煙草煙葉多酚類物質(zhì)代謝影響因素的研究進(jìn)展

賀文俊， 何 佳， 孫志浩， 楊鐵釗

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)， 河南 鄭州 450002)

多酚類物質(zhì)是一類廣泛存在于植物體內(nèi)的重要次生代謝物質(zhì)。最初，人們研究的植物多酚主要為單寧。根據(jù)單寧的結(jié)構(gòu)可分為水解單寧(hydrolysable tannin)和縮合單寧(condensed tannin)[1]。HASLAM[2]對(duì)應(yīng)地將植物多酚分為聚棓酸脂和聚黃烷醇類兩大基本類型。研究發(fā)現(xiàn)，多酚對(duì)調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育、基因的誘導(dǎo)和表達(dá)、信號(hào)的傳導(dǎo)都有影響[3-4]。

在煙草中，多酚類物質(zhì)主要的存在形式是葡萄糖苷和酯，約為干葉重的0.5%～2.5%[5]，其中，綠原酸、蕓香苷和莨菪亭是煙葉中主要的多酚類物質(zhì)。在烤煙中，綠原酸的含量較高，約占總酚含量的75%～95%[6]。煙草中多酚類物質(zhì)合成的途徑一般可分為3個(gè)：莽草酸途徑、乙酸一丙二酸途徑和乙酸一甲輕戊酸途徑。其中，莽草酸途徑是煙草多酚代謝的主要途徑。經(jīng)莽草酸途徑形成的苯丙氨酸在苯丙氨酸解氨酶(PAL)、肉桂酸-4-羥基化酶(C4H)和多酚氧化酶(PPO)連續(xù)催化作用下可形成咖啡酸、阿魏酸、芥子酸等酚類中間產(chǎn)物。在4-香豆酸輔酶A連接酶(4CL)及其他酶的作用下，該中間產(chǎn)物又可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為香豆素、綠原酸及莨菪亭等，也可形成CoA酯。CoA酯在肉桂酰輔酶A還原酶(CCR)及查爾酮合成酶(CHS)等多種酶的作用下進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為木質(zhì)素和各種黃酮類物質(zhì)[7]。這些多酚類物質(zhì)在煙草中的主要合成部位是煙葉，其次莖也能合成少量的綠原酸，但關(guān)于酚類物質(zhì)能否在根部合成還有待研究[8]。煙草多酚類物質(zhì)含量在煙株中的分布有一定規(guī)律性，即隨著葉位增高，多酚類化合物含量逐漸增加[9]；在同一片葉中，從葉尖到葉基多酚類化合物含量逐漸減少[8]。這可能與合成多酚類物質(zhì)的部位有關(guān)。

多酚類物質(zhì)在煙草生長(zhǎng)發(fā)育過程中起重要作用，并且對(duì)煙葉色澤、煙氣吃味和生理強(qiáng)度都有影響，是衡量煙葉品質(zhì)的重要指標(biāo)之一[10]。有研究表明，煙草多酚類物質(zhì)與煙草制品等級(jí)呈正相關(guān)[11]。多酚類物質(zhì)是煙草重要的香氣前體物，與煙葉香氣類型和香氣量密切相關(guān)。周小紅等[12]研究發(fā)現(xiàn)，不同香型煙區(qū)的煙葉中，其綠原酸、莨菪亭、蕓香苷和多酚總量均存在顯著差異。常愛霞等[13]研究發(fā)現(xiàn)，煙葉中多酚類物質(zhì)含量較高有利于其風(fēng)格指向清香型。此外，煙草多酚類物質(zhì)還被證實(shí)具有抗病毒作用和增強(qiáng)抗逆性的作用。閻新甫等[14]研究發(fā)現(xiàn)，煙草能產(chǎn)生多酚類物質(zhì)以適應(yīng)不利環(huán)境條件的變化。

