烤煙碳氮代謝調(diào)節(jié)機(jī)理及其指標(biāo)研究進(jìn)展

雷 佳，呂永華，李淮源，鄧世媛，陳建軍

（1. 廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510385；2. 廣東省煙草專賣局（公司），廣東 廣州 510610；3. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草研究室，廣東 廣州 510642）

煙草品質(zhì)形成和優(yōu)質(zhì)理論一直是煙草栽培學(xué)和煙草生理學(xué)研究關(guān)注的焦點(diǎn)，已形成了“煙草品質(zhì)生理學(xué)”等分支學(xué)科［1-3］。碳氮代謝是煙草植株最基本的代謝過程，是目前煙草品質(zhì)生理學(xué)研究最活躍的領(lǐng)域。煙葉最終品質(zhì)的形成是品種特性和生態(tài)因素及栽培調(diào)制技術(shù)共同作用的結(jié)果，其中品種決定了碳氮代謝的強(qiáng)度和協(xié)調(diào)性，生態(tài)條件決定了煙葉的風(fēng)格和產(chǎn)物的積累，栽培調(diào)制技術(shù)則能夠保障和調(diào)控?zé)熤甑奶嫉x過程。已有的研究資料表明，煙葉中碳氮代謝的強(qiáng)度、協(xié)調(diào)程度及其動(dòng)態(tài)變化模式都直接或間接地影響煙葉化學(xué)成分含量和組成比例、煙葉香吃味，對(duì)煙葉品質(zhì)產(chǎn)生重大影響［4-5］。盡管人們對(duì)煙葉生長和成熟過程中碳氮代謝規(guī)律進(jìn)行了多年的探索，但至今對(duì)碳氮代謝與品質(zhì)之間的關(guān)系知之甚少。近年來，人們?cè)诳緹熒a(chǎn)實(shí)踐中注意到更多品質(zhì)因素的形成與碳氮代謝活動(dòng)有密切關(guān)系的現(xiàn)象，如煙葉正反面顏色一致性與淀粉含量有關(guān)，蛋白質(zhì)、煙堿含量與煙草安全性、香吃味關(guān)系密切等等，而對(duì)其內(nèi)在的關(guān)聯(lián)性尚缺乏深入的認(rèn)識(shí)。碳氮代謝對(duì)煙葉品質(zhì)形成的作用機(jī)理究竟怎樣，優(yōu)質(zhì)煙葉形成的碳氮代謝規(guī)律性如何，能否調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)途徑如何，如何建立烤煙生產(chǎn)中反映烤煙碳氮代謝活性的可視化或易測指標(biāo)等，這既是前人尚未解決或探索過的問題，又是目前優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)中急需解決的關(guān)鍵性理論問題［1，4-10］。因此，我們歸納總結(jié)了煙葉碳氮代謝的基本規(guī)律、調(diào)節(jié)煙葉碳氮代謝的研究現(xiàn)狀，以期為碳氮代謝的后續(xù)研究提供參考依據(jù)。

1 煙葉碳代謝

1.1 碳代謝的變化規(guī)律

碳代謝是無機(jī)碳（CO2）轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳的光合固定代謝和碳水化合物的運(yùn)輸轉(zhuǎn)化、積累、降解等一系列代謝過程的總稱。光合碳代謝形成的磷酸丙糖的去向直接決定了有機(jī)碳的分配，最終可能對(duì)煙葉產(chǎn)量和質(zhì)量產(chǎn)生影響。在碳代謝過程中，由于光合作用強(qiáng)度受到糖水平的調(diào)節(jié)，煙葉碳的光合固定代謝和轉(zhuǎn)化代謝強(qiáng)度表現(xiàn)出一致的趨勢，即葉片光合速率與葉中運(yùn)輸轉(zhuǎn)化代謝呈正相關(guān)；而煙葉碳水化合物的積累代謝則與碳的固定和運(yùn)輸轉(zhuǎn)化代謝呈現(xiàn)相反的趨勢，碳的固定和運(yùn)輸轉(zhuǎn)化代謝增強(qiáng)，則碳水化合物的積累代謝減弱。這已被不少研究結(jié)果所證實(shí)［1，5，11-19］。

