利用基于人工智能的方法对藏红花（Crocus sativus L.）的生境适宜性进行建模，以支持其可持续的工业化栽培

《Industrial Crops and Products》：Modeling habitat suitability for saffron ( Crocus sativus L.) using AI-based approaches to support sustainable industrial cultivation

光调控对大麻光合作用、代谢及CBD产量的影响研究。通过分析不同蓝红光比例（B5:R5、B2:R8等）下，发现蓝光占比与CBD合成正相关（r=0.642），且B5:R5和B2:R8显著提升总CBD含量及花产量。生理参数显示PSAG、LHC2等光合相关基因表达增强与Vcmax提升（r=0.89）及淀粉合成酶活性升高（GBSS1、ISA2）显著相关。代谢组学证实TCA循环及糖酵解关键酶活性增强（IDH、SDHA），并关联到CBD生物合成基因（CBDAS、THCAS）表达上调。研究提出基于叶片光合参数（A、Vcmax、PSAG）和代谢酶活性（GBSS1、ISA2）预测花产量及CBD含量的新模型。

　　光是影响大麻种植的重要因素之一，它不仅影响光合作用，还对次生代谢产物的生成和光形态发生具有关键作用。尽管光在大麻生长中的重要性已被广泛认可，但不同光谱对叶片与花之间的代谢互动仍缺乏深入理解。本研究旨在评估不同光谱对大麻植物叶片和花的代谢相关性，以期为优化大麻栽培条件、提高大麻中大麻二酚（CBD）含量和花产量提供科学依据。

在实验中，研究人员对一种富含CBD的大麻植物进行了为期五周的16小时光照处理，随后将其转换为12小时光照，持续七周。结果显示，尽管不同光谱之间存在差异，但所有光谱条件下植物的生长情况相似。然而，总CBD含量和花产量在蓝光/红光比例为5:5和2:8的条件下显著提高。这表明特定的光谱比例可能对CBD的合成和积累具有促进作用。

基因表达分析显示，花朵中的大麻素生物合成和糖酵解途径与生长和CBD积累密切相关，但蓝光/红光比例为8:2的条件下，CBD/CBDA的比值显著高于其他处理。这表明，蓝光/红光比例对大麻素的合成和代谢可能具有独特的调控作用。同时，蓝光/红光比例为5:5和2:8的叶片中，与光合系统和柠檬酸循环相关的基因表达水平显著上升，这可能解释了这些条件下花产量和CBD含量的增加。

此外，花干重和总CBD含量与光合速率（r=0.89）、PSAG（r=0.68）和LHCA4基因表达（r=0.63）呈正相关。这些结果表明，叶片和花之间的代谢联系可能为预测环境因素对花中大麻素产量的影响提供有价值的参考。理解这种代谢联系对于优化大麻的栽培条件、提高其经济价值和药用价值具有重要意义。

### 研究背景

近年来，大麻因其独特的次生代谢产物——大麻素，在医学和休闲领域受到了广泛关注。大麻植物大致可分为两类：以四氢大麻酚（THC）为主的品种（俗称大麻）和以大麻二酚（CBD）为主的品种（俗称工业大麻）。不同国家对这两种大麻的分类可能有所不同，但其THC和CBD含量在不同品种中存在显著差异，从低于1%到超过25%不等。THC和CBD均具有一定的药理作用，其中THC具有精神活性，而CBD则具有非精神活性的治疗效果。

次生代谢产物的生成不仅受遗传背景的影响，还受到环境和农业条件的调控，包括光谱和强度、营养管理、种植材料、盐度、植物密度和植株结构等。例如，Baas和Wijnen（2023）的研究表明，当电导率（EC）超过一定阈值时，大麻植株的茎和花芽生物量会减少，尽管总THC和CBD浓度不受影响。营养成分的调控也对次生代谢产物的生成产生重要影响，如磷、钾和铁的补充能够提高THC的产量，这可能与能量传递和抗胁迫能力有关。此外，种植密度也会影响大麻的生长和代谢，高密度种植可以提高THC浓度，但会降低生物量；低密度种植则有助于提高干花产量和单位面积的总THC含量。种植介质对大麻的生长也有显著影响，如椰子纤维基质已被证明在大麻栽培中优于其他基质。

