煙草碳氮代謝及其與煙草品質、抗逆性的關系研究進展

趙會納，高少凡，陳 鵬，吳 偉，顧 勇，張思聶，許本波，夏海乾*

(1.貴州省煙草科學研究院 煙草行業分子遺傳重點實驗室，貴州 貴陽 550081；2.長江大學，湖北 荊州 434025；3.六盤水市煙草公司 盤州市分公司，貴州 盤州 561600；4.銅仁市煙草公司 思南縣分公司，貴州 思南 565101)

0 引言

煙草是以收獲葉片為目標的經濟作物之一，煙草產業具有較大的社會效益和經濟價值［1］。烤煙品質形成與碳氮代謝密切相關，碳氮代謝的強度和協調程度是調控煙葉化學成分(如常規化學成分、多酚、氨基酸等)的組成和比例的重要因素，其會影響煙葉感官質量，進而決定煙葉的風格特征和品質［2］。碳氮代謝強度也與植物抗逆性有關，抗逆性強作物的碳氮代謝能力強。馮常青等［3-4］研究發現，提高碳氮代謝關鍵酶活性可促進植株碳氮代謝，增加植株內可溶性糖積累，從而增強其抗逆性。本文對國內外研究煙草生長發育過程中碳氮代謝和關鍵酶活性的變化規律進行了綜述，同時分析了逆境下煙草如何通過碳氮代謝途徑來增強抗逆性，進而提高煙葉品質。

1 烤煙碳代謝途徑及關鍵酶研究進展

碳代謝是一個復雜的過程，包括碳的固定代謝，即在葉綠體通過光合作用將無機碳同化為有機碳并釋放出氧氣；碳的運輸轉化代謝，即在進行光合作用時，光合器官對光合產物的再分配過程；以及以積累淀粉為主要標志的碳水化合物的積累代謝［5］。

植物碳代謝產物主要包括淀粉、可溶性糖(蔗糖、葡萄糖、果糖)等，且可溶性糖在碳代謝過程中至關重要［6-7］。研究中常通過測量總糖、淀粉和還原糖含量來衡量碳代謝強度［8］。一般認為，在煙株生長發育過程中，碳代謝逐漸增強，而氮代謝逐漸減弱。史宏志等［9］認為在煙株生長過程中，碳的變化規律主要是碳的固定和轉化代謝逐漸減弱，又因積累代謝和分解代謝逐漸增強，而雷佳等［10］認為隨著煙葉的生長發育，碳的光合固定代謝和運輸轉化代謝呈單峰曲線，開始逐漸增強，至葉片生理成熟期達到最大值，之后逐漸減弱；碳的積累代謝在煙葉成熟前逐漸增強，過熟后減弱。

國內外學者做了大量關于碳代謝合成途徑關鍵酶的研究。在葉綠體基質中，核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase，Rubisco)是催化碳代謝起始步驟的酶，也是碳固定的關鍵酶，并且是光合植物葉片中含量最豐富的蛋白質，其能催化結合無機CO2，通過卡爾文循環產生果糖6-磷酸(Fructose6-phosphate，F6P)［11］。F6P經由一系列反應生成1-磷酸葡萄糖(G1P)，G1P在ADPG焦磷酸化酶(ADPGlcpyrophosphorylase，AGPase)催化下和ATP生成淀粉合成的前體ADP-葡萄糖(ADPG)，AGPase是淀粉合成的關鍵限速酶，其活性決定了還原糖向淀粉轉化的強度和淀粉含量［12］。最后，ADPG在可溶性淀粉合成酶(Soluble starch synthase，SSS)的催化作用下生成直鏈淀粉，又在分支酶催化下生成支鏈淀粉［13］。

