《Plant Gene》：Genetic and phenotypic diversity in cannabis genotypes: insights from seed dimensions, mineral profiles, and Short Tandem Repeats (STR) markers
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本研究根据种子物理特性、矿物质组成和短串联重复（Short Tandem Repeats, STR）标记对大麻品种进行了鉴定。研究人员分析了11个大麻品种，包括地方品种Ladysmith Ugwayi wesiZulu（‘L1’）和Iswazi（‘L2’）、D
本研究根据种子物理特性、矿物质组成和短串联重复（Short Tandem Repeats, STR）标记对大麻品种进行了鉴定。研究人员分析了11个大麻品种，包括地方品种Ladysmith Ugwayi wesiZulu（‘L1’）和Iswazi（‘L2’）、Durban Poison（‘H1’）、Bergville Ugwayi wesiZulu（‘B1’）、Natal（‘B2’）和Iswazi（‘B3’）、Msinga Ugwayi wesiZulu（‘M1’）和Iswazi（‘M2’），以及商业品种‘Hemp’、‘Cherry bubble gum’（‘High-CBD’）和‘White Rhino’（‘High-THC’）。测量的物理性状包括种子长度、宽度、厚度、几何平均直径、表面积、长宽比和球度。遗传分析使用68个STR标记进行，而矿物质组成通过配备能量色散X射线（Energy-Dispersive X-ray, EDX）探测器的扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）进行评估。种子尺寸和表面积存在显著差异（p??0.05）。元素组成变化显著（p?**论文解读：大麻基因型的遗传与表型多样性研究**
**1. 研究背景**
大麻（*Cannabis sativa* L.）因人类长期选择性育种而展现出广泛的物理和化学多样性，全球已培育出超过700个品种。然而，由于精神活性化合物delta-9-四氢大麻酚（Δ9-THC）的法律限制，相关研究长期受阻，也导致了植物分类学争议。近年来，随着公众观念和立法框架的转变，大麻的药用和农业价值受到重视，品种鉴定成为优化临床利用和栽培实践的关键。传统分类基于化学型（如四氢大麻酚THC、大麻二酚CBD和大麻酚酸CBG的比例）或形态特征，但杂交品种的增多使单纯依赖形态学分类变得困难。种子基鉴定（如种子尺寸、矿物质谱和分子标记）提供了更可靠的替代方案。然而，目前对大麻品种的综合表征研究仍有限，尤其在南非背景下。因此，本研究旨在通过评估种子物理性状、短串联重复（STR）标记和矿物质组成，分析大麻品种的多样性，为育种计划和工业应用提供参考。
**2. 研究内容与结论**
研究人员对11个大麻品种（包括8个来自南非夸祖鲁-纳塔尔省的地方品种和3个商业品种）进行了全面表征。通过测量种子物理参数（长度、宽度、厚度、几何平均直径、表面积、球度和长宽比），利用扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDX）分析矿物质元素组成，并使用68个STR标记进行遗传分析。研究发现种子尺寸（如宽度、厚度、长度、几何平均直径和表面积）存在显著差异（p?
**3. 关键技术方法**
1. **种子物理性状测量**：使用150 mm数字游标卡尺测量种子长度、宽度和厚度，计算几何平均直径、表面积、球度和长宽比。
2. **矿物质元素分析**：采用配备能量色散X射线（EDX）探测器的扫描电子显微镜（SEM）对胚胎组织进行元素映射和定量分析，检测Al、C、Ca、Cl、Fe、K、Mg、O、P、S、Si等元素。
3. **STR标记分析**：从种子中提取DNA，使用68个STR标记进行多重PCR扩增，通过毛细管电泳进行片段分析，排除三个表现不佳的标记（CS1、D02-CANN1、ANUCS204）。
4. **样本来源**：地方品种采自南非夸祖鲁-纳塔尔省四个地区（Bergville、Hammersdale、Ladysmith和Msinga）；商业品种来自约翰内斯堡供应商（Durbanseedco、Grohydro (Pty) Ltd.和Nirvana Shop South Africa）。
