赵越，王晓楠，孙宇峰，曹焜，韩承伟，姜颖，韩喜财，张晓艳，边境

(黑龙江省科学院大庆分院，黑龙江 大庆 163319)

中国纺织工业已将科技、时尚和绿色定位为产业发展方向。工业大麻韧皮纤维作为人类最先开始使用的纤维之一，具有天然抑菌除臭、抗紫外线、防静电和吸湿透气等特性，符合产业发展方向。2018年以工业大麻为基础的全球纺织品市场价值为10.8亿美元，预计2023年市场规模将达到22.5亿美元[1]。在中国，2017年纺织纤维占工业大麻总产值的76%[1]，中国工业大麻纺织产品在全球工业大麻市场上具有相对强大的竞争力。为了继续保持这种优势，对纺织原料的要求越来越高，纺织工业要求最适宜的纤维应该具有如下特征：纤维素含量高；木质化程度低；细胞壁结构成分与果胶之间的交联度低[2]。国外的品种趋向于以籽实产量为主，其纤维原料主要用于复合材料或建筑等领域，对纤维品质要求不高；而国内的品种在纤维品质上略胜一筹，但产量却不高。因此，市场迫切需要兼顾高产及优质的工业大麻品种。采用分子辅助育种可极大加快育种进程，但需要预先了解调控作物目标农艺性状的关键基因。测序技术、生物信息学等现代分子生物学技术的发展推进了性状相关基因的挖掘。本文将对工业大麻纤维产量、品质影响因素及相关功能基因研究进展进行总结，旨在为工业大麻纤维产量及品质调控机制的研究和分子育种提供理论依据。

1 工业大麻纤维的结构与成分

工业大麻茎秆可以分为韧皮部和秆芯两部分，韧皮部位于茎秆表皮部，纺织纤维主要来源于此，包括初生纤维和次生纤维。工业大麻品种火麻一号(黑龙江省科学院大庆分院提供)显微结构如图1所示。初生纤维长度在20～50 mm，次生纤维长度在2 mm左右[3]，初生纤维的品质较好，秆芯中含有的纤维木质化程度较高。从茎的顶部到底部，韧皮纤维的次生细胞壁逐渐变厚。工业大麻韧皮纤维主要成分包括纤维素、果胶、木质素、半纤维素、脂蜡质和灰分等。

注：A.初生纤维；B.次生纤维；C.形成层；D.木质部图1 火麻一号茎横切4倍显微图Fig.1 4-fold microscopic from stem crosscutting of fire No.1

Blake等[4]对工业大麻茎的韧皮纤维细胞壁多聚物进行了原位杂交分析，发现纤维细胞初生细胞壁和次级细胞壁中含有的糖的种类不同，这可能解释了初生纤维和次生纤维产生差异的原因。韧皮纤维有多层次级和第三级(凝胶状)细胞壁，不同类型的分生组织形成初级和次级韧皮部纤维，次生纤维比初生纤维有更厚的次级细胞壁层，这也更进一步解释了初生和次生纤维的差别[5]。

在不考虑环境因素和基因型的条件下，植物纤维产量和品质由三个阶段调控，纤维发育起始阶段决定纤维类型和个体纤维细胞数量；纤维伸长阶段决定了纤维的长度和宽度，影响纤维束的形成和结构；纤维细胞壁加厚阶段影响纤维强度和机械性能[6]。

结构决定性能，已有研究[7]表明工业大麻韧皮纤维间木质素的高聚合度使得工业大麻纤维具有耐腐蚀性，但相对较高的木质素含量和纤维单纤较短使得工业大麻纤维粗、硬及难于纺纱，不易与棉、毛和纱等其他纺织原料混纺，纺织原料市场亟须产量高且具有高纤维素含量、低木质素含量和长单纤长度的优质品种。

