茉莉酸甲酯与壳聚糖纳米颗粒处理对田间大麻花序转录组及次生代谢产物的协同调控机制

本研究针对工业大麻(Cannabis sativa L.)次生代谢产物积累不足的问题，通过田间试验探究茉莉酸甲酯(MeJA)和壳聚糖纳米颗粒(CHT)对雌性花序的调控作用。研究发现10 mM MeJA处理显著提升成熟花序中酚类(+21.2%)、黄酮(+49.5%)、CBDA(+78.4%)及萜烯(+94.7%)含量，RNA-Seq分析揭示TALE和SQUAMOSA转录网络在代谢调控中的核心作用，为提升大麻药用价值提供新策略。

　　

工业大麻(Cannabis sativa L.)因其富含具有药用价值的次生代谢产物而备受关注，包括酚类、大麻素(cannabinoids)和萜烯(terpenes)等。这些化合物在雌性花序中含量通常低于1%干重，且在胁迫条件下会增加。然而，如何通过农业技术手段安全有效地提高这些高价值化合物的产量，仍是当前产业发展的关键瓶颈。传统栽培方法难以精准调控代谢通路，而纳米技术和植物激素的应用为这一领域带来新机遇。

为破解这一难题，Giulio Testone等研究团队在《Industrial Crops and Products》发表研究，首次在田间条件下系统评估了茉莉酸甲酯(MeJA)单独或封装于壳聚糖纳米颗粒(CHT)中对雌性大麻品种Tiborszallasi的调控效应。研究采用多组学整合分析策略，通过RNA-Seq转录组测序、加权基因共表达网络分析(WGCNA)和代谢物检测等技术，揭示了MeJA剂量依赖性诱导次生代谢的分子机制。

研究首先建立了标准化的田间试验体系。从米兰大学植物园种植的雌性大麻中，分别在花序发育早期(DS1)和成熟期(DS2)两个阶段，于处理后6小时(HT1)和6天(HT2)采集样本。实验设置1 mM和10 mM MeJA、壳聚糖纳米颗粒(CHT)以及负载1 mM MeJA的纳米颗粒(CHTMJ1)四种处理，以未处理组作为对照。

在生化特征分析部分，10 mM MeJA处理展现出显著效果。成熟花序(DS2)在HT2时间点表现出全面的代谢物提升：总酚含量(TPC)增加21.2%，总黄酮含量(TFC)提高49.5%，抗氧化活性(AA)增强43.7%，大麻二酚酸(CBDA)积累增加78.4%，总萜烯含量(TTC)激增94.7%。主成分分析(PCA)显示，代谢物变化主要受发育阶段和MeJA剂量双重影响。值得注意的是，壳聚糖纳米颗粒单独处理效果不显著，提示其在田间条件下的应用可能需要优化浓度和递送方式。

转录组分析揭示了MeJA的快速响应机制。在DS1阶段，10 mM MeJA处理后6小时即诱导15个JA通路标记基因表达，包括脂氧合酶(LOX)、丙二烯氧化物合成酶(AOS)和茉莉酸甲基转移酶(JMT)等关键基因。KEGG富集分析显示，早期响应主要涉及α-亚麻酸代谢和初级代谢重编程，而DS2阶段的响应则转向苯丙烷代谢和类黄酮生物合成通路。这些发现印证了MeJA通过"早期信号传导-晚期代谢重塑"的级联反应调控次生代谢的分子模式。

通过WGCNA和基因共表达网络(GCN)分析，研究团队鉴定出两个关键调控模块：与代谢物积累正相关的Midnightblue模块和负相关的Red模块。Midnightblue模块包含2141个基因，与CBDA含量呈现强正相关(r=0.63)，其中三酰基激活酶(AAE)基因家族成员尤为突出。CsAAE1(己酸激活酶)和CsAAE5在脂肪酸代谢中发挥核心作用，为理解大麻素前体供应提供了新视角。

更引人注目的是转录因子网络的发现。TALE家族转录因子(包括BLH1和KNAT3同源基因)首次被证实参与大麻花序发育与次生代谢的协同调控。这些转录因子与表皮毛发育标记基因高度共表达，形成了一个连接细胞分化与代谢活化的调控轴。与此同时，SQUAMOSA启动子结合蛋白样(SPL)转录因子则呈现相反的表达模式，暗示其在维持分生组织活性方面的拮抗作用。

该研究的创新价值主要体现在三个方面：首先，首次在田间条件下证实10 mM MeJA处理可安全有效地提升工业大麻药用成分含量，且四氢大麻酚酸(THCA)水平始终低于0.6%的法定限值；其次，发现脂肪酸生物合成通路而非传统认知的大麻素合成酶基因是大麻素积累的主要限速步骤；最后，鉴定出TALE-EIN3-SPL转录网络这一全新的调控枢纽，为分子育种提供了潜在靶点。

这些发现不仅为大麻栽培技术优化提供了理论依据，更重要的是揭示了植物发育程序与次生代谢的内在联系。随着全球工业大麻市场预计在2025年达到86亿美元规模，其中大麻二酚(CBD)领域年增长率高达16.93%，本研究提出的MeJA田间应用方案和分子调控机制，将为产业可持续发展提供重要技术支持。未来研究可进一步探索TALE转录因子在代谢工程中的应用价值，以及不同基因型对MeJA响应的差异机制。