在烤煙葉片碳代謝變化規(guī)律方面，已有不少的資料積累，但研究主要集中在環(huán)境條件與光合作用關(guān)系及成熟期間一些碳水化合物含量的變化上。傳統(tǒng)觀點(diǎn)是在煙葉生長和成熟過程中，氮代謝逐漸減弱，碳代謝逐漸增強(qiáng)。史宏志等［5］指出這種看法是不全面的，認(rèn)為煙葉中碳的變化規(guī)律應(yīng)是碳的積累代謝逐漸增強(qiáng)，而碳的固定代謝和轉(zhuǎn)化代謝是逐漸減弱的。其實(shí)，這只是煙葉成熟期碳代謝的變化規(guī)律，而不是煙葉整個(gè)生長發(fā)育過程中碳代謝的變化規(guī)律。從已有的研究結(jié)果可以看出，在葉片生長發(fā)育過程中，煙葉光合速率逐漸增強(qiáng)至葉片功能盛期達(dá)最大，以后開始降低［7-10］；與蔗糖降解代謝有密切關(guān)系的轉(zhuǎn)化酶活性呈類似趨勢。淀粉含量隨著葉片生長發(fā)育進(jìn)程逐漸增加直至煙葉工藝成熟期，總碳含量、還原糖含量也呈增加趨勢［7］，之后，葉片中淀粉含量下降［4-7，11-19］。因此，煙葉碳代謝的變化基本規(guī)律應(yīng)是碳的光合固定代謝和運(yùn)輸轉(zhuǎn)化代謝隨葉片發(fā)育進(jìn)程逐漸增強(qiáng)，至葉片生理成熟期最大，之后逐漸減弱，呈單峰曲線；而碳的積累代謝逐漸增強(qiáng)直至煙葉工藝成熟，過熟后減弱［7，20-23］。

1.2 碳代謝的調(diào)節(jié)機(jī)理

品種和栽培措施對(duì)煙葉碳代謝的變化有深刻的影響［5，15，18-36］。劉衛(wèi)群等［6］比較了K326、NC89、中煙90碳代謝強(qiáng)度，結(jié)果表明不同品種碳代謝強(qiáng)度有明顯差異，并指出這是導(dǎo)致品質(zhì)差異的一個(gè)重要生理代謝基礎(chǔ)。施肥是影響煙葉碳代謝的又一重要因子。煙葉碳含量在煙葉發(fā)育和成熟過程中變化幅度較小，一般在39%～42%范圍內(nèi)。在不同的氮素營養(yǎng)水平和氮素形態(tài)下，葉片碳含量及其變化動(dòng)態(tài)有一定的差異，低施氮量的葉片碳含量較高，且隨著葉片發(fā)育進(jìn)程有先增加后下降趨勢，有機(jī)氮有利于提高煙葉碳含量［1，15-21，37］，不同施氮模式下，基于SPAD施氮模式迎合了煙株生理期碳代謝的變化規(guī)律，有利于煙株碳代謝的進(jìn)行［38］。利用外源物質(zhì)來協(xié)調(diào)煙株體內(nèi)代謝平衡是提高煙葉品質(zhì)的有效途徑，打頂后外源赤霉素可明顯提高淀粉酶活性，促進(jìn)烤煙碳水化合物的分解，有利于優(yōu)質(zhì)烤煙的形成［1］，打頂后噴施蔗糖、葡萄糖酸鈉和甘氨酸等小分子有機(jī)物能增強(qiáng)煙株碳代謝［39］。

理論上，在碳代謝中，至少有8個(gè)可進(jìn)行有效調(diào)節(jié)的關(guān)鍵性位點(diǎn)（圖1）。國內(nèi)目前的研究者大多關(guān)注煙葉中蔗糖磷酸合成酶、轉(zhuǎn)化酶、蔗糖合成酶和淀粉酶等少數(shù)幾種酶的研究［1，11-14，16，18，40-41］，而對(duì)其他酶在煙葉生長和成熟過程中的變化規(guī)律知之甚少，尚未見報(bào)道。近年國外學(xué)者開始系統(tǒng)研究氮素營養(yǎng)對(duì)煙葉RuBP羧化酶 、NADP-甘油醛-3-磷酸脫氫酶、醛縮酶、轉(zhuǎn)酮酶、質(zhì)體果糖-1，6-二磷酸酯酶、ADPG焦磷酸化酶等酶活性的影響［8］。有關(guān)淀粉合成的調(diào)節(jié)則主要集中在對(duì)催化ADPG合成的關(guān)鍵性酶AGP上，其他作物上的研究結(jié)果表明其活性與3PGA/Pi的比值關(guān)系密切。碳代謝是烤煙生長發(fā)育最基礎(chǔ)的代謝過程之一，建立合理的碳代謝模式對(duì)于煙葉品質(zhì)形成有重要影響。因此，探明碳代謝調(diào)控機(jī)理及其途徑十分迫切。

圖1 煙葉碳代謝及調(diào)節(jié)的關(guān)鍵性位點(diǎn)

