烟草高级脂肪酸代谢及影响因素研究进展

杨利云 杨双龙 李军营 逄涛 何彬 龚明

（1. 云南师范大学生命科学学院 生物能源持续开发利用教育部工程研究中心 云南省生物质能与环境生物技术重点实验室 昆明 650500；2. 云南省烟草农业科学研究院，昆明 650031；3. 云南省烟叶公司，昆明 650218）

烟草高级脂肪酸代谢及影响因素研究进展

杨利云1杨双龙1李军营2逄涛2何彬3龚明1

（1. 云南师范大学生命科学学院 生物能源持续开发利用教育部工程研究中心 云南省生物质能与环境生物技术重点实验室 昆明 650500；2. 云南省烟草农业科学研究院，昆明 650031；3. 云南省烟叶公司，昆明 650218）

脂肪酸作为烟草中一类重要的化合物，对烟草的生长发育及烟叶的品质风格有重要的影响。近年来，脂肪酸代谢也被证实参与了烟草抗逆性的形成。烟草种子富含油脂和各类脂肪酸，随着烟草种子发育，亚油酸、油酸和棕榈酸含量不断增加，可作为一类潜在的生物质能源加以开发利用。在烟草叶片的生长发育过程中，脂肪酸含量逐渐升高，开花时达到最大，随烟叶成熟衰老而逐渐降低，同时饱和脂肪酸逐渐转变为不饱和脂肪酸。烟叶中、下部叶片脂肪酸含量高于上部烟叶，栅栏组织中高于海绵组织中。此外，基因型以及光照、温度、地理因素、施肥、烘烤方法、机械伤害等环境因素均显著影响烟叶内脂肪酸的组成、含量及其脂肪酸生物合成和代谢关键酶活性和基因表达。低温锻炼可显著提高烟叶内多不饱和脂肪酸含量，降低饱和脂肪酸含量，提高烟叶的耐冷性。通过基因工程手段在烟草中过表达脂酰-ACP去饱和酶、酰基载体蛋白、脂肪酸去饱和酶及脂肪酸脱氢酶等基因可有效提高烟草内不饱和脂肪酸的含量，增强烟草在干旱、高温、强光等非生物胁迫环境下的抗逆性。基于以上结果，提出未来的研究方向，旨在为该领域的研究提供理论和实践指导。

烟草；高级脂肪酸；代谢；影响因素

1 烟草中脂肪酸的分布及其在烟草生长发育过程中的变化

1.1 烟草种子中脂肪酸组成及其在生长发育过程中的变化

1.2 烟草叶片中脂肪酸组成、分布及其在生长发育过程中的变化

2 烟草中脂肪酸合成代谢的影响因素

2.1 基因型对烟草中脂肪酸合成代谢的影响

有研究表明，烟叶中高级脂肪酸含量、种类及饱和度在不同基因型烟草中不同［19-20］。朱楠等［21］发现，4种烟草雌蕊中脂肪酸以油酸和亚油酸含量较高，其中栽培烟草K326和黄花烟草雌蕊中油酸含量高于亚油酸，而在花烟草和斯托克通氏烟草雌蕊中相反。彭艳等［22］对云南宣威烟区4个主栽品种的研究表明，红大的高级脂肪酸含量及饱和度相对较低，K326的高级脂肪酸含量较低但饱和度较高；云烟85、87 两个烤烟品种的高级脂肪酸含量较高。李鹏飞等［23］对13个烤烟品种研究发现，同一品种烤烟高级脂肪酸中亚油酸、硬脂酸、棕榈酸、肉豆蔻酸和月桂酸含量随着饱和碳链的碳原子的减少含量递减。

2.2 土壤环境对烟草中脂肪酸合成代谢的影响

叶协峰等［24］研究发现，烟草中不饱和脂肪酸含量较高，而饱和脂肪酸含量则较低，土壤全磷、速效钾、有机质、全氮、镁、pH 和 Na 六个指标和烟叶脂肪酸含量关系较密切。尹光庭等［25］对云南施甸县烟区黄壤土、红壤土、黄红土3种植烟土壤上生长的K326的CF3样品分析发现，高级脂肪酸中的月桂酸和肉豆蔻酸在3种土壤类型烟叶中存在显著差异，以红壤土最高、其次为黄红土和黄壤土，其他脂肪酸无显著差异。对不同气候和土壤环境下生长的烟草分析发现，云南马龙县气候条件下生长的云烟87烟叶中高级脂肪酸含量显著高于罗平县气候条件下的，而相同气候不同土壤条件下则以罗平的显著高于马龙的，气候、土壤及二者互作对烟叶总高级脂肪酸影响分别为高度、中度影响效应［26］。沈晗等［27］研究发现，水稻土、火山灰土上生长的烟叶中，月桂酸含量显著高于黄壤和红壤的，肉豆蔻酸和棕榈酸含量则差异不显著。

