烤烟碳氮代谢调节机理及其指标研究进展

雷 佳，吕永华，李淮源，邓世媛，陈建军

（1. 广东中烟工业有限责任公司，广东 广州 510385；2. 广东省烟草专卖局（公司），广东 广州 510610；3. 华南农业大学烟草研究室，广东 广州 510642）

烟草品质形成和优质理论一直是烟草栽培学和烟草生理学研究关注的焦点，已形成了“烟草品质生理学”等分支学科［1-3］。碳氮代谢是烟草植株最基本的代谢过程，是目前烟草品质生理学研究最活跃的领域。烟叶最终品质的形成是品种特性和生态因素及栽培调制技术共同作用的结果，其中品种决定了碳氮代谢的强度和协调性，生态条件决定了烟叶的风格和产物的积累，栽培调制技术则能够保障和调控烟株的碳氮代谢过程。已有的研究资料表明，烟叶中碳氮代谢的强度、协调程度及其动态变化模式都直接或间接地影响烟叶化学成分含量和组成比例、烟叶香吃味，对烟叶品质产生重大影响［4-5］。尽管人们对烟叶生长和成熟过程中碳氮代谢规律进行了多年的探索，但至今对碳氮代谢与品质之间的关系知之甚少。近年来，人们在烤烟生产实践中注意到更多品质因素的形成与碳氮代谢活动有密切关系的现象，如烟叶正反面颜色一致性与淀粉含量有关，蛋白质、烟碱含量与烟草安全性、香吃味关系密切等等，而对其内在的关联性尚缺乏深入的认识。碳氮代谢对烟叶品质形成的作用机理究竟怎样，优质烟叶形成的碳氮代谢规律性如何，能否调节，调节途径如何，如何建立烤烟生产中反映烤烟碳氮代谢活性的可视化或易测指标等，这既是前人尚未解决或探索过的问题，又是目前优质烤烟生产中急需解决的关键性理论问题［1，4-10］。因此，我们归纳总结了烟叶碳氮代谢的基本规律、调节烟叶碳氮代谢的研究现状，以期为碳氮代谢的后续研究提供参考依据。

1 烟叶碳代谢

1.1 碳代谢的变化规律

碳代谢是无机碳（CO2）转化为有机碳的光合固定代谢和碳水化合物的运输转化、积累、降解等一系列代谢过程的总称。光合碳代谢形成的磷酸丙糖的去向直接决定了有机碳的分配，最终可能对烟叶产量和质量产生影响。在碳代谢过程中，由于光合作用强度受到糖水平的调节，烟叶碳的光合固定代谢和转化代谢强度表现出一致的趋势，即叶片光合速率与叶中运输转化代谢呈正相关；而烟叶碳水化合物的积累代谢则与碳的固定和运输转化代谢呈现相反的趋势，碳的固定和运输转化代谢增强，则碳水化合物的积累代谢减弱。这已被不少研究结果所证实［1，5，11-19］。

在烤烟叶片碳代谢变化规律方面，已有不少的资料积累，但研究主要集中在环境条件与光合作用关系及成熟期间一些碳水化合物含量的变化上。传统观点是在烟叶生长和成熟过程中，氮代谢逐渐减弱，碳代谢逐渐增强。史宏志等［5］指出这种看法是不全面的，认为烟叶中碳的变化规律应是碳的积累代谢逐渐增强，而碳的固定代谢和转化代谢是逐渐减弱的。其实，这只是烟叶成熟期碳代谢的变化规律，而不是烟叶整个生长发育过程中碳代谢的变化规律。从已有的研究结果可以看出，在叶片生长发育过程中，烟叶光合速率逐渐增强至叶片功能盛期达最大，以后开始降低［7-10］；与蔗糖降解代谢有密切关系的转化酶活性呈类似趋势。淀粉含量随着叶片生长发育进程逐渐增加直至烟叶工艺成熟期，总碳含量、还原糖含量也呈增加趋势［7］，之后，叶片中淀粉含量下降［4-7，11-19］。因此，烟叶碳代谢的变化基本规律应是碳的光合固定代谢和运输转化代谢随叶片发育进程逐渐增强，至叶片生理成熟期最大，之后逐渐减弱，呈单峰曲线；而碳的积累代谢逐渐增强直至烟叶工艺成熟，过熟后减弱［7，20-23］。

