时间点升高,意味着光化学能量转换用于光合电子传递不足和调节性热耗散机制也不足,可能导致 PSII 因电子过多而发生光抑制。

 

图2.冷应激期间大麻的叶绿素荧光参数(A) 冷应激下大麻的叶绿素荧光成像。图中不同的颜色代表荧光信号,强度指示器显示在右侧。(B) 冷胁迫对大麻幼苗荧光参数的影响。寒胁迫下大麻的光合参数。(B) 冷胁迫下大麻中 PSII (Fv/Fm) 的最大光化学效率。(C) PSII 在光下的光化学效率(Fq'/Fm')。(D) 电子传输速率(ETR)。(E) 不受调节的能量耗散的量子产率(фNO)

 
细胞膜受损伤:随着冷处理时间延长,大麻叶片相对电导率和MDA 含量上升,表明细胞膜透性增加,膜损伤加剧。同时,可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸含量增加,以调节细胞渗透压,保护细胞膜。
 

图3.测定冷胁迫下大麻的生理指标。(A) 叶绿素含量。(B) 冷胁迫下大麻种子的电解质泄漏百分比。(C) 冷应激下大麻的丙二醛 (MDA) 含量。(D) 可溶性蛋白含量。(E) 可溶性糖含量。(F) 脯氨酸含量。(G) 通过 3,3′-二氨基联苯胺 (DAB) 染色检测到的 ROS 积累。(H) H2O225°C(对照)、冷胁迫(4°C)下的大麻幼苗含量。(I) CAT 活动。(J) SOD 活性。(K) POD 活性

 
脂质发生重塑:半乳糖脂质(包括MGDG、DGDG 和 SQDG)是大麻叶片中的优势膜脂,占总膜脂成分的 70%。值得注意的是,冷应激处理后 3 d 在大麻叶组织中观察到一些脂质重塑。大麻叶片中 MGDG 含量下降,DGDG 和 SQDG 含量增加。部分磷脂(PA、PG、PS)含量上升,DAG 和 TAG 含量显著增加且 DAG与 TAG 比率下降。此外,部分膜脂分子种类发生变化,如 PA、PC、PE 中部分分子种类的含量改变,这些变化影响膜流动性和稳定性。
 

图4.全面分析大麻叶组织中冷诱导的脂质组学谱。(A) 寒冷胁迫下大麻叶片膜甘油脂的变化。MGDG,单半乳糖基单酰甘油;DGDG,二半乳糖基二酰基甘油;SQDG,磺基喹诺多糖基二酰基甘油;PA, 磷脂酸;PC,磷脂酰胆碱;PE, 磷脂酰乙醇胺;PG, 磷脂酰甘油;PI,磷脂酰肌醇;PS, 磷脂酰丝氨酸;TG,甘油三酯;LPC,溶血磷脂酰胆碱;LPE,溶血磷脂酰乙醇胺;LPG,溶血磷脂酰甘油。(B) 总脂质含量。(C) TAG 内容。(D) DAG 内容。大麻叶中 DAG/TAG (E)、PC/PE (F)、DGDG/MGDG (G)、(PC+PI)/(PE+PA) (H) 和 (DGDG+SQDG+PG)/MGDG (I) 比率的动力学 (mg/g)。相对含量水平表示为平均值±标准误差 (n = 3)。显著性水平由 Student的t 检验计算。* 表示该值与对照显著不同 (P < 0.05)

图5.MGDG (A)、DGDG (B)、SQDG (C)、PG (D)、PA (E)、PC (F)、PE (G) 和 PI (H) 分子种类的变化。显示的值是 SE ±均值 (n = 3)。显著性水平由 Student 的 t 检验计算。* 表示对照和治疗之间的显著差异 (P < 0.05)

 
差异表达基因变化:共筛选出732 个与脂质代谢途径相关的基因,主要富集在脂肪酸延长与蜡生物合成、氧化脂代谢、磷脂信号传导等途径。进一步分析发现,参与 TAG 合成、膜脂代谢、脂肪酸代谢等途径的关键基因显著上调,而参与脂肪酸延长的基因下调。此外,112 个转录因子差异表达,可能参与大麻耐寒调控。构建了冷胁迫下大麻脂质的新型代谢调控网络,发现冷胁迫下相关基因表达变化影响脂质代谢,如影响 MGDG、DGDG 等的合成,进而影响膜流动性和光合作用;同时,TAG 积累及相关代谢途径的激活有助于增强大麻耐寒性。
 

图6.京都基因与基因组百科全书 (KEGG) 和低温胁迫下的基因本体论 (GO) 富集分析。(A) KEGG 通路分析与饼图显示了在低温胁迫下大麻叶转录组中鉴定的代谢相关 DEGs 的分布。(B) 冷胁迫下大麻叶转录组脂质相关基因的功能分类。左列和右列分别代表上调和下调的基因。在每个类别中,绿色列表示 DEG 总数,红色列表示显著的 DEG (Log2FC≥1.5 或 ≤–1.5)。每个类别中的基因数显示在 x 轴上(上部 x 轴上的基因表示 Log2FC≥1.5 或 ≤–1.5 的 DEG)。(C) 冷应激下的 GO 富集分析

 
本研究中,PlantExplorer PRO+用于测量大麻幼苗的光合荧光参数。通过该仪器获取的叶绿素荧光成像,直观展现了大麻叶片光合能力的变化,像Fv/Fm、Fq'/Fm'、ETR、фNO等关键参数的测定结果,准确反映出冷胁迫对大麻光合作用的影响,包括光收集与吸收平衡被破坏、电子传递速率下降、非调节性能量耗散增加等,为判断冷胁迫对大麻光合作用系统的损害程度提供了量化依据,是评估大麻在冷胁迫下生理状态改变的重要数据来源,对深入研究大麻在冷胁迫下的响应机制起着关键作用。
 

本研究评估了低温胁迫下大麻的生理生化指标,以探讨其对大麻发育、光合系统和膜完整性的影响。以及可以为寒冷胁迫下的大麻脂质引入一种新的代谢调控网络,为理解大麻对寒冷条件的响应机制提供基本框架。

 

 
来 源

Bowei Yan, Chuanyi Chang, Yingnan Gu, et al. Lipidomic remodeling in Cannabis sativa L. under cold tolerance[J].Industrial Crops & Products, 2025, 224.DOI:10.1016/j.indcrop.2024.120346.

variate-independent tokenization, Plant Phenomics, https://doi.org/10.1016/j.plaphe.2025.100039.

 

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