2 工业大麻纤维产量和品质的影响因素

工业大麻纤维产量及品质受品种选择(基因)、播种栽培(播期、密度和行距)、田间管理(自然环境与人为措施，包括水肥光温的管理和收获等)及收获后处理等诸多因素的影响。

品种是影响纤维产量和品质的首要因素，潘冬梅等[8]对3个工业大麻品种在黑龙江大庆地区引种的试验表明，不同品种的产量及品质差异很大；孔佳茜等[9]的研究表明，不同品种即使在相同的栽培条件下产量差异也很显著。Musio等[10]对2个青茎品种和2个黄茎品种进行比较，发现黄茎品种的清棉效率和出麻率都高于青茎品种，黄茎品种更适宜作为纤用品种。

播种期改变工业大麻生育期长短，对产量造成影响，Westerhuis等[11]研究认为播期对纤维大麻的纤维/木质比例没有影响，曹焜等[12]研究播种期对工业大麻纤维产量的影响，发现不同品种最适播期不同。较高的植株密度条件下，植株间的竞争导致植株的自疏作用会降低茎的产量和品质。Werf等[13]的研究表明，随着密度的增加，茎秆的韧皮纤维含量增加，茎秆品质提高，当初始种植密度达到90株/m2时，植株开始因自疏作用而死亡，此时茎秆产量达到最高值，之后随着种植密度增加，茎秆的韧皮纤维含量开始减少，产量与最佳种植密度之间的关系可用麻类自疏线性方程近似表示。Lisson等[14]的研究表明大麻茎和纤维产量随着播种的推迟而下降，初始种植密度对纤维含量的影响并不显著，但响应回归分析表明，随初始密度的增加纤维含量呈线性下降，这与Werf等[13]的研究结果有所差异，可能是由品种的选择及气候差异导致的。Amaducci等[15]研究发现在植株密度较低时，纤维成熟度更好且次生纤维的含量更高。高金虎等[16]对“晋麻1号”进行研究发现，密度和行距对工业大麻产量影响显著，不同行距设置下密度对产量影响表现不同。

光照等外界条件通过调控开花时间等重要农艺性状影响纤维产量和品质，工业大麻茎和纤维产量在雄株到达盛花期时达到最大，开花时间标志着次生纤维形成的起始时间点，之后随着植株成熟，木质化过程继续并加强，纤维素和果胶的沉积也会减少，导致沿茎的初生韧皮纤维层比例下降，次生韧皮纤维含量增加[17-18]。因此，在花期前后收获的植株纤维品质较好。Werf等[19]研究昼长对纤维产量和品质的影响，发现在24 h昼长条件下的大麻纤维含量较低。品种和播期会影响花期长短和开花时间，短的花期更利于植株发育一致便于收获，但是从发芽到开花的时间越短，工业大麻的产量就越低[20]。Hall等[21]研究了光周期对产量的影响，发现短光照导致早花，限制了工业大麻产量。随着光照时间的延长，收获时茎粗、植株高度、茎和根产量增加。从始花期开始养分更多地供应到花和种子的发育上，对茎、叶和根的养分供应较少，纤维大麻的茎产量与营养期持续时间呈正相关，因此营养期延长的晚熟品种茎秆产量最高。

Werf等[22]还研究了土壤氮素水平(80、200 kg/hm2)和行距(12.5、25、50 cm)对工业大麻产量和品质的影响，发现在高氮素水平下茎产量提高但纤维含量相对较低，在生长早期行距越大，茎秆产量越小。Aubin等[23]的研究则表明氮肥对纤维素和半纤维素含量的影响极其微小。杨阳等[24]以云麻5号为材料，发现低施氮量(50 kg/hm2)对大麻农艺性状改善作用明显，继续增加氮肥用量(最大用量150 kg/hm2)只对株高有影响。Westerhuis等[25]的研究表明，播种密度和收获时间对茎重的影响是间接的，大麻茎中纤维的含量几乎完全由茎的重量和位置决定，当植物生长时，增加的干物质以固定的方式分化成纤维和木质部，总纤维/木质比在茎的中部最高，在茎的基部和顶部都较低。单茎长纤维重随总纤维重增加，进而随茎重增加。长纤维/总纤维的比例在茎基部5 cm处最低，但在其他部位的比例相似。随着茎重增加，沤制后大麻的纤维百分比下降到一定数值后不再改变，这可能与品种特性有关，后续的研究表明植株重量影响次生纤维的形成[26]。

