烤煙碳氮代謝及其關(guān)鍵酶研究進展

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(1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙 410128; 2 云南省煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，玉溪 653100；3 湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,長沙 410007)

2012-01-28

王 冠(1989—)，男，安徽宿州人，碩士研究生，Email：wking28@163.com。*通信作者，Email：zqm8051@hunau.net。

湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司資助項目(2007-YC-0003)。

烤煙碳氮代謝及其關(guān)鍵酶研究進展

王冠1,周清明1*,楊宇虹2,易克3,徐照麗2,陳剛1

(1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙 410128; 2 云南省煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，玉溪 653100；3 湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,長沙 410007)

從品種、施肥、光照、調(diào)控措施和烘烤5個方面對烤煙碳氮代謝及其關(guān)鍵酶活性變化的研究進行了綜述，重點闡述了其影響碳氮代謝的作用和機理，并對該研究的前景進行展望。

烤煙；碳代謝；氮代謝；酶活性

烤煙是重要的經(jīng)濟作物，提高煙葉品質(zhì)對于促進烤煙生產(chǎn)、增加經(jīng)濟效益具有十分重要的意義[1]。碳氮代謝是烤煙植株最基本的代謝過程，其強度、協(xié)調(diào)程度及其在煙葉生長和成熟過程中的動態(tài)變化模式直接或間接影響煙葉各類化學(xué)成分的含量和組成比例，對煙葉品質(zhì)產(chǎn)生重大影響[2]。在煙草碳氮代謝過程中，各種酶的活性變化起著決定性的調(diào)節(jié)作用，探討碳氮代謝關(guān)鍵酶活性變化規(guī)律對研究碳氮代謝對煙葉品質(zhì)形成的作用機理有重要意義[3]。在煙草生產(chǎn)過程中，碳氮代謝及其關(guān)鍵酶活性受到煙草品種的遺傳特性和環(huán)境條件等因素的影響，通過對這些影響因素進行綜述，以期為烤煙生產(chǎn)提供一定的參考。

1 烤煙品種對碳氮代謝及其關(guān)鍵酶活性的影響

一個優(yōu)良的品種在提高煙葉產(chǎn)量、改進煙葉品質(zhì)等方面起著十分重要的作用。不同品種碳氮代謝協(xié)調(diào)程度不同，煙葉品質(zhì)有差異[4]。劉衛(wèi)群等[5]研究發(fā)現(xiàn)，K326碳氮代謝協(xié)調(diào)性優(yōu)于NC89、中煙90，因為在團棵期K326既有較高的硝酸還原酶活性又具有較高的轉(zhuǎn)化酶活性，有利于優(yōu)質(zhì)煙葉的形成。蘇賢坤等[1]研究了云煙87、云煙85和K326葉片光合特性及相關(guān)酶活性的差異，結(jié)果表明，硝酸還原酶活性在生育期間呈下降趨勢，3個供試品種之間差異顯著，以K326的NR活性最大；各品種的蔗糖轉(zhuǎn)化酶活性在上、下部葉片之間存在著很大的差異，品種間以K326的差異最小。拓陽陽等[6]研究結(jié)果表明，不同烤煙品種不同生長階段煙葉色素含量、硝酸還原酶和轉(zhuǎn)化酶活性都存在顯著性差異，隨著煙葉的生長成熟，葉綠素、硝酸還原酶和轉(zhuǎn)化酶活性均呈下降趨勢，以中煙101與優(yōu)質(zhì)煙標(biāo)準(zhǔn)較為接近。張生杰等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在同一成熟期，豫煙5號硝酸還原酶和轉(zhuǎn)化酶活性均最高，豫煙6號、豫煙7號與豫煙5號的硝酸還原酶和轉(zhuǎn)化酶活性差異不太顯著，氮代謝相對偏高，成熟延遲，而中煙100硝酸還原酶和轉(zhuǎn)化酶活性均最低，成熟落黃較早，說明該品種碳氮代謝不協(xié)調(diào)，不利于煙草品質(zhì)的形成；研究還發(fā)現(xiàn)成熟度對烤煙碳氮代謝關(guān)鍵指標(biāo)的影響最大，基因型次之。

