河南不同產區烤煙代謝物區域特征分析

周漢紅，孫書斌，羅先學，肖金勝，甘 韜，方武軍

（1.湖北中煙工業有限責任公司，武漢 430040；2.湖南省煙草專賣局張家界市公司，湖南 張家界 427000）

河南產區烤煙年生產量在10 萬t 以上，是全國重要的濃香型卷煙優質產區，在卷煙品牌中發揮重要的配方作用，但河南各產區空間跨度大，土壤和氣候條件也存在較大區別，導致煙葉風格在產區間存在一定的差異。學者對河南煙葉進行了大量研究，但主要集中在施肥、烘烤等煙葉生產方面［1-5］以及物理特性、化學成分等質量方面［6-13］，對各產區煙葉代謝物質方面的研究比較少。

煙葉在成熟和烘烤過程中存在一系列復雜的生化反應，其中代謝物的種類和含量對烤煙的感官質量有重要的影響［14］。非靶向代謝組學旨在通過考慮數據集中存在的所有信息，在生物系統中收集盡可能多的代謝物的信息，廣泛應用于植物代謝組學分析。其主要技術有液相色譜-質譜聯用（LC-MS）、氣相色譜-質譜聯用（GC-MS）和毛細管電泳-質譜聯用（CE-MS）等［15-17］，其中液相色譜-質譜聯用（LC-MS）具有可靠的靈敏度、較高的精度和分析方法的魯棒性，是靈敏度和選擇性的最佳組合，因此在大多數代謝組學方法中必不可少。本研究運用液相色譜-質譜聯用（LC-MS）方法對河南省駐馬店市泌陽縣、南陽市社旗縣、信陽市羅山縣、洛陽市宜陽縣和三門峽市盧氏縣5 個產區的C3F 進行非靶向代謝組學分析，探索不同產區煙葉的關鍵差異代謝產物差異，旨在更好地指導煙葉生產和工業調撥。

1 材料與方法

1.1 試驗樣品

試驗對象為河南省駐馬店市泌陽縣、南陽市社旗縣、信陽市羅山縣、洛陽市宜陽縣、三門峽市盧氏縣5 個產區2021 年的C3F 樣品（表1），把剛調制完下炕的煙葉樣品立即放入液氮中冷凍，樣品郵寄到北京諾禾致源科技股份有限公司實驗室，-80 ℃冰箱中儲存備用。

表1 樣本詳情

1.2 試驗儀器

本試驗委托北京諾禾致源科技股份有限公司檢測。Q Exactive?HF-X 質譜儀、Vanquish UHPLC 色譜儀，德國賽默飛世爾科技公司；Hypesil GOLD Column 色譜柱（100 mm×2.1 mm，1.9 μm），美國賽默飛世爾科技公司；D3024R 型低溫離心機，美國Scilogex品牌。甲醇、甲酸、醋酸銨均購于美國賽默飛世爾科技公司，超純水購于德國Merck 公司，以上試劑純度均為色譜級。

1.3 試驗設計

本項目基于液質聯用（LC-MS）技術進行非靶向代謝組學研究，試驗設計主要包括樣本的代謝物提取、LC-MS/MS 檢測以及數據分析等。由于同一種代謝物可能帶正電荷或者負電荷，所以分別對帶正電荷和負電荷的代謝物進行檢測和分析。

1.4 數據處理與分析

首先將質譜檢測得到的原始文件（.raw）導入Compound Discoverer 3.1（CD）軟件進行譜圖處理及數據庫搜庫，得到代謝物的定性定量結果，然后對數據進行質控，保證數據結果的準確度、可靠性。再對代謝物進行多元統計分析，包括主成分分析（PCA）、偏最小二乘法判別分析（PLS-DA）等，揭示不同組別代謝物的差異。利用層次聚類（HCA）和代謝物相關性分析，揭示樣本之間及代謝物之間的關系。最后，通過代謝通路等功能分析解釋代謝物相關的生物學意義。