收获后的田间浸渍过程对于韧皮纤维的收获至关重要，该过程还会影响纤维的性能，如颜色、纤维素含量和纤维的结晶度。Mazian等[27]研究不同沤麻时间(最多9周)对始花期收获的工业大麻纤维成分、纤维结构、热性能和力学性能的影响，随着沤麻时间的延长，纤维颜色从青绿色变为灰色，纤维素组分的增加和结晶度的增加均可提高拉伸性能，随后Mazian等[28]分析了始花期、终花期和种子成熟期3个不同收获时期沤麻时间对纤维品质的差异影响，发现在始花期和终花期收获的纤维需要5周时间才能达到最高的机械性能，种子成熟期收获的纤维则只需要1周的时间，时间过长则会导致品质下降。Musio等[10]的研究证实了种子成熟期收获的大麻茎的复合材料的断裂强度低于开花期的大麻茎。这些研究都说明了采收时间和沤麻时间对纤维品质的形成至关重要，目前纤用工业大麻普遍在终花期即工艺成熟期收获，沤麻4周左右。

3 工业大麻纤维发育的候选相关基因

Guerriero等[29]对雌雄同株工业大麻韧皮纤维不同发育阶段进行了转录组分析，提供了不同茎长的转录指纹图谱，发现幼茎期控制细胞周期和光合作用的相关基因对韧皮纤维发育起主要作用，与次生代谢物如含吲哚的化合物及寡聚物生物合成有关的基因也有表达，还发现在较老的茎节部植物激素(生长素代谢和赤霉酸、脱落酸、茉莉酸的生物合成)相关基因、纤维素多糖沉积和木质化有关的基因表达量更高。大部分细胞壁相关基因主要在节间包括节点表达，在此部位纤维实现从伸长期到加厚期的转变。Behr等[30]对工业大麻节点进行基因表达分析发现，与纤维伸长相关基因(扩张素或特定束状阿拉伯半乳糖蛋白(FLAs))和次级细胞壁(SCW)沉积相关基因(CesAs，木质素生物合成)的表达谱证实了纤维伸长到增厚的转变过程，节点外部和内部的基因表达模式存在差异，特别是与单核酶/木质素生物合成途径有关的基因。值得注意的是，一些FLA基因(其在木本和草本物种中的作用才开始被关注)更多地表达在伸长组织中(如FLA6)，而其他基因则在经历SCW沉积的组织中表达上调(如FLA3)。后期对工业大麻茎部组织发育过程中与细胞壁相关的基因进行分析，发现在基部的秆芯组织中，与苯丙素生物合成和次级细胞壁纤维素合成酶有关的基因有更高水平的表达，三类过氧化物酶和参与木酚素生物合成的一个基因在伸长的节间高效表达[31]。

Broeck等[32]研究纤用大麻发育过程中韧皮组织与木质化组织的差异表达谱，发现在木质化组织中木质素生物合成基因和甲基化循环编码酶表达更高，在5种相关的代谢途径(磷酸戊糖途径、莽草酸途径、芳香氨基酸生物合成、木质素生物合成和单碳代谢)中基因表达上调，说明这些基因与木质素有直接或间接的联系，其中大部分基因也在韧皮纤维组织中表达，但表达量很低，编码阿拉伯半乳聚糖相关蛋白、脂质转移蛋白、脂肪氧合酶和内切木糖葡聚糖转移酶的基因能在工业大麻韧皮纤维组织中高效表达。