2 施肥對碳氮代謝及其關(guān)鍵酶活性的影響

煙草是一種需肥量大、大田生育期長的C3作物，必須合理施肥才能滿足煙草在整個生育期對養(yǎng)分的需求。施肥量受當(dāng)?shù)貧夂驐l件、種植密度、煙草品種、需肥特性、土壤肥力、前茬作物、肥料品種及利用率和肥料施用方法等諸多因素的影響。氮素是煙草體內(nèi)許多有機化合物如蛋白質(zhì)、核酸、煙堿、葉綠素、酶及各種氨基酸的組成成分，在烤煙的生長發(fā)育、光合作用、化學(xué)成分及產(chǎn)量等方面是最重要的元素[8]。氮素對煙葉的產(chǎn)質(zhì)量影響最大，在一定施氮量范圍內(nèi)，煙葉的產(chǎn)質(zhì)量隨施氮量的增加而提高，但是，當(dāng)施氮量超過一定限度時，煙葉品質(zhì)就會下降。施肥量主要根據(jù)氮素的施用量確定。煙草可直接吸收利用的無機氮素主要為硝態(tài)氮和銨態(tài)氮，它們具有完全不同的離子性質(zhì)，并且不同氮素形態(tài)在煙株根際的遷移、吸收方式及在煙株體內(nèi)的合成機理也不相同。因此，適宜的氮素形態(tài)配比是提高煙葉品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一[9]。岳俊芹等[10]研究發(fā)現(xiàn)，純施硝態(tài)氮有利于還原糖的積累；純施銨態(tài)氮的煙葉中谷酰胺合成酶和蔗糖合成酶活性在成熟期一直保持在相對較高的水平上，煙堿含量最高；硝態(tài)氮與銨態(tài)氮各占50%的情況下，煙葉碳氮代謝協(xié)調(diào)。史宏志等[11]研究發(fā)現(xiàn)，在葉片功能盛期以前，隨著施氮量的增加，淀粉酶活性增高，碳的固定和轉(zhuǎn)化增強，但碳積累代謝減弱；煙葉成熟階段，淀粉酶活性高時，碳的分解代謝旺盛，其活性與施氮量呈負(fù)相關(guān)。隨著施氮水平的增高，煙葉各期的轉(zhuǎn)化酶活性均升高，表明增施氮肥可以促進碳代謝的增強。劉國順[3]研究結(jié)果表明，施磷在一定范圍內(nèi)可以提高低氮水平下前中期的NR活性，促進煙葉的生長發(fā)育；增加施磷量可以提高團棵期的INV活性，使碳代謝增強，旺長期施磷對INV活性影響無顯著差異；不同施磷量對團棵期和旺長期葉片淀粉酶活性影響較小，對煙葉中后期淀粉酶活性影響較大。

3 光照對碳氮代謝及其關(guān)鍵酶活性的影響

光合作用是煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)提高的基礎(chǔ)。光作為光合作用的能量來源，是植物生長最根本的必要條件。植物在適宜的光照條件下，隨著葉綠素吸收光能的增加，光合作用CO2固定及光合速率均得到提高，但過度光照則抑制光合作用甚至導(dǎo)致光合機構(gòu)光氧化損傷。煙草是喜光作物，與其它作物一樣，需較強的光照條件才能生長旺盛。從對煙葉品質(zhì)的要求來說，日光充足而不強烈對煙葉質(zhì)量較為有利[12]。植物碳代謝和氮代謝的關(guān)系非常密切，光合碳代謝為氮代謝提供能量和碳架，氮代謝為碳代謝提供必要的酶和蛋白質(zhì)等有機物質(zhì)，氮代謝同碳代謝又因競爭光反應(yīng)生產(chǎn)的同化力及其代謝的中間產(chǎn)物而相互抑制。所以調(diào)節(jié)兩者的關(guān)系，使同化力在兩者之間協(xié)調(diào)分配，對于煙草體內(nèi)碳、氮物質(zhì)代謝平衡以及產(chǎn)量和品質(zhì)的形成有著重要意義。飽和光強下，光反應(yīng)的還原力充沛，兩者都可以以較高速率運轉(zhuǎn)；光強低于光飽和點時，光反應(yīng)生成的還原力不足，兩者因競爭而相互抑制。云菲等[13]研究結(jié)果表明，隨著光強的降低，煙株的凈光合速率下降，同一氮素水平下，低光強下的NR活性略高于自然光強。隨著光強的降低轉(zhuǎn)化酶(INV)活性逐漸降低，但充足的氮素營養(yǎng)能夠促進碳代謝。隨光強減弱和施氮量增加，煙堿、總氮含量上升，碳水化合物含量下降，總體上呈現(xiàn)氮代謝強于碳代謝的趨勢。史宏志等[14]研究發(fā)現(xiàn)，不同光質(zhì)對煙葉的形態(tài)建成、內(nèi)部的生理代謝以及煙葉的化學(xué)成分有顯著影響，在復(fù)合光中增加紅光比例對葉面積的增加有一定的促進作用，但葉片的比葉重降低，葉片變薄。增加紅光比例可使葉綠素含量下降，葉色減淡。在代謝方面，較高的紅光比例可促進碳代謝的增強，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)化酶活性高，光合產(chǎn)物積累多，葉片總碳、還原糖含量高，而與氮代謝有關(guān)的化合物含量下降，碳氮比明顯增加。增加藍光比例可以明顯促進煙葉的氮代謝，使葉片總氮、蛋白質(zhì)、氨基酸含量提高，總碳、還原糖含量及C/N降低。

