烤烟主要农艺性状变异特征以及与烟碱含量的相关分析

尹鹏嘉，任 民，孙 鑫，周世奇，杨爱国，罗成刚，陈爱国，文柳璎*

烟碱即尼古丁，是烟叶的主要品质成分之一，是评价烟叶和卷烟质量的重要指标之一[1]。烟碱属于长距离运输的次生代谢物，在根部合成后，通过木质部运输到地上部分，而地上部分的分布主要集中在叶片[2-3]，整个过程受到多种因素影响，其中遗传因素占主导[4]。因此，可通过遗传育种手段，提高烤烟的烟碱含量。目前，由于烟碱含量的检测繁琐且成本较高，在田间选育阶段缺乏有效的参考指标。通过对容易测量的农艺性状与烟碱含量的相关性研究，筛选出与之相关性较高的农艺性状，对提高田间烤烟品种选育效率具有重要指导意义。已有对烤后烟叶的研究表明，烤烟物理性状之间以及与烟碱都存在一定的相关关系[5-6]。烟碱含量与不同叶位单一叶长、叶宽性状的曲线回归较简单线性回归更有效，而烤烟叶长与烟碱含量呈显著的逆函数关系，烤烟叶宽与烟碱含量呈显著的二次函数关系[7]。此外，王建波等[8]研究认为，烤烟叶长与烟碱含量呈显著二次函数关系，而叶宽、含梗率对烟碱的影响相对较小。烤烟烟碱含量与叶面积呈正相关，烟碱含量随叶片面积增大而增大[9]。由此可见，已有研究多以烤后烟叶为研究对象，而对田间成熟期烟株的农艺性状分析的研究鲜见报道。因此，本研究采用多种统计分析方法，对116份烤烟种质资源的农艺性状与烟碱含量的关系进行研究，旨在明确与烟碱含量相关性较高的农艺性状以及两者之间的回归关系，为选育高烟碱烤烟品种、提高烟叶品质提供重要的参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

由国家烟草种质资源中期库提供共116份烤烟品系种质资源（表1），其中地方烤烟资源19份，选育烤烟资源55份，引进烤烟资源42份。

1.2 试验时间、地点

本研究田间试验于 2012—2015年在中国农业科学院烟草研究所诸城基地进行。诸城基地（35°42′N，119°02′E，海拔45 m）位于山东省诸城市相州镇。区域内多年平均气温 12.5 ℃，年降水量735.4 mm，棕壤土，农作物种植制度为小麦/烤烟轮作一年两熟制，土壤肥力适中，无严重病史。烤烟于5月上旬移栽，在60%的中心花开放时，对116份烤烟品系统一进行打顶，并立即涂抹抑芽剂，10月上旬采收结束。

1.3 试验方法

1.3.1 试验小区设计 试验采用随机区组设计，栽培密度为每行20株，株距0.5 m，行距1.0 m，每个品种种植2行，3次重复，试验区两侧设保护行，两头设保护株。

1.3.2 烟碱和农艺性状的测定 待烟叶成熟时，采收新鲜烟叶并用105 ℃杀青30 min并烘干[10]，制成烟叶样品。杀青后烟叶样品烟碱含量测定在农业部烟草产业产品质量监督检验测试中心进行，检测方法参照行业标准YC/T 217—2007。同时调查株高（X1）、茎围（X2）、叶数（X3）、节距（X4）、上二棚叶长（X5）、上二棚叶宽（X6）、上二棚叶长宽比（X7）、腰叶长（X8）、腰叶宽（X9）、腰叶长宽比（X10）、下二棚叶长（X11）、下二棚叶宽（X12）、下二棚叶长宽比（X13）和烟碱含量（Y），测量方法参照标准YC/T 142—2010。

1.4 数据分析

采用Excel2013进行因子分析数据标准化处理[11]，计算平均值、标准差及变异系数，采用SAS9.2[12-13]数据处理系统进行因子分析、简单相关分析、逐步回归分析、二次响应面分析等相关统计分析。

2 结 果

2.1 116份烤烟主要农艺性状的变异特征

对 116份烤烟种质资源性状进行观测和分析（表2），结果表明，116份烤烟品种间主要农艺性状变异丰富，其变异系数达 5.64%～16.96%。节距变异系数最大，为16.96%，属中度变异，腰叶长的变异系数最小，仅为5.64%，属于弱变异，稳定性最好；而烟碱含量变异系数达24.3%。由峰度系数可以看出，除烟碱含量、上二棚叶长、腰叶长、下二棚叶长的峰度系数小于0外，其他农艺性状的峰度

