نشریه جنگل و فرآورده های چوب

نشریه جنگل و فرآورده های چوب

ابعاد عرضی الیاف، نه طول آنها: عامل تمایز تیپ‌های I و III شاهدانه (Cannabis sativa)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکدة منابع طبیعی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران.
2 گروه علوم باغبانی و فضای سبز، دانشکدة کشاورزی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران.
10.22059/jfwp.2026.417612.1398
چکیده
مقدمه: شاهدانه یکی از مهم‌ترین گیاهان غیرچوبی است که علاوه بر کاربردهای دارویی و غذایی، به‌دلیل تولید الیاف پوستی باکیفیت در صنایع نساجی، کاغذسازی، کامپوزیت‌های زیست‌پایه و سایر صنایع مورد توجه قرار گرفته است. طبقه‌بندی شاهدانه معمولاً براساس ترکیبات کانابینوئیدی، به‌ویژه نسبت و مقدار تتراهیدروکانابینول (THC) و کانابیدیول (CBD)، انجام می‌شود و مطالعات ژنتیکی و مولکولی نیز به‌طور گسترده برای تفکیک تیپ‌های دارویی و فیبری به‌کار گرفته شده‌اند. با این حال، نقش ویژگی‌های آناتومیکی و زیست‌سنجی الیاف در تمایز این تیپ‌ها کمتر مورد توجه قرار گرفته است. از آنجا که ویژگی‌های زیست‌سنجی الیاف تأثیر مستقیمی بر کیفیت و عملکرد الیاف در محصولات مختلف دارند، شناخت تفاوت‌های احتمالی میان تیپ‌های دارویی و فیبری در ارزیابی ارزش صنعتی آنها اهمیت دارد. هدف این پژوهش بررسی و مقایسه ویژگی‌های زیست‌سنجی الیاف پوستی و چوبی در تیپ‌های I و III شاهدانه و تعیین صفات مؤثر در تمایز این دو گروه بود.
روش پژوهش: ده ژنوتیپ شاهدانه شامل پنج ژنوتیپ از تیپ I و پنج ژنوتیپ از تیپ III مورد بررسی قرار گرفتند. تیپ I شامل ژنوتیپ‌های غالب از نظر THC بود که عموماً برای مصارف دارویی و روان‌گردان شناخته می‌شوند، در حالی‌که تیپ III شامل ژنوتیپ‌های غالب از نظر CBD بود که از نظر ترکیب کانابینوئیدی به کنف صنعتی و فیبری شباهت بیشتری دارند. از هر ژنوتیپ، سه ساقه انتخاب شد و پس از جداسازی بخش پوست از چوب، نمونه‌ها با روش فرانکلین وابری شدند. ویژگی‌های زیست‌سنجی الیاف پوستی و چوبی شامل طول الیاف، پهنای الیاف، پهنای حفره و ضخامت دیوارة سلولی اندازه‌گیری شد. طول ساقه‌ها و ضخامت پوست آنها نیز اندازه‌گیری شدند. تحلیل داده‌ها با استفاده از مدل خطی آمیخته، آزمون‌های تی مستقل و من-ویتنی انجام شد. همچنین برای بررسی الگوهای کلی تغییرات صفات از تحلیل مؤلفه‌های اصلی، برای تعیین قدرت تفکیک صفات از تحلیل افتراقی خطی، و برای ارزیابی روابط بین متغیرها از ضریب همبستگی پیرسون استفاده شد. مقایسة بین الیاف پوستی و چوبی نیز با آزمون تی جفتی انجام گرفت.
یافته ­ها: از میان ده ویژگی مورد بررسی، تنها پهنای فیبر پوستی و ضخامت دیوارة فیبر پوستی بین دو گروه تفاوت آماری معنی‌دار داشتند. در هر دو مورد، مقادیر شاهدانه‌های تیپ I بیشتر از شاهدانه‌های تیپ III بود. در مقابل، تفاوت معنی‌داری در طول الیاف پوستی و چوبی، پهنای فیبر چوبی، پهنای حفره و ضخامت دیوارة الیاف چوبی، ارتفاع ساقه و ضخامت پوست مشاهده نشد. تحلیل مؤلفه‌های اصلی نشان داد که دو مؤلفة اول در مجموع بیش از ۵۲ درصد از واریانس داده‌ها را توضیح می‌دهند و تمایز نسبی میان دو گروه عمدتاً تحت تأثیر صفات عرضی الیاف قرار دارد. نتایج تحلیل افتراقی خطی نیز نشان داد که ضخامت دیواره، پهنای الیاف و پهنای حفرة الیاف، به‌ویژه در بخش چوبی ساقه، مهم‌ترین عوامل تفکیک‌کنندة تیپ‌های I و III هستند. تحلیل همبستگی نشان داد که ویژگی‌های الیاف پوستی و چوبی عمدتاً در درون هر گروه با یکدیگر همبستگی دارند و ارتباط بین این دو سامانه بافتی محدودتر است. مقایسة الیاف پوستی و چوبی نیز نشان داد که الیاف پوستی در هر دو گروه به‌طور معنی‌داری بلندتر و دارای دیوارة ضخیم‌تر هستند، در حالی‌که الیاف چوبی، به‌ویژه در تیپ III، حفره‌های بزرگ‌تری دارند.