1.2 碳代谢的调节机理

品种和栽培措施对烟叶碳代谢的变化有深刻的影响［5，15，18-36］。刘卫群等［6］比较了K326、NC89、中烟90碳代谢强度，结果表明不同品种碳代谢强度有明显差异，并指出这是导致品质差异的一个重要生理代谢基础。施肥是影响烟叶碳代谢的又一重要因子。烟叶碳含量在烟叶发育和成熟过程中变化幅度较小，一般在39%～42%范围内。在不同的氮素营养水平和氮素形态下，叶片碳含量及其变化动态有一定的差异，低施氮量的叶片碳含量较高，且随着叶片发育进程有先增加后下降趋势，有机氮有利于提高烟叶碳含量［1，15-21，37］，不同施氮模式下，基于SPAD施氮模式迎合了烟株生理期碳代谢的变化规律，有利于烟株碳代谢的进行［38］。利用外源物质来协调烟株体内代谢平衡是提高烟叶品质的有效途径，打顶后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［1］，打顶后喷施蔗糖、葡萄糖酸钠和甘氨酸等小分子有机物能增强烟株碳代谢［39］。

理论上，在碳代谢中，至少有8个可进行有效调节的关键性位点（图1）。国内目前的研究者大多关注烟叶中蔗糖磷酸合成酶、转化酶、蔗糖合成酶和淀粉酶等少数几种酶的研究［1，11-14，16，18，40-41］，而对其他酶在烟叶生长和成熟过程中的变化规律知之甚少，尚未见报道。近年国外学者开始系统研究氮素营养对烟叶RuBP羧化酶 、NADP-甘油醛-3-磷酸脱氢酶、醛缩酶、转酮酶、质体果糖-1，6-二磷酸酯酶、ADPG焦磷酸化酶等酶活性的影响［8］。有关淀粉合成的调节则主要集中在对催化ADPG合成的关键性酶AGP上，其他作物上的研究结果表明其活性与3PGA/Pi的比值关系密切。碳代谢是烤烟生长发育最基础的代谢过程之一，建立合理的碳代谢模式对于烟叶品质形成有重要影响。因此，探明碳代谢调控机理及其途径十分迫切。

图1 烟叶碳代谢及调节的关键性位点

2 烟叶氮代谢

2.1 氮代谢的变化规律

烟叶氮代谢包括无机氮（硝态氮）的还原、同化及有机含氮化合物的转化、合成等代谢过程［1，5-6，12］。氮代谢强度直接影响到烟叶蛋白质合成和其他含氮素化合物的形成，最终对烤烟植株生长、产量及品质形成产生作用。

硝酸还原酶（NR）是植物氮代谢限速酶，其活性高低对植株氮代谢强弱起关键作用。有关烟草硝酸还原酶活性研究较多，结果也基本一致。在正常情况下，烤烟团棵期硝酸还原酶活性最高，并随着植株生长发育进程而逐渐降低，至成熟期快速下降［6-7，19］，总氮含量从团棵期至成熟期呈明显的下降趋势［6，11，42-45］。在烟叶生长发育和成熟过程中，叶片中蛋白质和烟碱含量均在生理成熟前达到最高值，生理成熟后开始下降［7，42-45］。董惠萍［8］则报道，烟叶中氮和蛋白质含量随烟叶生长发育进程而逐渐降低。因此，一般认为氮代谢在烟叶生长和成熟过程中逐渐减弱［1］。这种看法不够全面，应该说氮代谢的变化规律是氮代谢在叶片前期是逐渐增强，至生理成熟期前达最大，生理成熟后开始减弱。值得注意的是，在烟叶生长和成熟过程中，叶片中蛋白质、烟碱等含量降低也可能是由于干物质快速积累而导致的稀释效应，应仔细分析。显然，仅用含氮化合物的含量来判断氮代谢强弱是不够的，要结合生理活性指标，如一些酶活性指标来判断。

