烟草碳氮代谢及其与烟草品质、抗逆性的关系研究进展

赵会纳，高少凡，陈 鹏，吴 伟，顾 勇，张思聂，许本波，夏海乾*

(1.贵州省烟草科学研究院 烟草行业分子遗传重点实验室，贵州 贵阳 550081；2.长江大学，湖北 荆州 434025；3.六盘水市烟草公司 盘州市分公司，贵州 盘州 561600；4.铜仁市烟草公司 思南县分公司，贵州 思南 565101)

0 引言

烟草是以收获叶片为目标的经济作物之一，烟草产业具有较大的社会效益和经济价值［1］。烤烟品质形成与碳氮代谢密切相关，碳氮代谢的强度和协调程度是调控烟叶化学成分(如常规化学成分、多酚、氨基酸等)的组成和比例的重要因素，其会影响烟叶感官质量，进而决定烟叶的风格特征和品质［2］。碳氮代谢强度也与植物抗逆性有关，抗逆性强作物的碳氮代谢能力强。冯常青等［3-4］研究发现，提高碳氮代谢关键酶活性可促进植株碳氮代谢，增加植株内可溶性糖积累，从而增强其抗逆性。本文对国内外研究烟草生长发育过程中碳氮代谢和关键酶活性的变化规律进行了综述，同时分析了逆境下烟草如何通过碳氮代谢途径来增强抗逆性，进而提高烟叶品质。

1 烤烟碳代谢途径及关键酶研究进展

碳代谢是一个复杂的过程，包括碳的固定代谢，即在叶绿体通过光合作用将无机碳同化为有机碳并释放出氧气；碳的运输转化代谢，即在进行光合作用时，光合器官对光合产物的再分配过程；以及以积累淀粉为主要标志的碳水化合物的积累代谢［5］。

植物碳代谢产物主要包括淀粉、可溶性糖(蔗糖、葡萄糖、果糖)等，且可溶性糖在碳代谢过程中至关重要［6-7］。研究中常通过测量总糖、淀粉和还原糖含量来衡量碳代谢强度［8］。一般认为，在烟株生长发育过程中，碳代谢逐渐增强，而氮代谢逐渐减弱。史宏志等［9］认为在烟株生长过程中，碳的变化规律主要是碳的固定和转化代谢逐渐减弱，又因积累代谢和分解代谢逐渐增强，而雷佳等［10］认为随着烟叶的生长发育，碳的光合固定代谢和运输转化代谢呈单峰曲线，开始逐渐增强，至叶片生理成熟期达到最大值，之后逐渐减弱；碳的积累代谢在烟叶成熟前逐渐增强，过熟后减弱。

国内外学者做了大量关于碳代谢合成途径关键酶的研究。在叶绿体基质中，核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase，Rubisco)是催化碳代谢起始步骤的酶，也是碳固定的关键酶，并且是光合植物叶片中含量最丰富的蛋白质，其能催化结合无机CO2，通过卡尔文循环产生果糖6-磷酸(Fructose6-phosphate，F6P)［11］。F6P经由一系列反应生成1-磷酸葡萄糖(G1P)，G1P在ADPG焦磷酸化酶(ADPGlcpyrophosphorylase，AGPase)催化下和ATP生成淀粉合成的前体ADP-葡萄糖(ADPG)，AGPase是淀粉合成的关键限速酶，其活性决定了还原糖向淀粉转化的强度和淀粉含量［12］。最后，ADPG在可溶性淀粉合成酶(Soluble starch synthase，SSS)的催化作用下生成直链淀粉，又在分支酶催化下生成支链淀粉［13］。

