贵州乌蒙烟区不同海拔烤烟碳氮代谢的差异

连培康, 许自成*, 孟黎明, 刘炳清, 翟 欣, 陈 雪, 黄化刚

(1河南农业大学烟草学院，郑州 450002; 2贵州省烟草公司毕节市公司，贵州毕节 551700)



贵州乌蒙烟区不同海拔烤烟碳氮代谢的差异

连培康1, 许自成1*, 孟黎明1, 刘炳清1, 翟 欣2, 陈 雪2, 黄化刚2

(1河南农业大学烟草学院，郑州 450002; 2贵州省烟草公司毕节市公司，贵州毕节 551700)

【目的】碳氮代谢受各种酶的活性影响，其在烟叶生长和成熟过程中的动态变化直接或间接影响烟叶各类化学成分的含量和组成比例，对烟叶品质产生重要影响。本研究以云烟97为供试材料，通过比较不同海拔高度烤烟烟叶品质、 细胞超微结构和碳氮代谢关键酶活性的差异，来探讨海拔高度对烟叶碳氮代谢的影响，以期为乌蒙烟区优质烤烟栽培提供参考依据。【方法】利用单因素方差分析和多重比较对烤烟常规化学成分进行比较分析; 采用透射电镜观察细胞超微结构，拍照并分析不同海拔高度细胞超微结构之间的差异; 利用磺胺比色法测定硝酸还原酶活性，用3,5-二硝基水杨酸法测定淀粉酶活性和蔗糖转化酶活性; 蔗糖合成酶活性和蔗糖磷酸合成酶活性的测定采用常用方法进行。【结果】1)乌蒙烟区烤烟糖含量较高，烟碱、 总氮含量较为适宜，化学成分协调性较好; 中海拔地区烟叶糖碱比， 氮碱比均大于高、 低海拔地区。2)从移栽后60天开始，中海拔地区烤烟淀粉粒数量和大小发生明显变化，淀粉粒体积的增大和数量的增多均明显优于同时期高、 低海拔地区。3)中海拔地区烤烟在移栽后30天至50天期间，蔗糖转化酶活性大于高海拔地区，蔗糖合成酶、 淀粉酶活性小于高海拔地区; 在移栽后70天左右中海拔地区蔗糖磷酸合成酶活性最高，蔗糖合成酶活性居中，并最终使中海拔地区糖含量高于高、 低海拔地区。在氮代谢方面，硝酸还原酶、 谷氨酰胺合成酶活性变化较单一，均为先升高后降低，中海拔地区谷氨酰胺合成酶活性最高，不仅促进了烟叶的成熟落黄也使得中海拔地区总氮和烟碱含量低于高、 低海拔地区。中海拔地区烤烟生长过程中酶活性的相互协调使得该地区糖碱比、 氮碱比都优于高、 低海拔地区。【结论】海拔高度影响着乌蒙烟区烤烟碳氮代谢的水平; 与乌蒙烟区高海拔、 低海拔地区相比较，中海拔地区烟叶细胞发育更为合理，碳氮代谢协调性更好，化学成分更加协调，可作为乌蒙烟区特色烟叶种植的重要地区。关键词: 乌蒙烟区; 烤烟; 海拔; 碳氮代谢; 酶活性

activityofenzyme

海拔高度是影响烤烟产量和质量的重要生态因子，同一地区海拔高度对烤烟质量的影响远大于由土壤类型等差异造成的影响[1]，不同海拔高度烤烟外观质量、 化学成分、 感官品质等都有差异，国内研究普遍认为在一定范围内随着海拔高度的增加，烟叶外观品质得到了一定程度的改善，各部位橘黄烟叶比例有所上升，色泽度更为鲜明，油分更加充足，组织结构也更为疏松，化学成分更趋协调，烟叶香气品质更好。直接影响烤烟产量和质量的主要气候因素有光照、 温度和降水等因子。国内外学者已就气候与烟叶质量的相关关系进行过大量研究。光照是影响植物生长发育的重要因子之一，光不仅作为光合作用的能量来源，而且还作为一种重要的环境信号调节植物基因的表达，影响酶的活性及植物形态建成的各个代谢环节，对作物产量和品质的形成起着关键作用[2-5]。莫建国指出，影响贵州烤烟品质的主要气象因素是烟叶成熟采烤期的高温干旱(东、 北部地区)和低温阴雨(西部地区)[6]。肖秀珠等认为，产量与积温、 降水量的复相关系数为0.6646。只有积温和降水量条件同时得到满足，才有利于烤烟产量的提高[7]。韩锦峰认为降水影响烟叶产量的原因是土壤水分影响了烟株的生长，而影响烟叶质量的原因则是土壤水分影响了烟株物质的吸收、 运输及转化，从而影响了烟叶的化学成分[8]。

