不同烤煙品種間碳氮代謝關鍵酶及其產物的差異

摘要：為探究不同品種間碳、氮代謝關鍵酶及其主要產物間的差異和內在聯系，尋找碳氮代謝適宜的后備烤煙品種，進行4個品種（云煙87、云煙105、云煙116、云煙121）的田間試驗，觀測其團棵期、旺長期、現蕾期總糖、還原糖、總氮、煙堿含量及代謝關鍵酶［蔗糖合成酶（SS）、蔗糖磷酸合成酶（SPS）、硝酸還原酶（NR）、亞硝酸還原酶（NiR）、谷氨酰胺合成酶（GS）］活性。結果表明，碳代謝方面，云煙87總糖含量在旺長期達到最高；云煙105團棵期還原糖含量最高，旺長期SPS活性最高，云煙116現蕾期總糖含量最高，SS活性最高；云煙121現蕾期還原糖含量最高，團棵期和旺長期SS活性最高，現蕾期SPS活性最高。氮代謝方面，云煙87旺長期和現蕾期總氮含量最高，云煙105團棵期總氮含量最高，現蕾期煙堿含量最高，云煙116現蕾期總氮含量最高，團棵期NR和NiR活性最高，NiR活性旺長期最高，云煙121整個生長期GS活性均處較高水平。相關性分析結果表明，碳代謝方面，云煙105和云煙116的SS活性與總糖含量呈極顯著相關，云煙87則是SPS活性與總糖含量呈極顯著相關。氮代謝方面，除云煙87和云煙121外，其他品種NR和GS活性與煙堿含量均存在顯著相關性，云煙121 NiR活性與總氮和煙堿含量存在顯著或極顯著相關性。綜合以上因素，云煙116生長前期氮代謝旺盛，生長后期碳代謝旺盛，相比起云煙87有更優質的碳氮代謝機制，可作為威寧烤煙栽培的后備品種。

關鍵詞：烤煙；碳氮代謝；酶活性；煙葉品質；相關性分析

中圖分類號：S572.04；S572.01" 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）05-0102-06

碳氮代謝是煙株生長過程中的基礎代謝，其代謝強度影響著烤煙大田生育期的物質合成、轉化和分解［1-2］。碳代謝為氮代謝提供能量和支架，氮代謝為碳代謝提供關鍵的酶和蛋白質［3］。烤煙碳代謝過程中，蔗糖合成酶（SS）和蔗糖磷酸合成酶（SPS）直接影響蔗糖的生物合成。SS催化尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）與果糖合成蔗糖，屬于可逆反應，SS通過這種可逆反應維持植物體內蔗糖含量的平衡。SS和SPS可以調控植株體內碳同化物的分配及流向［4-5］。在氮代謝過程中，硝酸還原酶（NR）起著決定性的作用，是植物氮代謝的限速酶［6］。亞硝酸還原酶能將亞硝酸鹽降解為銨，使氮素能夠以銨的形式參與蛋白質的合成［7］。谷氨酰胺合成酶（GS）及其同工酶活性在植物氮素轉運、分配中均有重要作用［8］。環境中的NO-3分別在硝酸還原酶和亞硝酸還原酶的作用下轉化為NH+4，再經過谷氨酰胺合成酶的作用，合成L-谷氨酰胺后，進一步合成氨基酸和蛋白質等［9］。

不同烤煙品種間碳氮代謝存在一定差異［10-11］。張小全等研究發現，烤煙品種的衰老特性與碳氮代謝有關，中部葉衰老快的煙株其淀粉含量下降快，氮素轉移量大，含氮化合物快速降解［12］。楊志曉等研究發現，品種間致香物質總量的差異，與烤煙移栽后的硝酸還原酶與蔗糖轉化酶比例（NR/INV）相關［13］。陳波等研究發現，由于不同品種間次生代謝能力不同，碳氮代謝的強弱會存在差異［14］。徐志強等研究表明，改變烤煙碳氮代謝關鍵酶的活性會影響烤煙碳氮代謝次生代謝產物的含量，有利于煙葉品質的改善［15-17］。因此，研究烤煙碳氮代謝差異，有助于調控烤后煙葉化學平衡，對提升煙葉品質有重要意義。本研究對比4個烤煙品種間碳氮代謝關鍵酶的活性及代謝產物的差異，以期尋找不同烤煙品種間碳氮代謝與產物之間的內在聯系，同時為改進幾個品種的田間管理措施提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2022年在貴州省威寧縣黑石頭鎮煙草科技園（26.754 725°N，103.995 142°E）進行，試驗煙田地勢平坦，排灌狀況良好，上一季無病蟲害發生。土壤類型為黃壤，pH值為5.88，耕層有機質含量為11.32 g/kg，堿解氮含量為89.43 mg/kg，速效磷含量為11.08 mg/kg，速效鉀含量為241.37 mg/kg。試驗地塊遠離公路。

