氮用量对蛟河晒红烟碳氮代谢关键酶活性及品质的影响

凡 聪，赵 兵 飞，符 云 鹏*，侯 振 武，王 静，付 全 善

1. 河 南 农 业 大 学 烟 草 学 院 ， 郑 州 市 金 水 区 文 化 路 95 号 450002

2. 吉 林 省 蛟 河 市 农 业 局 ， 吉 林 省 蛟 河 市 民 主 路 19- 4 号 132500

3. 吉林省蛟河市烟叶有限公司，吉林省蛟河市河南街杨木林子路27 号 132500

碳、氮代谢是烟草最基本的生理代谢过程，其代谢强度、协调程度及在烟叶生长发育过程中的变化动态对烟叶品质形成具有重要影响[1-2]。氮用量对烟草碳、氮代谢强度起重要的调节作用，并影响烟叶的生长发育及品质[2-3]。岳红宾[4]报道，在一定范围内，随着氮素水平的提高，烤烟淀粉酶、硝酸还原酶活性呈上升趋势；低氮水平下由氮代谢转化为碳代谢的时间提前，高氮水平下由氮代谢转向碳代谢的时间推后。鲁黎明等[5]研究表明，施氮量对烤烟氮代谢关键酶基因表达及氮代谢产物有显著影响，可通过调整施氮量来调控烟叶含氮化合物含量。邱标仁等[6]发现，在保障烟草正常生长发育和烟叶产质量的基础上，适当控制氮用量可有效降低烟叶中烟碱含量，提高烟叶（尤其是上部烟叶）可用性。郑昕等[7]研究表明，四川万源晒红烟在留叶数相同的情况下，氮用量由195 kg/hm2增 至255 kg/hm2，调 制 后 烟 叶 总氮、烟碱、硝酸盐、TSNAs 及钾含量显著提高，总糖、还原糖含量显著降低。邱宝平等[8]报道，吉林农安晒红烟总糖、还原糖含量随着氮用量的增加而降低；烟碱、总氮含量随着氮用量的增加而增加，在中氮水平（67.5 kg/hm2）下烟叶品质较高。施氮量过高时，碳水化合物积累代谢减弱，烟株光合作用产物大部分被用于含氮化合物的合成，导致淀粉积累延迟且积累量少，造成烟叶品质下降[9]。吉林蛟河晒红烟有“正宗关东烟”之称，种植面积较大，但长期以来缺乏深入研究，生产上追求高产，氮素营养过剩现象普遍，导致烟株叶片过大，烟叶碳、氮代谢不平衡，烟叶化学成分欠协调，香气量不足，难以满足高档低焦油卷烟配方的要求。为此，进行了氮用量对蛟河晒红烟碳氮代谢关键酶活性及化学成分影响试验，旨在为蛟河产区晒红烟的合理施肥及进一步提高烟叶品质和可用性提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地基本情况

试验于2017—2018 年在吉林省蛟河市漂河镇新春村进行。该产区地处缓坡丘陵地带，属温带大陆性季风气候，无霜期120～130 d，年均气温3.4 ℃，年降水量710 mm。试验地土壤为暗棕壤，地势平坦，肥力均匀。主要养分含量见表1。

1.2 试验设计

试验设置4 个处理，N0、N1、N2 和N3 处理氮用量分别为0（对照，CK）、75.0、97.5 和120.0 kg/hm2。采用随机区组排列，3 次重复。各处理磷、钾用量相同，分别为120.0 和360.0 kg/hm2。施氮处理的氮素由烟草专用肥（N∶P2O5∶K2O=10∶10∶30）提供，其中N0、N1 和N2 处理的磷、钾不足部分分别由过磷酸钙（N∶P2O5∶K2O=0∶12∶0）、硫酸钾（N∶P2O5∶K2O=0∶0∶50）补充，其中磷肥、70%的烟草专用肥于移栽前穴施，土肥混匀，30%的烟草专用肥及硫酸钾于移栽后30 d 追施。试验品种为漂河1号，各处理行、株距分别为1.2 m 和0.5 m，初花期打顶，留叶数均为9 片/株，移栽后90 d 采收。其他栽培调制措施按蛟河市晒红烟生产技术规范实施。

