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和煙草生理學研究關(guān)注的焦點，已形成了“煙草品質(zhì)生理學”等分支學科［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度和協(xié)調(diào)性，生態(tài)條件決定了煙葉的風格和產(chǎn)物的積累，栽培調(diào)制技術(shù)則能夠保障和調(diào)控煙株的碳氮代謝過程。已有的研究資料表明，煙葉中碳氮代謝的強度、協(xié)調(diào)程度及其動態(tài)變化模式都直接或間接地影響煙葉化學成分含量和組成比例、煙葉香吃味，對煙葉品質(zhì)產(chǎn)生重大影響［4-5］。盡管人們對煙葉生長和成熟過程中碳氮代謝規(guī)律進行了多年的探索，但至今對碳氮代謝與品質(zhì)之間的關(guān)系知之甚少。近年來，人們在烤煙生產(chǎn)實踐中注意到更多品質(zhì)因素的形成與碳氮代謝活動有密切關(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，而對其內(nèi)在的關(guān)聯(lián)性尚缺乏深入的認識。碳氮代謝對煙葉品質(zhì)形成的作用機理究竟怎樣，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

碳代謝是無機碳（CO2）轉(zhuǎn)化為有機碳的光合固定代謝和碳水化合物的運輸轉(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碳的分配，最終可能對煙葉產(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)化代謝強度表現(xiàn)出一致的趨勢，即葉片光合速率與葉中運輸轉(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輸轉(zhuǎn)化代謝呈現(xiàn)相反的趨勢，碳的固定和運輸轉(zhuǎn)化代謝增強，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［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。史宏志等［5］指出這種看法是不全面的，認為煙葉中碳的變化規(guī)律應是碳的積累代謝逐漸增強，而碳的固定代謝和轉(zhuǎn)化代謝是逐漸減弱的。其實，這只是煙葉成熟期碳代謝的變化規(guī)律，而不是煙葉整個生長發(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至葉片功能盛期達最大，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)律應是碳的光合固定代謝和運輸轉(zhuǎn)化代謝隨葉片發(fā)育進程逐漸增強，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)機理

品種和栽培措施對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碳代謝強度，結(jié)果表明不同品種碳代謝強度有明顯差異，并指出這是導致品質(zhì)差異的一個重要生理代謝基礎(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)育進程有先增加后下降趨勢，有機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物能增強煙株碳代謝［39］。

理論上，在碳代謝中，至少有8個可進行有效調(diào)節(jié)的關(guān)鍵性位點（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，尚未見報道。近年國外學者開始系統(tǒng)研究氮素營養(yǎng)對煙葉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于煙葉品質(zhì)形成有重要影響。因此，探明碳代謝調(diào)控機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

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氮（硝態(tài)氮）的還原、同化及有機含氮化合物的轉(zhuǎn)化、合成等代謝過程［1，5-6，12］。氮代謝強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，其活性高低對植株氮代謝強弱起關(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，烤煙團棵期硝酸還原酶活性最高，并隨著植株生長發(fā)育進程而逐漸降低，至成熟期快速下降［6-7，19］，總氮含量從團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到最高值，生理成熟后開始下降［7，42-45］。董惠萍［8］則報道，煙葉中氮和蛋白質(zhì)含量隨煙葉生長發(fā)育進程而逐漸降低。因此，一般認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，至生理成熟期前達最大，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)快速積累而導致的稀釋效應，應仔細分析。顯然，僅用含氮化合物的含量來判斷氮代謝強弱是不夠的，要結(jié)合生理活性指標，如一些酶活性指標來判斷。

2.2 氮代謝的調(diào)節(jié)機理

含氮化合物不僅具有重要的生理功能，而且對煙葉質(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標示出烤煙氮代謝的主要調(diào)節(jié)位點。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)控位點研究幾乎是空白。機理不清，很難進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

品種和栽培措施仍然是對烤煙氮代謝有重要作用的兩大因子。據(jù)報道，K326在團棵期氮代謝強度高于NC89和中煙90，而現(xiàn)蕾期又遠低于前兩個品種［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個氮代謝關(guān)鍵基因的表達均受施氮量影響［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向碳代謝過渡，促進落黃，提高煙葉內(nèi)在化學品質(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,促進煙葉成熟落黃。

3 煙葉碳代謝與氮代謝協(xié)調(diào)性對品質(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）過程是制約和促進關(guān)系。

碳代謝、氮代謝分別從兩個方面影響煙葉品質(zhì)：一是合理的代謝強度，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)。煙葉在適當發(fā)育時期及時由以氮代謝、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)化的標志性指標。

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)。不少研究者認為C/N可以作為反映煙葉碳、氮代謝相對強度和協(xié)調(diào)程度的重要指標，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，需進行系統(tǒng)研究。

4 碳氮代謝指標體系研究進展

建立反映煙葉碳氮代謝特征的指標體系是從理論上研究碳氮代謝規(guī)律和從煙葉生產(chǎn)上應用碳氮代謝理論所不可缺少一個重要環(huán)節(jié)，是目前研究中急需解決的一個問題。沒有合理的指標體系，就無從對烤煙碳氮代謝強度和協(xié)調(diào)程度進行精確描述，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。煙葉碳氮代謝指標體系可考慮從兩個方面建立：一類是主要用于碳氮代謝理論研究的指標；二是主要應用于指導優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)的簡易化、易測化指標。

關(guān)于煙葉碳氮代謝指標方面的研究報道極少。近15年來，在廣東省煙草專賣局（公司）科技項目和國家煙草專賣局重點項目支持下，我們在這一方面開展了一些研究工作，做了一些探索性的嘗試。

一般認為，硝酸還原酶活性可以反映煙葉氮代謝強度，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度的重要指標。國家生理生化研究基地學者在煙草碳氮代謝規(guī)律研究中較廣泛地運用了這兩個指標，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強度。作為反映碳氮代謝轉(zhuǎn)化指標，一些研究者認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志 ［1，8，12］。史宏志等［5］對這兩個指標的運用提出了不同的看法。C/N可以反映煙葉碳、氮代謝相對強度和協(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重要指標指標［1-6］，但由于碳水化合物質(zhì)測試繁雜，應用于生產(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年對煙葉碳氮代謝指標體系進行了初步探索，對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個指標的變化規(guī)律進行了研究，各指標之間的相關(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、淀粉呈負相關(guān)關(guān)系，表明葉片含水量高時，氮代謝旺盛，碳的積累代謝相對較弱；反之，葉片水分含量低時，碳的積累代謝強度強，氮代謝與碳的光合固定和運輸轉(zhuǎn)化代謝相對減弱。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，葉片汁液濃度高，氮代謝相對較弱。因此，葉片也可作為指示煙葉碳氮代謝強弱的指標。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相關(guān)關(guān)系，反映出葉綠素含量的增加有利于促進氮代謝的運轉(zhuǎn)，抑制碳的積累代謝強度。

鑒于以上研究結(jié)果，我們認為葉片含水量、葉片汁液濃度、葉綠素含量可作為反映煙葉碳氮代謝強弱的新指標，而且這3種指標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)實踐中。

表1 煙葉成熟過程中一些生理生化指標之間的相關(guān)分析

進一步分析發(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)程度及相對強度，與C/N指標相比，該指標顯然具有更易測定性和實用性。

5 煙葉碳氮代謝研究展望

隨著人們對煙葉香吃味日益關(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)重大專項研究工作，煙葉生產(chǎn)上在著力進行煙葉結(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體系，開發(fā)煙葉成熟采收的生理標識與智能化識別技術(shù)；（3）煙葉碳氮代謝調(diào)節(jié)分子機理與調(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。