1.2 試驗設計

設置4個品種的對比試驗，品種分別為云煙87、云煙105、云煙116、云煙121，詳情見表1。田間試驗采用隨機區組設計，每個品種重復3次，每個小區種植4行，行距1.1 m，每行20株，株距60 cm，小區四周設置保護行。基肥 ∶追肥=7 ∶3，施純氮7 kg/667 m2，其余栽培管理技術及調制工藝均按當地生產技術方案執行。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 烤煙碳氮代謝主要產物含量測定

烤煙長至團棵期、旺長期、現蕾期時，各處理取長勢均勻一致有代表性的煙株3株，每株取同一葉位葉片共3張，用烘箱105" ℃殺青30 min， 溫度調整為65 ℃烘至恒重，去除煙葉主脈充分研磨。用于測量烤煙碳代謝主要產物（總糖、還原糖）和氮代謝主要產物（總氮、煙堿）的含量。測定方法參照王瑞新的《煙草化學》［18］。

1.3.2 烤煙碳氮代謝酶活性

烤煙長至團棵期、旺長期、現蕾期時，取代表性煙株同一葉位葉片，相同葉位每株僅取樣1次，用于煙葉碳代謝關鍵酶（蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶）和氮代謝關鍵酶［硝酸還原酶、亞硝酸還原酶（NiR）、谷氨酰胺合成酶］活性的測定。測定方法：采用深圳子科生物科技有限公司提供的試劑盒，顯色后用酶標儀測定吸光度，計算樣品的酶活性。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2010對數據進行統計處理，采用SPSS 23數據統計軟件進行方差分析，采用Duncan’s新復極差法進行處理間的差異顯著性比較，采用Pearson法對數據進行簡單相關分析。使用Origin 2021軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同品種間烤煙碳氮代謝主要產物差異

碳氮代謝是貫穿烤煙整個生育時期的重要代謝，烤煙碳氮代謝的過程包括含碳化合物、含氮化合物的吸收和轉化。一般認為，在打頂前烤煙以氮的吸收轉化為主，打頂后烤煙以碳的吸收轉化為主。由圖1可見，云煙87總糖和總氮含量在旺長期達到最大，之后又有所降低；還原糖和煙堿含量隨生育進程整體逐漸增加。說明云煙87在烤煙生長過程中，前期以物質積累為主，后期則以物質代謝合成為主。云煙105在現蕾期總糖和煙堿含量有較大的增長，還原糖和總氮含量反而隨生育進程推進逐漸降低，說明云煙105在烤煙生長前期含氮化合物合成旺盛，但轉化能力略有不足，含碳化合物在生長后期合成旺盛，同樣轉化能力略有不足。云煙116的總糖和還原糖含量均隨生育進程增加，總氮含量隨烤煙生育進程整體逐漸降低，煙堿含量逐漸增加，說明云煙116在生長前期含氮化合物合成旺盛，但轉化能力稍弱，在生長后期，碳代謝的物質合成和轉化都十分旺盛。云煙121總糖、還原糖和煙堿含量整體隨生育進程逐漸增加，總氮含量隨生育進程逐漸降低，煙堿含量在團棵期和旺長期均與表現最優的處理呈顯著差異，含量最低，說明云煙121在生長前期氮素轉化較少，這可能會影響云煙121的香吃味。

2.2 不同品種間烤煙碳氮代謝關鍵酶活性差異

碳氮代謝關鍵酶活性是評價烤煙田間碳氮代謝程度的重要指標［19-21］。張玲等比較了不同品種間碳氮代謝關鍵酶的活性和品質指標，發現烤煙前期以氮代謝為主，之后逐漸轉變為以碳代謝為主，是生產優質煙葉的重要基礎［22］。