نتیجه ­گیری: نتایج این پژوهش نشان داد که اگرچه تیپ‌های I و III شاهدانه از نظر برخی ویژگی‌های آناتومی قابل تفکیک هستند، اما میزان همپوشانی میان آنها قابل توجه است و تنها تعداد محدودی از صفات زیست‌سنجی تفاوت معنی‌دار نشان می‌دهند. مهم‌ترین یافتة پژوهش آن است که ویژگی‌های عرضی الیاف، شامل پهنای الیاف و ضخامت دیوارة سلولی، نقش اصلی را در تمایز تیپ‌های I و III ایفا می‌کنند، در حالی‌که طول الیاف، برخلاف انتظار، تفاوت معنی‌داری بین دو گروه ندارد. همچنین تفاوت‌های مشاهده‌شده میان الیاف پوستی و چوبی بیانگر نقش‌های عملکردی متفاوت این دو نوع بافت در ساقة شاهدانه است. این نتایج می‌تواند در برنامه‌های اصلاح نژاد، انتخاب ژنوتیپ‌های مناسب برای کاربردهای صنعتی و درک بهتر ارتباط میان ساختار و عملکرد الیاف شاهدانه مورد استفاده قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Cross-sectional fiber dimensions rather than fiber length distinguish fiber and drug types of Cannabis sativa

نویسندگان English

Najla Sharifi 1
Seyed Alireza Salami 2
Kambiz Pourtahmasi 1
Reza Oladi 1
1 Department of Wood and Paper Science and Technology, Faculty of Natural Resources, University College of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran.
2 Department of Horticultural Science, Faculty of Agricultural Science and Engineering, University College of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran.
چکیده English

Introduction: Hemp (Cannabis sativa L.) is one of the most important non-wood fiber crops. In addition to its medicinal applications, it has attracted considerable attention in the textile, papermaking, bio-based composite, and other industries because of its high-quality bast fibers. Hemp is commonly classified based on cannabinoid composition, particularly the content and ratio of tetrahydrocannabinol (THC) and cannabidiol (CBD), and genetic and molecular approaches have been widely used to distinguish drug and fiber chemotypes. However, the role of anatomical and fiber biometric characteristics in differentiating these types has received far less attention. Because fiber biometric traits directly influence fiber quality and performance in various end products, understanding potential differences between drug and fiber types is important for evaluating their industrial value. Therefore, this study aimed to investigate and compare the biometric characteristics of bast and xylem fibers in type I and type III hemps and to identify the traits contributing to their differentiation.
Method: Ten C. sativa genotypes, including five Type I and five type III genotypes, were examined. Type I genotypes were THC-dominant and are generally associated with medicinal and psychoactive uses, whereas Type III genotypes were CBD-dominant and more closely resemble industrial fiber hemp in terms of cannabinoid composition. Three stems were sampled from each type. After separating the bark from the woody core, the samples were macerated using Franklin’s method. Fiber biometric traits of bast and xylem fibers, including fiber length, fiber width, lumen width, and cell wall thickness, were measured. Stem height and bark thickness were also recorded. Data were analyzed using a linear mixed-effects model (LMM), independent t-tests, and Mann–Whitney tests. Principal component analysis (PCA) was used to investigate overall patterns of trait variation, linear discriminant analysis (LDA) was employed to assess the discriminatory power of the measured traits, and Pearson correlation analysis was conducted to evaluate relationships among variables. Comparisons between bast and xylem fibers were performed using paired t-tests.