近幾年，國(guó)內(nèi)外對(duì)煙草多酚的性質(zhì)、測(cè)定方法及煙草多酚對(duì)煙草品質(zhì)的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，但對(duì)煙草生長(zhǎng)過程中多酚類物質(zhì)代謝影響因素的研究還不夠深入。鑒于此，對(duì)影響煙草多酚類物質(zhì)代謝的遺傳因素、生態(tài)因素、施氮水平及農(nóng)藝措施進(jìn)行綜述，以期為調(diào)控?zé)煵荻喾宇愇镔|(zhì)，進(jìn)而提高烤煙品質(zhì)和開發(fā)特色煙葉提供參考。

1遺傳因素

品種作為遺傳因素對(duì)煙草多酚類物質(zhì)代謝有重要影響。李亞培等[15]研究發(fā)現(xiàn)，不同時(shí)期(葉齡40 d、葉齡60 d和烤后煙)K326、紅花大金元及NC89等7個(gè)烤煙品種的多酚類物質(zhì)(總酚、蕓香苷及綠原酸)的含量變化呈動(dòng)態(tài)差異。劉陽(yáng)等[16]研究結(jié)果表明，中煙100、云煙85、云煙87和NC89等4個(gè)烤煙品種間多酚類物質(zhì)含量存在差異；云煙85和云煙87的主要多酚類物質(zhì)含量均無顯著差異。這可能與其具有相同親本有關(guān)。WILLIAMSON等[9]研究發(fā)現(xiàn)，多酚類物質(zhì)含量高的品種其后代的多酚類物質(zhì)含量也高。由此說明，多酚類物質(zhì)的含量受基因型控制并具有遺傳性。由于不同品種煙草的基因型不同，其多酚代謝相關(guān)酶活性及其基因表達(dá)量也不同，所以多酚水平存在差異。不同品種間基因型差異越大，多酚類物質(zhì)含量的差異也越大。因此，品種在很大程度上決定著煙葉多酚類物質(zhì)的代謝及含量。

2生態(tài)因素

2.1溫度

煙草是一種喜溫作物，對(duì)外界溫度變化的響應(yīng)較為敏感。溫度作為重要的生態(tài)因素，對(duì)煙草多酚類化合物的代謝有較大影響。楊慧芹等[11]研究表明，在移栽-團(tuán)棵期，煙葉在較低溫度(16℃)處理下多酚總量較高；而在團(tuán)棵-現(xiàn)蕾期，較高溫度(25℃)處理下更有利于多酚總量的維持。說明，在煙草的不同生長(zhǎng)時(shí)期多酚積累的最適溫度存在差異。這是因?yàn)樵诓煌L(zhǎng)時(shí)期，不同溫度對(duì)多酚物質(zhì)代謝關(guān)鍵酶活性和基因表達(dá)的影響不同。張剛等[17]研究表明，在較低溫度(均溫18.5 ℃)處理下，煙葉多酚類物質(zhì)代謝相關(guān)基因PAL、C4H和4CL等表達(dá)量增加，其代謝關(guān)鍵酶PAL、C4H、4CL和CHI的活性提高，有利于多酚類物質(zhì)積累。該研究還發(fā)現(xiàn)，在處理過程(60 d)中，多酚類物質(zhì)含量、代謝相關(guān)酶活性和基因表達(dá)均呈先降低后上升趨勢(shì)，且在較低溫度下(均溫18.5℃)PAL、C4H、4CL等酶活性和基因表達(dá)量均高于其他處理，與楊慧芹等[11]研究結(jié)果存在差異。此外，低溫脅迫對(duì)多酚類物質(zhì)代謝具有顯著影響。楊慧芹等[18]研究煙草多酚類物質(zhì)代謝對(duì)低溫脅迫的響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，在低溫脅迫下(4℃)，PAL、C4H、PPO、POD和CAD酶活性均不同程度地提高，總酚含量持續(xù)下降，木質(zhì)素含量提高。但試驗(yàn)材料和低溫處理的溫度不同也可能導(dǎo)致植物體內(nèi)總酚含量增加，同時(shí)抑制PAL、PPO和POD的活性[19]。

