烤烟碳氮代谢及其关键酶研究进展

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(1 湖南农业大学农学院，长沙 410128; 2 云南省烟草农业科学研究院，玉溪 653100；3 湖南中烟工业有限责任公司,长沙 410007)

2012-01-28

王 冠(1989—)，男，安徽宿州人，硕士研究生，Email：wking28@163.com。*通信作者，Email：zqm8051@hunau.net。

湖南中烟工业有限责任公司资助项目(2007-YC-0003)。

烤烟碳氮代谢及其关键酶研究进展

王冠1,周清明1*,杨宇虹2,易克3,徐照丽2,陈刚1

(1 湖南农业大学农学院，长沙 410128; 2 云南省烟草农业科学研究院，玉溪 653100；3 湖南中烟工业有限责任公司,长沙 410007)

从品种、施肥、光照、调控措施和烘烤5个方面对烤烟碳氮代谢及其关键酶活性变化的研究进行了综述，重点阐述了其影响碳氮代谢的作用和机理，并对该研究的前景进行展望。

烤烟；碳代谢；氮代谢；酶活性

烤烟是重要的经济作物，提高烟叶品质对于促进烤烟生产、增加经济效益具有十分重要的意义[1]。碳氮代谢是烤烟植株最基本的代谢过程，其强度、协调程度及其在烟叶生长和成熟过程中的动态变化模式直接或间接影响烟叶各类化学成分的含量和组成比例，对烟叶品质产生重大影响[2]。在烟草碳氮代谢过程中，各种酶的活性变化起着决定性的调节作用，探讨碳氮代谢关键酶活性变化规律对研究碳氮代谢对烟叶品质形成的作用机理有重要意义[3]。在烟草生产过程中，碳氮代谢及其关键酶活性受到烟草品种的遗传特性和环境条件等因素的影响，通过对这些影响因素进行综述，以期为烤烟生产提供一定的参考。

1 烤烟品种对碳氮代谢及其关键酶活性的影响

一个优良的品种在提高烟叶产量、改进烟叶品质等方面起着十分重要的作用。不同品种碳氮代谢协调程度不同，烟叶品质有差异[4]。刘卫群等[5]研究发现，K326碳氮代谢协调性优于NC89、中烟90，因为在团棵期K326既有较高的硝酸还原酶活性又具有较高的转化酶活性，有利于优质烟叶的形成。苏贤坤等[1]研究了云烟87、云烟85和K326叶片光合特性及相关酶活性的差异，结果表明，硝酸还原酶活性在生育期间呈下降趋势，3个供试品种之间差异显著，以K326的NR活性最大；各品种的蔗糖转化酶活性在上、下部叶片之间存在着很大的差异，品种间以K326的差异最小。拓阳阳等[6]研究结果表明，不同烤烟品种不同生长阶段烟叶色素含量、硝酸还原酶和转化酶活性都存在显著性差异，随着烟叶的生长成熟，叶绿素、硝酸还原酶和转化酶活性均呈下降趋势，以中烟101与优质烟标准较为接近。张生杰等[7]研究发现，在同一成熟期，豫烟5号硝酸还原酶和转化酶活性均最高，豫烟6号、豫烟7号与豫烟5号的硝酸还原酶和转化酶活性差异不太显著，氮代谢相对偏高，成熟延迟，而中烟100硝酸还原酶和转化酶活性均最低，成熟落黄较早，说明该品种碳氮代谢不协调，不利于烟草品质的形成；研究还发现成熟度对烤烟碳氮代谢关键指标的影响最大，基因型次之。

2 施肥对碳氮代谢及其关键酶活性的影响

烟草是一种需肥量大、大田生育期长的C3作物，必须合理施肥才能满足烟草在整个生育期对养分的需求。施肥量受当地气候条件、种植密度、烟草品种、需肥特性、土壤肥力、前茬作物、肥料品种及利用率和肥料施用方法等诸多因素的影响。氮素是烟草体内许多有机化合物如蛋白质、核酸、烟碱、叶绿素、酶及各种氨基酸的组成成分，在烤烟的生长发育、光合作用、化学成分及产量等方面是最重要的元素[8]。氮素对烟叶的产质量影响最大，在一定施氮量范围内，烟叶的产质量随施氮量的增加而提高，但是，当施氮量超过一定限度时，烟叶品质就会下降。施肥量主要根据氮素的施用量确定。烟草可直接吸收利用的无机氮素主要为硝态氮和铵态氮，它们具有完全不同的离子性质，并且不同氮素形态在烟株根际的迁移、吸收方式及在烟株体内的合成机理也不相同。因此，适宜的氮素形态配比是提高烟叶品质的关键因素之一[9]。岳俊芹等[10]研究发现，纯施硝态氮有利于还原糖的积累；纯施铵态氮的烟叶中谷酰胺合成酶和蔗糖合成酶活性在成熟期一直保持在相对较高的水平上，烟碱含量最高；硝态氮与铵态氮各占50%的情况下，烟叶碳氮代谢协调。史宏志等[11]研究发现，在叶片功能盛期以前，随着施氮量的增加，淀粉酶活性增高，碳的固定和转化增强，但碳积累代谢减弱；烟叶成熟阶段，淀粉酶活性高时，碳的分解代谢旺盛，其活性与施氮量呈负相关。随着施氮水平的增高，烟叶各期的转化酶活性均升高，表明增施氮肥可以促进碳代谢的增强。刘国顺[3]研究结果表明，施磷在一定范围内可以提高低氮水平下前中期的NR活性，促进烟叶的生长发育；增加施磷量可以提高团棵期的INV活性，使碳代谢增强，旺长期施磷对INV活性影响无显著差异；不同施磷量对团棵期和旺长期叶片淀粉酶活性影响较小，对烟叶中后期淀粉酶活性影响较大。