表1 试验地土壤主要养分含量Tab.1 Contents of soil main nutrients in experimental fields

1.3 测定指标与方法

1.3.1 碳氮代谢关键酶活性及质体色素含量

于移栽后35、60 和85 d 选取各处理代表性烟株中部叶进行测定。硝酸还原酶活性采用活体法测定[10]，谷氨酰胺合成酶活性参照文献[11]的方法测定，蔗糖转化酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定[12]，叶绿素和类胡萝卜素含量采用丙酮浸提比色法测定[11]。

1.3.2 常规化学成分

取各处理调制后具有代表性的中部烟叶样品进行化学成分分析。总糖、还原糖、淀粉、烟碱、总氮、钾和氯含量分别按照YC/T 159—2002[13]、YC/T 216—2013[14]、YC/T 160—2002[15]、YC/T 161—2002[16]、YC/T 217—2007[17]、YC/T 162—2011[18]等标准方法测定，测定仪器为德国BRAN+LUEBBE 公司生产的AA3 型流动分析仪。

1.3.3 感官质量评价

样品制备及评价方法参考文献[19-20]，由河南中烟工业有限责任公司技术中心7 位具有评吸资质的人员进行评价。

1.4 数据处理

利用Microsoft Excel 2013 进行数据处理与制图，利用SPSS 17.0 软件进行统计分析，LSD 法进行处理间差异的显著性比较。

2 结果与分析

2.1 不同处理对晒红烟碳氮代谢关键酶活性的影响

2.1.1 硝酸还原酶（NR）活性

NR 是植物氮代谢的限速酶，对氮代谢的强弱起着关键作用[21]。由图1 可知，晒红烟中部叶NR活性随移栽天数增加呈先增加后降低的趋势，峰值出现在移栽后60 d。3 个测定时期中，晒红烟NR 活性均随施氮量的增加而提高。移栽后35 d和60 d，3 个施氮处理的中部叶NR 酶活性均显著高于对照，且N3 处理NR 活性显著高于N1 处理，说明烟株生长前期氮素不足会严重影响烟叶的氮代谢，进而影响烟株的生长发育。移栽后85 d 的成熟期烟叶，N2 和N3 处理NR 活性显著高于对照、N3 处理显著高于N1 处理。

图1 不同处理晒红烟NR 活性比较（2017）Fig.1 NR activities in dark sun-cured tobacco leaves under different treatments（2017）

2.1.2 谷氨酰胺合成酶（GS）活性

图2 表明，移栽后35 d，N3 处理中部烟叶GS 活性显著高于对照，其他处理之间差异不显著，可能是该阶段烟株较小，对氮素的同化能力较弱，只有高氮处理的氮素同化能力显著增高。移栽后60 d，各处理GS 活性差异显著，N2 处理GS 活性最高，对照最低，说明该阶段晒红烟对氮素吸收、同化能力增强，导致了不同氮用量之间GS 活性差异显著，但过量施用的氮素并不能被烟株同化利用。移栽后85 d，各处理GS 活性均大幅度下降，3 个施氮处理GS 活性差异不显著，但三者均显著高于对照。

图2 不同处理晒红烟GS 活性比较（2017）Fig.2 GS activities in dark sun-cured tobacco leaves under different treatments（2017）

2.1.3 蔗糖转化酶（INV）活性

图3 表明，各处理中部烟叶INV 活性随生育期的推进呈下降的趋势，特别是移栽60 d 后，INV 活性大幅度下降，这有利于光合产物在叶片中的积累。3 个测定时期烟叶INV 活性均随氮用量的增加而提高，说明增施氮肥能够促进蔗糖转化为单糖，为烟草形态建成提供碳源和能量，进而促进烟株快速生长。移栽后35 d 和60 d，各施氮处理烟叶INV 活性显著高于对照，N3 处理烟叶INV 活性显著高于N1 处理；移栽后85 d，N3 处理中部叶INV 活性显著高于其他处理，可见氮素过量不利于烟叶中碳水化合物的积累。

图3 不同处理晒红烟INV 活性比较（2017）Fig.3 INV activities in dark sun-cured tobacco leaves under different treatments (2017)

2.2 不同处理对晒红烟质体色素及淀粉含量的影响

2.2.1 叶绿素含量

由图4 可知，随移栽后天数的增加，N0 和N1处理叶绿素含量呈下降趋势，可能是由于氮素不足影响了叶绿素的合成；N2 和N3 处理叶绿素含量则表现为先增加后降低的趋势。3 个测定时期晒红烟叶绿素含量均随氮用量的增加而提高，说明增施氮肥促进了叶绿素的合成，特别是在移栽后85 d 烟叶成熟期，N3 处理叶绿素含量显著高于其他处理，说明氮用量过高延缓了晒红烟中叶绿素的降解，会导致烟叶贪青晚熟。