2.2光照

光作為植物生長(zhǎng)重要的能量來源和信號(hào)因子，可以通過光質(zhì)、光強(qiáng)等影響植物生長(zhǎng)和次生代謝。彭東等[20]研究表明，在較強(qiáng)的光照處理下，煙葉多酚類物質(zhì)含量及關(guān)鍵酶活性均較高，當(dāng)光照強(qiáng)度為自然光的44%時(shí)，多酚類物質(zhì)合成受阻，與鄭明等[21]研究結(jié)果相似。說明，在一定的光照強(qiáng)度范圍內(nèi)，多酚含量與光強(qiáng)呈正相關(guān)關(guān)系。適當(dāng)增加光強(qiáng)有利于提高多酚類物質(zhì)的含量。但也有研究表明，當(dāng)光照強(qiáng)度不斷降低，煙葉內(nèi)多酚類物質(zhì)含量逐漸升高[22]。這可能是試驗(yàn)過程中采用不同的光照強(qiáng)度或品種所致。此外，不同光質(zhì)對(duì)多酚類物質(zhì)代謝也有影響。楊利云等[23]研究發(fā)現(xiàn)，與白光處理相比，藍(lán)、紫光顯著地提高煙葉內(nèi)綠原酸、蕓香苷和莨菪亭的含量，其與藍(lán)、紫光增強(qiáng)PAL活性及降低POD活性有一定關(guān)系。另有研究表明，UV-B輻射有利于植物多酚類物質(zhì)合成和PAL活性提高[24]?？赡苁且?yàn)樽贤夤馀c紫光、藍(lán)光的波長(zhǎng)相近且部分重疊。多酚類物質(zhì)含量在不同海拔間存在差異，可能與不同海拔紫外線輻射強(qiáng)弱有關(guān)。但也有研究表明，在自然光的基礎(chǔ)上增強(qiáng)UV-B，可增加上部煙葉多酚類物質(zhì)積累，但會(huì)抑制中部葉多酚類物質(zhì)的合成[25]。光質(zhì)對(duì)煙草多酚類物質(zhì)代謝的影響是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，還需進(jìn)一步系統(tǒng)研究。

3施氮水平

氮是煙草生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素，不僅影響煙草的生長(zhǎng)發(fā)育，而且對(duì)烤煙品質(zhì)的形成有重要作用[26]。李飛等[27]研究表明，多酚含量與氮代謝呈顯著負(fù)相關(guān)。說明多酚作為次生代謝產(chǎn)物，受到氮素和氮代謝的調(diào)控。王愛華等[28]研究表明，高施氮量處理(67.5 kg/hm2)提高了上部葉的PAL、PPO活性和總酚、綠原酸、類黃酮的含量，與TSO等[29]的研究結(jié)果一致。張渝婕等[30]研究發(fā)現(xiàn)，在低氮條件下(45 kg/hm2)，上部葉的綠原酸、蕓香苷和莨菪亭含量高于其他處理(60 kg/hm2、75 kg/hm2)。STRISSEL等[31]研究表明，在較高施氮水平下，PAL酶活性降低，黃酮類化合物含量減少。這可能是由于試驗(yàn)所用材料或者氮素施用比例不同所致。由于生態(tài)的差異，各地區(qū)氮素施用比例存在明顯差異，從而影響多酚類物質(zhì)含量和關(guān)鍵酶活性。還有研究表明，在煙草生長(zhǎng)前期，較低施氮水平上調(diào)了煙草多酚類物質(zhì)含量、關(guān)鍵酶活性和基因表達(dá)量，而在生長(zhǎng)后期則相反[32]。因此，關(guān)于增加施氮量對(duì)煙草多酚類物質(zhì)含量和關(guān)鍵酶活性的影響還需進(jìn)一步研究。此外，不同氮素形態(tài)及其配比對(duì)烤煙多酚類物質(zhì)含量也有較大影響。孟翔東等[33]研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)增加硝態(tài)氮比例能明顯提高綠原酸、蕓香苷等多酚類物質(zhì)的含量，與SHEEN等[34]研究結(jié)果基本一致。無論是硝態(tài)氮還是銨態(tài)氮，對(duì)煙草生長(zhǎng)發(fā)育均有一定影響。因此，要根據(jù)不同生態(tài)條件合理掌握不同氮素形態(tài)的比例[35]。