3 光照对碳氮代谢及其关键酶活性的影响

光合作用是烟叶产量和品质提高的基础。光作为光合作用的能量来源，是植物生长最根本的必要条件。植物在适宜的光照条件下，随着叶绿素吸收光能的增加，光合作用CO2固定及光合速率均得到提高，但过度光照则抑制光合作用甚至导致光合机构光氧化损伤。烟草是喜光作物，与其它作物一样，需较强的光照条件才能生长旺盛。从对烟叶品质的要求来说，日光充足而不强烈对烟叶质量较为有利[12]。植物碳代谢和氮代谢的关系非常密切，光合碳代谢为氮代谢提供能量和碳架，氮代谢为碳代谢提供必要的酶和蛋白质等有机物质，氮代谢同碳代谢又因竞争光反应生产的同化力及其代谢的中间产物而相互抑制。所以调节两者的关系，使同化力在两者之间协调分配，对于烟草体内碳、氮物质代谢平衡以及产量和品质的形成有着重要意义。饱和光强下，光反应的还原力充沛，两者都可以以较高速率运转；光强低于光饱和点时，光反应生成的还原力不足，两者因竞争而相互抑制。云菲等[13]研究结果表明，随着光强的降低，烟株的净光合速率下降，同一氮素水平下，低光强下的NR活性略高于自然光强。随着光强的降低转化酶(INV)活性逐渐降低，但充足的氮素营养能够促进碳代谢。随光强减弱和施氮量增加，烟碱、总氮含量上升，碳水化合物含量下降，总体上呈现氮代谢强于碳代谢的趋势。史宏志等[14]研究发现，不同光质对烟叶的形态建成、内部的生理代谢以及烟叶的化学成分有显著影响，在复合光中增加红光比例对叶面积的增加有一定的促进作用，但叶片的比叶重降低，叶片变薄。增加红光比例可使叶绿素含量下降，叶色减淡。在代谢方面，较高的红光比例可促进碳代谢的增强，表现为转化酶活性高，光合产物积累多，叶片总碳、还原糖含量高，而与氮代谢有关的化合物含量下降，碳氮比明显增加。增加蓝光比例可以明显促进烟叶的氮代谢，使叶片总氮、蛋白质、氨基酸含量提高，总碳、还原糖含量及C/N降低。

4 调控措施对碳氮代谢及其关键酶活性的影响

烤烟是以叶片为收获对象的经济作物，生产上采取打顶措施来打破烟株的顶端优势，其目的是控制植株纵向生长，避免出现无效蕾和枝叶，协调养分的运转方向，以保证收获的烟叶形成足够的养分，并使内部化合物向有利于提高烟叶品质的方向转化[15]。植物生长物质能够调控植物生长、发育、生殖和衰老，包括植物激素和植物生长调节剂两大类[16]。烟草种植追求的最高目标是生产高质量的烟叶，而烟株体内生理代谢的协调性直接决定了烟叶品质的形成。利用植物生长调节剂对烟草的调节作用来协调烟株体内代谢平衡是提高烟叶质量的有效途径。吲哚乙酸和赤霉素处理能使留叶数增加，株高增加。多效唑处理能显著增粗茎围，多效唑处理NR活性在生根期和团棵期明显高于其他各处理，团棵后，其活性保持稳定水平，说明多效唑能快速提高烟株NR活性，但持续作用较差。吲哚乙酸和去叶深栽能显著提高中上等烟比例和均价[17]。打顶即施外源赤霉素，对硝酸还原酶活性具有抑制作用，使烤烟的氮代谢强度减弱；赤霉素可以有效降低烤烟叶片中的烟碱含量，且高浓度比低浓度有更好的降碱作用；外源赤霉素可明显提高淀粉酶活性，促进烤烟碳水化合物的分解，有利于优质烤烟的形成[18]。陈爱国等[19]研究表明,打顶时间和涂抹外源生长素对烟草成熟期碳氮代谢没有显著的影响，但打顶对碳水化合物之间的转化有显著影响，早打顶有利于可溶性糖的积累。许自成等[20]研究发现，打顶当天在顶端涂抹生长素，同时追施硫酸钾肥，可促进烤烟生长和碳氮代谢。