在細胞質中，首先二羥磷酸丙酮(DHAP)經由一系列反應生成1,6-二磷酸果糖，在果糖-1,6-二磷酸酯酶(Fructose-1,6-biphosphatase，FBPase)的作用下分解為F6P和無機磷酸，FBPase在細胞質中為糖異生途徑和蔗糖合成途徑的關鍵酶，其在葉綠體中參與卡爾文循環以及淀粉生物合成［14］。F6P經由一系列反應生成尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)，在蔗糖磷酸合成酶(Sucrosephosphate，SPS)的催化下，F6P和UDPG生成了6-磷酸蔗糖和尿苷二磷酸(Uridinediphosphate，UDP)，且該反應不可逆，這是葉片蔗糖合成的主要途徑，用以調節葉片光合產物在淀粉和蔗糖間的分配［15］。蔗糖是大多數高等植物光合產物的主要運輸形式，其降解涉及蔗糖轉化酶(Sucroseinvertase，INV)和蔗糖合成酶(Sucrosesynthase，SS)等2種酶。INV催化細胞質中蔗糖降解為葡萄糖和果糖，促進葉綠體中磷酸丙糖向外輸送，以此降低葉綠體中淀粉含量，其活性大小能反映烤煙的生長狀況［16］。SS是一種糖基轉移酶，是蔗糖代謝的關鍵酶，能夠催化蔗糖和UDP形成果糖和UDPG，且反應可逆，其在植物組織中主要催化蔗糖的降解，也能催化蔗糖合成［17］。淀粉酶(Amylase，AMY)也是碳代謝過程中的關鍵酶，其是一種能催化糖苷鍵水解的水解酶，可將葉綠體內合成和積累的淀粉轉化為單糖，其活性的高低關系到淀粉含量，是煙株碳代謝中碳水化合物積累代謝的關鍵酶。一般當AMY活性高時，光合速率高，能為有機物質的合成提供更多的碳架，更有利于煙株的生長［18］。研究發現在煙葉生長成熟過程中，AMY活性整體呈增加趨勢且與施氮量呈正相關關系［19］。

2 烤煙氮代謝途徑及關鍵酶研究進展

氮是植物生長發育過程中必需營養元素之一，銨態氮和硝態氮是煙草吸收利用無機氮素的主要形態。硝酸鹽是植物吸收的主要氮源之一，如果其不被消耗、再利用或轉運到細胞質中，氮源則會在植物細胞液泡中積聚，從而破壞細胞的滲透平衡［20］。作物對硝態氮和銨態氮利用的偏好性不同。陳嘉濤等［21］利用整合分析方法評估了不同銨硝配比對不同作物產量、品質及光合特性等指標的綜合影響，發現蔬菜和煙草更偏好硝態氮。適當增加一定比例銨態氮可顯著提高生物量，而銨過量會導致細胞內酸化和組織損傷，導致光合產物和植物生長量下降［22］。

烤煙氮代謝調節位點研究較少，已知參與代謝的僅有4種酶：硝酸還原酶(Nitratereductase，NR)是硝酸鹽還原過程中的限速酶，其能催化煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)和NO3-生成NAD+和NO2-。有研究發現，隨著煙株生長發育，NR活性先升高后降低，這更有利于煙株正常落黃。蛋白質含量和NR活性呈正相關關系，因為NO3-還原速率是蛋白質合成的限制因子［23］。NO2-再由亞硝酸還原酶(Nitritereductase，NiR)催化生成NH4+，最后在谷氨酰胺合成酶(Glutaminesynthetase，GS)、谷氨酸合酶(Glutamatesynthase，GOGAT)作用下合成氨基酸，再被植物體吸收利用［6，24-25］。GS/GOGAT循環是體內銨態氮同化的主要過程，GS處于氮代謝中心，其既有轉化酶活性又有合成酶活性，能參與植物氮素的轉運和分配［26］。