2.3 光环境对烟草中脂肪酸合成代谢的影响

陈颐等［28］研究发现，与常规大棚育苗相比，大棚内增温补光和烤房内正常光照不增温处理育苗均显著增加了烟叶内棕榈酸和硬脂酸的含量，而大棚内增温不补光处理则降低了二者的含量。研究发现，随着光照强度的降低，烟叶内不饱和脂肪酸含量降低［29-30］。孟霖等［31］用LED对生理成熟期的烟叶短暂补充不同光质后对其代谢组学分析发现，烟叶内脂肪酸代谢受光质影响较大，其含量在对照白光下最低，而蓝光下虽有所升高但仍处于较低水平，而在UV-A、绿、黄、红光下含量则较高。左敏等［32］研究也发现，增强UV-B辐射可显著提高烟叶内的高级脂肪酸含量。

2.4 温度对烟草中脂肪酸合成代谢的影响

Gawer 等［33］对不同温度下培养的烟草悬浮细胞研究表明，烟草悬浮细胞中多不饱和脂肪酸积累的最佳温度在20-26℃。Popov 等［34］对烟草进行低温（8℃/ 6 d）锻炼后发现，低温锻炼提高了烟叶的耐冷性，但没有提高烟草根部的耐冷性，锻炼后烟叶中多不饱和脂肪酸含量增加，而饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸含量降低；相反，经低温锻炼后的烟草根中饱和脂肪酸含量略微增加而不饱和脂肪酸含量降低，且根部中脂质含有较多的C20-24脂肪酸，同时它们的含量随着低温锻炼而增加，从而降低了烟草根部细胞膜的流动性，这可能是低温锻炼导致喜温的烟草根部不耐冷和低温下植株死亡的原因。对大田环境下生长的云烟100进行夜间加盖大棚保温研究发现，下部烟叶中棕榈酸和油酸的质量分数极显著提高［35］。

2.5 纬度和海拔对烟草中脂肪酸合成代谢的影响

杨虹琦等［36］对中国不同纬度烟区CF3烟叶调查发现，低纬度和高纬度产区烟叶中饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸均显著高于中纬度产区的。简永兴等［37］对湘西北海拔200-1 000 m 范围内不同海拔高度盆栽的云烟87研究表明，湘西北海拔高度与烤烟棕榈酸、硬脂酸、亚油酸+亚麻酸含量均呈正相关，其中与前两者含量分别达到极显著和显著水平，1 000 m海拔处烟叶中的上述3类酸含量分别为200 m海拔处烟叶内的1.26、2.21、1.60倍，而海拔对月桂酸、油酸影响不大。

2.6 施肥对烟草中脂肪酸合成代谢的影响

韩锦峰等［38］研究表明，氮素水平较低的条件有利于烟叶中脂肪酸向长链不饱和方向转化，但氮素过高也会促进长链不饱和脂肪酸的合成。李银科等［39］研究发现，不同施氮水平下（0、45、90和135 kg/hm2）下，烟叶中高级脂肪酸含量以施氮90 kg/hm2处理下最高。随着钾肥施用量的增加，烟叶中亚油酸、亚麻酸的含量降低［40-41］。武雪萍等［42］研究表明，与单独施用化肥相比，50%芝麻饼肥氮+50%化肥氮处理提高了云烟85上、中、下部烟叶中饱和脂肪酸豆蔻酸和月桂酸含量，不饱和脂肪酸亚油酸、亚麻酸含量则降低。顾明华等［43］研究也表明，配施有机肥提高了烤烟生长后期烟叶的脂氧合酶活性，增强了烟叶生长后期的脂类代谢，提高了烟叶生长后期的饱和脂肪酸含量，并降低不饱和脂肪酸的含量，烘烤后以配施30%有机肥处理烟叶的总饱和脂肪酸含量最高，总不饱和脂肪酸含量最低，有利于烟叶品质的提高。徐发华等［44］通过对不同生育期烟草外施苹果酸发现，早施苹果酸有利于显著降低烟叶中高级脂肪酸含量和比例。