由圖2可見，4個品種中云煙87在團棵期NiR活性最低，旺長期和現蕾期同樣處于較低水平，說明云煙87在烤煙生長前期氮代謝物質轉化能力較弱，后期有所加強，整體氮素轉化在所有品種中較弱；現蕾期SPS活性最低，說明在生長后期碳代謝物質轉化能力較弱。云煙105在團棵期SS活性最低，說明云煙105在生長前期蔗糖合成較少，碳代謝物質積累少。云煙105在現蕾期NR、NiR、SS活性最低，說明在生長后期云煙105碳氮代謝水平均較低。云煙116在團棵期NR、NiR活性最高，GS活性最低，SS活性較高，SPS活性最低，說明云煙116在生長前期氮素積累快，轉化能力一般，蔗糖合成較多而蔗糖磷酸化程度較低，碳氮代謝物質積累較多而轉化稍有不足；在現蕾期，GS活性最低，SS活性最高，說明云煙116在生長后期氮代謝較低，而蔗糖合成較多，這更符合烤煙生長前期以氮代謝為主，生長后期以碳代謝為主的生長規律。相較于其他品種，云煙121團棵期NR活性最低，GS活性最高，SS和SPS活性同樣最高，說明在生長前期，云煙121碳氮代謝十分旺盛，但氮素轉化不足。在現蕾期，云煙121的GS活性最高，SS活性較低，SPS活性最高，相較于其他品種，云煙121在現蕾期氮代謝仍十分旺盛，蔗糖合成不足，蔗糖磷酸化較多。這可能是云煙121葉片糖含量低于其他品種的主要原因。

綜上，云煙116不同時期酶活性最符合烤煙生長規律，其次是云煙87，各種酶活性均處于居中水平。云煙105碳代謝水平在4個品種間最低，云煙121碳氮代謝旺盛，但不符合優質烤煙物質積累規律。

2.3 不同品種間烤煙碳氮代謝產物與碳氮代謝關鍵酶活性相關性分析

由表2可見，不同品種烤煙間酶活性與田間碳氮代謝主要產物含量存在一定的相關性。云煙87的總糖含量與SS活性呈負相關，與SPS活性呈極顯著正相關；還原糖含量與SS、SPS活性均呈負相關。含氮化合物中，總氮含量與NR、NiR活性呈負相關，與GS活性呈正相關；煙堿含量與NR、NiR、GS活性均呈負相關，其中與GS活性呈顯著負相關。

云煙105的總糖含量與SS、SPS活性均呈負相關，其中與SS活性呈極顯著負相關；還原糖含量與SS活性呈正相關，與SPS活性呈負相關。含氮化合物中，總氮含量與NR、NiR、GS活性均呈正相關；煙堿含量與NR、NiR、GS活性均呈負相關，其中與NR、GS活性呈極顯著負相關。

云煙116的總糖含量與SS活性呈極顯著負相關，與SPS活性呈正相關；還原糖含量與SS活性呈負相關，與SPS活性呈正相關。含氮化合物中，總氮含量與NR、NiR、GS活性均呈正相關；煙堿含量與NR、GS活性呈顯著負相關，與NiR活性呈正相關。

云煙121的總糖含量與SS活性呈負相關，與SPS活性呈正相關；還原糖含量與SS活性呈負相關，與SPS活性呈正相關。含氮化合物中，總氮含量與NR、NiR、GS活性均呈負相關，其中與NiR活性呈極顯著負相關；煙堿含量與NR、NiR、GS活性均呈負相關，其中與NiR活性呈顯著負相關。

3 討論與結論

3.1 不同品種間烤煙碳氮代謝主要產物

烤煙的生長發育離不開含碳化合物的積累和代謝。烤煙經過光合作用，將無機碳同化為有機碳的同時放出氧氣，又對光合產物進行了再分配［23］。潘冬等研究發現，糖是烤煙碳代謝的重要紐帶，田間煙葉糖含量的多少可以直接表征烤煙碳代謝的程度［24］。在本研究中，云煙87的碳代謝高峰期較早，旺長期開始碳代謝即處于較高水平，這導致現蕾期云煙87碳代謝水平在4個品種中最低。其余品種則在現蕾后達到碳代謝高峰。其中，云煙105和云煙116在旺長期和現蕾期總糖含量變化顯著，說明其碳代謝的轉變較迅速。

氮的含量和種類對烤煙生理生化十分重要。硝態氮和銨態氮均可以被烤煙吸收利用，相比起銨態氮，硝態氮在代謝過程中因其所含的氮呈高度氧化狀態，還需經過代謝性還原才能被煙株利用［25-26］。梁喜歡的研究表明，低氮脅迫下，烤煙凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度以及蒸騰速率均有一定的下降，根系中NR、NiR活性也相應降低［27］。而李朝陽則發現，烤煙在打頂后，煙堿含量迅速增加，說明在打頂前，烤煙的氮代謝以氮的積累為主，且氮的積累量對烤煙光合作用有一定影響，而打頂后則以煙堿的轉化為主［28］。在本研究中，各品種在現蕾期均發生了煙堿的快速積累，其中云煙87煙堿轉化量最低，而云煙105轉化率最高，這可能是在現蕾時云煙87還未達到氮代謝轉化的高峰期。