3 烤煙碳氮代謝的協調作用及對煙草品質的影響

3.1 碳氮代謝的關系

碳、氮代謝是植物體內最重要的兩大代謝過程，兩者相互影響、相互制約，光合碳代謝為氮代謝提供了碳骨架和能量，氮代謝為碳代謝提供了酶蛋白和光合色素，同時碳氮代謝與光合作用中生成的ATP/NADPH及代謝中間產物存在競爭關系［27］。有研究表明，不同時期煙葉碳氮代謝水平有所不同，且不同時期煙葉碳氮代謝酶活性與烤后煙葉的還原糖、總氮、鉀、氯含量之間存在顯著或極顯著相關性［28］。李超等［29］研究表明：煙株移栽60 d后，煙葉NR活性與烤后煙葉總糖含量呈負相關關系，而栽后60、75 d的NR活性與還原糖含量呈負相關關系?？笛├颍?8］研究發現，葉齡20 d的煙葉經調制后總糖、還原糖含量均與INV活性呈極顯著負相關關系。在煙草生長發育過程中，硝酸鹽的吸收與還原標志著氮代謝的開始，煙葉衰老期是氮代謝向碳代謝轉化的關鍵時期［30］。近年來，關于碳氮代謝協調的評價指標研究較多，煙株葉綠素含量、光合特性、熒光特性、碳氮代謝相關酶活性等通常被用作衡量碳氮代謝過程協調平衡的關鍵指標［2］。因C/N值穩定且受環境影響較小，常被作為碳氮代謝評價指標，且隨著煙葉的逐漸成熟，其C/N值逐漸上升［31］。雷佳等［10］認為煙葉成熟過程葉片含水量、葉片汁液濃度、葉綠素含量等指標均可作為反映煙葉碳氮代謝強弱的新指標，其能直接反映煙葉碳積累代謝與氮代謝協調程度。

3.2 影響烤煙碳氮代謝和品質因素分析

3.2.1 移栽期對碳氮代謝及其對煙草品質的影響 關于移栽期烤煙碳氮代謝及其對煙草品質的影響研究較多。周俊成等［32］研究發現，隨著移栽期的推遲，中、上部煙葉的總氮和煙堿含量均呈先降低后升高的變化趨勢；上部煙葉的總糖和還原糖含量隨移栽期的推遲呈單峰變化，中部葉的則逐漸降低。白應香［33］研究表明，黔西南煙區煙草當于4月13日移栽時，煙株的AMY和SS活性峰值均較高，淀粉積累能力和蔗糖合成能力也較高；當于4月6日移栽時，煙株的INV活性最高，晚移栽比早移栽煙株的GS活性能更早達到峰值。王寒等［34］研究發現，在粵北地區提前移栽煙草能提高煙葉成熟前期淀粉酶、NR活性及質體色素含量，并使得NR峰值出現的時間推遲，煙葉的功能期延長，但過早移栽會導致煙葉成熟后期NR活性和葉綠素含量較高，碳氮代謝轉化不協調，不利于煙葉的成熟落黃，最終降低了煙葉的產量和產值。推遲移栽有利于提高初烤煙葉的產量，但因質體色素含量和酶活性較低，煙葉易早衰，也會降低烤后煙葉上等煙比例、均價和產值。因不同地區生態環境不同，烤煙移栽時期也不相同，研究確定與當地生態條件、品種特性、產量和質量目標等相適應的移栽期，有利于烤煙碳氮代謝、化學成分的協調。

3.2.2 光溫對碳氮代謝及煙葉光合生理的影響 煙草是喜光作物，但并不是光照強度越大越好，適宜的光強、光照時間以及光質會促進煙株生長。王月敏等［35］發現高溫強光處理下煙株光合作用過程受到抑制、糖類物質積累增加、含氮物質合成增多、氮代謝能力提高，這對優質煙葉形成不利；楊惠娟等［36］發現在煙株移栽105 d后，隨著光的衰減淀粉含量逐漸降低，淀粉合成酶基因GBSSI表達量稍有減少，但氮代謝途徑關鍵基因表達量增加，表明在弱光下煙葉氮代謝滯后。同時，光質對烤煙的影響較大，當紅光∶藍光為3∶1時，有利于葉片生長和葉綠素的合成，而紅光∶藍光為1∶3時，可促進根系生長并提高根系活力［37］。溫度可調節植物多種基本生理過程，高溫脅迫又通常伴隨著強光以及干旱脅迫的發生，進一步導致植株衰老［38］。研究發現，高溫脅迫過程中煙株的葉綠素和蛋白質大量降解，則促進植株衰老；而低溫導致葉綠素合成受阻，降低植株光合作用，最終影響煙草生長發育，降低煙葉的品質和產量［39］。