在细胞质中，首先二羟磷酸丙酮(DHAP)经由一系列反应生成1,6-二磷酸果糖，在果糖-1,6-二磷酸酯酶(Fructose-1,6-biphosphatase，FBPase)的作用下分解为F6P和无机磷酸，FBPase在细胞质中为糖异生途径和蔗糖合成途径的关键酶，其在叶绿体中参与卡尔文循环以及淀粉生物合成［14］。F6P经由一系列反应生成尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)，在蔗糖磷酸合成酶(Sucrosephosphate，SPS)的催化下，F6P和UDPG生成了6-磷酸蔗糖和尿苷二磷酸(Uridinediphosphate，UDP)，且该反应不可逆，这是叶片蔗糖合成的主要途径，用以调节叶片光合产物在淀粉和蔗糖间的分配［15］。蔗糖是大多数高等植物光合产物的主要运输形式，其降解涉及蔗糖转化酶(Sucroseinvertase，INV)和蔗糖合成酶(Sucrosesynthase，SS)等2种酶。INV催化细胞质中蔗糖降解为葡萄糖和果糖，促进叶绿体中磷酸丙糖向外输送，以此降低叶绿体中淀粉含量，其活性大小能反映烤烟的生长状况［16］。SS是一种糖基转移酶，是蔗糖代谢的关键酶，能够催化蔗糖和UDP形成果糖和UDPG，且反应可逆，其在植物组织中主要催化蔗糖的降解，也能催化蔗糖合成［17］。淀粉酶(Amylase，AMY)也是碳代谢过程中的关键酶，其是一种能催化糖苷键水解的水解酶，可将叶绿体内合成和积累的淀粉转化为单糖，其活性的高低关系到淀粉含量，是烟株碳代谢中碳水化合物积累代谢的关键酶。一般当AMY活性高时，光合速率高，能为有机物质的合成提供更多的碳架，更有利于烟株的生长［18］。研究发现在烟叶生长成熟过程中，AMY活性整体呈增加趋势且与施氮量呈正相关关系［19］。

2 烤烟氮代谢途径及关键酶研究进展

氮是植物生长发育过程中必需营养元素之一，铵态氮和硝态氮是烟草吸收利用无机氮素的主要形态。硝酸盐是植物吸收的主要氮源之一，如果其不被消耗、再利用或转运到细胞质中，氮源则会在植物细胞液泡中积聚，从而破坏细胞的渗透平衡［20］。作物对硝态氮和铵态氮利用的偏好性不同。陈嘉涛等［21］利用整合分析方法评估了不同铵硝配比对不同作物产量、品质及光合特性等指标的综合影响，发现蔬菜和烟草更偏好硝态氮。适当增加一定比例铵态氮可显著提高生物量，而铵过量会导致细胞内酸化和组织损伤，导致光合产物和植物生长量下降［22］。

烤烟氮代谢调节位点研究较少，已知参与代谢的仅有4种酶：硝酸还原酶(Nitratereductase，NR)是硝酸盐还原过程中的限速酶，其能催化烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)和NO3-生成NAD+和NO2-。有研究发现，随着烟株生长发育，NR活性先升高后降低，这更有利于烟株正常落黄。蛋白质含量和NR活性呈正相关关系，因为NO3-还原速率是蛋白质合成的限制因子［23］。NO2-再由亚硝酸还原酶(Nitritereductase，NiR)催化生成NH4+，最后在谷氨酰胺合成酶(Glutaminesynthetase，GS)、谷氨酸合酶(Glutamatesynthase，GOGAT)作用下合成氨基酸，再被植物体吸收利用［6，24-25］。GS/GOGAT循环是体内铵态氮同化的主要过程，GS处于氮代谢中心，其既有转化酶活性又有合成酶活性，能参与植物氮素的转运和分配［26］。

