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抗黑脛病紅花大金元不同采收成熟度煙葉代謝輪廓及質量變化

2025-03-27 00:00:00趙志豪趙園園李娟王德勛楊成偉黃偉蘇婭麗韋建玉史宏志
江蘇農業科學 2025年1期
關鍵詞:化學成分

摘要:為明確抗黑脛病紅花大金元適宜采收成熟度,以抗黑脛病紅花大金元為材料,設置ST1(提前4 d采收)、ST2(當地正常采收)、ST3(延遲4 d采收)、ST4(延遲8 d采收)4個成熟度處理,研究不同采收成熟度對田間鮮煙葉的外觀特征、SPAD值、化學成分、感官質量及代謝組學的影響。結果表明,隨著采收期的延遲,煙葉外觀由綠變黃,成熟斑增多,SPAD值逐漸降低,在煙葉開始成熟落黃時,富集在植物激素信號轉導代謝通路的代謝物脫落酸含量顯著上調;煙葉淀粉、總糖和還原糖含量呈現出先增多后下降的趨勢,煙堿含量增多,延遲4 d采收富集在三羧酸循環等分解糖類物質代謝通路的檸檬酸、琥珀酸和β-D-葡萄糖醛酸苷等代謝物呈上調表達,富集在氨酰基-tRNA生物合成、精氨酸生物合成、ABC轉運蛋白、苯丙氨酸代謝及煙酸鹽和煙酰胺代謝等代謝通路上的代謝產物,呈先上調后下調表達;煙葉中性香氣成分含量逐漸增加,感官質量得到改善,L-異亮氨酸、L-精氨酸、L-苯丙氨酸、L-酪氨酸、檸檬酸和琥珀酸等代謝產物呈先上調后下調表達。綜合分析,抗黑脛病紅花大金適宜采收成熟度為當地正常采收基礎上延遲4 d采收,此時煙葉化學成分較協調,香氣量充足、香氣質好,感官質量最佳;田間鮮煙的采收成熟特征為葉面淺黃,葉面落黃50%~59%,主脈變白50%~59%,支脈變白40%~49%,絨毛脫落40%~49%,成熟斑稍有,煙葉SPAD值為23.66~25.16。

關鍵詞:成熟度;代謝組學;差異代謝物;抗黑脛病紅花大金元;化學成分;感官品質

中圖分類號:S572.04""文獻標志碼:A

文章編號:1002-1302(2025)01-0237-12

成熟度是煙葉生產中重要一環,是烤煙重要的質量要素,在烤煙國家標準中是第一品質要素[1]。保證和提高煙葉質量的前提是采收真正成熟煙葉。云南省煙草農業科學研究院以紅花大金元為受體、抗黑脛病種質RBST為供體,經分子標記選擇技術選育出抗黑脛病紅花大金元(以下簡稱抗性紅大)這一新品種。然而抗性紅大成熟特性不明確,使得工業需求得不到滿足,因此提升其采收質量是十分有必要的。使用便攜式葉綠素儀可以在對煙葉葉片無損傷狀況下測定其SPAD值,進而實時判斷葉片葉綠素的含量,從而客觀反映煙葉成熟程度[2]。張冰濯等研究發現,隨著采收期延遲,煙葉成熟度增高,葉脈變白,成熟斑逐漸增多,煙葉顏色由綠變黃,煙葉SPAD值呈下降趨勢[3-4]。賈中林等研究表明,隨著煙葉成熟度的增加,煙葉物質積累速度下降,內含物質消耗增加,其內部淀粉和糖含量增加,到達頂峰時含量下降[5-6]。通過適當提高煙葉成熟度的栽培措施,可以協調煙葉化學成分,改善感官質量,但是煙葉成熟度過高,煙葉質量將大幅下降[7-8]