系数均大于 0，说明数据大多集中于平均数附近，形成尖峭峰。由偏度系数可以看出，上二棚叶长、腰叶长、腰叶宽、下二棚叶宽4个农艺性状的偏度系数小于 0，表现为负向的偏态分布，其余各指标呈正向的偏态分布，其中下二棚叶长更接近于正态，可供进一步分析。

表1 116份供试材料Table 1 116 varieties

表2 烤烟种质资源性状表现值Table 2 Agronomic traits of tobacco germplasm resources

2.2 烟碱与农艺性状相关性分析

供试烤烟品种 13个农艺性状与烟碱含量简单相关分析（表 3）表明，茎围、叶数、节距、下二棚叶长、下二棚叶宽5个农艺性状与烟碱含量的简单相关系数均达显著或极显著水平，其他8个农艺性状与烟碱含量的相关系数不显著。下二棚叶长与烟碱含量的相关系数最大且符号相反，表明烟株下二棚叶叶长较短是高烟碱烤烟品种的主要特征。

表 3 烤烟资源农艺性状之间简单相关系数Table 3 Simple correlation coefficients of agronomic traits in tobacco

2.3 因子分析

对烤烟的 13个主要农艺性状进行降维，确定对烟碱含量相关性较大的因子。采用因子分析法对烟碱含量与13个主要农艺性状进行分析（表4）。结果表明，在所有烟碱含量相关的主分量性状中，前 4个因子包含了主要农艺性状总遗传信息的86.82%，且特征值均大于1，因此，可用其对高低烟碱烤烟品种的表型性状进行初步筛选。

由表4可知，因子1的特征向量中载荷较高的因子为腰叶长宽比（X10）、下二棚叶长宽比（X13），且符号与烟碱含量（Y）相反，说明叶片长宽比较小是高烟碱的烤烟表型之一，可认为第一公因子为高烟碱烤烟的“叶长宽比因子”。因子 2的特征向量中载荷较高的因子为叶数（X3），其符号与烟碱含量（Y）相反，说明叶数较少是高烟碱烤烟的表型之一，可认为第二公因子为高烟碱烤烟的“叶数因子”。因子 3特征向量中载荷较高的因子为腰叶长（X8），可认为第三公因子为高烟碱烤烟的“叶长因子”。因子4的特征向量中株高（X1）的载荷最高，达0.94。因此，第四公因子可视为高烟碱烤烟的“株高因子”。

表 4 主因子性状的特征值、贡献率、累计贡献率Table 4 Characteristic values, contribution rate and cumulative proportion of the principal factors

2.4 回归分析

简单相关分析表明，X2、X3、X4、X11、X125个农艺性状与烟碱含量相关性显著。因子分析表明，烟叶长宽比因子、叶数因子、叶长因子、株高因子等 4个因子为高烟碱烤烟的主要载荷因子，因此，可以用来代替所有农艺性状进行进一步分析。分别以X1、X8、X10、X13、X2、X3、X4、X11、X12为自变量，烟碱含量Y为因变量，采用逐步回归分析法，拟合回归模型（表5）。结果表明，腰叶长、下二棚叶长与烟碱含量的回归模型达极显著水平，说明模型选出的腰叶长（X8）、下二棚叶长（X11）两个非共线性的农艺性状可以作为与烟碱含量相关的主要农艺性状。

表5 烟碱含量与农艺性状的逐步回归分析Table 5 Stepwise selection analysis of nicotine content and agronomic traits

2.5 二次响应面分析

2.5.1 二次响应面模型的建立与分析 逐步回归模型引入了腰叶长、下二棚叶长2个非共线性的叶部农艺性状，为进一步研究入选的农艺性状与烟碱含量的动态变化关系，采用二次响应面对其进一步分析。以腰叶长（X8）、下二棚叶长（X11）为自变量，烟碱含量（Y）为因变量，拟合二次响应面回归模型。所得回归模型为：Y=0.0021X82+0.0086X112-0.0165X11X8+0.807X8-0.1251X11-16.5151(F=5.21，P=0.0002)。结果表明，腰叶长（X8）、下二棚叶长（X11）与烟碱含量（Y）的二次响应面回归模型达到极显著水平。

2.5.2 下二棚叶长、腰叶长的动态分析 根据烟碱含量与下二棚叶长、腰叶长的二次响应回归模型，做下二棚叶叶长和腰叶长与烟碱含量的响应面立体图（图1）。由图1可以看出，当腰叶长度在50～58.7 cm时，烟碱含量随下二棚叶长度的增加而增加；当腰叶长度在58.7～74 cm时，烟碱含量随下二棚叶长度的增加而降低；当下二棚叶长度在50～63.7 cm时，烟碱含量随腰叶长度的增加而增加；当下二棚叶长度在63.7～74 cm时，烟碱含量随腰叶长度的增加而降低。在鞍点（下二棚叶长 63.7 cm，腰叶长58.7 cm）附近，烟碱含量稳定，且有最小值。