3 烤烟碳氮代谢的协调作用及对烟草品质的影响

3.1 碳氮代谢的关系

碳、氮代谢是植物体内最重要的两大代谢过程，两者相互影响、相互制约，光合碳代谢为氮代谢提供了碳骨架和能量，氮代谢为碳代谢提供了酶蛋白和光合色素，同时碳氮代谢与光合作用中生成的ATP/NADPH及代谢中间产物存在竞争关系［27］。有研究表明，不同时期烟叶碳氮代谢水平有所不同，且不同时期烟叶碳氮代谢酶活性与烤后烟叶的还原糖、总氮、钾、氯含量之间存在显著或极显著相关性［28］。李超等［29］研究表明：烟株移栽60 d后，烟叶NR活性与烤后烟叶总糖含量呈负相关关系，而栽后60、75 d的NR活性与还原糖含量呈负相关关系。康雪莉［28］研究发现，叶龄20 d的烟叶经调制后总糖、还原糖含量均与INV活性呈极显著负相关关系。在烟草生长发育过程中，硝酸盐的吸收与还原标志着氮代谢的开始，烟叶衰老期是氮代谢向碳代谢转化的关键时期［30］。近年来，关于碳氮代谢协调的评价指标研究较多，烟株叶绿素含量、光合特性、荧光特性、碳氮代谢相关酶活性等通常被用作衡量碳氮代谢过程协调平衡的关键指标［2］。因C/N值稳定且受环境影响较小，常被作为碳氮代谢评价指标，且随着烟叶的逐渐成熟，其C/N值逐渐上升［31］。雷佳等［10］认为烟叶成熟过程叶片含水量、叶片汁液浓度、叶绿素含量等指标均可作为反映烟叶碳氮代谢强弱的新指标，其能直接反映烟叶碳积累代谢与氮代谢协调程度。

3.2 影响烤烟碳氮代谢和品质因素分析

3.2.1 移栽期对碳氮代谢及其对烟草品质的影响 关于移栽期烤烟碳氮代谢及其对烟草品质的影响研究较多。周俊成等［32］研究发现，随着移栽期的推迟，中、上部烟叶的总氮和烟碱含量均呈先降低后升高的变化趋势；上部烟叶的总糖和还原糖含量随移栽期的推迟呈单峰变化，中部叶的则逐渐降低。白应香［33］研究表明，黔西南烟区烟草当于4月13日移栽时，烟株的AMY和SS活性峰值均较高，淀粉积累能力和蔗糖合成能力也较高；当于4月6日移栽时，烟株的INV活性最高，晚移栽比早移栽烟株的GS活性能更早达到峰值。王寒等［34］研究发现，在粤北地区提前移栽烟草能提高烟叶成熟前期淀粉酶、NR活性及质体色素含量，并使得NR峰值出现的时间推迟，烟叶的功能期延长，但过早移栽会导致烟叶成熟后期NR活性和叶绿素含量较高，碳氮代谢转化不协调，不利于烟叶的成熟落黄，最终降低了烟叶的产量和产值。推迟移栽有利于提高初烤烟叶的产量，但因质体色素含量和酶活性较低，烟叶易早衰，也会降低烤后烟叶上等烟比例、均价和产值。因不同地区生态环境不同，烤烟移栽时期也不相同，研究确定与当地生态条件、品种特性、产量和质量目标等相适应的移栽期，有利于烤烟碳氮代谢、化学成分的协调。

3.2.2 光温对碳氮代谢及烟叶光合生理的影响 烟草是喜光作物，但并不是光照强度越大越好，适宜的光强、光照时间以及光质会促进烟株生长。王月敏等［35］发现高温强光处理下烟株光合作用过程受到抑制、糖类物质积累增加、含氮物质合成增多、氮代谢能力提高，这对优质烟叶形成不利；杨惠娟等［36］发现在烟株移栽105 d后，随着光的衰减淀粉含量逐渐降低，淀粉合成酶基因GBSSI表达量稍有减少，但氮代谢途径关键基因表达量增加，表明在弱光下烟叶氮代谢滞后。同时，光质对烤烟的影响较大，当红光∶蓝光为3∶1时，有利于叶片生长和叶绿素的合成，而红光∶蓝光为1∶3时，可促进根系生长并提高根系活力［37］。温度可调节植物多种基本生理过程，高温胁迫又通常伴随着强光以及干旱胁迫的发生，进一步导致植株衰老［38］。研究发现，高温胁迫过程中烟株的叶绿素和蛋白质大量降解，则促进植株衰老；而低温导致叶绿素合成受阻，降低植株光合作用，最终影响烟草生长发育，降低烟叶的品质和产量［39］。