2.7 烘烤调制对烟草脂肪酸合成代谢的影响

在烘烤调制过程中，随着烘烤时间的延长，烟叶内月桂酸、十三烷酸、油酸和亚油酸含量升高，豆蔻酸、棕榈油酸、硬脂酸、亚麻酸和20碳烯酸含量减少［14］。同时，在烘烤的过程中烟叶内LOX活性在0-48 h 期间逐渐上升，之后显著下降直至完全消失，在此过程中，丙二醛（MDA）含量在0-48 h内与LOX变化趋势同步，48 h 后MDA对LOX反馈抑制作用增强，烘烤期间总不饱和脂肪酸含量降低，降低最多的是亚油酸和亚麻酸，而饱和脂肪酸含量上升［45］。晾晒的过程中，烟叶中的脂肪酸含量降低，特别是不饱和脂肪酸的含量［5］。管维等［46］研究表明，不同品种烤烟烟叶中棕榈酸和硬脂酸两种高级脂肪酸含量在烘烤前后无显著差异，亚油酸、亚麻酸在烘烤后出现显著性差异，云烟87和红大的高级脂肪酸含量在烘烤后降低。

2.8 产区地理气候综合条件对烟草脂肪酸合成代谢的影响

云南产区烟叶烘烤前后高级脂肪酸含量略低于福建产区，表现出明显的产区差异［46］。对全国5个烟区调查发现，烟叶中高级脂肪酸含量由高到低依次为云南、湖南、贵州、湖北和广西，并以中部烟叶的含量高于上部烟叶［47］。

2.9 其他因素对烟草脂肪酸合成代谢的影响

Weete［48］对正常的烟草细胞和发生异常增生的烟草细胞进行培养发现，异常增生的烟草细胞内总脂肪酸含量是正常生长细胞内的3.2倍，不饱和脂肪酸则以正常培养细胞的细胞内较高，说明发生病变或异常增生的烟草细胞内同时伴随着脂肪酸组成及其含量的变化。Hamada 等［49］研究表明，机械伤害也会引起烟叶内脂肪酸代谢的变化，与对照相比，经机械伤害的烟草叶片中质体ω-3脂肪酸去饱和酶基因mRNA水平增加了2倍，而线粒体ω-3脂肪酸去饱和酶基因mRNA水平则保持恒定，机械伤害后，烟叶内的亚麻酸含量增加，说明机械伤害促进了烟叶内ω-3脂肪酸去饱和酶基因mRNA的积累，进而促进了亚油酸（18∶2）向亚麻酸（18∶3）的转化，这可能是烟草植株应对机械损伤的一种适应机制。烟草中脂肪酸的合成可能存在反馈抑制的调节机制，在培养的烟草悬浮细胞中加入外源油酸后，通过反馈调节抑制了悬浮细胞脂肪酸的合成，且这样的调节很可能是通过对乙酰辅酶羧化酶（ACCase）生化水平的调节或在转录后修饰调节及调控其他脂肪酸的合成来实现的［50］。Sumayo 等［51］研究发现，外源施用亚油酸能诱导烟草植株中由细菌性软腐病引起综合防御反应，诱导该反应中的防御基因及相关保护酶如POD、PPO和PAL等酶活性的增加及其基因表达，说明亚油酸在烟草对病害胁迫的过程中扮演着重要作用。Hamberg 等［52］研究表明，细菌感染可诱导烟草启动脂肪酸的α-氧化途径产生2-羟基-亚麻酸，减少LOX途径产生的十八碳三烯酸含量，在细菌感染部位发挥组织保护功能。

3 烟草中脂肪酸的合成及基因工程的应用

同其他高等植物一样，烟草中饱和脂肪酸的合成部位主要是细胞质，线粒体和叶绿体中也有脂肪酸合成，合成的主要原料为乙酰-CoA，乙酰-CoA在乙酰-CoA羧化酶（ACCase）的催化下合成丙二酰-CoA，ACCase是植物中脂肪酸从头合成过程中的关键限速酶之一，在自然界有两种形式的ACCase，一种称为真核形式的ACCase，由一条含有3个功能结构域的肽链组成，单子叶植物中的禾本科植物如玉米、小麦和水稻叶绿体ACCase为真核形式；另一种称为原核形式的ACCase，由生物素羧化酶（BC）、生物素羧基载体蛋白（BCCP）、羧基转移酶（CT）及另一个功能未知的酶组成的多酶复合体，双子叶植物如豌豆、烟草中的ACCase为原核形式［53］。在丙二酰-CoA形成后，脂肪酸合成酶（FAS）以丙二酰-CoA为底物每次循环加入2C进行连续的聚合反应合成酰基碳链，进一步合成C16-18的饱和脂肪酸，植物中的脂肪酸合成酶（FAS）也是由酰基载体蛋白、β-酮脂酰-ACP合酶，β-酮脂酰-ACP还原酶，β-羟脂酰-ACP脱水酶、烯脂酰-ACP还原酶，脂酰-ACP硫酯酶等部分组成的原核形式的多酶复合体［54］。植物中的各种不饱和脂肪酸，如棕榈油酸、油酸、亚油酸和亚麻酸等则是饱和脂肪酸在脂肪酸去饱和酶的催化下合成，根据底物不同，脂肪酸去饱和酶可分为脂酰-ACP去饱和酶（Acyl-ACP desaturase）和脂酰-脂去饱和酶（Acyl-lipid desaturase）两类，二者在饱和脂肪酸的去饱和作用生成不饱和脂肪酸的反应中发挥着重要作用［55-56］