2 煙葉氮代謝

2.1 氮代謝的變化規(guī)律

煙葉氮代謝包括無機(jī)氮（硝態(tài)氮）的還原、同化及有機(jī)含氮化合物的轉(zhuǎn)化、合成等代謝過程［1，5-6，12］。氮代謝強(qiáng)度直接影響到煙葉蛋白質(zhì)合成和其他含氮素化合物的形成，最終對(duì)烤煙植株生長、產(chǎn)量及品質(zhì)形成產(chǎn)生作用。

硝酸還原酶（NR）是植物氮代謝限速酶，其活性高低對(duì)植株氮代謝強(qiáng)弱起關(guān)鍵作用。有關(guān)煙草硝酸還原酶活性研究較多，結(jié)果也基本一致。在正常情況下，烤煙團(tuán)棵期硝酸還原酶活性最高，并隨著植株生長發(fā)育進(jìn)程而逐漸降低，至成熟期快速下降［6-7，19］，總氮含量從團(tuán)棵期至成熟期呈明顯的下降趨勢［6，11，42-45］。在煙葉生長發(fā)育和成熟過程中，葉片中蛋白質(zhì)和煙堿含量均在生理成熟前達(dá)到最高值，生理成熟后開始下降［7，42-45］。董惠萍［8］則報(bào)道，煙葉中氮和蛋白質(zhì)含量隨煙葉生長發(fā)育進(jìn)程而逐漸降低。因此，一般認(rèn)為氮代謝在煙葉生長和成熟過程中逐漸減弱［1］。這種看法不夠全面，應(yīng)該說氮代謝的變化規(guī)律是氮代謝在葉片前期是逐漸增強(qiáng)，至生理成熟期前達(dá)最大，生理成熟后開始減弱。值得注意的是，在煙葉生長和成熟過程中，葉片中蛋白質(zhì)、煙堿等含量降低也可能是由于干物質(zhì)快速積累而導(dǎo)致的稀釋效應(yīng)，應(yīng)仔細(xì)分析。顯然，僅用含氮化合物的含量來判斷氮代謝強(qiáng)弱是不夠的，要結(jié)合生理活性指標(biāo)，如一些酶活性指標(biāo)來判斷。

2.2 氮代謝的調(diào)節(jié)機(jī)理

含氮化合物不僅具有重要的生理功能，而且對(duì)煙葉質(zhì)量有決定性的影響，其中蛋白質(zhì)還與焦油含量有關(guān)，直接影響到煙葉安全性［7，10］。了解和合理調(diào)節(jié)煙葉氮代謝對(duì)于提高煙葉質(zhì)量、安全性和可用性是十分必要的，但有關(guān)氮代謝調(diào)節(jié)方面的研究很少。圖2標(biāo)示出烤煙氮代謝的主要調(diào)節(jié)位點(diǎn)。目前的研究主要集中在葉片硝酸還原酶變化規(guī)律的研究上，其他調(diào)控位點(diǎn)研究幾乎是空白。機(jī)理不清，很難進(jìn)一步改善煙葉的香吃味，提高煙葉可用性。

圖2 煙葉氮代謝及調(diào)節(jié)的關(guān)鍵性位點(diǎn)

品種和栽培措施仍然是對(duì)烤煙氮代謝有重要作用的兩大因子。據(jù)報(bào)道，K326在團(tuán)棵期氮代謝強(qiáng)度高于NC89和中煙90，而現(xiàn)蕾期又遠(yuǎn)低于前兩個(gè)品種［2］，說明氮代謝受品種遺傳特性影響明顯。在栽培因素中，施肥是影響氮代謝強(qiáng)弱的首要因子，硝酸還原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合成酶（GOGAT）這 3個(gè)氮代謝關(guān)鍵基因的表達(dá)均受施氮量影響［46］，煙葉蛋白質(zhì)含量隨著施氮水平的提高而增加增施有機(jī)氮肥，有利于改善煙葉后期營養(yǎng)狀況和碳氮代謝［5］?；赟PAD儀的精量施氮模式在生育前期可提高烤煙大田生長氮代謝水平，有利于烤煙的生長發(fā)育，在生育后期適量降低，利于烤煙氮代謝適時(shí)向碳代謝過渡，促進(jìn)落黃，提高煙葉內(nèi)在化學(xué)品質(zhì)［47-48］。外源物質(zhì)亦是氮代謝重要調(diào)控因子，研究表明，噴施1.0 mmol/L的鎢酸鈉能夠有效抑制煙葉的氮代謝,促進(jìn)煙葉成熟落黃。