2.2 氮代谢的调节机理

含氮化合物不仅具有重要的生理功能，而且对烟叶质量有决定性的影响，其中蛋白质还与焦油含量有关，直接影响到烟叶安全性［7，10］。了解和合理调节烟叶氮代谢对于提高烟叶质量、安全性和可用性是十分必要的，但有关氮代谢调节方面的研究很少。图2标示出烤烟氮代谢的主要调节位点。目前的研究主要集中在叶片硝酸还原酶变化规律的研究上，其他调控位点研究几乎是空白。机理不清，很难进一步改善烟叶的香吃味，提高烟叶可用性。

图2 烟叶氮代谢及调节的关键性位点

品种和栽培措施仍然是对烤烟氮代谢有重要作用的两大因子。据报道，K326在团棵期氮代谢强度高于NC89和中烟90，而现蕾期又远低于前两个品种［2］，说明氮代谢受品种遗传特性影响明显。在栽培因素中，施肥是影响氮代谢强弱的首要因子，硝酸还原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合成酶（GOGAT）这 3个氮代谢关键基因的表达均受施氮量影响［46］，烟叶蛋白质含量随着施氮水平的提高而增加增施有机氮肥，有利于改善烟叶后期营养状况和碳氮代谢［5］。基于SPAD仪的精量施氮模式在生育前期可提高烤烟大田生长氮代谢水平，有利于烤烟的生长发育，在生育后期适量降低，利于烤烟氮代谢适时向碳代谢过渡，促进落黄，提高烟叶内在化学品质［47-48］。外源物质亦是氮代谢重要调控因子，研究表明，喷施1.0 mmol/L的钨酸钠能够有效抑制烟叶的氮代谢,促进烟叶成熟落黄。

3 烟叶碳代谢与氮代谢协调性对品质形成的影响

已有的研究资料表明，叶片中碳代谢和氮代谢之间存在着密切的联系。氮代谢的运行需要依赖于碳代谢提供碳架和能量NADH，而碳代谢又需氮代谢提供酶蛋白和光合色素［1-2，5-13］，氮代谢与碳的积累代谢是矛盾对立的，但碳的光合固定和呼吸作用（糖酵解）过程是制约和促进关系。

碳代谢、氮代谢分别从两个方面影响烟叶品质：一是合理的代谢强度，二是碳氮代谢的协调程度。前一方面体现了优质烟叶形成对植株生理代谢量的要求，后一方面表现出优质烟叶形成对碳氮代谢质的规定。早在1972年Tso［11］就指出，烟叶品质的优劣是烟株碳、氮代谢协调程度的体现。烟叶在适当发育时期及时由以氮代谢、碳的固定和转化代谢为主转变为以碳的积累代谢为主被认为是优质烟叶形成的关键［1-4，10］，但目前尚未找到合适的又易测定的反映碳氮代谢转化的标志性指标。

碳氮比（C/N）是叶片光合产物分配方向的反映和集中体现。不少研究者认为C/N可以作为反映烟叶碳、氮代谢相对强度和协调程度的重要指标，并提出理想的碳氮比变化模式为烟株移栽60 d后C/N增长缓慢，之后进入快速增长期；移栽后43、60、73、90 d的最佳C/N分别为10.59、11.51、15.22及18.85；烤后烟叶最适的 C/N 为 17.11［1，5，13-16］。但东南方烟区优质烟生产是否符合这一规律尚缺乏研究资料支持，需进行系统研究。

4 碳氮代谢指标体系研究进展

建立反映烟叶碳氮代谢特征的指标体系是从理论上研究碳氮代谢规律和从烟叶生产上应用碳氮代谢理论所不可缺少一个重要环节，是目前研究中急需解决的一个问题。没有合理的指标体系，就无从对烤烟碳氮代谢强度和协调程度进行精确描述，无法探讨烟叶碳氮代谢基本规律及其与品质形成之间的关系。烟叶碳氮代谢指标体系可考虑从两个方面建立：一类是主要用于碳氮代谢理论研究的指标；二是主要应用于指导优质烟叶生产的简易化、易测化指标。

关于烟叶碳氮代谢指标方面的研究报道极少。近15年来，在广东省烟草专卖局（公司）科技项目和国家烟草专卖局重点项目支持下，我们在这一方面开展了一些研究工作，做了一些探索性的尝试。