烟草ACCase由3个核基因和一个细胞质基因（accD）编码，在烟草质体中过表达accD基因提高了烟草光合组织和非光合组织中ACCase水平，增加了质体中总ACCase水平，该过表达accD基因植株生长正常，并显著增加了烟叶中脂肪酸含量，同时延长了烟叶的生长时间，提高了烟草种子产量，间接提高了烟草种子中脂肪酸的含量［57］。Yang 等［58］从烟草中分离出两个β-酮脂酰-ACP合酶 I（KAS I）基因，NtKASI-1和NtKASI-2，二者在所有检测的烟草组织中均为组成型表达，过表达NtKASI-1或使NtKASI-1沉默表达均改变了烟叶中脂肪酸含量；NtKASI-2沉默没有显著改变烟草的表型，但将NtKASI-1和NtKASI-2都沉默表达后，与野生型烟草相比，烟草表型发生显著改变，这表明NtKASI-1基因有部分功能冗余，NtKASI-1在烟草脂肪酸合成和生长发育调控中发挥着重要的作用。乙酰-CoA是合成脂肪酸的主要原料，将小鼠肝脏中催化乙酰-CoA合成的柠檬酸裂解酶（Citrate lyase，ACL）转入烟草质体中过表达后，烟叶内ACL总活性提高了4倍，同时脂肪酸总量与对照比提高了16%，但脂肪酸组成没有显著变化［59］。将橄榄的酰基载体蛋白（ACP）cDNA分别导入烟草的叶绿素DNA 和核基因中过表达发现，橄榄ACP cDNA转入烟草叶绿体的株系与转入核基因的株系相比积累低水平的ACP，同时转叶绿体基因的株系子叶颜色为浅绿色/白色，叶绿体发育不正常，延缓了萌发，减缓了烟株生长，相反将目的基因转入核基因的烟草株系表达高水平的ACP，并增加了油酸、亚麻酸含量，同时降低了16碳2烯酸和16碳3烯酸的含量，转橄榄ACP烟草株系没有对烟草中脂肪酸的合成产生较大的影响，但从一定程度上促进了长链脂肪酸（C18）的合成及其后亚麻酸（18∶3）和油酸（18∶1）的生成［60］。Tang等［61］将花生酰基载体蛋白（AhACP）在转基因烟草中过表达和反义抑制发现，与野生型相比过表达AhACP使转基因烟草内多不饱和脂肪酸（C18∶2 和 C18∶3）含量显著增加，提高了烟草抗冷性，而反义抑制AhACP的转基因烟草植株内多不饱和脂肪酸含量降低，对低温胁迫更敏感。赵彦朋等［62］通过同步抑制Fad2与FatB（酰基转移酶）基因表达，显著提高了烟草种子中油酸组分的含量。