然而，过量的磷可能会增加花的生物量，但降低大麻素含量；而高氮水平则会将代谢途径转向富含氮的化合物，如叶绿素和氨基酸，从而抑制大麻素的积累。因此，为了最大化大麻的产量和大麻素含量，需要综合优化栽培参数。

### 材料与方法

本研究使用的植物材料为一种名为CBD Suranaree 11的大麻品种。该品种在泰国Suranaree大学技术农业研究所的温室中培养，随后转移到控制环境的室内生长箱中。实验设置包括六种不同的光谱处理：对照组（自然光）、蓝光/红光比例为5:5（B5:R5）、全光谱1（Full 1）、全光谱2（Full 2）、蓝光/红光比例为2:8（B2:R8）和蓝光/红光比例为8:2（B8:R2）。每种处理条件下，光照时间为16小时，强度为600 μmol m?2 s?1。在第五周，光照时间被调整为12小时。

为了评估植物的生理和代谢响应，研究人员采用了多种技术手段，包括电子显微镜（TEM）观察叶肉细胞的超微结构、气体交换测量（如光合速率、气孔导度、内部CO?浓度和蒸腾速率）、SPAD值和叶绿素荧光测量、RNA提取和基因表达分析、TCA循环酶活性分析以及代谢物分析。所有数据均通过统计分析方法进行处理，以确定不同光谱对植物生长和代谢产物生成的影响。

### 结果分析

研究结果表明，不同光谱对植物的形态和代谢产生了显著影响。例如，蓝光/红光比例为2:8（B2:R8）和5:5（B5:R5）的处理条件显著提高了花的产量和CBD含量，而蓝光/红光比例为8:2（B8:R2）则导致较高的CBD/CBDA比值。此外，B5:R5和B2:R8处理条件下，与光合系统和TCA循环相关的基因表达水平显著上升，这可能与光合效率和代谢产物生成的增加有关。

在光合速率和相关参数方面，B5:R5和B2:R8处理条件下的植物表现出更高的光合速率、气孔导度和内部CO?浓度，这可能与光合途径中关键酶的活性增强有关。同时，B2:R8处理条件下的植物在叶绿素荧光和SPAD值方面表现出较高的光合效率，这可能与其叶绿体结构和功能的变化有关。

此外，代谢物分析显示，B2:R8和B5:R5处理条件下，淀粉颗粒的数量和大小均显著增加，这可能与淀粉合成相关基因的表达增强有关。在花朵中，与大麻素生物合成和糖酵解相关的基因表达也显著上升，这表明特定的光谱处理能够有效促进大麻素的生成。

### 讨论

本研究的发现表明，特定的光谱比例对大麻的生长和代谢产物生成具有显著影响。蓝光和红光在植物生长和代谢调控中扮演着重要角色，其中蓝光可能促进某些次生代谢产物的生成，而红光则可能通过影响植物结构和代谢途径来提高花的产量。然而，不同光谱对植物的影响可能存在差异，这需要进一步研究以确定其具体机制。

此外，研究还发现，叶片的生理参数和基因表达水平可以作为预测花产量和CBD含量的潜在指标。例如，花干重和总CBD含量与光合速率、最大Rubisco羧化速率（Vc,max）、PSAG和LHCA4基因表达水平呈正相关。这些结果表明，通过监测叶片的生理状态，可以间接预测花的产量和CBD含量，从而为大麻栽培提供更高效的管理策略。

在实际应用中，这些发现可能对大麻的栽培实践产生深远影响。例如，通过调整光照条件，可以优化大麻的生长和代谢产物生成，从而提高其经济价值和药用价值。此外，研究还指出，光谱处理可能对不同大麻品种产生不同的影响，因此在实际应用中需要考虑品种特异性。

综上所述，本研究通过系统分析不同光谱对大麻生长和代谢产物生成的影响，为优化大麻栽培条件提供了科学依据。未来的研究可以进一步探讨光谱处理对大麻其他次生代谢产物（如萜类化合物）的影响，以期全面了解光谱对大麻代谢调控的作用机制。