3.2.3 施肥对碳氮代谢及烤烟品质的影响 施肥是影响碳氮代谢平衡的重大诱因，碳氮代谢平衡与施肥的种类、用量等密切相关。氮素是植物体内的重要元素，烟草可直接吸收利用硝态氮和铵态氮，其在苗期更偏向于吸收铵态氮，随着烟株生长，吸收硝态氮比例增加，则显著影响烟株的碳氮代谢［40］。氮肥量以及氮素形态对烤烟产量和品质影响较大［41-42］。谭玉娇等［43］发现适当提高硝态氮肥的施入比例，有助于烟株碳代谢和氮代谢的过渡及转化。在高铵态氮水平下，碳代谢活性增强而氮代谢水平减弱，相关分析表明CO(NH2)2水平与烟碱含量呈负相关关系［44］。施氮量对烤烟氮代谢关键酶活性及氮代谢产物均有显著影响。黄佳等［45］发现在相同种植密度下，随着施氮量增加，NR、GS、AL活性均有所提高，烤后烟叶总糖、还原糖、糖碱比降低，烟碱、氮含量增加，氯、钾含量先增后降。许晨曦等［46］随氮素水平的提高烤烟的NR、INV、AMY活性均提高；但在成熟期，增加施氮量后，烟草的淀粉酶活性反而降低；低氮水平下，K326、NC297、红花大金元的NR、INV、AMY活性均较低，不利于烟株生长，而高氮水平下，烟株长势过旺，易黑爆青筋，中氮水平碳氮代谢协调，满足优质烟叶的生长要求。

3.2.4 外源小分子有机物对碳氮代谢及烤烟品质的影响 在农业生产中，小分子有机碳物质常以助剂方式使用于叶面肥中，可为作物生长发育提供能量和碳骨架。张艾改等［47］发现喷施外源葡萄糖能显著提高烟株叶绿素、类胡萝卜素含量，增加INV、NR、GS活性有利于烟叶品质提高。沈浦等［48］在花生6叶期时，开展喷施1.5%葡萄糖、1.5%蔗糖等处理，喷施葡萄糖处理较清水处理显著增加了叶片SPAD值，且叶片气孔导度、蒸腾速率、胞间二氧化碳浓度、净光合速率也呈增加趋势；喷施蔗糖处理与对照组无显著差异。烤烟打顶时喷施蔗糖、山梨醇、葡萄糖酸钠和甘氨酸能增大上部烟叶叶面积，提高抗氧化酶的活性，降低丙二醛含量，随处理时间增长，AMY活性先升高后降低，NR活性逐渐降低，烟株碳氮代谢强度增强［49］。

3.2.5 植物生长调节剂对碳氮代谢及烤烟品质的影响 植物生长调节剂是人工合成的类生长调节剂，通过影响内源激素水平及激素间的平衡对植物生长发育进行调节［50］。在植物表面施加的外来物质首先透过蜡层、质化层、果胶层，最后穿过纤维素壁到达原生质体，发挥一定的功效。喷施植物生长调节剂能够触发植物体内感受外界环境因子机制，激发一系列信号并转化到达细胞核，引起植物生理代谢和基因表达，最终影响植物生长发育［51］。目前，国内外关于植物生长调节剂促进作物生长发育研究报道较多。李健忠等［52］对烤烟喷施了一定浓度赤霉素(GA3)和萘乙酸(NAA)，发现喷施GA3和NAA均能提高烟株碳氮代谢强度，有助于烟株根、茎、上部叶干物质积累，且同时喷施GA3和NAA时效果更明显。屈春媛等［53］对大豆进行干旱加喷施脱落酸(ABA)处理，发现外源ABA可以缓解逆境胁迫带来的伤害，同时可促进氮代谢反应，从而控制叶片的衰老速度，提高产量。冯雨晴等［54］研究发现丙三醇与吲哚-3-乙酸混合喷施可提高白肋烟叶片的色素质量分数、光合速率，增强其幼苗碳氮代谢能力和氮素利用效率，降低叶片硝酸盐质量分数。