5 烘烤对碳氮代谢及其关键酶活性的影响

烟叶烘烤的实质是通过适宜的温湿度条件，使烟叶产生一系列的生理生化反应，固定或呈现田间鲜烟叶的产质量，获得所需要的外观特征和内在品质。烟叶在烘烤过程中，有两个明显变化，一是内在品质的改进提高和单叶重的适当减轻；二是外观颜色由绿色变为黄色与叶片的卷缩干燥[21]。在烘烤过程中，随着水分大量流失，叶内大分子有机物质在呼吸酶、水解酶、氧化还原酶等一系列酶类作用下不断分解、转化或消耗，小分子物质不断形成，烟叶品质和性状得到改善和提高[22,23]。Bacon等[24]研究指出，烟叶内的淀粉在变黄阶段大量转化，而淀粉转化所形成的糖含量的高低直接影响烟叶燃吸时的香味特性，因为由淀粉降解而积累的还原糖在抽吸时裂解产生的酸性物质对平衡由烟碱和含氮化合物在抽吸过程中产生的碱性烟气有积极作用[25]。宫长荣等[26]研究发现，在烟叶变黄阶段，淀粉急剧降解，48 h后基本趋于稳定；淀粉酶活性从烘烤开始逐渐升高，并于36 h前后达到第一个高峰，随后降低。叶绿素的降解不仅是烟叶变黄所必需的，同时叶绿素降解产物也对烟叶的香吃味起积极作用。杨立均等[27]认为，叶绿素在变黄期降解量最大。陈建军等[18]提出优质烟叶烘烤过程变黄期合理的碳氮代谢模式为：烟叶氮代谢在烘烤24 h以前较强，24 h以后NR活性迅速下降，氮代谢明显减弱；碳的固定和转化代谢在变黄期也较强，中部叶在12 h和36 h左右达到高峰，随后下降，上部叶在24 h左右达到高峰，随后下降，在48 h左右达到第二个高峰，随后下降。

6 展望

(1)优质烟叶要求香气量足、吃味醇和舒适、杂气少、刺激性小、劲头适中、燃烧性好以及可用性和安全性强，这些品质因素与烟叶内在化学成分密切相关，而烟株体内碳氮代谢的协调性直接决定了烟叶化学成分的协调性，所以通过采取遗传育种和生物工程技术手段培育碳氮代谢协调性好、香型突出以及适应性广的烤烟品种，是提高烟叶品质的一个重要途径。

(2)烤烟碳氮代谢受施肥、光照、调控措施等因素的影响，通过增施磷钾肥可有效促进烤烟碳水化合物的形成、运输和积累；蓝光可促进氮代谢的进行，烟草育苗采用偏蓝色薄膜覆盖，有益于烟苗健壮生长，红光可以促进碳代谢的进行，成熟后期，覆盖红色薄膜可以促进烟叶的成熟、烟叶品质的提高；及时打顶和除芽等调节措施均可以促进碳氮代谢的协调进行，综合研究这些因素对烤烟各个时期碳氮代谢的影响并形成系统、完整的农业技术理论体系，是当前亟待解决的问题。

(3)目前，烤烟碳氮代谢的研究主要处在宏观水平上，分子水平上的研究较少，因此，在分子水平上研究决定和影响烤烟碳氮代谢的相关基因，了解烤烟碳氮代谢的作用及机理，将是未来烤烟碳氮代谢研究的重要方向。

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ResearchProgressonCarbonandNitrogenMetabolismandKeyEnzymeinFlue-curedTobacco

(1 College of Agronomy, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China; 2 Yunnan Academy of Tobacco Agricultural Science, Yuxi, Yunnan 653100, China; 3 China Tobacco Hunan Industrial Corporation, Changsha, Hunan 410007, China)

A summary was presented on domestic and international study on carbon and nitrogen metabolism and key enzyme in flue-cured tobacco with an emphasis on five aspects: the varieties, fertilization, illumination, control measures and baking which were the influence factors of carbon and nitrogen metabolism. Its research prospect was also put forward.

Flue-cured tobacco; Carbon metabolism; Nitrogen metabolism; Enzyme activity

S572.01

A

1001-5280(2012)02-0189-04

10.3969/j.issn.1001-5280.2012.02.20

责任编辑：黄燕妮