次生生长是影响工业大麻产量的重要因素之一。Koziel等[33]进行了两套微阵列试验，结果表明，大麻纤维改变的最佳靶基因为咖啡酸甲基转移酶Ⅱ(COMT2) 、阿魏酸5羟基化酶(F5H)和β-D半乳糖苷酶(BGAL)。Behr等[34]通过转录组学结合显微技术和激素分析确定了与大麻次生生长有关的大部分基因，发现了三个关键阶段：第一阶段的特征是初生细胞壁的沉积和重塑，涉及木葡聚糖(CSL)生物合成和修饰的几个基因(Ⅲ类过氧化物酶、扩张酶(expansins)、木葡聚糖内切转糖苷酶/水解酶(XTHs)和β-半乳糖苷酶)表达上调，这一阶段是通过较高生物活性的生长素调节上述基因的表达实现的；第二阶段次生韧皮纤维开始变厚，此时活性茉莉酸盐显著增加以及与次生生长相关的基因如薄壁基因(WAT1)和Wuschel相关同源框(WOX4)高表达；最后一个阶段对应于韧皮纤维的进一步增厚(伴随着纤维素、鼠糖醛酸- I和木聚糖的沉积)，伴随的是次生细胞壁纤维素合成酶(CesAs)的高表达，以及与单酚生物合成和木质素聚合有关基因(漆酶和Ⅲ类过氧化物酶)的高表达，此时的高脱落酸含量可能通过改变细胞骨架组织，特别是微管的方向来调节纤维发育。

4 总结与展望

工业大麻纤维不仅是优质的纺织原料，而且在建筑材料、汽车、卫生、新能源、化妆用品等行业有更广泛的应用前景[35-36]。因此培育出满足市场需求的专用型工业大麻是未来工业大麻品种选育的主要目标。针对纺织行业需要培育高产且纤维可纺性能优良的品种；针对建筑和汽车等行业需要培育茎秆产量高的品种；针对新能源领域需要培育生物质产量高的品种；针对医药和化妆用品等行业需要培育花叶产量高的品种；针对保健食品等行业需要培育籽粒产量高的品种。在单纯以收获纤维为目的的工业大麻生产中建议选择晚熟雌雄异株品种以较高密度种植；以获得种子为目的的生产中建议选择早熟雌雄异株品种适当减小密度；兼顾种子及纤维的生产中建议使用雌雄同株早熟或中熟的品种。获得理想纤维产量和品质需要根据品种选择合理的播期和密度、施氮量、收获期和沤麻时间，还需要根据品种不同特性进行配套栽培技术措施的研究。

目前，国内工业大麻遗传背景有限，为了提升品种特性，引进国外优异资源及进行诱变育种是目前改良种质的主要手段，应用分子辅助育种手段进行优异种质筛选及新品种培育可有效提高育种效率[37-38]，但前提是要充分了解工业大麻产量品质影响因素及性状调控关键基因，寻找与产量品质紧密相关的分子标记。

对工业大麻茎部不同发育阶段韧皮部、木质部和茎部节点进行研究，发现各阶段韧皮部细胞壁次生生长和木质素合成的茎发育相关调控基因，同时在韧皮纤维组织和韧皮部节点也发现了可以高效表达的基因，但总体上发现的基因较少且有些基因的功能还有待验证，并且目前的报道仅从纤维发育角度进行了研究，未见从影响品质及产量的表型性状出发发掘关键基因。Pedró等[39]的最新研究表明，大麻纤维品质的表型性状如大部分细胞壁成分(由纤维素和半纤维素衍生的单糖含量、木质素含量)、韧皮纤维含量和开花性状的遗传成分较大，且基因和环境因子互作程度低，广义遗传力值高，可见，从这些表型性状挖掘产量及品质控制关键基因具有可行性。此外，组学及测序技术[40-44]的发展也为关键功能基因的挖掘提供了必要的辅助手段，尤其是对植物群体多表型性状和大量基因型数据进行全基因组关联分析(GWAS)可加快性状基因定位及可用分子标记筛选。大麻再生体系的建立及大麻遗传转化已有报道[45-46]，可以对基因功能进行验证，但植株再生效率很低，如何建立植株高效再生体系及提高转化效率是未来工业大麻研究的重点之一。