除草剂胁迫下大麻次生代谢重塑的分子机制解析：基于代谢组学与THC合成酶抑制研究

本研究针对除草剂漂移对药用大麻品质的威胁，通过分析草甘膦（glyphosate）和灭草喹（metribuzin）对Cannabis sativa的生理生化影响，结合GC-MS代谢组学和分子对接技术，首次揭示两种除草剂通过差异化抑制四氢大麻酚酸合成酶（THCA synthase）活性，降低Δ9-THC产量（glyphosate阻断通道入口，metribuzin竞争性占据底物结合位点），同时诱导新型大麻素（如cannabidivarol/CBDV）生成，为大麻规范化种植及次生代谢调控提供分子靶点。

　　

论文解读

研究背景与意义

工业大麻（Cannabis sativa L.）作为高价值经济作物，在医药、纺织和化妆品领域应用广泛，全球市场预计2030年将突破4440亿美元。然而，大麻种植面临除草剂漂移的严峻威胁——草甘膦（glyphosate）和灭草喹（metribuzin）作为全球常用除草剂，虽能有效控草，却可能通过非靶向效应干扰大麻生长及药用成分合成。此前研究证实，盐胁迫、营养缺乏等逆境会改变大麻素谱，但除草剂对大麻次生代谢通路的调控机制尚未阐明，这严重制约了标准化种植与药用成分质量控制。

为解决这一关键问题，印度Lovely Professional University的研究团队开展了一项创新研究，通过整合生理生化分析、代谢组学和计算生物学技术，系统解析除草剂胁迫对大麻代谢网络的影响，成果发表于《Journal of Cannabis Research》。

关键技术方法

研究采用多维度技术路线：

1. 生理指标检测：设置草甘膦（0.31–2.47 L/ha）与灭草喹（92.75–742 g/ha）梯度浓度处理组，测定鲜重、干重、相对含水量（RWC）、光合色素（叶绿素a/b、类胡萝卜素）及花青素含量；
2. 生化分析：评估蛋白质、糖类（蔗糖/碳水化合物）、抗氧化酶（POD、CAT）活性及脂质过氧化标志物MDA水平；
3. 代谢组学：通过甲醇提取结合GC-MS技术分析叶片次生代谢物谱，重点关注大麻素（THC、CBDV等）和脂肪酸衍生物；
4. 计算模拟：基于密度泛函理论（DFT）优化配体结构，利用分子对接（Autodock 4.2）探究除草剂与THC合成酶（PDB 3VTE）的相互作用机制。

研究结果

1. 形态生理与初级代谢显著受损

高浓度除草剂（T4组）导致鲜重/干重降低30%以上，RWC下降至28.6%（灭草喹）和30.3%（草甘膦）。光合色素呈剂量依赖性抑制：草甘膦T4组叶绿素总量减少2.95倍（图2），因EPSPS（5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase）抑制阻断质体醌合成，间接影响类胡萝卜素生成；灭草喹则通过结合D1蛋白阻断电子传递，引发单线态氧积累，导致光氧化损伤。

2. 次级代谢通路重编程

GC-MS代谢谱分析揭示：

• 脂肪酸合成：草甘膦胁迫下十六碳烯酸等脂肪酸相对峰面积增加1.5倍，而灭草喹抑制能量依赖的脂质合成途径，导致脂肪酸减少；
• 大麻素谱改变：对照组未检出的新型大麻素（如cannabidivarol/CBDV、cannabidiol/CBD）在除草剂处理组出现，草甘膦T1组CBDV峰面积达6.2%；
• THC抑制机制：草甘膦T4组Δ⁹-THC峰面积降至9.33%，灭草喹T4组进一步降至7.9%，分子对接证实二者通过差异化位点抑制THC合成酶活性（见下图）。

3. 分子对接揭示THC合成抑制靶点