将烟草中的线粒体ω-6 脂肪酸去饱和酶基因（FAD2）表达沉默后发现，FAD2表达沉默后在烟草不同组织中的引起的效应有所不同，其显著增加了叶片和种子中油酸的含量，同时一些极性脂类中棕榈酸的含量显著降低，说明由FAD2沉默所引起的烟草内脂肪酸代谢变化的效应是多重的［63］。Zhang等［64］研究发现，FAD2 沉默表达后，在转基因烟草叶片中的油酸含量显著升高。将烟草ω-3脂肪酸去饱和酶（NtFAD3）的有义链和反义链基因分别转入烟草表达后发现，与对照相比，在转入NtFAD3反义链基因的株系NtFAD3 mRNA水平降低了30%，根中亚麻酸（18∶3）脂肪酸含量降低了80%，而叶中则降低了70%-80%，相反，过表达有义链的烟草中NtFAD3 mRNA水平增加了8倍，根及叶片中亚麻酸含量分别增加了1.5、1.1倍，说明通过基因工程对高等植物中线粒体ω-3脂肪酸去饱和酶基因表达水平调控可有效调节植物中18∶3脂肪酸的含量［65］。将油菜FAD3基因和拟南芥FAD8基因分别导入烟草悬浮细胞和植株中过表达，过表达FAD3基因植株亚麻酸/亚油酸的比例显著增加，而过表达FAD8基因则引起质体内脂质含量的增加，同时显著增加了烟草悬浮细胞和植株的热敏感性；过表达FAD3和FAD8基因增加了烟草植株对干旱和烟草悬浮细胞对渗透胁迫的耐受性，干旱胁迫引起亚麻酸水平的下降可能间接反映了干旱胁迫对烟草的伤害［66］。

质体ω-3去饱和酶（NtFAD7）可催化甘油糖脂中含两个双键的脂肪酸（16∶2和18∶2）转化为三烯脂肪酸（16∶3和α-18∶3），二者均是叶绿体膜的重要组分，Kodama 等［67-68］将拟南芥叶绿体ω-3脂肪酸去饱和酶基因（FAD7）转入烟草后，提高了低温下转基因烟草叶片中的16∶3和18∶3脂肪酸含量，缓解了低温胁迫对烟草生长的抑制作用。而经过低温15℃锻炼的普通烟草叶片内三烯脂肪酸含量及主要的极性脂的不饱和度均显著增加，低温锻炼时普通烟叶内三烯脂肪酸含量的增加是提高烟草非冰冻低温环境下抗冷性的先决条件。而通过引入NtFAD7双链RNA结构则可下调烟叶内NtFAD7的转录水平，并可作为降低高等植物营养组织中三烯脂肪酸的含量一个有效手段［69］。Khodakovskaya等［70］将拟南芥叶绿体FAD7基因导入烟草幼苗内，与野生型烟草幼苗低温处理44 d后相比，转基因烟草幼苗维持较高的存活率（40.2%-96%）、较高的三烯脂肪酸水平，同时叶绿体结构在低温胁迫下较稳定，而野生型则存活率较低（6.7%-10.2%）且三烯脂肪酸含量急剧降低，叶绿体基粒堆垛减少，叶绿素含量降低，表明转FAD7基因烟草在低温胁迫下有较好的适应性和耐冷性。

Cahoon等［71］将芫荽脂酰-ACP去饱和酶基因转入烟草后，转基因烟草愈伤组织内有欧芹酸（18:1Δ6cis）和16碳烯酸（Δ4）的积累，说明该酶参与了烟草中欧芹酸和其他不常见脂肪酸的合成。Sayanova等［72-73］将玻璃苣的Δ6去饱和酶基因转入烟草后，烟草种子和其他组织中均有新的Δ6不饱和脂肪酸如18碳4烯酸（C18∶4）、γ 亚油酸的积累，二者主要分布质体和线粒体中甘油酯骨架的sn-2位置，这可能暗示着这些新合成的脂类可融入细胞膜的脂类中参与细胞膜的构建，由于玻璃苣的Δ6去饱和酶基因主要在内质网表达，因此转基因烟草线粒体和质体中的这两种脂类可能是在内质网上发生去饱和作用后转移到质体和线粒体中，进而提高了烟草亚油酸和18碳4烯酸的含量。将外源Δ9去饱和酶转入烟草后，转基因烟草叶片、种子中脂肪酸含量及不饱和度显著增加，电解质渗透率降低，烟草植株及烟草种子的耐冷性均显著增强［74-76］。

脂肪酸脱氢酶是植物多不饱和脂肪酸合成中的关键酶，将深黄被包霉Δ9-脂肪酸脱氢酶和高山被包霉Δ6-脂肪酸脱氢酶基因分别导入烟草中的表达后显著提高了烟草中亚麻酸和18碳4烯酸的含量［77-78］。将猫爪藤ACP-Δ9脂肪酸脱氢酶（MucACPΔ9D）基因转入烟草并过表达的研究表明，MucACPΔ9D能在烟草细胞质体内高效催化ACP-C16∶0生成 ACP-C16∶1Δ9，进一步延伸产生 C18∶1Δ11，最终使烟草中ω-7脂肪酸从对照中极低水平提高到25.4%-29.4%［79］。将酿酒酵母脂酰 -CoAΔ9脱氢酶（ScΔ9D）分别转入烟草质体和内质网后显著提高了转基因烟草叶片中单不饱和棕榈油酸及顺式18碳烯酸含量，同时降低了饱和的棕榈酸、亚油酸和亚麻酸含量，且以质体定位的转ScΔ9D处理高于内质网定位的转 ScΔ9D 处理［80］。