3.2.3 施肥對碳氮代謝及烤煙品質的影響 施肥是影響碳氮代謝平衡的重大誘因，碳氮代謝平衡與施肥的種類、用量等密切相關。氮素是植物體內的重要元素，煙草可直接吸收利用硝態氮和銨態氮，其在苗期更偏向于吸收銨態氮，隨著煙株生長，吸收硝態氮比例增加，則顯著影響煙株的碳氮代謝［40］。氮肥量以及氮素形態對烤煙產量和品質影響較大［41-42］。譚玉嬌等［43］發現適當提高硝態氮肥的施入比例，有助于煙株碳代謝和氮代謝的過渡及轉化。在高銨態氮水平下，碳代謝活性增強而氮代謝水平減弱，相關分析表明CO(NH2)2水平與煙堿含量呈負相關關系［44］。施氮量對烤煙氮代謝關鍵酶活性及氮代謝產物均有顯著影響。黃佳等［45］發現在相同種植密度下，隨著施氮量增加，NR、GS、AL活性均有所提高，烤后煙葉總糖、還原糖、糖堿比降低，煙堿、氮含量增加，氯、鉀含量先增后降。許晨曦等［46］隨氮素水平的提高烤煙的NR、INV、AMY活性均提高；但在成熟期，增加施氮量后，煙草的淀粉酶活性反而降低；低氮水平下，K326、NC297、紅花大金元的NR、INV、AMY活性均較低，不利于煙株生長，而高氮水平下，煙株長勢過旺，易黑爆青筋，中氮水平碳氮代謝協調，滿足優質煙葉的生長要求。

3.2.4 外源小分子有機物對碳氮代謝及烤煙品質的影響 在農業生產中，小分子有機碳物質常以助劑方式使用于葉面肥中，可為作物生長發育提供能量和碳骨架。張艾改等［47］發現噴施外源葡萄糖能顯著提高煙株葉綠素、類胡蘿卜素含量，增加INV、NR、GS活性有利于煙葉品質提高。沈浦等［48］在花生6葉期時，開展噴施1.5%葡萄糖、1.5%蔗糖等處理，噴施葡萄糖處理較清水處理顯著增加了葉片SPAD值，且葉片氣孔導度、蒸騰速率、胞間二氧化碳濃度、凈光合速率也呈增加趨勢；噴施蔗糖處理與對照組無顯著差異?？緹煷蝽敃r噴施蔗糖、山梨醇、葡萄糖酸鈉和甘氨酸能增大上部煙葉葉面積，提高抗氧化酶的活性，降低丙二醛含量，隨處理時間增長，AMY活性先升高后降低，NR活性逐漸降低，煙株碳氮代謝強度增強［49］。

3.2.5 植物生長調節劑對碳氮代謝及烤煙品質的影響 植物生長調節劑是人工合成的類生長調節劑，通過影響內源激素水平及激素間的平衡對植物生長發育進行調節［50］。在植物表面施加的外來物質首先透過蠟層、質化層、果膠層，最后穿過纖維素壁到達原生質體，發揮一定的功效。噴施植物生長調節劑能夠觸發植物體內感受外界環境因子機制，激發一系列信號并轉化到達細胞核，引起植物生理代謝和基因表達，最終影響植物生長發育［51］。目前，國內外關于植物生長調節劑促進作物生長發育研究報道較多。李健忠等［52］對烤煙噴施了一定濃度赤霉素(GA3)和萘乙酸(NAA)，發現噴施GA3和NAA均能提高煙株碳氮代謝強度，有助于煙株根、莖、上部葉干物質積累，且同時噴施GA3和NAA時效果更明顯。屈春媛等［53］對大豆進行干旱加噴施脫落酸(ABA)處理，發現外源ABA可以緩解逆境脅迫帶來的傷害，同時可促進氮代謝反應，從而控制葉片的衰老速度，提高產量。馮雨晴等［54］研究發現丙三醇與吲哚-3-乙酸混合噴施可提高白肋煙葉片的色素質量分數、光合速率，增強其幼苗碳氮代謝能力和氮素利用效率，降低葉片硝酸鹽質量分數。