煙葉成熟過程需要經過復雜的生理代謝變化,代謝產物的動態變化影響煙葉內含物質的變化,從而影響煙葉的外觀變化、化學成分及煙葉的感官質量[9-10]。通過分析不同時期煙葉樣品中的糖類、脂類和氨基酸等小分子代謝物的變化,可以從全局表征煙葉受到內外環境干擾后代謝產物的變化[11-12]。賈中林等在研究中發現,在煙葉成熟階段起重要調控作用的代謝通路為TCA循環與丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝,影響煙葉代謝產物的形成[13]。彭翠云等在研究中發現,煙葉采收期的延遲,將引起富集在淀粉與蔗糖途徑中代謝物表達量先下調再上調的表達趨勢,并在延遲8 d采收時煙葉內淀粉合成、積累量達到峰值;氮代謝途徑的關鍵代謝產物,隨采收期延遲表達量下調,氮代謝減弱[14-15]。本研究采用液相色譜質譜(LC-MS)聯用技術對烤煙抗性紅大進行非靶向代謝組學分析,通過分析成熟過程中代謝物的動態變化,結合傳統生理指標化學成分含量、中性香氣成分含量和感官質量的變化,確定抗性紅大適宜采收時間,以期為生產優質抗性紅大煙葉提供理論依據和技術支持。

1"材料與方法

1.1"試驗材料

試驗于2022年在云南省大理白族自治州彌渡縣密祉鎮進行,供試烤煙品種為抗黑脛病紅花大金元。試驗田前作為貢菜。供試土壤肥力中等,有機質含量適中。

1.2"試驗設計

根據當地氣候條件和煙葉耐熟性情況,采收成熟度設4個水平(表1),分別標記為ST1(提前4 d采收)、ST2(當地正常采收)、ST3(延遲4 d采收)、ST4(延遲8 d采收)。本試驗采用的試驗設計為完全隨機區組試驗,每個試驗處理重復3次,株行距為0.5 m×1.2 m,種植密度為16 500株/hm2

1.3"測定方法

1.3.1"煙葉SPAD值測定

在各試驗小區挑選長勢均勻、代表性較強的15株煙株進行測定,以葉片的主脈作為對稱軸,利用FK-YL01葉綠素儀(山東方科儀器有限公司)測定主脈兩側葉基、葉中以及葉尖6個點,以測定的6個SPAD值均值作為此葉片的SPAD值[16]

1.3.2"化學成分測定

使用AA-Ⅲ型連續流動化學分析儀(德國布朗盧比公司),按照煙草及煙草制品標準體系測定煙葉化學成分含量[17]

1.3.3"香氣成分測定

烤后煙香氣成分測定的方法為內標法內標為硝基苯[18]。前處理通過水蒸氣蒸餾—二氯甲烷萃取法獲得有機相,并利用旋轉蒸發儀將有機相旋轉蒸發至1 mL左右,之后移至色譜瓶中,用氣質聯用儀(GC/MS:Agilent 7890A-5975C,美國安捷倫科技有限公司)測定。

1.3.4"代謝組測定

稱取60 mg煙葉樣品,放入1.5 mL離心管中;加入2個小鋼珠和600 μL甲醇-水(體積比為7 ∶3,含L-2-氯苯丙氨酸,4 μg/mL);放于-40 ℃冰箱中2 min進行預冷,之后放入研磨機中進行研磨(60 Hz,2 min);冰水浴超聲提取30 min,-40 ℃過夜靜置;低溫離心10 min(13 000 r/min,4 ℃),使用注射器吸取150 μL的上清液,用0.22 μm有機相針孔過濾器過濾后,轉移到LC進樣小瓶,-80 ℃下進行保存,直至進行 LC-MS分析。質控樣本(QC)由所有樣本的提取液等體積混合制備而成。所有提取試劑在使用前均需在-20 ℃進行預冷。本次試驗的分析儀器為ACQUITY UPLC I-Class plus超高效液相串聯QE高分辨質譜儀組成的液質聯用系統。色譜柱為ACQUITY UPLC HSS T3 (100 mm×2.1 mm,1.8 μm);柱溫為45 ℃;流動相A為水(含0.1%甲酸),B為乙腈(含0.1%甲酸);流速為0.35 mL/min;進樣體積為2 μL。離子源為ESI,樣品質譜信號采集分別采用正負離子掃描模式。