二酰基甘油酰基转移酶（DGTA）是三酰甘油（TAG）合成的关键酶，将拟南芥 DGTA 和 LEC2 基因转入烟草茎中过表达后，转基因烟草成熟的茎中脂肪酸积累与对照比分别显著增加63%和80%，同时质体中有关脂肪酸合成的蛋白质基因表达水平也显著提高［81］。将油葵DGTA转入烟草后提高了烟草叶片中油酸、软脂酸和硬脂酸的含量［82］。而通过干扰技术将烟草中DGTA基因沉默后，DGTA转录水平降低，烟草中各组织中的油脂含量降低，说明DGTA在烟草脂肪酸的合成中发挥着重要的作用［83］。

4 结语

综上所述，烟草植株（茎、叶、种子）中均含有丰富的油脂和各种脂肪酸，尤其以烟草种子中不饱和脂肪酸含量最高，通过各种基因工程，可显著提高烟草植株中的油脂和脂肪酸积累，可作为潜在的生物能源加以开发利用，具有很高的应用前景。

在烟草种子发育成熟过程中，不饱和脂肪酸大量积累，并以亚油酸为主。在烟草植株的生长发育及叶片成熟衰老过程中，烟叶内各类脂肪酸含量呈先增大后降低的趋势，且总脂肪酸总量的变化趋势与该过程中叶绿素含量先增高后降低的趋势一致，同时随着烟叶成熟衰老，烟叶内饱和脂肪酸含量降低，而不饱和脂肪酸含量则逐渐增加；在空间分布上，以烟株的中、下部叶片的脂肪酸含量较高，上部叶较低；在烟叶组织中则以栅栏组织中高级脂肪酸的含量高于海绵组织中的，因此在烟叶烘烤调制时，可根据烟叶脂肪酸含量的高低，选择适宜的烘烤条件及调制措施，以利于烟叶品质和风格形成。

不同基因型烟草中的脂肪酸含量组成存在差异，各种环境因素如土壤理化性质，光照、温度和地理因素（海拔、维度）施肥、烘烤和产区综合生态环境因素均会对烟草中脂肪酸的积累、代谢及组成产生显著的影响；同时机械损伤、病原菌感染、细胞分裂的病变也会引起烟草脂肪酸含量和组成的变化，这可能也是植物对各类环境的一种适应机制。因此，可根据烟叶品质需求，选择适宜的气候条件栽培烟草，以利于烟叶中脂肪酸的代谢进而提高烟叶品质。

通过基因工程过表达脂肪酸合成代谢途径中的关键酶，如柠檬酸裂解酶（ACL）、乙酰-CoA羧化酶（ACCase）、β-酮脂酰 -ACP 合酶 I（KAS I）、酰基载体蛋白（ACP）等均可显著提高烟草内脂肪酸的总量。而在烟草中高表达各种脂肪酸去饱和酶如FAD2、FAD、FAD7及各类脂肪酸脱氢酶均可显著改变脂肪酸中饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸的比例，使烟草内不饱和脂肪酸含量显著升高，以此提高烟草对各种逆境，如低温、干旱、强光等胁迫环境下的适应能力及抗逆性，这可能归因于不饱和脂肪酸比例提高，进而增加了逆境胁迫下植物细胞膜的流动性，稳定了细胞膜结构［7］，这也为通过基因工程提高其他作物抗逆性的研究，从脂肪酸代谢的角度提供了一个新的思路及方向。

最近，我们研究组的结果证实［84］，通过低温锻炼的方法可改变小桐子体内脂肪酸组成、含量及分布，进而提高小桐子幼苗的抗冷性，但针对高温、干旱锻炼途径提高植物抗逆性的过程中，脂肪酸代谢在锻炼前后如何变化及其作用机制则尚不清楚，在未来的研究中也值得系统深入的探索。此外，植物体内脂肪酸代谢（组成、含量和分布）对干旱、高温、低温及盐胁迫等环境的响应是否有共性及特性，这还需进一步系统的研究，以确定脂肪酸代谢在植物应对逆境胁迫时的作用及机制。