3 煙葉碳代謝與氮代謝協(xié)調(diào)性對(duì)品質(zhì)形成的影響

已有的研究資料表明，葉片中碳代謝和氮代謝之間存在著密切的聯(lián)系。氮代謝的運(yùn)行需要依賴于碳代謝提供碳架和能量NADH，而碳代謝又需氮代謝提供酶蛋白和光合色素［1-2，5-13］，氮代謝與碳的積累代謝是矛盾對(duì)立的，但碳的光合固定和呼吸作用（糖酵解）過程是制約和促進(jìn)關(guān)系。

碳代謝、氮代謝分別從兩個(gè)方面影響煙葉品質(zhì)：一是合理的代謝強(qiáng)度，二是碳氮代謝的協(xié)調(diào)程度。前一方面體現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)煙葉形成對(duì)植株生理代謝量的要求，后一方面表現(xiàn)出優(yōu)質(zhì)煙葉形成對(duì)碳氮代謝質(zhì)的規(guī)定。早在1972年Tso［11］就指出，煙葉品質(zhì)的優(yōu)劣是煙株碳、氮代謝協(xié)調(diào)程度的體現(xiàn)。煙葉在適當(dāng)發(fā)育時(shí)期及時(shí)由以氮代謝、碳的固定和轉(zhuǎn)化代謝為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕴嫉姆e累代謝為主被認(rèn)為是優(yōu)質(zhì)煙葉形成的關(guān)鍵［1-4，10］，但目前尚未找到合適的又易測定的反映碳氮代謝轉(zhuǎn)化的標(biāo)志性指標(biāo)。

碳氮比（C/N）是葉片光合產(chǎn)物分配方向的反映和集中體現(xiàn)。不少研究者認(rèn)為C/N可以作為反映煙葉碳、氮代謝相對(duì)強(qiáng)度和協(xié)調(diào)程度的重要指標(biāo)，并提出理想的碳氮比變化模式為煙株移栽60 d后C/N增長緩慢，之后進(jìn)入快速增長期；移栽后43、60、73、90 d的最佳C/N分別為10.59、11.51、15.22及18.85；烤后煙葉最適的 C/N 為 17.11［1，5，13-16］。但東南方煙區(qū)優(yōu)質(zhì)煙生產(chǎn)是否符合這一規(guī)律尚缺乏研究資料支持，需進(jìn)行系統(tǒng)研究。

4 碳氮代謝指標(biāo)體系研究進(jìn)展

建立反映煙葉碳氮代謝特征的指標(biāo)體系是從理論上研究碳氮代謝規(guī)律和從煙葉生產(chǎn)上應(yīng)用碳氮代謝理論所不可缺少一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是目前研究中急需解決的一個(gè)問題。沒有合理的指標(biāo)體系，就無從對(duì)烤煙碳氮代謝強(qiáng)度和協(xié)調(diào)程度進(jìn)行精確描述，無法探討煙葉碳氮代謝基本規(guī)律及其與品質(zhì)形成之間的關(guān)系。煙葉碳氮代謝指標(biāo)體系可考慮從兩個(gè)方面建立：一類是主要用于碳氮代謝理論研究的指標(biāo)；二是主要應(yīng)用于指導(dǎo)優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)的簡易化、易測化指標(biāo)。

關(guān)于煙葉碳氮代謝指標(biāo)方面的研究報(bào)道極少。近15年來，在廣東省煙草專賣局（公司）科技項(xiàng)目和國家煙草專賣局重點(diǎn)項(xiàng)目支持下，我們?cè)谶@一方面開展了一些研究工作，做了一些探索性的嘗試。

一般認(rèn)為，硝酸還原酶活性可以反映煙葉氮代謝強(qiáng)度，有關(guān)氮代謝的研究也主要集中在硝酸還原酶變化規(guī)律及其調(diào)節(jié)上。酸性轉(zhuǎn)化酶和淀粉酶是衡量煙葉生長過程中碳代謝強(qiáng)度的重要指標(biāo)。國家生理生化研究基地學(xué)者在煙草碳氮代謝規(guī)律研究中較廣泛地運(yùn)用了這兩個(gè)指標(biāo)，并提出可用硝酸還原酶和轉(zhuǎn)化酶活性比來表示碳的固定和轉(zhuǎn)化代謝與氮代謝的相對(duì)強(qiáng)度。作為反映碳氮代謝轉(zhuǎn)化指標(biāo)，一些研究者認(rèn)為可用葉片中硝酸還原酶活性或總氮含量迅速降低作為標(biāo)志 ［1，8，12］。史宏志等［5］對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)的運(yùn)用提出了不同的看法。C/N可以反映煙葉碳、氮代謝相對(duì)強(qiáng)度和協(xié)調(diào)程度，在碳氮代謝中被廣泛使用，是用于煙葉碳氮代謝理論研究的一個(gè)重要指標(biāo)指標(biāo)［1-6］，但由于碳水化合物質(zhì)測試繁雜，應(yīng)用于生產(chǎn)上缺乏可操作性。