图4 不同处理晒红烟叶绿素含量比较（2017）Fig.4 Chlorophyll contents in dark sun-cured tobacco leaves under different treatments (2017)

2.2.2 类胡萝卜素含量

类胡萝卜素在烟叶成熟和调制过程中的降解是形成烟叶香气前体物质的基础，对调制后烟叶的香气有重要影响[22-24]。由图5 可知，各生育期晒红烟类胡萝卜素含量随氮用量的增加而增加，这与前人在烤烟上的研究结果一致[25-26]，说明增施氮肥不仅能促进叶绿素的合成，而且也能促进类胡萝卜素的合成。在移栽后35 d，N3 和N2 处理烟叶类胡萝卜素含量显著高于N1 和N0；移栽后60 d时，除N3 和N2 处理烟叶类胡萝卜素含量差异不显著外，其他处理间差异均达到显著水平；在移栽后85 d 烟叶成熟采收期，除N1 和N2 处理间类胡萝卜素含量差异不显著外，其他处理间差异均达到显著水平。

对照和低氮处理中部叶类胡萝卜素含量较低，且随生育期的推进呈下降趋势；N2 和N3 处理烟叶类胡萝卜素含量在移栽后35～60 d 时增加，之后随烟叶的成熟衰老而下降，N2 处理烟叶类胡萝卜素含量下降速度最快且显著低于N3 处理，说明适宜氮用量既能保证大田生长前、中期叶片积累较多的类胡萝卜素，又能确保有较充足的类胡萝卜素降解，这对增加烟叶香气前体物质十分有利。

图5 不同处理晒红烟类胡萝卜素含量比较（2017）Fig.5 Carotenoid contents in dark sun-cured tobacco leaves under different treatments (2017)

2.2.3 淀粉含量

由表2 可知，晒红烟淀粉含量随生育期的推进呈增加趋势，移栽后35～60 d，各处理烟叶淀粉含量增加缓慢，且处理间差异不显著，说明该阶段叶片光合产物主要用于烟株的生长及形态建成；移栽后60～85 d，各处理烟叶淀粉含量大幅度增加，且随氮用量的提高而显著下降，但处理间差异不显著，主要与此时烟叶中转化酶活性高，蔗糖消耗多，光合产物在淀粉合成积累代谢中分配较少有关；至移栽后85 d，烟叶已基本成熟，即将采收，此时烟叶淀粉含量较移栽后60 d 时大幅度增加，且随氮用量的增加，烟叶淀粉含量显著下降，这与转化酶活性的变化相吻合。

表2 不同处理各生育期烟叶淀粉含量比较①（2017 年）Tab.2 Starch contents in dark sun-cured tobacco leaves at different growth stages under different treatments (2017)（%）

2.3 不同处理对调制后烟叶常规化学成分的影响

两年的试验结果表明（表3），随氮用量的增加，晒红烟总氮及烟碱含量呈增加趋势，2017 年N3 与N2 处理总氮和烟碱差异不显著，但二者显著高于其他处理；2018 年不同处理间总氮含量差异显著，烟碱含量表现与2017 年相似。晒红烟总糖和还原糖含量随氮用量增加呈降低趋势，2017 年N3 与N2 处理间差异不显著，2018 年各处理间差异显著；2018 年晒红烟糖含量总体低于2017 年，可能与2018 年晒红烟调制期间雨水较多、湿度较大，烟叶调制时间相对较长、糖消耗较多有关。两年试验的施氮处理烟叶钾含量均显著高于对照，N1和N2 处理显著高于N3 处理，说明氮素过高可降低烟叶钾含量。施氮处理烟叶氯含量显著高于对照，主要与施氮处理的烟株长势较强、对氯吸收能力增加有关。而不同氮用量对烟叶氯含量影响较小。

表3 不同处理调制后烟叶常规化学成分比较Tab.3 Routine chemical components in cured leaves under different treatments （%）