4 調(diào)控措施對碳氮代謝及其關(guān)鍵酶活性的影響

烤煙是以葉片為收獲對象的經(jīng)濟作物，生產(chǎn)上采取打頂措施來打破煙株的頂端優(yōu)勢，其目的是控制植株縱向生長，避免出現(xiàn)無效蕾和枝葉，協(xié)調(diào)養(yǎng)分的運轉(zhuǎn)方向，以保證收獲的煙葉形成足夠的養(yǎng)分，并使內(nèi)部化合物向有利于提高煙葉品質(zhì)的方向轉(zhuǎn)化[15]。植物生長物質(zhì)能夠調(diào)控植物生長、發(fā)育、生殖和衰老，包括植物激素和植物生長調(diào)節(jié)劑兩大類[16]。煙草種植追求的最高目標(biāo)是生產(chǎn)高質(zhì)量的煙葉，而煙株體內(nèi)生理代謝的協(xié)調(diào)性直接決定了煙葉品質(zhì)的形成。利用植物生長調(diào)節(jié)劑對煙草的調(diào)節(jié)作用來協(xié)調(diào)煙株體內(nèi)代謝平衡是提高煙葉質(zhì)量的有效途徑。吲哚乙酸和赤霉素處理能使留葉數(shù)增加，株高增加。多效唑處理能顯著增粗莖圍，多效唑處理NR活性在生根期和團棵期明顯高于其他各處理，團棵后，其活性保持穩(wěn)定水平，說明多效唑能快速提高煙株NR活性，但持續(xù)作用較差。吲哚乙酸和去葉深栽能顯著提高中上等煙比例和均價[17]。打頂即施外源赤霉素，對硝酸還原酶活性具有抑制作用，使烤煙的氮代謝強度減弱；赤霉素可以有效降低烤煙葉片中的煙堿含量，且高濃度比低濃度有更好的降堿作用；外源赤霉素可明顯提高淀粉酶活性，促進烤煙碳水化合物的分解，有利于優(yōu)質(zhì)烤煙的形成[18]。陳愛國等[19]研究表明,打頂時間和涂抹外源生長素對煙草成熟期碳氮代謝沒有顯著的影響，但打頂對碳水化合物之間的轉(zhuǎn)化有顯著影響，早打頂有利于可溶性糖的積累。許自成等[20]研究發(fā)現(xiàn)，打頂當(dāng)天在頂端涂抹生長素，同時追施硫酸鉀肥，可促進烤煙生長和碳氮代謝。