4 碳氮代谢与烟草抗逆性的关系

烤烟生长发育过程中，在干旱、高温强光、重金属离子、高氮等环境胁迫下，内在生理生化作用会发生改变，碳氮代谢协调平衡被打破，含氮化合物与含碳化合物之间需要相互促进以此来增强防御能力［55］。植物在应对干旱胁迫时会积累大量渗透调节物质来减轻细胞组织所受的损伤，这些渗透物质大多数是含氮化合物。甘蔗根系通过调节碳氮代谢关键酶活性、碳水化合物和氮同化物含量来避免或减少干旱伤害，NR活性随干旱胁迫程度的增加先降低、中期升高、后期逐渐下降，而AMY活性逐渐升高［56］。不同铬离子浓度处理下烤烟叶片硝态氮含量、NR活性和谷丙转氨酶(GPT)呈低促高抑趋势，幼苗氮代谢受到不同程度抑制［57］。王菲等［44］研究发现过高氮素水平会对烟草产生氮胁迫，影响烟草碳氮代谢相关酶活性，抑制烟草生长发育，导致植株矮小。当植物感受到逆境信号时，会调节碳氮代谢酶活性和其产物来抵御逆境。胡亚杰等［58］发现干旱胁迫条件下，过表达BnDREB1-5烟草植株碳氮代谢酶活性增加，耐旱性增强。陈昆等［59］报道碱蓬内生菌液处理会改善西瓜幼苗碳氮代谢酶活，减轻盐胁迫对西瓜幼苗的生长抑制。可溶性糖是植物碳代谢主要产物，植物体内糖/水值越高，耐旱性越强［60］。王军可［61］发现在高温下施加外源蔗糖后，与淀粉合成相关酶活性增强，同时与淀粉分解相关酶活性降低，从而增加了淀粉积累；NR和GOGAT活性提高，进而提高了氨同化能力，蛋白质含量升高，这说明植物碳氮代谢产物可调节植物抗逆能力，而碳氮代谢产物含量的差异是由相关代谢酶活性变化所引起。因此，在逆境胁迫下，植物碳氮代谢相关酶活性会作出相应变化，以此来提高植物抗逆性。

5 展望

烟草碳氮代谢与烟株生长、烟叶品质的形成密切相关，归纳总结碳氮代谢相关研究进展及其影响因素，对提高烟叶产量和品质十分必要。当前关于烟草碳氮代谢的研究主要为宏观研究，但阐明碳代谢和氮代谢之间协调平衡的分子响应机理机制等方面研究，可从根本上促进烟株生长和改善烟叶品质，通过外源物质调控碳氮代谢相关酶基因转录表达，提高相关酶活性，调节碳氮代谢产物的分配和转运，促进烟株的生长和发育，为生产优质、适产烟叶提供理论和技术依据。

当前部分烟区存在光照不足的问题，易导致烤烟产量较低、质量较差，因而在生产上为弥补光照不足问题而过度使用化肥，这样既污染了环境又增加了烟农投入。筛选烤烟碳氮代谢相关基因，尤其是碳高效、氮高效基因，揭示光合作用相关的能量和物质分配的关键机制，提高光合效能增强烟株的碳氮代谢及氮肥利用率，为分子改良碳高效、氮高效的烤烟新品种选育提供材料和技术支撑，对烤烟生产降本增效、可持续发展具有重要推动性作用。作物在不同胁迫下，碳氮代谢的协调程度不一致，基于在逆境胁迫下碳氮代谢相关酶活性变化的研究，需进一步研究烤烟碳氮代谢与其抗逆性的内在关联，从碳氮代谢角度阐明烤烟抗逆机理，对提高烤烟对不良环境的适应性和抗逆育种具有重要意义。