4農(nóng)藝措施

打頂是煙草生長(zhǎng)過程中重要的技術(shù)措施，其改變了煙株的源庫(kù)關(guān)系，因此，對(duì)煙草次生代謝等多個(gè)生物過程有重要影響。張永安等[36]研究表明，打頂后一段時(shí)間內(nèi)，中上部煙葉多酚含量均有較大提高，并且隨著時(shí)間的推移，上部葉多酚積累速率大于中部葉，與袁衛(wèi)瑜等[37]研究結(jié)果相似。袁衛(wèi)瑜等研究發(fā)現(xiàn)，在打頂后一段時(shí)間內(nèi)，PAL活性持續(xù)增加，且上部葉增加速率大于中部葉，而PPO活性均降低，且上部葉下降速率大于中部葉。說明，打頂后中上部煙葉多酚代謝關(guān)鍵酶活性發(fā)生了不同程度的變化，所以其多酚類物質(zhì)積累速率也不同。此外，打頂時(shí)期不同，對(duì)多酚類物質(zhì)的代謝和煙葉品質(zhì)也有很大的影響。張永安等[38]研究結(jié)果表明，從現(xiàn)蕾期、蕾葉平行期、30%中心花開放期至盛花期，隨著打頂時(shí)期的適當(dāng)推移，能不斷提高煙葉多酚類物質(zhì)含量，并且在30%中心花開放期打頂，上部葉多酚類物含量達(dá)最高。楊銀菊等[39]研究發(fā)現(xiàn)，苗期打頂相比同期未打頂處理，綠原酸等多酚類物質(zhì)含量顯著降低，而PPO和PAL活性提高；現(xiàn)蕾后打頂，多酚類物質(zhì)含量顯著升高，PPO活性降低，PAL活性提高。因此，打頂調(diào)控?zé)熑~多酚類物質(zhì)代謝與打頂時(shí)期有重要關(guān)系。過早或過晚打頂都不利于煙葉多酚類物質(zhì)代謝和品質(zhì)的形成。此外，打頂后煙葉多酚類物質(zhì)含量與PPO活性顯著相關(guān)。在現(xiàn)蕾期后打頂，煙葉多酚類物質(zhì)提高，可能主要是因?yàn)镻PO活性降低，導(dǎo)致多酚類物質(zhì)降解速率低于其合成速率。

5小結(jié)

煙草是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物。現(xiàn)階段，如何生產(chǎn)特色優(yōu)質(zhì)煙葉，提高煙草制品品質(zhì)已成為迫切需要解決的難題。煙草多酚類物質(zhì)對(duì)煙草生長(zhǎng)發(fā)育及品質(zhì)均有重要影響。因此，研究其影響因素、代謝途徑有重要意義。雖然煙草中多酚類物質(zhì)合成的主要基因已經(jīng)大部分被鑒定，但對(duì)其調(diào)節(jié)機(jī)制尚未清楚，仍需要進(jìn)行深入研究。對(duì)影響多酚類物質(zhì)代謝因素的研究還不夠深入，大部分研究只停留在對(duì)煙草多酚類化合物含量以及相關(guān)酶活性的影響方面，對(duì)相關(guān)酶基因的表達(dá)以及其表達(dá)與酶活性變化關(guān)系的研究尚少。關(guān)于一些植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑對(duì)煙草的最佳作用時(shí)期、最適濃度及機(jī)制也需要進(jìn)一步研究。多酚代謝與調(diào)控是一個(gè)復(fù)雜的過程，今后可從轉(zhuǎn)基因或者代謝通路的效率方面進(jìn)行深入研究，以調(diào)控目標(biāo)多酚類物質(zhì)的含量。最后，可建立一套完善的數(shù)據(jù)庫(kù)，綜合各個(gè)因素對(duì)多酚代謝的影響，探索不同煙區(qū)多酚物質(zhì)積累的最適宜條件，為特色煙葉的生產(chǎn)提供全面的數(shù)據(jù)支撐。隨著分子生物學(xué)的不斷發(fā)展，將逐步加深對(duì)多酚類代謝及其調(diào)控機(jī)制的了解，從而改善煙草的品質(zhì)。