图1 下二棚叶长、腰叶长与烟碱含量变化响应面Fig. 1 Response surface of change between bottom leaf length, middle leaf length and nicotine content

3 讨 论

不同作物的主要农艺性状变异大小有着显著的差异[14-17]。本研究选用116份烤烟种质资源作为供试品种，其中地方烤烟资源 19份，选育烤烟资源55份，引进烤烟资源42份，说明供试材料能充分地代表现有的烟草种质资源。从测定的 13个农艺性状来看，变异范围为5.64%～16.96%，说明烤烟农艺性状有较丰富的遗传多样性。

烤烟叶长、叶宽不仅可以展现不同品种的外观特征，也是育种工作者在进行田间品种选育时观察的主要指标。本研究简单相关分析表明，节距与烟碱含量呈极显著正相关，茎围、叶数与烟碱含量呈显著负相关。但由于烤烟农艺性状之间多存在显著的两两相关关系，因此，简单相关系数并不能真实地反映各农艺性状与烤烟烟碱含量的真实关系。为此，采用逐步回归分析法进一步研究烤烟农艺性状与烟碱含量的相关关系。建立的农艺性状与烟碱含量的回归模型经统计学检验均达到极显著水平。说明模型入选的农艺性状可作为影响烤烟烟碱含量主要因子。

为深入研究烤烟农艺性状指标与烟碱含量的具体动态变化关系，采用二次响应面分析法，进一步研究了逐步回归分析法筛选出的2个农艺性状与烟碱含量的动态变化关系，建立的二次响应面回归模型经统计学检验达到极显著水平，此外，根据二次响应回归模型建立的二次响应面形象地展现了这种动态变化关系，并获得一个烤烟烟碱含量稳定且较低的鞍点（下二棚叶长63.7 cm，腰叶长58.7 cm），说明用二次函数模型来展现烟碱含量与农艺性状的动态关系较线性模型更加科学合理，这与李东亮等[7]王建波等[8]研究一致。

通过因子分析表明，与烟碱含量相关的综合农艺性状包括“烟叶长宽比因子”、“叶数因子”、“叶长因子”和“株高因子”，这 4个综合因子从不同角度反映了烤烟烟碱含量与不同农艺性状之间的关系。进一步将4个综合因子统筹分析可知，烤烟“烟叶长宽比因子”与烟碱含量作用相反，即烟叶长宽比越小的烤烟烟碱含量相对越高；烤烟“叶数因子”与烟碱含量作用方向相反，即叶数越多的烤烟烟碱含量相对越低；烤烟“株高因子”与烟碱含量作用方向一致，即株高越高的烤烟烟碱含量相对越高。因此，在进行高烟碱烤烟品系筛选以及新品种选育时，可适当地参考相关的农艺性状。

与前人的研究相比，本研究在以下两个方面有明显优势，首先本研究的供试品种较多，适用品种范围更广。其次，本研究用杀青方法测量鲜烟叶的烟碱含量并测量成熟期烟叶的农艺性状，获得数据更为贴近田间选育时的烟株材料的真实状态，这对烤烟品种田间选育具有重要的指导意义。

4 结 论

烤烟品种间主要农艺性状变异丰富，烤烟两两农艺性状之间多存在一定的相关性。而与烤烟烟碱含量相关性较大的农艺性状有株高、烟叶长宽比、叶数、节距。烟叶长宽比越小的烤烟烟碱含量相对越高；株高越高的烤烟烟碱含量相对越高；叶数越多的烤烟烟碱含量相对越低；节距越大的烤烟烟碱含量越高。当下二棚叶长63.7 cm，腰叶长58.7 cm时烤烟烟碱含量有稳定极小值。

[1] 周正红，高孔荣，张水华. 烟草中化学成分对卷烟色香味品质的影响及其研究进展[J]. 烟草科技，1997（2）：22-25.ZHOU Z H, GAO K R, ZHANG S H. Effects of chemical components in tobacco on the color and flavor and quality of tobacco and its research progress[J].Tobacco Science & Technology, 1997(2)∶ 22-25.

[2] DAWSON R F. Nicotine synthesis in excised tobacco roots[J]. American Journal of Botany, 1942, 29(10)∶813-815.

[3] THURSTON R, SMITH W T, COOPER B P. Alkaloid secretion by trichomes of Nicotiana species and resistance to aphids[J]. Entomologia Experimentalis Et Applicata, 2011, 9(4)∶ 428-432.