4 碳氮代謝與煙草抗逆性的關系

烤煙生長發育過程中，在干旱、高溫強光、重金屬離子、高氮等環境脅迫下，內在生理生化作用會發生改變，碳氮代謝協調平衡被打破，含氮化合物與含碳化合物之間需要相互促進以此來增強防御能力［55］。植物在應對干旱脅迫時會積累大量滲透調節物質來減輕細胞組織所受的損傷，這些滲透物質大多數是含氮化合物。甘蔗根系通過調節碳氮代謝關鍵酶活性、碳水化合物和氮同化物含量來避免或減少干旱傷害，NR活性隨干旱脅迫程度的增加先降低、中期升高、后期逐漸下降，而AMY活性逐漸升高［56］。不同鉻離子濃度處理下烤煙葉片硝態氮含量、NR活性和谷丙轉氨酶(GPT)呈低促高抑趨勢，幼苗氮代謝受到不同程度抑制［57］。王菲等［44］研究發現過高氮素水平會對煙草產生氮脅迫，影響煙草碳氮代謝相關酶活性，抑制煙草生長發育，導致植株矮小。當植物感受到逆境信號時，會調節碳氮代謝酶活性和其產物來抵御逆境。胡亞杰等［58］發現干旱脅迫條件下，過表達BnDREB1-5煙草植株碳氮代謝酶活性增加，耐旱性增強。陳昆等［59］報道堿蓬內生菌液處理會改善西瓜幼苗碳氮代謝酶活，減輕鹽脅迫對西瓜幼苗的生長抑制?？扇苄蕴鞘侵参锾即x主要產物，植物體內糖/水值越高，耐旱性越強［60］。王軍可［61］發現在高溫下施加外源蔗糖后，與淀粉合成相關酶活性增強，同時與淀粉分解相關酶活性降低，從而增加了淀粉積累；NR和GOGAT活性提高，進而提高了氨同化能力，蛋白質含量升高，這說明植物碳氮代謝產物可調節植物抗逆能力，而碳氮代謝產物含量的差異是由相關代謝酶活性變化所引起。因此，在逆境脅迫下，植物碳氮代謝相關酶活性會作出相應變化，以此來提高植物抗逆性。

5 展望

煙草碳氮代謝與煙株生長、煙葉品質的形成密切相關，歸納總結碳氮代謝相關研究進展及其影響因素，對提高煙葉產量和品質十分必要。當前關于煙草碳氮代謝的研究主要為宏觀研究，但闡明碳代謝和氮代謝之間協調平衡的分子響應機理機制等方面研究，可從根本上促進煙株生長和改善煙葉品質，通過外源物質調控碳氮代謝相關酶基因轉錄表達，提高相關酶活性，調節碳氮代謝產物的分配和轉運，促進煙株的生長和發育，為生產優質、適產煙葉提供理論和技術依據。

當前部分煙區存在光照不足的問題，易導致烤煙產量較低、質量較差，因而在生產上為彌補光照不足問題而過度使用化肥，這樣既污染了環境又增加了煙農投入。篩選烤煙碳氮代謝相關基因，尤其是碳高效、氮高效基因，揭示光合作用相關的能量和物質分配的關鍵機制，提高光合效能增強煙株的碳氮代謝及氮肥利用率，為分子改良碳高效、氮高效的烤煙新品種選育提供材料和技術支撐，對烤煙生產降本增效、可持續發展具有重要推動性作用。作物在不同脅迫下，碳氮代謝的協調程度不一致，基于在逆境脅迫下碳氮代謝相關酶活性變化的研究，需進一步研究烤煙碳氮代謝與其抗逆性的內在關聯，從碳氮代謝角度闡明烤煙抗逆機理，對提高烤煙對不良環境的適應性和抗逆育種具有重要意義。