1.4"數據分析

采用Microsoft Excel 2020對進行數據處理和SPSS 17.0進行統計分析,使用R語言進行OPLS-DA分析和熱圖、顯著性氣泡圖繪制。

2"結果與分析

2.1"不同采收成熟度田間鮮煙外觀特征及SPAD值

由圖1可知,隨著采收成熟度的提高,不同處理的煙葉成熟特征有明顯改變,煙葉從葉尖開始逐漸變黃,葉脈變白,成熟斑增加。

SPAD值可以用來判斷煙葉的成熟度(圖2)可知,隨著采收成熟度的增加,煙葉SPAD值逐漸降低,各處理間存在顯著差異。由SPAD值和采收成熟度趨勢線方程可以看出,r2gt;0.990 0,方程擬合程度較高,因此可以利用采收成熟度趨勢線方程找出煙葉適宜采收成熟度的SPAD值,在煙葉生產中進行指導。

2.2"不同采收成熟度對抗性紅大代謝組學的影響

2.2.1"正交-偏最小二乘判別分析

正交-偏最小二乘判別分析能夠對模型解釋能力進行增強,從而將組間差異最大程度展現出來。4個不同采收時間之間的OPLS-DA模型見圖3。OPLS-DA-ST2_ST1、OPLS-DA-ST3_ST1、OPLS-DA-ST4_ST1、OPLS-DA-ST3_ST2、OPLS-DA-ST4_ST2和OPLS-DA-ST4_ST3模型的R2Y均為0.999,Q2分別為0.879、0.956、0.978、0.928、0.972、0.768,表明模型預測能力較好。OPLS-DA得分圖(圖3-A)用于描述樣本的聚類結果,4組樣本兩兩之間顯著分離,說明煙葉之間存在代謝差異。

為進一步驗證OPLS-DA模型的可靠性,對模型進行了交叉驗證和置換檢驗,結果見圖3-B。平面直角坐標系虛線經過的最右側2點(x=1.0)為原始模型的R2和Q2,左側的所有點是Y置換后模型的R2′和Q2′,圖中Q2點的回歸線在縱坐標上的交點<0,說明模型預測的結果具有可靠性,模型沒有過擬合問題,可用于分析ST1、ST2、ST3、ST4之間的差異代謝物。

2.2.2"差異代謝物篩選及分析

將4個處理的差異代謝物進行兩兩比較, 得到不同分組間差異代謝物情況(表2和圖4)。提前4 d采收(ST1)和正常采收(ST2)之間共同的顯著差異代謝物有250個,其中上調的差異代謝物有150個,下調的有100個。提前4 d采收(ST1)和延遲4 d采收(ST3)之間共同的顯著差異代謝物有459個,其中上調的差異代謝物有230個,下調的有229個。提前4 d采收(ST1)和延遲8 d采收(ST4)之間共同的顯著差異代謝物有539個,其中上調的差異代謝物有302個,下調的有237個。正常采收(ST2)和延遲4 d采收(ST3)之間共同的顯著差異代謝物有372個,其中上調的差異代謝物有159個,下調的有213個。正常采收(ST2)和延遲8 d采收(ST4)之間共同的顯著差異代謝物有620個,其中上調的差異代謝物有320個,下調的有300個。延遲4 d采收(ST3)和延遲8 d采收(ST4)之間共同的顯著差異代謝物有239個,其中上調的差異代謝物有130個,下調的有109個。