[4] 周齐志. 烟草烟碱含量研究进展[J]. 安徽农业科学，2008，36（6）：2359-2361.ZHOU Q Z. Research progress in the nicotine content in tobacco leaf[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences,2008, 36(6)∶ 2359-2361.

[5] 阎克玉，王海燕，李兴波. 烤烟国家标准(40级)河南烟叶叶片厚度、叶质重及叶片密度研究[J]. 郑州轻工业学院学报（自然科学版），1999，14（2）：45-50.YAN K Y, WANG H Y, LI X B. Study on the thickness and weight pre-square measure and density of tobacco leaves of He'nan flue-cured tobacco using official standard samples(40 grades)[J]. Journal of Zhengzhou Institute of Light Industry(Natural Science), 1999, 14(2)∶45-50.

[6] 阎克玉，李兴波，赵学亮，等. 河南烤烟理化指标间的相关性研究[J]. 郑州轻工业学院学报（自然科学版），2000，15（3）：20-24.YAN K Y, LI X B, ZHAO X L, et al. Study on correlations among physical and chemical indicators of flue-cured tobacco of He'nan[J]. Journal of Zhengzhou Institute of Light Industry(Natural Science), 2000，15(3)∶20-24.

[7] 李东亮，许自成，毕庆文，等. 烤烟烟碱含量与物理性状的关系分析[J]. 中国烟草学报，2008，14（3）：36-39.LI D L, XU Z C, BI Q W, et al. Relationship between nicotine content and physical property in flue-cured tobacco leaves[J]. Acta Tabacaria Sinica, 2008, 14(3)∶36-39.

[8] 王建波，黎娟，周清明，等. 湖南浓香型烤烟烟碱含量与物理性状的回归分析[J]. 核农学报，2014，28（7）：1267-1272.WANG J B, LI J, ZHOU Q M, et al. Regression analysis between nicotine content and physical property in flue-cured tobacco grown in Hunan province[J]. Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2014, 28(7)∶1267-1272.

[9] 曹景林. 香料烟叶片主要外观性状与化学成分关系及调控技术的研究[J]. 中国烟草学报，1996，3（1）：78-80.CAO J L, Relationship between main appearance characters of leaf and chemical constituents and it’s regulation techniques in oriental tobacco[J]. Acta Tabacaria Sinica, 1996, 3(1)∶ 78-80.

[10] 陶晓秋，黄玫. 杀青方法对烟叶化学成分影响的研究[J]. 现代农业科技，2008（16）：180-183.TAO X Q, HUANG W. Study on the Influence of Greening Methods on the Chemical Components of Tobacco Leaves[J]. Modern Agricultural Science and Technology, 2008(16)∶ 180-183.

[11] 向长萍，谢军，聂启军，等. 23个苦瓜品种（系）农艺性状的主成分分析[J]. 华中农业大学学报，2001，20（4）：378-381.XIANG C P, XIE J, NIE Q J, et al. Principal component analysis on characters of balsam pear[J]. Journal of Huazhong Agricultural University, 2001, 20(4)∶ 378-381.

[12] 杜强，贾丽艳. SAS统计分析标准教程[M]. 北京：人民邮电出版社，2010.DU Q, JIA L Y. SAS Statistical Analysis Standard Guide[M]. Beijing∶ Post & Telecom Press, 2010.

[13] 夏坤庄. 深入解析 SAS[M]. 北京：机械工业出版社，2015.XIA K Z. In-depth analysis of SAS[M]. Beijing∶ China Machine Press, 2015.

[14] 聂守军. 黑龙江省水稻主栽品种农艺性状与产量的相关性研究[J]. 中国农学通报，2005，21（12）：147-150.NIE S J. The relation of characters of the main plant rice breeds in Heilongjiang province to the fields[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2005, 21(12)∶ 147-150.

[15] 汪灿，胡丹，杨浩，等. 苦荞主要农艺性状与产量关系的多重分析[J]. 作物杂志，2013（6）：18-22.WANG C, HU D, YANG H, et al. Multiple analysis of relationship between main agronomic traits and yield in tartary buckwheat[J]. Crops, 2013(6)∶ 18-22.

[16] 李秀，徐坤，巩彪，等. 生姜农艺性状与产量形成关系的多重分析[J]. 中国农业科学，2012，45（12）：2431-2437.LI X, XU K, GONG B, et al. Multiple analysis of relationship of agronomic traits and yield formation in ginger[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2012, 45(12)∶2431-2437.

[17] 李学俊，舒志明. 薏苡主要农艺性状的相关及通径分析[J]. 中国农学通报，2010，26（16）：349-352.LI X J, SHU Z M. Correlation and path analysis of main agronomic characters ofCoix lacryma-jobiL.[J].Chinese Agricultural Science Bulletin, 2010, 26(16)∶349-352.