等离子活化水、褪黑激素和纳米锌联合处理对 Cannabis sativa L. 生长和次生代谢产物产生的影响
学术背景
工业大麻（Cannabis sativa L.）因其丰富的次生代谢产物，如大麻素、萜类化合物和类黄酮，在医药和工业领域具有广泛的应用价值。大麻素中的四氢大麻酚（THC）和大麻二酚（CBD）具有显著的药理活性，分别具有精神活性和抗炎、抗焦虑、神经保护等作用。然而，工业大麻的次生代谢产物产量受多种环境因素的影响，传统化学肥料的使用虽然能够提高产量，但可能对环境造成负面影响。因此，寻找一种绿色、高效的替代方法以优化工业大麻的生长和次生代谢产物产量成为研究热点。
近年来，等离子活化水（Plasma-Activated Water, PAW）、褪黑素（Melatonin, MT）和纳米氧化锌（Zinc Oxide Nanoparticles, ZnO-NPs）在植物生长调控和次生代谢产物积累方面显示出潜力。PAW通过产生活性氧和氮物种（RONS）促进植物生长和次生代谢产物的合成；MT作为一种植物激素，能够调节植物的生理和生化过程；ZnO-NPs则通过提高养分吸收和抗氧化酶活性来增强植物的生长和抗逆性。然而，这三种物质的联合作用对工业大麻的影响尚未被系统研究。因此，本研究旨在探讨PAW、MT和ZnO-NPs联合处理对工业大麻生长和次生代谢产物生产的影响。
论文来源
本论文由Hakimeh Oloumi、Fatemeh Nasibi、Zakie Poorsheikhali和Leila Malekpourzadeh共同完成，作者分别来自伊朗克尔曼先进技术研究生院生态学系和克尔曼沙希德巴霍纳尔大学生物学系。论文于2025年3月26日被接受，并发表在《Bionanoscience》期刊上，DOI为10.1007/s12668-025-01917-3。
研究流程
1. 实验设计与材料准备
本研究采用完全随机区组设计，在2023年于伊朗克尔曼先进技术研究生院的温室中进行。实验使用来自伊朗伊斯法罕Pakan Bazr公司的工业大麻品种“Mashhad”种子。种子经过次氯酸钠消毒后，在蒸馏水中浸泡24小时，随后播种于酸洗土壤中，深度为2厘米。温室条件设置为16小时光照和8小时黑暗，并使用完全营养溶液进行灌溉。
2. 等离子活化水（PAW）的制备与分析
PAW通过自制等离子反应器生成，反应器使用两个同轴圆柱电极，电极间距为5毫米，外电极作为电介质安装在Pyrex管表面。反应器通过高压直流脉冲（200 Hz）操作，气体流量由数字流量控制器调节，供应99%纯氧。PAW样品通过将蒸馏水暴露于等离子反应器中10分钟和20分钟制备。使用光谱仪（Avantes AvaSpec）和紫外光源（Bloorazma氘灯光源）测量PAW中活性氧物种的浓度。
3. MT、ZnO-NPs和PAW的处理
当植株长出3-4片叶子时，将植株分为两组：一组喷洒12 ppm的MT，另一组使用蒸馏水作为对照。MT处理每隔5天进行一次，共三次。随后，每组植株分别接受0、5和10 ppm的ZnO-NPs处理，以及10分钟和20分钟的PAW处理。PAW和ZnO-NPs的处理也每隔5天进行一次，持续两周。
4. 生长和生理参数的测量
在植株收获后，测量植株的根长、茎长、鲜重和干重。叶片相对含水量（RWC）通过浸泡法测定，膜稳定性指数（MSI）通过电导法测量。总叶绿素含量使用便携式叶绿素计（SPAD-502+）测定。
5. 次生代谢产物的分析
酚类化合物和类黄酮含量分别通过Folin-Ciocâlteu试剂法和铝氯化物比色法测定。生物碱含量通过乙醇/乙酸提取法测定。CBD和THC含量通过高效液相色谱法（HPLC）测定。
主要结果
1. 生长参数的显著提升
联合处理显著提高了工业大麻的根长、茎长、鲜重和干重。MT、10分钟PAW和5 ppm ZnO-NPs处理使根长增加了184%，而MT、20分钟PAW和10 ppm ZnO-NPs处理使茎长和茎干重分别增加了79%和81%。
2. 生理参数的改善
20分钟PAW处理使叶片相对含水量（RWC）增加了32%，膜稳定性指数（MSI）提高了25%。MT与5 ppm ZnO-NPs联合处理使总叶绿素含量增加了44%。
3. 次生代谢产物的增加
MT与20分钟PAW处理使总酚类化合物增加了65%，而10分钟PAW与10 ppm ZnO-NPs处理使生物碱含量增加了86%。CBD和THC含量也显著提高，其中MT与10分钟PAW和5 ppm ZnO-NPs联合处理使THC含量达到最高。
结论
本研究表明，PAW、MT和ZnO-NPs的联合处理能够协同促进工业大麻的生长和次生代谢产物的生产。这种联合处理不仅显著提高了植株的生理参数，还大幅增加了次生代谢产物的含量，特别是CBD和THC。研究结果为工业大麻的绿色高效栽培提供了新思路，具有重要的农业和医药应用价值。
研究亮点
- 协同效应：首次系统研究了PAW、MT和ZnO-NPs联合处理对工业大麻的影响，揭示了三种物质的协同作用。
- 绿色高效：提供了一种替代传统化学肥料的绿色方法，具有显著的环境友好性。
- 次生代谢产物优化：显著提高了工业大麻中CBD和THC的含量，为医药应用提供了高质量原料。
其他有价值的信息
本研究的局限性在于仅在温室条件下进行，未来需要在田间试验中进一步验证结果。此外，研究仅关注了叶片，未来可以扩展到其他组织如茎、花和种子，以全面评估联合处理的效果。