為了直觀地將樣本間的關系和差異代謝物在樣本間的表達差異展現出來,本研究對顯著差異代謝物進行了VIP排序,篩選出排序前20的差異代謝物,并利用它們的表達量分別進行層次聚類,結果見圖5。相比于提前4 d采收(ST1),正常采收(ST2)中2,4,7,10,13,16,19-二十二碳庚酰輔酶A、10-乙酰氧基毒素、乙酰輔酶A、升麻素苷、牛痘苷、5-羥基-7,8,2′-三甲氧基黃酮-5-葡萄糖苷、3-(1,1-二甲基烯丙基)東莨菪素-7-葡萄糖苷等13種差異代謝物上調,山柰酚-3-[葡萄糖基-(1-gt;3)-鼠李糖基-(1-gt;6)-半乳糖苷]、3′-葡萄糖基-2′,4′,6′-三羥基苯乙酮、1,3-雙(二苯基膦)丙烷、12-氧代-20-二羥基白三烯B4等7種差異代謝物下調。相比于正常采收(ST2),延遲4 d(ST3)中10,12,13,16-雙表二氧基-9-氫過氧基-14-十八烯酸甲酯、二氫薔薇苷和13,14-二氫-16,16-二氟前列腺素J2等13個差異代謝物下調,檸檬酸、L-脯氨酸和馬比奧苷C(一種二萜苷)等7個差異代謝物上調。相比于延遲4 d(ST3)、延遲8 d(ST4)中澤多阿龍二醇、3,11,12-三羥基-1(10)-螺替芬-2-酮、6R,8Z-6-羥基-3-氧代-8-四氫苯腺烯酸、三丁酸甘油酯、地奧球苷D、8-丙酰基新茄醇、{(2-羥基-3-甲基-5-氧代-2H-呋喃-4-基)-(3-甲氧基-5,6-二甲基-2-氧雜雙環[2.2.2]辛烷-5-基)甲基}2-甲基丁烯酸酯、3′-羥基-HT-2毒素、芐基O-[阿拉伯呋喃糖基-(1-gt;6)-葡萄糖苷]、15-乙酰氧基西吡啶-3,4-二醇4-O-α-D-吡喃葡萄糖苷等11種差異代謝物上調,(3S,7E,9S)-9-羥基-4,7-巨柱二烯-3-酮-9-葡萄糖苷、13,14-二氫-16,16-二氟前列腺素J2、葫蘆巴堿、(R)-(+)-2-吡咯烷酮-5-羧酸、3,4-二氫-2H-1-苯并吡喃-2-酮等9種差異代謝物下調。

2.2.3"差異代謝物KEGG富集

為明確提前4 d采收和正常采收(ST1和ST2)、正常采收和延遲4 d采收(ST2和ST3)、延遲4 d和延遲8 d(ST3和ST4)3個比較組之間差異代謝物代謝途徑的變化機制,分別對3個比較組進行KEGG通路富集分析,篩選出31、40、37條代謝通路,其中差異顯著的分別有4、7、13條。

ST1和ST2中差異明顯的代謝通路(圖6)為氨酰基-tRNA生物合成、精氨酸生物合成、ABC轉運蛋白、植物激素信號轉導。

如表3所示,富集在氨酰基-tRNA生物合成代謝通路的差異代謝物(均上調)有L-谷氨酰胺、L-精氨酸、L-苯丙氨酸;富集在精氨酸生物合成代謝通路的差異代謝物(均上調)有L-谷氨酰胺、L-精氨酸;富集在ABC轉運蛋白代謝通路的差異代謝物(均上調)有L-谷氨酰胺、L-精氨酸、殼二糖;富集在植物激素信號轉導代謝通路的差異代謝物有脫落酸(下調)。

ST2和ST3差異顯著的代謝通路是花生四烯酸代謝,三羧酸循環,丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝,磷脂酰肌醇信號通路,甘油磷脂代謝,氨酰基-tRNA生物合成,戊糖和葡萄糖醛酸酯相互轉化(圖7)。

如表4所示, 富集到花生四烯酸代謝通路的差基-tRNA生物合成,苯丙氨酸代謝,苯丙烷類生物合成,花生四烯酸代謝,酪氨酸代謝,氰基氨基酸代謝,煙酸鹽和煙酰胺代謝,硫代葡萄糖苷生物合成,各種抗生素的生物合成-第二部分,苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成,單巴坦生物合成,α-亞麻酸代謝,賴氨酸降解。