Results: Among the ten examined traits, only bast fiber width and bast fiber wall thickness differed significantly between drug and fiber hemp types. In both cases, drug types exhibited higher values than fiber types. In contrast, no significant differences were observed in bast or xylem fiber length, xylem fiber width, lumen width, xylem fiber wall thickness, stem height, or bark thickness. Principal component analysis showed that the first two principal components explained more than 52% of the total variance, and the relative separation between the two groups was primarily associated with transverse fiber characteristics. Linear discriminant analysis further revealed that cell wall thickness, fiber width, and lumen width, particularly in xylem fibers, were the most important traits contributing to the differentiation of drug and fiber hemp types. Correlation analysis indicated that bast fiber traits and xylem fiber traits were more strongly correlated within their respective tissue systems than between them. Comparisons between bast and xylem fibers showed that bast fibers were significantly longer and had thicker cell walls in both groups, whereas xylem fibers, particularly in fiber hemp types, had larger lumens.
Conclusion: The results showed that although drug-type and fiber-type hemp can be distinguished based on certain anatomical characteristics, substantial overlap exists between them, and only a limited number of fiber biometric traits differ significantly. The most important finding of this study is that transverse fiber characteristics, particularly fiber width and cell wall thickness, play a greater role in differentiating drug and fiber hemp types than fiber length, which showed no significant difference between the two groups. Furthermore, the observed differences between bast and xylem fibers reflect their distinct functional roles within the hemp stem. These findings may contribute to breeding programs, the selection of suitable genotypes for industrial applications, and a better understanding of the relationship between fiber structure and performance in hemp.

کلیدواژه‌ها English

Bast fibers
Fiber biometry
Industrial hemp
Wood anatomy
[1] Piluzza, G., Delogu, G., Cabras, A., Marceddu, S. & Bullitta, S. (2013). Differentiation between fiber and drug types of hemp (Cannabis sativa L.) from a collection of wild and domesticated accessions. Genetic Resources and Crop Evolution, 60, 2331-2342. https://doi.org/10.1007/s10722-013-0001-5
[2] Salami, S. A., Martinelli, F., Giovino, A., Bachari, A., Arad, N. & Mantri, N. (2020). It is our turn to get cannabis high: Put cannabinoids in food and health baskets. Molecules, 25(18), Article 4036. https://doi.org/10.3390/molecules25184036
[3] Roman, M.G. & Houston, R. (2020). Investigation of chloroplast regions rps16 and clpP for determination of Cannabis sativa crop type and biogeographical origin. Legal Medicine, 47, Article 101759. https://doi.org/10.1016/j.legalmed.2020.101759
[4] Welling, M.T., Liu, L., Shapter, T., Raymond, C.A. & King, G.J. (2016). Characterisation of cannabinoid composition in a diverse Cannabis sativa L. germplasm collection. Euphytica, 208, 463-475. https://doi.org/10.1007/s10681-015-1585-y
[5] Hartsel, J. A., Eades, J., Hickory, B., & Makriyannis, A. (2016). Cannabis sativa and hemp. In R. C. Gupta (Ed.), Nutraceuticals: Efficacy, safety and toxicity (pp. 735-754). Academic Press. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-802147-7.00053-X
[6] Avoseh, F.T., Mtunzi, F.M., Avoseh, O.N. & Takaidza, S. (2025). Cannabis sativa; ethnobotanicals, classifications, pharmacology, and phytochemistry. Natural Product Communications, 20(6), 1934578X251334244. https://doi.org/10.1177/1934578X251334244
[7] Kojoma, M., Seki, H., Yoshida, S., & Muranaka, T. (2006). DNA polymorphisms in the tetrahydrocannabinolic acid (THCA) synthase gene in “drug-type” and “fiber-type” Cannabis sativa L. Forensic Science International, 159(2-3), 132-140. https://doi.org/10.1016/j.forsciint.2005.07.005
[8] Yu, Y., Wang, Q. & Wang, P. (2019). Bioprocessing of bast fibers. In M. A. H. M. Ali & M. J. A. M. M. (Eds.), Advances in textile biotechnology (pp. 1-19). Woodhead Publishing. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-102632-8.00001-3