一般认为，硝酸还原酶活性可以反映烟叶氮代谢强度，有关氮代谢的研究也主要集中在硝酸还原酶变化规律及其调节上。酸性转化酶和淀粉酶是衡量烟叶生长过程中碳代谢强度的重要指标。国家生理生化研究基地学者在烟草碳氮代谢规律研究中较广泛地运用了这两个指标，并提出可用硝酸还原酶和转化酶活性比来表示碳的固定和转化代谢与氮代谢的相对强度。作为反映碳氮代谢转化指标，一些研究者认为可用叶片中硝酸还原酶活性或总氮含量迅速降低作为标志 ［1，8，12］。史宏志等［5］对这两个指标的运用提出了不同的看法。C/N可以反映烟叶碳、氮代谢相对强度和协调程度，在碳氮代谢中被广泛使用，是用于烟叶碳氮代谢理论研究的一个重要指标指标［1-6］，但由于碳水化合物质测试繁杂，应用于生产上缺乏可操作性。

烟叶在工艺成熟过程中，大分子逐渐降解，游离的小分子化合物在叶片中逐渐增加，基于对烟叶成熟过程中这些生理生化变化的基本规律的理解，我们于2002—2017年对烟叶碳氮代谢指标体系进行了初步探索，对烟叶成熟过程中叶片汁液浓度、含水量、硝酸还原酶、叶绿素、总氮、可溶性糖、淀粉、蛋白质等8个指标的变化规律进行了研究，各指标之间的相关分析见表1。从表1可以看出，烟叶含水量与叶片总氮、蛋白质含量呈正相关性，与叶片汁液浓度、可溶性糖、淀粉呈负相关关系，表明叶片含水量高时，氮代谢旺盛，碳的积累代谢相对较弱；反之，叶片水分含量低时，碳的积累代谢强度强，氮代谢与碳的光合固定和运输转化代谢相对减弱。由此可见，叶片含水量在一定程度上可以反映碳氮代谢强弱。叶片汁液浓度与叶片含水量、硝酸还原酶活性、总氮、蛋白质呈负相关性，与可溶性糖呈正相关关系，说明碳的积累代谢强，叶片汁液浓度高，氮代谢相对较弱。因此，叶片也可作为指示烟叶碳氮代谢强弱的指标。叶绿素含量与硝酸还原酶活性、总氮、蛋白质呈正相性，与可溶性糖和淀粉是负相关关系，反映出叶绿素含量的增加有利于促进氮代谢的运转，抑制碳的积累代谢强度。

鉴于以上研究结果，我们认为叶片含水量、叶片汁液浓度、叶绿素含量可作为反映烟叶碳氮代谢强弱的新指标，而且这3种指标具有易测定性和较稳定性，既可用于碳氮代谢理论研究上，又可用于生产实践中。

表1 烟叶成熟过程中一些生理生化指标之间的相关分析

进一步分析发现，（1-叶片含水量）/总氮含量（即叶片干物质含量/总氮含量）可以反映烟叶碳的积累代谢与氮代谢协调程度及相对强度，与C/N指标相比，该指标显然具有更易测定性和实用性。

5 烟叶碳氮代谢研究展望

随着人们对烟叶香吃味日益关注和烟叶安全性问题的重视，烟草碳氮代谢的研究必将更为活跃。国家烟草生理生化基地在这一领域的研究起步较早，已有一定的资料积累和研究基础［14-15，17-29］，但正如上述，这一领域研究的空白点还很多。目前我国正在从不同角度和层面开展特色优质烟叶开发重大专项研究工作，烟叶生产上在着力进行烟叶结构优化工作。因此，今后有关烟草碳氮代谢的研究必将集中在以下几个方面：（1）研究优质烟叶形成的碳氮代谢基本规律，阐明烤烟碳氮代谢与烟叶品质优劣的关联性；（2）建立烟叶碳氮代谢指标体系，开发烟叶成熟采收的生理标识与智能化识别技术；（3）烟叶碳氮代谢调节分子机理与调控途径；（4）研究环境条件与烟叶碳氮代谢之间的关系，建立协调二者之间的技术体系。