5 烘烤對碳氮代謝及其關(guān)鍵酶活性的影響

煙葉烘烤的實質(zhì)是通過適宜的溫濕度條件，使煙葉產(chǎn)生一系列的生理生化反應(yīng)，固定或呈現(xiàn)田間鮮煙葉的產(chǎn)質(zhì)量，獲得所需要的外觀特征和內(nèi)在品質(zhì)。煙葉在烘烤過程中，有兩個明顯變化，一是內(nèi)在品質(zhì)的改進提高和單葉重的適當(dāng)減輕；二是外觀顏色由綠色變?yōu)辄S色與葉片的卷縮干燥[21]。在烘烤過程中，隨著水分大量流失，葉內(nèi)大分子有機物質(zhì)在呼吸酶、水解酶、氧化還原酶等一系列酶類作用下不斷分解、轉(zhuǎn)化或消耗，小分子物質(zhì)不斷形成，煙葉品質(zhì)和性狀得到改善和提高[22,23]。Bacon等[24]研究指出，煙葉內(nèi)的淀粉在變黃階段大量轉(zhuǎn)化，而淀粉轉(zhuǎn)化所形成的糖含量的高低直接影響煙葉燃吸時的香味特性，因為由淀粉降解而積累的還原糖在抽吸時裂解產(chǎn)生的酸性物質(zhì)對平衡由煙堿和含氮化合物在抽吸過程中產(chǎn)生的堿性煙氣有積極作用[25]。宮長榮等[26]研究發(fā)現(xiàn)，在煙葉變黃階段，淀粉急劇降解，48 h后基本趨于穩(wěn)定；淀粉酶活性從烘烤開始逐漸升高，并于36 h前后達到第一個高峰，隨后降低。葉綠素的降解不僅是煙葉變黃所必需的，同時葉綠素降解產(chǎn)物也對煙葉的香吃味起積極作用。楊立均等[27]認(rèn)為，葉綠素在變黃期降解量最大。陳建軍等[18]提出優(yōu)質(zhì)煙葉烘烤過程變黃期合理的碳氮代謝模式為：煙葉氮代謝在烘烤24 h以前較強，24 h以后NR活性迅速下降，氮代謝明顯減弱；碳的固定和轉(zhuǎn)化代謝在變黃期也較強，中部葉在12 h和36 h左右達到高峰，隨后下降，上部葉在24 h左右達到高峰，隨后下降，在48 h左右達到第二個高峰，隨后下降。

6 展望

(1)優(yōu)質(zhì)煙葉要求香氣量足、吃味醇和舒適、雜氣少、刺激性小、勁頭適中、燃燒性好以及可用性和安全性強，這些品質(zhì)因素與煙葉內(nèi)在化學(xué)成分密切相關(guān)，而煙株體內(nèi)碳氮代謝的協(xié)調(diào)性直接決定了煙葉化學(xué)成分的協(xié)調(diào)性，所以通過采取遺傳育種和生物工程技術(shù)手段培育碳氮代謝協(xié)調(diào)性好、香型突出以及適應(yīng)性廣的烤煙品種，是提高煙葉品質(zhì)的一個重要途徑。

(2)烤煙碳氮代謝受施肥、光照、調(diào)控措施等因素的影響，通過增施磷鉀肥可有效促進烤煙碳水化合物的形成、運輸和積累；藍光可促進氮代謝的進行，煙草育苗采用偏藍色薄膜覆蓋，有益于煙苗健壯生長，紅光可以促進碳代謝的進行，成熟后期，覆蓋紅色薄膜可以促進煙葉的成熟、煙葉品質(zhì)的提高；及時打頂和除芽等調(diào)節(jié)措施均可以促進碳氮代謝的協(xié)調(diào)進行，綜合研究這些因素對烤煙各個時期碳氮代謝的影響并形成系統(tǒng)、完整的農(nóng)業(yè)技術(shù)理論體系，是當(dāng)前亟待解決的問題。

(3)目前，烤煙碳氮代謝的研究主要處在宏觀水平上，分子水平上的研究較少，因此，在分子水平上研究決定和影響烤煙碳氮代謝的相關(guān)基因，了解烤煙碳氮代謝的作用及機理，將是未來烤煙碳氮代謝研究的重要方向。

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ResearchProgressonCarbonandNitrogenMetabolismandKeyEnzymeinFlue-curedTobacco

(1 College of Agronomy, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China; 2 Yunnan Academy of Tobacco Agricultural Science, Yuxi, Yunnan 653100, China; 3 China Tobacco Hunan Industrial Corporation, Changsha, Hunan 410007, China)

A summary was presented on domestic and international study on carbon and nitrogen metabolism and key enzyme in flue-cured tobacco with an emphasis on five aspects: the varieties, fertilization, illumination, control measures and baking which were the influence factors of carbon and nitrogen metabolism. Its research prospect was also put forward.

Flue-cured tobacco; Carbon metabolism; Nitrogen metabolism; Enzyme activity

S572.01

A

1001-5280(2012)02-0189-04

10.3969/j.issn.1001-5280.2012.02.20

責(zé)任編輯：黃燕妮