[9] Mokhena, T.C., Mtibe, A., Mokhothu, T.H., Mochane, M.J. & John, M.J. (2023). A review on bast-fibre-reinforced hybrid composites and their applications. Polymers, 15(16), 3414. https://doi.org/10.3390/polym15163414
[10] Santos, C. M., Santos, T. F., Aquino, M. S., Rangappa, S. M., Siengchin, S. & Suyambulingam, I. (2024). Era of bast fibers-based polymer composites for replacement of man-made fibers. Heliyon, 10(8), Article e29761. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e29761
[11] Zimniewska, M. (2022). Hemp fibre properties and processing target textile: A review. Materials, 15(5), Article 1901. https://doi.org/10.3390/ma15051901
[12] Van der Werf, H.M.G., Van Der Veen, J.H., Bouma, A.T.M. & Ten Cate, M. (1994). Quality of hemp (Cannabis sativa L.) stems as a raw material for paper. Industrial Crops and Products, 2(3), 219-227. https://doi.org/10.1016/0926-6690(94)90039-6
[13] Ahmed, A., Islam, M.Z., Mahmud, M.S., Sarker, M.E. & Islam, M.R. (2022). Hemp as a potential raw material toward a sustainable world: A review. Heliyon, 8(1), Article e08753. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2022.e08753
[14] Ross, I. A. (2023). The history of Cannabis. In Plant-based therapeutics, Volume 1: Cannabis sativa (pp. 1-9). Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-031-35155-6_1
[15] Babaei, M., Nemati, H., Arouiee, H. & Torkamaneh, D. (2024). Characterization of indigenous populations of Cannabis in Iran: a morphological and phenological study. BMC Plant Biology, 24(1), Article 151. https://doi.org/10.1186/s12870-024-04841-y
[16] Mostafaei Dehnavi, M., Ebadi, A., Peirovi, A., Taylor, G. & Salami, S. A. (2022). THC and CBD fingerprinting of an elite Cannabis collection from Iran: Quantifying diversity to underpin future Cannabis breeding. Plants, 11(1), Article 129. https://doi.org/10.3390/plants11010129
[17] Babaei, M. & Torkamaneh, D. (2026). Genetic architecture of phenological, morphological, and phytochemical traits in Cannabis landraces. The Plant Genome, 19(2), Article e70243. https://doi.org/10.1002/tpg2.70243
[18] Malabadi, R.B., Kolkar, K.P. & Chalannavar, R.K. (2023). Cannabis sativa: Ethnobotany and phytochemistry. International Journal of Innovation Scientific Research and Review, 5(2), 3990-3998
[19] Cascini, F., Farcomeni, A., Migliorini, D., Baldassarri, L., Boschi, I., Martello, S., Amaducci, S., Lucini, L. & Bernardi, J. (2019). Highly predictive genetic markers distinguish drug-type from fiber-type Cannabis sativa L. Plants, 8(11), 496. https://doi.org/10.3390/plants8110496
[20] Cheng, Y.C. & Houston, R. (2024). The development of a next‐generation sequencing panel targeting cannabinoid synthase genes to distinguish between marijuana and hemp. Electrophoresis, 45(9-10), 948-957. https://doi.org/10.1002/elps.202300233
[21] Small, E. (2015). Evolution and classification of Cannabis sativa (marijuana, hemp) in relation to human utilization. The Botanical Review, 81, 189-294. https://doi.org/10.1007/s12229-015-9157-3
[22] Amaducci, S., Scordia, D., Liu, F. H., Zhang, Q., Guo, H., Testa, G. & Cosentino, S.L. (2015). Key cultivation techniques for hemp in Europe and China. Industrial crops and products, 68, 2-16. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2014.06.041
[23] Ashori, A. & Nourbakhsh, A. (2009). Studies on Iranian cultivated paulownia–a potential source of fibrous raw material for paper industry. European Journal of Wood and Wood Products, 67(3), 323-327. https://doi.org/10.1007/s00107-009-0326-0
[24] Ferdous, T., Ni, Y., Quaiyyum, M.A., Uddin, M.N. & Jahan, M.S. (2021). Non-wood fibers: Relationships of fiber properties with pulp properties. ACS Omega, 6(33), 21613-21622. https://doi.org/10.1021/acsomega.1c02933
[25] Franklin, G.L. (1945). Preparation of thin sections of synthetic resins and wood-resin composites, and a new macerating method for wood. Nature, 155(3924), 51. https://doi.org/10.1038/155051a0
[26] Romero, E., Olson, M., Segovia-Rivas, A., Pittermann, J. & Jupa, R. (2026). Providing maceration protocols for xylem and phloem research. Frontiers in Plant Science, 16, Article 1740174. https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1740174