3.2 不同品種間烤煙碳氮代謝關鍵酶活性差異

碳氮代謝的過程離不開各種酶的參與。在碳代謝過程中，SS和SPS活性直接影響烤煙碳代謝的水平，其中SPS是調控烤煙蔗糖合成的關鍵酶，其活性直接影響光合產物的分配。SS是一種可逆酶，不僅可以作用于蔗糖合成，還可以催化蔗糖分解，普遍認為它主要影響蔗糖的分解，且能為細胞壁提供合成底物并合成淀粉［29］。白應香的研究表明，云煙87的SS活性在移栽后40 d達到最高，而后呈下降趨勢［30］。在本試驗中，各品種SS活性均在團棵期達到最大值，而后呈下降趨勢，SPS活性則在旺長期達到最大，這與白應香的研究結果［30］相似。

而在氮代謝過程中，NR和NiR可以通過參與硝酸鹽和亞硝酸鹽還原，實現對氮代謝的調節，其活性高低可以直接反映出土壤中氮素的利用情況，進而影響植物的產量和品質。GS則在植物的氮素轉運和分配中發揮著重要作用，GS1的功能是在葉片衰老過程中轉移和再利用氮源，而GS2主要是同化光呼吸和硝酸還原產生的氨［31］。徐志強等研究表明，在打頂110 d后，不同烤煙品種的NR活性存在顯著差異，這可能是不同烤煙品種煙堿積累有所差異的原因之一［15］。本研究中，在氮代謝旺盛的團棵期，各品種NR和NiR活性已產生差異，其中云煙116在團棵期和現蕾期的NR和NiR活性均處于較高水平，而云煙87在團棵期和旺長期的NR活性同樣較高，云煙121在所有時期均有最高的GS活性，相較于其他品種，云煙116和云煙87表現更加優秀。

3.3 不同品種間烤煙碳氮代謝產物與酶活性的相關性分析

在烤煙的生理生化過程中，酶與底物結合，從而生成對應的產物［32］。酶的活性越高，則生成對應產物的速度越快，產物合成量越多。相關性分析結果表明，不同品種間碳氮代謝關鍵酶活性和產物之間的相關性有所不同，碳代謝方面，云煙105和云煙116的SS活性與總糖含量呈極顯著相關，云煙87則是SPS活性與總糖含量呈極顯著相關。氮代謝方面，云煙121的NiR活性與總氮和煙堿含量存在顯著或極顯著相關性，除云煙87和云煙121外，其他品種NR和GS活性與煙堿含量均存在顯著相關性。說明在不同品種之間，不同酶對烤煙碳氮代謝的影響有所差異，這可能是烤煙品種間碳氮代謝關鍵酶的基因表達量不同，導致碳氮代謝酶活性產生差異。

本試驗結果表明，烤煙品種不同，其代謝強度、代謝高峰期、代謝產物比例和酶對代謝產物的影響程度均會有所差異。在本試驗中，相較于對照品種云煙87，云煙116生長前期氮代謝旺盛，生長后期碳代謝旺盛；云煙105碳代謝水平低，各時期含碳化合物積累不足；云煙121碳、氮代謝旺盛，但代謝高峰期與烤煙物質積累時期相悖。綜上，云煙116可作為威寧煙區的后備品種，其他品種則有待繼續研究。

參考文獻：

［1］黃 佳，李 信，王子一，等. 種植密度和施氮量對烤煙碳氮代謝關鍵酶及品質的影響［J］. 江蘇農業科學，2023，51（9）：82-88.

［2］管慶林，樸晟源，張思唯，等. 中微量元素配施對雪茄煙葉光合特性、碳氮代謝及產量和質量的影響［J］. 作物雜志，2023（5）：187-196.

［3］李國明. 上部煙葉光合及碳氮代謝機理與調控措施研究［D］. 貴陽：貴州大學，2022：3-5.

［4］潘飛龍. 烤煙成熟期和調制過程中碳代謝酶活性及基因表達的研究［D］. 鄭州：河南農業大學，2020：3-4.

［5］張曉遠，劉國順，畢慶文，等. 烤煙成熟過程中部分酶活性及碳水化合物變化規律研究［J］. 中國煙草學報，2010，16（1）：45-48.

［6］曾孝敏. 施氮量對烤煙碳氮代謝過程中關鍵酶及代謝產物的影響［D］. 雅安：四川農業大學，2017：5-10.