如表5所示,富集到氨酰基-tRNA生物合成代謝通路的差異代謝物(均下調)有L-異亮氨酸、L-精氨酸、L-苯丙氨酸、L-酪氨酸。富集到苯丙氨酸代謝代謝通路的差異代謝物(均下調)有L-酪氨酸、L-苯丙氨酸、2-羥基-3-苯基丙烯酸酯、琥珀酸。富集到苯丙烷類生物合成代謝通路的差異代謝物(均下調)有L-苯丙氨酸、L-酪氨酸、4-香豆酸鹽、香豆素。富集到花生四烯酸代謝通路的差異代謝物(均下調)有6-酮-前列腺素F1α、20-羥基-白三烯B4、11,14,15-三羥基二十碳三烯酸、8-異前列腺素F2α。富集到酪氨酸代謝通路的差異代謝物(均下調)有L-酪氨酸、4-香豆酸鹽、3,4-二羥基苯基丙酸酯、琥珀酸。富集到氰基氨基酸代謝通路的差異代謝物(均下調)有L-酪氨酸、L-異亮氨酸、L-苯丙氨酸。富集到煙酸鹽和煙酰胺代謝通路的差異代謝物(均下調)有煙酸D-核糖核苷、N-甲基煙酸酯、琥珀酸。富集到硫代葡萄糖苷生物合成代謝通路的差異代謝物(均下調)有 L-異亮氨酸、L-苯丙氨酸、L-酪氨酸。富集到各種抗生素的生物合成-第二部分代謝通路的差異代謝物(均下調)有L-苯丙氨酸、L-酪氨酸、4-香豆酸鹽。富集到苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成代謝通路的差異代謝物(均下調)有L-苯丙氨酸、L-酪氨酸。富集到單巴坦生物合成代謝通路的差異代謝物(均下調)有L-酪氨酸、L-精氨酸。富集到α-亞麻酸代謝通路的差異代謝物(均下調)有(3Z)-己-3-烯-1-乙酸酯、十七碳三烯醛。富集到賴氨酸降解代謝通路的差異代謝物(均下調)有琥珀酸、N6,N6,N6-三甲基-L-賴氨酸。

2.3nbsp;不同采收成熟度對抗性紅大烤后煙葉質量的影響

2.3.1"不同采收成熟度對煙葉化學成分的影響

由表6可以看出,隨著煙葉采收成熟度逐漸增加,葉片中淀粉、總糖和還原糖含量呈現出先增加后減少的變化趨勢。這是由于隨著成熟度的提高,干物質積累量增加,在達到最高點后,煙葉的干物質合成能力減弱,但消耗量增加,因此淀粉、總糖及還原糖含量先升后降。隨著煙葉采收成熟度提高,煙堿含量上升,總氮含量先減少后上升,鉀含量呈現先增后減的趨勢,氯含量呈現下降趨勢。成熟度對煙葉化學成分的影響顯著,適當提升成熟度可以改善煙葉品質。

2.3.2"不同采收成熟度對煙葉中性香氣成分的影響

按照香氣前體物可將中性香氣成分分為5類,即類胡蘿卜素降解產物、芳香族氨基酸降解產物、棕色化反應產物、西柏烷類降解產物和葉綠素降解產物(新植二烯)。隨著煙葉采收成熟度不斷提高,烤后煙中芳香族氨基酸降解產物和棕色化反應產物含量先增加后減少,新植二烯含量與中性香氣成分總量不斷增加。在試驗成熟度范圍內,類胡蘿卜素降解產物與除新植二烯外其他香氣成分總量在延遲8 d采收時達到最高。在成熟度范圍內,隨著成熟度的增加中性香氣成分總量持續增加(表7)。