[27] Schneider, C.A., Rasband, W.S. & Eliceiri, K.W. (2012). NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nature Methods, 9(7), 671-675. https://doi.org/10.1038/nmeth.2089
[28] Oladi, R., Aliverdikhani, R., & Abdi, E. (2025). Linking root xylem anatomy to tensile strength: Insights from four broadleaved tree species in the Hyrcanian forests. Plant and Soil, 512(1), 1311-1326. https://doi.org/10.1007/s11104-024-07148-x
[29] Salehi, A., Puchalski, K., Shokoohinia, Y., Zolfaghari, B. & Asgary, S. (2022). Differentiating Cannabis products: Drugs, food, and supplements. Frontiers in Pharmacology, 13, Article 906038. https://doi.org/10.3389/fphar.2022.906038
[30] Salentijn, E. M. J., Zhang, Q., Amaducci, S., Yang, M. & Trindade, L.M. (2015). New developments in fiber hemp (Cannabis sativa L.) breeding. Industrial Crops and Products, 68, 32-41. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2014.08.011
[31] Behr, M., Legay, S., Žižková, E., Motyka, V., Dobrev, P.I., Hausman, J.F. & Guerriero, G. (2016). Studying secondary growth and bast fiber development: The hemp hypocotyl peeks behind the wall. Frontiers in Plant Science, 7, Article 1733. https://doi.org/10.3389/fpls.2016.01733
[32] Blebea, N.M., Pricopie, A.I., Vlad, R.-A. & Hancu, G. (2024). Phytocannabinoids: Exploring pharmacological profiles and their impact on therapeutical use. International Journal of Molecular Sciences, 25(8), 4204. https://doi.org/10.3390/ijms25084204
[33] Petit, J., Gulisano, A., Dechesne, A. & Trindade, L. (2019). Phenotypic variation of cell wall composition and stem morphology in hemp (Cannabis sativa L.): Optimization of methods. Frontiers in Plant Science, 10, Article 959. https://doi.org/10.3389/fpls.2019.00959
[34] Goudenhooft, C., Bourmaud, A. & Baley, C. (2019). Flax (Linum usitatissimum L.) fibers for composite reinforcement: Exploring the link between plant growth, cell walls development, and fiber properties. Frontiers in Plant Science, 10, Article 411. https://doi.org/10.3389/fpls.2019.00411
[35] Amarasinghe, P., Pierre, C., Moussavi, M., Geremew, A., Woldesenbet, S. & Weerasooriya, A. (2022). The morphological and anatomical variability of the stems of an industrial hemp collection and the properties of its fibres. Heliyon, 8(4), Article e09276. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2022.e09276
[36] Petit, J., Salentijn, E., Paulo, M., Thouminot, C., Van Dinter, B.J., Magagnini, G., Gusovius, H., Tang, K., Amaducci, S., Wang, S., Uhrlaub, B., Müssig, J. & Trindade, L. (2020). Genetic variability of morphological, flowering, and biomass quality traits in hemp (Cannabis sativa L.). Frontiers in Plant Science, 11, Article 102. https://doi.org/10.3389/fpls.2020.00102
[37] Mediavilla, V., Leupin, M. & Keller, A. (2001). Influence of the growth stage of industrial hemp on the yield formation in relation to certain fibre quality traits. Industrial Crops and Products, 13(1), 49-56. https://doi.org/10.1016/S0926-6690(00)00052-2
[38] Oladi, R., Yavarian, H., Sadeghzadeh Hallaj, M. & Pourtahmasi, K. (2021). Comparing growth rate, wood fiber biometry, and adaptability of different tamarisk (Tamarix aphylla L.) populations planted in Garmsar. Iranian Journal of Wood and Paper Science Research, 36(1), 26-39. https://doi.org/10.22092/ijwpr.2021.351954.1637
[39] Amaducci, S. & Gusovius, H.J. (2010). Hemp — Cultivation, extraction and processing. In A. Musio & M. Müssig (Eds.), Industrial applications of natural fibres: Structure, properties and technical applications (pp. 109-134). John Wiley & Sons. https://doi.org/10.1002/9780470660324.ch5
[40] Saadati, A., Pourtahmasi, K., Salami, S.A. & Oladi, R. (2015). Xylem and bast fiber properties of six Iranian hemp populations. Forest and Wood Products, 68(1), 121-132 [In Persian]
[41] Réquilé, S., Le Duigou, A., Bourmaud, A. & Baley, C. (2018). Peeling experiments for hemp retting characterization targeting biocomposites. Industrial Crops and Products, 123, 573-580. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2018.07.012
[42] Shahzad, A. (2012). Hemp fiber and its composites—A review. Journal of Composite Materials, 46(8), 973-986. https://doi.org/10.1177/0021998311413623

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 13 شهریور 1405