碳氮代谢是烤烟植株最基本的代谢过程，其强度、 协调程度及其在烟叶生长和成熟过程中的动态变化模式直接或间接影响烟叶各类化学成分的含量和组成比例，对烟叶品质产生重要影响[9]。在烟草碳氮代谢过程中，各种酶的活性变化起着决定性的调节作用，探讨碳氮代谢关键酶活性变化规律对研究碳氮代谢对烟叶品质形成的作用机理有重要意义[10]。乌蒙烟区地处毕节地区的西南部，主要由威宁、 赫章、 纳雍三县组成，全区地形西高东低，具有典型的喀斯特地形地貌特征，其烟草种植环境复杂、 海拔跨度大，平均海拔高度达到1900m左右。本试验通过比较乌蒙烟区不同海拔高度烤烟烟叶碳氮代谢的差异，旨在探讨海拔高度对烟叶碳氮代谢的影响，为优质烤烟栽培提供参考依据。

1　材料与方法

1.1试验设计和样品采集

于2013年在毕节西部植烟生态区选择适宜试验要求的3个海拔高度烟田进行大区对比试验，分别是纳雍县维新镇水淹坝(低海拔，1600.6m)、 赫章县铁匠乡响水村(中海拔，1943.9m)、 威宁县岔河乡岔河村(高海拔，2188.5m)，供试烤烟品种为云烟97。试验地土壤类型均为黄壤，土壤肥力中等，土壤指标详见表1，试验地施肥水平为烟草专用肥(N∶P∶K=10 ∶12 ∶24) 75kg/hm2; 其中全部肥料的70%作为基肥施入，30%作为追肥施入。统一于5月8日移栽，基肥于移栽当日施入，追肥于移栽后15d施入。三个海拔试验地施肥和田间管理相同，均按规范化栽培措施进行，具有灌溉条件。3个海拔试验点气象资料见表2。

表1　试验地土壤理化性质Table 1　Physical and chemical properties of the tested soils

表2　3个海拔生态区2013年气候指标Table 2　Meteorological data of three altitude ecological areas in 2013

1.2测定方法

硝酸还原酶(NR)用磺胺比色法(活体法)测定[11]; 淀粉酶(AM)用3,5-二硝基水杨酸法测定[11]; 蔗糖转化酶(Inv)用3,5-二硝基水杨酸法测定[12]。

烤后烟叶样品化学成分测定:采用YC/T159-2002规定的方法测定总糖(Ts)和还原糖(Rs)含量，YC/T160-2002法测定烟碱(Nic)含量，YC/T161-2002法测定总氮(Tn)含量。

1.3烟叶细胞超微结构观察

1.4数据处理

用EXCEL对数据进行初步整理和图表绘制，用SPSS21.0对化学成分数据进行多重比较、 单因素方差分析。

2　结果与分析

2.1不同海拔高度烤烟烟叶化学成分的比较

不同海拔高度烤烟中部叶烤后样化学成分见表3。低海拔地区烟叶烟碱含量较高，高海拔地区次之，中海拔地区较低，但三个海拔之间差异不显著。总糖含量以中海拔地区最高，与高海拔地区差异不显著，但显著高于低海拔地区。还原糖含量、 糖碱比均以中海拔地区最高，并显著高于高海拔和低海拔地区。氮碱比均以中海拔地区最高，但与高海拔和低海拔地区之间差异不显著。

表3　不同海拔高度烤烟化学成分比较Tab 3　Comparison of the chemical components in central flue-cured tobacco leaves in different altitudes

注(Note):Rs—Reducingsugar;Nic—Nicotine;TN—Totalnitrogen. 数值后不同小写字母表示处理间差异在5%水平显著Valuesfollowedbydifferentsmalllettersinsamecolumnaresignificantlydifferentat5%level.