**4. 研究结果**
**4.1 物理参数**
种子宽度、厚度、长度、几何平均直径和表面积存在显著差异（p?2），而‘M1’和‘B2’种子尺寸最小。球度和长宽比无显著差异。Pearson相关分析显示，厚度与长度正相关（r=0.71），宽度与长度和厚度强正相关（r=0.83, 0.91），几何平均直径与表面积、宽度、厚度和长度强正相关（r=0.97-1.00）。主成分分析（PCA）提取两个主成分，解释80.11%变异，PC1与宽度、厚度、表面积和几何平均直径正相关，PC2与球度和长宽比正相关。层级聚类将品种分为四组：Cluster 1（B2、B3、M1、L1）、Cluster 2（B1、M2、Hemp、High-CBD、H1）、Cluster 3（L2）、Cluster 4（High-THC）。
**4.2 矿物质元素组成**
SEM-EDX检测到C、O、K、P、Mg、Si、Ca、Cl、S、Fe、Al等元素，其中C（55.58-75.10 wt%）和O（23.79-42.82 wt%）为主。各品种元素含量差异显著（p<0.05）：K在‘High-CBD’、‘H1’、‘Hemp’和‘B3’中最高；Ca在‘M1’和‘L2’中最高；Si在‘B2’和‘L1’中最高；Fe在‘B1’和‘M2’中最高；Al在‘High-THC’中最高。Pearson相关分析显示，S与K（r=0.90）和P（r=0.83）正相关，P与K正相关（r=0.71），C与O（r=-0.98）和Cl（r=-0.61）负相关。PCA提取三个主成分，解释73.92%变异：PC1与C负相关，与Cl、K、S、Mg正相关；PC2与Al、P正相关，与O负相关；PC3与Ca正相关。层级聚类分为四组：Cluster 1（L2、High-THC、B2、Hemp、M2）、Cluster 2（H1）、Cluster 3（B3、High-CBD）、Cluster 4（B1、M1、L1）。
**4.3 短串联重复（STR）标记**
68个STR标记中，34个在扩增后成功分型，但部分标记因零变异或数据不可靠（如CS1、D02-CANN1、ANUCS204）被排除。Pearson相关分析显示，某些等位基因间存在完美正相关（如5159_1与5159_2，r=1.00）或完美负相关（如4910_1与ANUCS304_2、NH09_1、NH09_2，r=-1.00），表明紧密遗传连锁。品种间也存在强正相关（p<0.001），暗示遗传相似性。PCA提取六个主成分，前五个解释88.03%变异：PC1与部分等位基因正相关，与H09-CANN2_1等负相关；PC2与ANUCS303_1等正相关，与ANUCS301_1等负相关；PC3与ANUCS305_1.1等正相关，与3735_1负相关；PC4与9269_2等正相关；PC5与ANUCS203_1正相关。层级聚类分为四组：Cluster 1（M1、L2、B3、B1、L1）、Cluster 2（Hemp、High-CBD）、Cluster 3（High-THC）、Cluster 4（B2、H1、M2）。
**5. 讨论与结论**
**讨论部分**：物理性状差异提示种子尺寸对加工设备孔径设计的重要性，而矿物质组成随品种和土壤条件变化，钾、钙、铁、硅等元素分布差异影响营养品质。STR标记作为中性标记，虽能反映遗传多样性，但无法直接区分化学型（如‘High-CBD’、‘High-THC’或‘Hemp’），因其与大麻素生物合成基因无直接关联。结合功能基因标记（如THCAS和CBDAS基因测序）或代谢谱可增强化学型区分能力。各聚类分析（基于物理性状、矿物质组成和STR标记）结果不一致，表明品种多样性复杂，需综合多参数进行鉴定。
**结论部分**：物理参数（尤其‘M1’和‘B2’）对于确定加工中合适孔径大小及表征不规则形状种子至关重要，强调品种特异性设备设计需求，并为旨在优化种子性状的育种计划提供见解。钾、钙、铁、铝和硅是主要宏量元素，其分布因品种而异，理解这些变异对优化栽培实践和加工技术、促进高品质大麻产品开发至关重要。某些等位基因间的强相关表明紧密遗传连锁，强调理解大麻品种间遗传关系的重要性。总体而言，相关分析显示品种间相似性，但基于矿物质组成的聚类与基于物理性状的聚类不同，STR标记也产生不同分组，表明这些特征间存在复杂关系。因此，根据所测参数无法将地方品种分类为‘High-CBD’、‘High-THC’或‘Hemp’。建议进一步研究开发并验证基于STR系统的大麻种子品种特异性鉴定技术。鉴于STR为中性标记，未来应探索整合STR标记与功能基因标记或代谢谱，以实现更稳健的化学型区分，并支持开发大麻特异性功能标记。