2.3.3"不同采收成熟度煙葉感官質量的變化

由表8可以看出,隨著成熟度提高,中部煙葉的香氣質、香氣量、煙氣濃度、細膩性、雜氣、刺激性、余味和甜潤感得分呈先升高后降低趨勢,透發性先增加后趨于穩定,勁頭增強;上部葉煙葉香氣質、濃度、細膩性、雜氣、余味和甜潤感得分呈先升高后降低趨勢,香氣量和透發性得分先增加后趨于穩定,勁頭增強,刺激性得分下降。綜合分析,延遲4 d采收,煙葉香氣質好,香氣量足,煙氣濃郁、細膩且透發性好,雜氣較少,刺激性較小,余味更加舒適,感官品質總分最高。

3"討論與結論

煙葉成熟時期是一個動態的過程,這一時期的生理指標和代謝組學存在顯著差異。通過研究分析發現,隨著煙葉采收成熟度的提高,葉片葉綠素降解,類胡蘿卜素在葉片中的比例上升,葉片由綠向黃變化,煙葉SPAD值呈下降趨勢,這與武圣江等的研究結果[19]一致。同時,通過代謝組學的分析發現,正常采收時富集在植物激素信號轉導代謝通路的脫落酸和提前4 d采收相比呈下調表達。煙葉成熟時期是葉片逐漸衰老的過程,在葉片衰老前期(提前 4 d 采收)脫落酸大量增加,葉片衰老,煙葉成熟落黃,葉片衰老加劇,但脫落酸含量相比于提前4 d采收時含量下降。

糖類物質是植物能量代謝中的核心要素,是植物光合作用和呼吸作用相互作用的積累產物,在烤煙成熟階段快速合成、積累,葉片內部淀粉和總糖含量逐漸增多,到達最高點后降低。研究中延遲4 d采收富集在三羧酸循環等代謝通路的檸檬酸、琥珀酸和β-D-葡萄糖醛酸苷等代謝物呈上調表達,說明正常采收時煙葉的總糖含量合成和積累量達到最高,之后代謝減慢,煙葉葉片衰老,糖類物質被大量消耗,因此含量下降,這和闞洪贏等的研究結果[20-21]相似。

煙葉生長發育離不開氮代謝,氨基酸是植物氮代謝的重要產物[22]。在本試驗中,煙葉成熟階段富集于氨酰基-tRNA生物合成、精氨酸生物合成、ABC轉運蛋白、苯丙氨酸代謝與煙酸鹽和煙酰胺代謝等代謝通路的差異代謝物,其表達呈先上調后下調表達趨勢。說明隨著成熟度提高,氮代謝逐漸減弱,煙堿含量逐漸增加,煙葉刺激性增加,延遲到4 d采收時,煙葉化學成分趨于協調。富集到氨酰基-tRNA生物合成代謝通路的差異代謝物L-谷氨酰胺、L-精氨酸、L-苯丙氨酸,與中性香氣成分的合成密切相關,其表達先上調后下調。說明隨著成熟度提高,煙葉中香氣成分含量先快速增加,之后增加速度降低,因此研究中隨著成熟度提高中香氣成分含量增加,但增幅減慢。非揮發性有機酸與香氣質和香氣量等感官指標具有不同程度的相關性,隨著成熟度提高,檸檬酸和琥珀酸等非揮發性有機酸代謝產物表達呈先增加后下降的趨勢,煙葉感官質量得到改善,在延遲4 d采收時感官質量最好[23]

為優化抗性紅大可用性,通過生理指標和代謝組學對不同采收成熟度煙葉進行評價分析發現,煙葉成熟度提高,抗性紅大煙葉糖代謝和氮代謝先增強后減弱,煙葉化學成分更為協調,中性香氣成分含量增加,感官質量不斷改善,但成熟度過高則煙葉質量下降。在本試驗中,抗性紅大延遲4 d采收時,煙葉化學成分更為協調,香氣量充足、香氣質好,感官質量最優,此時煙葉達到采收的最佳時期。因此,抗黑脛病紅花大金元應在當地正常采收基礎上延遲4 d,煙葉SPAD值在23.66~25.16時采收,此時煙葉葉面淺黃,葉面落黃50%~59%,主脈變白50%~59%,支脈變白40%~49%,絨毛脫落40%~49%,成熟斑稍有。

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