2 結果與分析

2.1 各區域C3F 等級煙葉代謝組的多元統計分析

為了探究C3F 代謝物在泌陽縣、社旗縣、羅山縣、宜陽縣和盧氏縣的區域特征，對烘烤后的煙葉進行代謝組測序和分析。正離子代謝物和負離子代謝物的主成分分析結果如圖1 所示。由圖1 可知，5 個地區間的煙葉代謝物特征差異明顯，但各地區內部樣本差異較小，且分離趨勢均處在95%置信區間內。比較5 個地區發現，泌陽縣和社旗縣的煙葉代謝物主成分比較相近，宜陽縣和盧氏縣的煙葉代謝物主成分比較相近，而羅山縣與其他地區的煙葉代謝物主成分相對差異較大。

圖1 帶正電荷代謝物（a）與帶負電荷代謝物（b）主成分分析結果

2.2 主要代謝物及各區域特異代謝物表達分析

基于所有代謝物的表達豐度數據，利用單因素方差分析對樣本組間進行差異比較，按照標準差（s）進行排序，以P＜0.05 為閾值，對代謝物進行差異表達的篩選，得到各區域差異表達代謝物數量（表2），泌陽縣、社旗縣、羅山縣、宜陽縣和盧氏縣的差異代謝物分別為477、411、319、186 和227 種，其中差異代謝物為正離子代謝物和負離子代謝物總和。圖2 為差異表達代謝物可視化熱圖，由圖2 可以看出，泌陽縣和社旗縣的差異代謝物的豐度比較相似，宜陽縣和盧氏縣代謝物比較相似（黑框標識）。基于差異代謝物豐度，通過皮爾森相關性分析（表3）發現，泌陽縣和社旗縣、宜陽縣和盧氏縣煙葉代謝物相關性較高（P＜0.05）。

圖2 差異表達代謝物豐度可視化結果

表2 各區域差異表達代謝物數量（單位：種）

表3 各區域煙葉代謝物皮爾森相關性分析

基于以上差異分析的結果，得到前20 種差異表達正離子代謝物（表4）和前20 種差異表達負離子代謝物（表5）。其中前20 種差異表達正離子代謝物包括14 種酸，分別為DL-色氨酸、葡萄糖酸、檸檬酸、L-蘇糖酸、琥珀酸、水楊酸、富馬酸、D-α-羥基戊二酸、2R-2，3-二羥基丙酸、DL-4-羥基苯乳酸、檸康酸、2-羥基己酸、N-乙酰基-D-別異亮氨酸和N-乙酰-DL-丙氨酸；1 種亞胺；1 種酚；1 種醇；1 種酰胺和2 種內酯。前20 種差異表達負離子代謝物包括7 種酸類，3 種堿，2 種酮等物質。

表4 前20 種差異表達正離子代謝物

表5 前20 種差異表達負離子代謝物

圖3 為葡萄糖酸、L-蘇糖酸、富馬酸、D-甘露醇、D-谷氨酰胺、N-乙酰基-D-別異亮氨酸的豐度柱狀圖。通過L-蘇糖酸和富馬酸的豐度圖可以看出，其在泌陽縣和社旗縣的豐度比較相近。結果支持本文前述猜想。

圖3 6 種差異代謝物豐度

2.3 基于KEGG 數據庫的代謝通路分析

為確定5 個區域C3F 等級煙葉差異代謝物的主要生物學功能，對這些差異代謝物進行了KEGG 通路富集分析（以P≤0.05 為閾值），如圖4 所示。結果表明，差異代謝物主要富集在氨基酸代謝相關通路中。圖5 以三門峽市盧氏縣C3F 等級煙葉為例，色胺酸代謝通路表達差異最顯著，該條代謝通路富集到的差異代謝物為吲哚和吲哚酚，主要集中在吲哚和吲哚酚生物合成上（圖6）。

圖4 KEGG 通路富集分析

圖5 三門峽市盧氏縣C3F 等級煙葉KEGG 富集氣泡

圖6 富集差異代謝物代謝路徑

3 結論

1）泌陽縣和社旗縣煙葉代謝物相關性比較高，宜陽縣和盧氏縣相關性比較高，羅山縣與其他區域代謝物均相差較大。可見地理位置相近，氣候相近，代謝物相關性高；地理位置遠，氣候相差較大，代謝物相關性低。

2）KEGG 富集結果顯示，差異代謝物主要富集在氨基酸代謝相關通路中。以三門峽市盧氏縣C3F等級煙葉為例，以色氨酸為底物合成吲哚和吲哚酚生物合成途徑是三門峽市盧氏縣C3F 等級煙葉差異最顯著的代謝途徑。