目前，不同环境因素对不同植物生长发育过程中，不同时期、不同部位（果实、种子、茎和叶等）、脂肪酸组成、分布及含量的影响及调控机制还不清楚，特别是针对一些富含油脂的经济作物，如油菜、花生、大豆、玉米和向日葵等还未有系统的研究和报道，将来的研究中可选取这些重要的经济作物为研究对象，探究不同环境因素对脂肪酸代谢的影响，以便合理规划种植；或通过人工方法，改善油料作物的生长环境以利于脂肪酸合成代谢；另外还可以利用基因工程针对一些重要的油料作物中脂肪酸代谢途径中关键酶的基因加以修饰改造，促进脂肪酸的含量和不饱和脂肪酸的比例的增加，提高其经济及营养价值。

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Research Advances on Metabolism of Higher Fatty Acids in Nicotiana tabacum and Its Affecting Factors

YANG Li-yun1YANG Shuang-long1LI Jun-ying2PANG Tao2HE Bin3GONG Ming1
（1. School of Life Sciences，Engineering Research Center of Sustainable Development and Utilization of Biomass Energy，Ministry of Education，Key Laboratory of Biomass Energy and Environmental Biotechnology of Yunnan Province，Yunnan Normal University，Kunming 650500 ；2. Yunnan Academy of Tobacco Agricultural Sciences，Kunming 650031 ；3. Yunnan Tobacco Leaf Company，Kunming 650218）

As one kind of important compounds in tobacco plants，fatty acids play remarkable roles in their growth and development，as well as tobacco quality and flavor. Recently，it also has been verified that fatty acids are involved in the formation of stress tolerance in tobacco plants. Tobacco seeds are rich in lipids and various kinds of fatty acids，and the contents of linoleic acid，oleic acid and palmitic acid increase gradually with the developing of tobacco seeds；and they can be considered to be utilized as a potential biomass source. During the process of growth and development of tobacco leaves，fatty acid contents increase gradually，reach the maximum when tobacco plants are blooming，then decrease during maturing and senescing of tobacco leaves；at the same time，the saturated fatty acids are transformed into the unsaturated ones. Moreover，the contents of fatty acids are higher in lower and middle leaves than those in upper ones of tobacco plants，and also higher in palisade tissue than in spongy tissue in tobacco leaves. In addition，genotype and environmental factors such as light irradiation，temperature，geographical factors，fertilization，flue-curing methods，mechanical injury and so on apply significant effects on composition and content of fatty acids，as well as key enzyme activities and their gene expressions in the biosynthesis and metabolism of fatty acids in tobacco leaves.Chill-hardening may enhance chilling resistance of tobacco plants by increasing the contents of the polyunsaturated fatty acids and reducing

脂肪酸（Fatty acids，FA）是一类由碳、氢和氧3种元素组成的重要生物活性物质，按碳链的长短可分为长链（＞20C）、中长链（8-18C）、短链脂肪酸（4-7C）；按饱和程度可分为饱和脂肪酸（Saturated fatty acid，SFA）和不饱和脂肪酸［单不饱和脂肪酸，（Monounsaturated fatty acids，MUFA）及多不饱和脂肪酸，（Polyunsaturated fatty acids，PUFA）］。植物中的脂肪酸分布广泛、种类繁多、含量丰富，具有重要的功能，如脂肪酸是细胞膜和细胞器膜中膜脂主要成分；同时也是植物分泌的蜡质和植物表皮角质层的主要组分，可使植物有效防止外部机械损伤、热量和水分散失及病原菌侵害；一些脂肪酸还作为重要的信号分子参与信号转导过程、参与对植物生长发育的调控及对各种逆境胁迫的响应和适应；脂肪酸还是各种含油种子的子叶和胚乳中合成储存脂质，如三酰基甘油（Triacylglycerols，TAG）的重要原料，可为种子萌发提供能量，同时作为人类食物中油脂的重要来源之一，为人类提供能量和营养。另外，一些植物中丰富的脂肪酸还可作为重要的生物能源物质加以利用，减缓各种因化石燃料使用造成的污染和由此产生的温室效应［1-4］。

烟草（Nicotiana tabacum L.）作为重要的经济作物之一被大量的种植，同时作为一种重要的科研模式植物被广泛研究。烟草中的脂肪酸可分为挥发性低级脂肪酸和半挥发性高级脂肪酸两大类，亚油酸和亚麻酸会增加烟叶的刺激性，而碳原子在12以上的各类高级脂肪酸则可赋予烟叶特殊的香气，对烟叶的品质和风味有重要的影响［5-6］。同时，烟草植株中脂肪酸的组成、含量及分布在其对各类逆境胁迫的适应过程中发挥着重要的调节作用［7-9］。此外，烟草种子和叶片中均富含各类脂肪酸，可作为重要的生物能源加以开发利用，具有可观的应用前景［10-11］。