［7］Kyaing S M，顧立江，程紅梅. 植物中硝酸還原酶和亞硝酸還原酶的作用［J］. 生物技術進展，2011，1（3）：159-164.

［8］周健飛，武云杰，薛 剛，等. 烤煙成熟期煙葉GS同工酶活性與氮素運轉的關系［J］. 作物學報，2019，45（1）：111-117.

［9］馮新維，黃 鶯，陳 東，等. 烤煙氮代謝研究進展［J/OL］. 分子植物育種：1-26［2023-01-19］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/46.1068.S.20210723.1202.002.html.

［10］陳永明，王 行，趙偉才，等. 不同烤煙品種成熟期碳氮代謝關鍵酶活性的變化［J］. 江西農業學報，2014，26（8）：43-45.

［11］拓陽陽，趙銘欽，張廣富，等. 不同烤煙品種葉片碳氮代謝及相關產物差異性［J］. 西北農業學報，2011，20（4）：82-86.

［12］張小全，蔡文龍，闞洪贏，等. 不同品種烤煙衰老期碳氮代謝及相關基因表達的差異分析［J］. 中國煙草學報，2020，26（6）：66-73.

［13］楊志曉，王 軼，王志紅，等. 不同生態環境烤煙品種碳氮代謝關鍵酶活性及其與致香物質的關系［J］. 三峽生態環境監測，2016，1（3）：32-39.

［14］陳 波，潘文杰，陳 偉，等. 不同烤煙品種碳氮及其次生代謝相關酶的動態變化研究［J］. 中國農學通報，2013，29（34）：66-70.

［15］徐志強，劉化冰，張曉兵，等. 不同烤煙品種成熟期氮代謝及次生代謝差異研究［J］. 中國農學通報，2022，38（36）：42-47.

［16］闞洪贏. 不同烤煙品種中部葉成熟衰老過程中生理代謝差異研究［D］. 鄭州：河南農業大學，2019：18-30.

［17］胡 錦，朱 迪，張 恒，等. 打頂調控對煙葉碳氮代謝主要產物的影響［J］. 特產研究，2021，43（2）：63-68.

［18］王瑞新. 煙草化學［M］. 北京：中國農業出版社，2003：58-120.

［19］吳貴麗. 鎂對烤煙碳氮代謝及其關鍵酶活性的影響［D］. 貴陽：貴州大學，2019：4-8.

［20］王 冠，周清明，楊宇虹，等. 烤煙碳氮代謝及其關鍵酶研究進展［J］. 作物研究，2012，26（2）：189-192.

［21］劉衛群，韓錦峰，史宏志，等. 數種烤煙品種中碳氮代謝與酶活性的研究［J］. 中國農業大學學報，1998，3（1）：22-26.

［22］張 玲，翟 欣，許自成，等. 不同烤煙品種碳氮代謝關鍵酶和品質指標比較［J］. 貴州農業科學，2014，42（2）：52-55.

［23］張 森，許自成，李京京，等. 煙草碳氮代謝及其調控技術研究進展［J］. 生物技術進展，2016，6（5）：312-318.

［24］潘 冬，張玉磊，同拉嘎，等. “庫” 對可溶性糖及碳氮代謝相關酶基因表達影響［J］. 西南農業學報，2018，31（1）：51-56.

［25］劉國順. 煙草栽培學［M］. 2版.北京：中國農業出版社，2017：146-147.

［26］張 涵，祖慶學，聶忠揚，等. 銨態氮/硝態氮配比對烤煙生長以及碳氮代謝和水溶性氮含量的影響［J］. 江蘇農業科學，2022，50（7）：73-77.

［27］梁喜歡. 煙草低氮脅迫下與氮相關的生理機制及基因表達量研究［D］. 南昌：江西農業大學，2020：39-41.

［28］李朝陽. 頂端調控對烤煙上部葉品質和中部化煙葉比例的影響［D］. 合肥：安徽農業大學，2018：16-22.

［29］馬俊紅，李軍營，馬二登，等. 烤煙不同生育期蔗糖代謝關鍵酶基因的表達［J］. 江蘇農業科學，2015，43（5）：32-34.

［30］白應香. 移栽期對煙株生長發育及碳氮代謝的影響［D］. 貴陽：貴州大學，2021：18-21.

［31］周健飛. 煙葉成熟期GS同工酶表達特性與氮素運轉的關系［D］. 鄭州：河南農業大學：5-10.

［32］王小菁. 植物生理學［M］. 8版.北京：高等教育出版社，2019：87-97.