煙葉在工藝成熟過程中，大分子逐漸降解，游離的小分子化合物在葉片中逐漸增加，基于對(duì)煙葉成熟過程中這些生理生化變化的基本規(guī)律的理解，我們于2002—2017年對(duì)煙葉碳氮代謝指標(biāo)體系進(jìn)行了初步探索，對(duì)煙葉成熟過程中葉片汁液濃度、含水量、硝酸還原酶、葉綠素、總氮、可溶性糖、淀粉、蛋白質(zhì)等8個(gè)指標(biāo)的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，各指標(biāo)之間的相關(guān)分析見表1。從表1可以看出，煙葉含水量與葉片總氮、蛋白質(zhì)含量呈正相關(guān)性，與葉片汁液濃度、可溶性糖、淀粉呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明葉片含水量高時(shí)，氮代謝旺盛，碳的積累代謝相對(duì)較弱；反之，葉片水分含量低時(shí)，碳的積累代謝強(qiáng)度強(qiáng)，氮代謝與碳的光合固定和運(yùn)輸轉(zhuǎn)化代謝相對(duì)減弱。由此可見，葉片含水量在一定程度上可以反映碳氮代謝強(qiáng)弱。葉片汁液濃度與葉片含水量、硝酸還原酶活性、總氮、蛋白質(zhì)呈負(fù)相關(guān)性，與可溶性糖呈正相關(guān)關(guān)系，說明碳的積累代謝強(qiáng)，葉片汁液濃度高，氮代謝相對(duì)較弱。因此，葉片也可作為指示煙葉碳氮代謝強(qiáng)弱的指標(biāo)。葉綠素含量與硝酸還原酶活性、總氮、蛋白質(zhì)呈正相性，與可溶性糖和淀粉是負(fù)相關(guān)關(guān)系，反映出葉綠素含量的增加有利于促進(jìn)氮代謝的運(yùn)轉(zhuǎn)，抑制碳的積累代謝強(qiáng)度。

鑒于以上研究結(jié)果，我們認(rèn)為葉片含水量、葉片汁液濃度、葉綠素含量可作為反映煙葉碳氮代謝強(qiáng)弱的新指標(biāo)，而且這3種指標(biāo)具有易測定性和較穩(wěn)定性，既可用于碳氮代謝理論研究上，又可用于生產(chǎn)實(shí)踐中。

表1 煙葉成熟過程中一些生理生化指標(biāo)之間的相關(guān)分析

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，（1-葉片含水量）/總氮含量（即葉片干物質(zhì)含量/總氮含量）可以反映煙葉碳的積累代謝與氮代謝協(xié)調(diào)程度及相對(duì)強(qiáng)度，與C/N指標(biāo)相比，該指標(biāo)顯然具有更易測定性和實(shí)用性。

5 煙葉碳氮代謝研究展望

隨著人們對(duì)煙葉香吃味日益關(guān)注和煙葉安全性問題的重視，煙草碳氮代謝的研究必將更為活躍。國家煙草生理生化基地在這一領(lǐng)域的研究起步較早，已有一定的資料積累和研究基礎(chǔ)［14-15，17-29］，但正如上述，這一領(lǐng)域研究的空白點(diǎn)還很多。目前我國正在從不同角度和層面開展特色優(yōu)質(zhì)煙葉開發(fā)重大專項(xiàng)研究工作，煙葉生產(chǎn)上在著力進(jìn)行煙葉結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作。因此，今后有關(guān)煙草碳氮代謝的研究必將集中在以下幾個(gè)方面：（1）研究優(yōu)質(zhì)煙葉形成的碳氮代謝基本規(guī)律，闡明烤煙碳氮代謝與煙葉品質(zhì)優(yōu)劣的關(guān)聯(lián)性；（2）建立煙葉碳氮代謝指標(biāo)體系，開發(fā)煙葉成熟采收的生理標(biāo)識(shí)與智能化識(shí)別技術(shù)；（3）煙葉碳氮代謝調(diào)節(jié)分子機(jī)理與調(diào)控途徑；（4）研究環(huán)境條件與煙葉碳氮代謝之間的關(guān)系，建立協(xié)調(diào)二者之間的技術(shù)體系。