2.4 氮用量对晒红烟感官质量的影响

2018 年试验与评价结果表明（表4），在0～97.5 kg/hm2范围内，随氮用量的增加，烟叶香气质、香气量、浓度和劲头等指标的分值及感官评吸总分提高，氮用量超过97.5 kg/hm2时这些指标分值下降，说明施氮量过高，烟叶感官质量下降。2017 年试验晒红烟的香气质、浓度、劲头、刺激性、燃烧性等指标的分值及感官评吸总分均以氮用量75.0 kg/hm2时最高，超过此用量则明显降低。因过高的氮用量导致烟叶采收时叶绿素含量偏高，加之2017 年烟叶调制期间当地气候相对干燥，烟叶色素降解难度较大，导致N2 和N3 处理的烟叶感官质量明显下降。

表4 不同处理晒红烟感官质量比较Tab.4 Sensory quality of dark sun-cured tobacco leaves under different treatments （分）

3 讨论

烟叶化学成分含量及其协调程度是决定烟叶内在品质的基础，烟叶在生长发育过程中碳氮代谢强度、协调程度及其变化动态对其化学成分有重要影响[27]。在诸多营养元素中，氮素是影响烟叶产量、化学成分和感官质量的重要元素之一[28]，氮素主要通过影响烟草的碳、氮代谢强度及其协调程度而影响烟叶产量和品质[27]。NR是烟草氮代谢的最初反应催化者，将硝态氮催化形成亚硝酸盐，亚硝酸盐在亚硝酸还原酶（NiR）的催化下形成铵；随后GS 将谷氨酸和铵催化形成谷氨酰胺，最终铵参与到氨基酸的合成[29]，而氨基酸是合成叶绿素、蛋白质、烟碱等有机含氮化合物的主要原料。本试验结果表明，晒红烟NR 和GS 活性在移栽后60 d 最高，之后随烟叶成熟衰老而下降，这与葛国锋等[31]的研究结果一致；随氮用量的增加，晒红烟中部叶氮代谢的关键酶NR 活性、叶绿素含量及调制后烟叶总氮和烟碱含量呈增加趋势，这与前人研究结果一致[4-9，27，30]。本试验中移栽后60 d氮用量为120.0 kg/hm2的处理晒红烟GS 活性显著低于氮用量为97.5 kg/hm2的处理，这与鲁黎明等[5]的研究结果基本一致，可能与过高的氮用量抑制了GS 酶基因的表达有关[5，31]。

在植物生长发育和代谢过程中，转化酶参与光合作用的调节，主要调节光合作用产物在蔗糖和淀粉之间的分配[32]。当氮用量增加时，氮代谢增强，烟草生长旺盛，对能量和碳源需求较高，光合作用产生的磷酸丙糖在细胞质中形成的蔗糖在INV 的催化下发生不可逆水解形成果糖和葡萄糖，为氮代谢等途径提供碳源和能源，并参与烟草生长和器官建成[33]，导致淀粉积累代谢减弱。因此，INV 活性与烟株生长速率、烟叶氮代谢强度一致，而与烟叶中碳水化合物如淀粉的积累呈负相关。本研究表明，在移栽后60 d 即晒红烟旺盛生长期INV 活性最高，而在晒红烟成熟期INV 的活性大幅度下降，与此同时淀粉含量大幅度增加，并随氮用量的增加而显著降低，进而导致调制后烟叶糖含量随氮用量增加而显著下降。这些化学成分含量及其比例的变化最终影响烟叶的感官质量。

本试验中，氮用量在0～97.5 kg/hm2范围内调制后的晒红烟钾含量显著增加，这可能与氮用量的增加促进了烟株的生长、提高了烟株对钾素的吸收积累能力有关；当氮用量超过97.5 kg/hm2时，烟叶钾含量下降，可能与过高的氮用量对钾素吸收产生了拮抗作用有关。

4 结论

本研究结果表明，吉林蛟河烟区随施氮量的增加，晒红烟生长过程中氮代谢关键酶NR、GS 活性增加，叶绿素、类胡萝卜素含量显著升高；INV活性提高，成熟期淀粉含量显著降低。随施氮量的增加，调制后晒红烟总氮、烟碱含量增加，糖含量下降；烟叶钾含量以氮用量97.5 kg/hm2最高，总体感官质量以施氮量75.0～97.5 kg/hm2最优。因此，在吉林蛟河烟区肥力较高的暗棕壤上种植晒红烟，适宜氮用量为75.0～97.5 kg/hm2，生产的烟叶化学成分协调、感官质量较优。