基于代谢组学分析明火熏烤烟叶的代谢差异及形成机制

摘要： 【目的】运用代谢组学技术分析明火熏烤烟叶的代谢差异及其形成机制。【方法】以烤烟品种K326 为试验材料，进行明火熏烤（X） 和常规烘烤（CK） 对比试验，利用代谢组学技术分析2 种调制方法的代谢差异，并探讨其形成机制。【结果】KEGG 富集结果表明：在X-38 vs CK-38 比较组中，亚油酸代谢和植物激素信号转导是富集最显著的2 条通路；在X-42 vs CK-42 比较组中，糖酵解/糖异生和氨基酸的生物合成是富集最显著的2 条通路；在CK-42 vs CK-38 比较组和X-42 vs X-38 比较组中，亚油酸代谢和核苷酸代谢是富集最显著的2 条通路。在4 个比较组中，上调表达的代谢物包括游离脂肪酸、氨基酸及其衍生物、酚酸类、糖类、有机酸、生物碱、核苷酸及其衍生物等。【结论】明火熏烤烟叶的差异代谢物包含大量酸性代谢物。形成差异的原因是明火熏烤使烟叶额外受到烟雾和光热辐射胁迫，促使其形成更多的代谢物。

关键词： 代谢组学；明火熏烤；KEGG；差异代谢物

中图分类号： S572.01 文献标志码： A 文章编号： 1004–390X （2024） 04−0080−11

明火熏烤是美洲调制烟叶的古老方法之一。在调制过程中，加入具有特殊香味的木料，使烟叶在调制时增加了木料燃烧后的酚类物质，从而使明火熏烤烟叶与其他调制方式得到的烟叶在化学成分上存在差异，木香突出，形成独特风味。目前该调制方法在一些国家仍有应用，但略有改进。在调制过程中，烟叶直接接触烟雾，使其颜色深、味道浓郁，并带有一种杂酚油的香气，这种调制烟叶通常作为调味原料之一用于卷烟生产[1]，在制作鼻烟、嚼烟以及雪茄烟时也配合应用。明火熏烤烟的生产量较低，使用该调制方法的国家主要有美国[2-3]、印度尼西亚、意大利、马拉维[4-6]等。中国鲜有明火熏烤的相关研究，该调制方法主要用于制作口含烟[7-8]。关于明火熏烤烟的香气成分，LEFFINGWELL 等[9]利用超临界二氧化碳提取熏烟的香气挥发物质发现：除了预期的烟草成分外，主要的香气挥发物还包括阔叶木烟气中木质素热解产生的酚类物质。

代谢组学效仿基因组学和蛋白质组学的思路，定量分析生物体内的所有代谢产物，并寻找这些代谢产物与生理和病理变化之间的相关性。该研究方法是系统生物学的一部分，主要关注分子质量小于1 000 的小分子物质[10]。20 世纪70 年代诞生的代谢物谱分析是代谢组学相关研究的开端。使用气相色谱—质谱联用技术对患者体液中的代谢物进行定性和定量分析是常见的研究方法，从而对疾病进行诊断和分析[11]。代谢组学作为一门新兴学科，是在转录组学和蛋白质组学之后逐渐发展起来的。目前，核磁共振、质谱及相关联用技术、红外光谱、紫外吸收、荧光散射等分离分析技术被广泛应用于代谢组学研究[11-12]。彭翠云[13]研究表明：豫中烟区上部叶延迟约8 d采收能够促进9 种氨基酸的合成以及淀粉和蔗糖代谢，通过抑制不饱和脂肪酸以及托品烷、哌啶、吡啶等生物碱的合成来降低烟叶中的烟碱含量，从而减少其刺激性。田培等[14]研究发现：烟草抗病品种G28 和感病品种长脖黄被南方根结线虫侵染后，从提取的样品中发现与抗病相关的代谢通路存在明显差异，差异代谢物包括生物碱、脂肪酸、类黄酮、萜类、聚酮等，其中感病品种被显著激活的代谢通路有5 条，而抗病品种多达10 条，不同品种对南方根结线虫的防御能力也存在差异。李勇等[15]基于气相色谱—质谱方法建立了烟草根部代谢物定性信息库，对红花大金元与TN90 根部的代谢组差异进行研究，发现缬氨酸等8 种氨基酸、乙醇酸等7 种有机酸、果糖等4 种糖类物质在2 种烟草根部的含量存在显著差异。本研究旨在运用代谢组学技术分析明火熏烤烟叶与常规烘烤烟叶的代谢差异及其形成机制，进一步拓宽代谢组学在烟草领域的应用前景。

1 材料与方法

1.1 试验地点与供试材料

本研究在云南省大理白族自治州湾桥镇进行。供试烟草（Nicotiana tabacum L.） 品种为K326，栽培管理按照当地优质烟叶生产技术规范进行。封顶后，摘除2～3 片底脚叶，留叶20 片，以确保烟株生长均匀且营养均衡。采摘成熟度一致的烟株中部叶（11～13 叶位） 备用。