已有学者对烟草中脂肪酸做了部分研究和报道，但对脂肪酸在烟草不同部位的分布、组成、含量及其在烟草植株生长发育的过程中的变化及影响其代谢的因素尚未有详尽的报道。因此，本文对近年来国内外学者对烟草脂肪酸的研究工作进行了综述和分析，以期为烟草植株中脂肪酸的研究和优质烟叶的生产提供参考，同时为不同产区不同风格的烟叶形成机制从脂肪酸代谢的角度作出相关的解释。

Giannelos等研究显示，烟草种子生物量的38%-40%均为油脂，主要组分为亚油酸、油酸和棕榈酸［10］。Azam等研究也发现，烟草籽油中富含各种脂肪酸，并以不饱和脂肪酸为主，其中亚油酸、油酸和棕榈酸分别占71.63%、13.46% 和 8.72%，因此，烟草种子中的油脂可作为重要的可再生生物能源加以开发利用，具有可观的应用前景［11］。在烟草植株的花发育形成种子的过程中，脂肪酸含量急剧增加，特别是亚油酸含量，其占烟草种子中油脂的75%左右［5］。柴家荣［12］对烤烟K326和白肋烟TN86种子萌发时脂肪酸含量及脂肪酶活性变化研究显示，二者在种子萌发过程中均呈波动上升的趋势，脂肪酶活性高峰出现在96 h而脂肪酸含量高峰出现在168 h，滞后于脂肪酶活性的高值期，萌发期间粗脂肪含量以K362较高，而酶活性及脂肪酸含量则以TN86的较高，不同烟草类型间差异较显著。

Chu和Tso［5］研究表明，上部烟叶中的脂肪酸含量在移栽75 d后早期开花时达到最高，而在衰老的叶片中脂肪酸含量则持续的降低；随着叶片的生the contents of saturated fatty acids. It is also an effective method to increase the contents of unsaturated fatty acids in tobacco plants with overexpressing the genes of the acyl-ACP desaturase，ACP，fatty acids desaturase and fatty acids dehydrogenase by genetic engineering，which in turn improves the stress tolerance of tobacco plants to abiotic stresses，such as drought，high temperature and highlight stress and so on. Based on the above-mentioned works，the paper presents the future research direction，aiming at providing the theoretical and practical guidance for the study of this field.

Nicotiana tabacum；higher fatty acids；metabolism；affecting factors长发育，烟叶内的亚麻酸含量呈逐渐增加的趋势，从早期的30%到成熟时的60%，而相同时期的其他脂肪酸（18∶2、18∶1、18∶0和16∶0）则逐渐降低，说明随着上部烟叶的成熟，烟叶内的脂肪酸在去饱和酶的作用下转化为不饱和脂肪酸。Koiwai等［13］研究也发现，在烟叶生长发育和成熟衰老过程中，烟叶中脂肪酸总量先增加后降低，该过程与烟叶中叶绿素含量先增加后降低的趋势同步。宫长荣等［14］研究发现，随着烟叶成熟度的提高，烟叶内棕榈油酸、油酸和亚麻酸含量持续下降，而月桂酸含量显著增加，其余几种脂肪酸大多在烟叶适熟时含量最高，过熟时下降。对打顶后K326中部烟叶分析发现，随着烟叶的成熟，烟叶中高级脂肪酸含量呈大幅度降低的趋势［15］。对云南烤烟分析发现，高级脂肪酸在上部烟叶中含量较低，在中、下部烟叶含量较高［16］。对不同叶位烟叶研究发现，自下向上第8-12片烟叶中的饱和脂肪酸及不饱和脂肪酸含量呈先增大后降低，至第12片烟叶又达到最大值，其中以第9片烟叶的含量最高［17］。对K326和红大下部适熟第4、10、16片烟叶海绵组织和栅栏组织分析发现，高级脂肪酸均以栅栏组织中的最高［18］。

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017-0391

2017-05-13

国家自然科学基金项目（31260064，31460059），国家烟草专卖局科技专项［110201101003（TS-03）］，2016年云南省博士学术新人奖（01700205020516002）

杨利云，男，博士研究生，研究方向：农业生物环境工程；E-mail：sunnyyangliyun@163.com

龚明，男，博士，教授，研究方向：农业生物环境工程及逆境生物学；E-mail：gongming6307@163.com

（责任编辑 狄艳红）