2.2不同海拔高度烤烟叶肉细胞超微结构的比较

3个海拔高度烤烟样品超微结构观察结果(图1)显示，随着生育期的进行，烤烟叶绿体发育越来越成熟，淀粉积累越来越多，所有样品细胞内均呈现细胞器丰富，细胞核正常，说明细胞形态和生理功能均表现良好。通过观察不同生育期细胞结构可见在移栽后50d淀粉粒明显，但数量较少，体积较小，中央液泡明显。但从移栽后60d起淀粉粒数量急剧增加，体积迅速增大，尤其是在移栽后80d可以明显看出叶绿体淀粉粒大量积累在叶肉细胞内，细胞发育稳定。通过对比同一时期不同海拔高度烤烟叶肉细胞淀粉粒的情况可以看出，中海拔地区烤烟淀粉粒数量和大小从移栽后60d开始，淀粉体积的增大和数量的增多都明显优于同时期高、 低海拔地区。

2.3不同海拔高度烤烟碳代谢酶活性的差异比较

2.3.1 不同海拔高度烤烟叶片蔗糖转化酶(Inv)活性的比较Inv与植物的碳代谢密切相关[15-16]，是蔗糖代谢的关键酶[17]，可催化细胞质中蔗糖转化形成单糖，促进叶绿体内磷酸丙糖向外运转，使叶绿体中淀粉积累减少，并通过与呼吸作用偶联的氧化磷酸化产生能量，使光合碳固定过程加强[9]，可以作为衡量碳代谢程度的重要指标。对不同海拔高度不同时期烤烟的Inv活性进行分析(图2a)，通过对不同海拔同一时期的Inv活性进行差异分析可知，在烤烟移栽后30d和40d，3个海拔两两之间差异均达到了显著性水平，除移栽后60d三者差异不显著之外，其余时期均表现为高海拔地区与中、 低海拔地区之间差异达到显著性水平。由图2a可以看出，在烤烟大田生长期，从移栽后30d到移栽后50d，Inv活性逐渐升高，在移栽后50d达到最大值，之后开始逐渐降低，3个海拔地区变化趋势一致。同一时期不同海拔高度烤烟Inv活性均表现为低海拔>中海拔>高海拔，说明海拔高度对Inv活性的影响比较明显。2.3.2 不同海拔高度烤烟叶片蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性的比较SPS主要在绿色光合器官中进行蔗糖合成，保障叶绿体内光合碳代谢、 蔗糖输出和淀粉积累的平衡，其活性的高低直接影响着可溶性糖和淀粉之间的分配[19]。由图2b可见，3个海拔试验点在移栽后30d至移栽后50d,SPS活性逐渐升高，表现为低、 高海拔地区SPS活性高于中海拔地区，从移栽后50d至移栽后60d中海拔地区烤烟SPS活性迅速升高，而低、 高海拔地区烤烟SPS活性则缓慢上升，然而到了移栽后60d中海拔地区SPS活性却高于高、 低海拔地区，表现为中海拔>高海拔>低海拔，此时三个地区SPS活性均达到最大值，3个海拔地区从移栽后60d开始SPS活性均迅速下降，到移栽后80d3个海拔地区SPS活性均降到最低值，且3个地区之间SPS活性大小比较接近。

图1　云烟97叶肉组织中的栅栏细胞Fig.1　Palisade cells in mesophyll tissue of Yunyan 97

图2　不同海拔高度烤烟酶活性差异Fig.2　Differences of the enzyme activity of flue-cured tobacco in different altitudes

2.3.3 不同海拔高度烤烟叶片蔗糖合成酶(SS)活性的比较SS是植物淀粉合成途径中的关键酶，存在于细胞质中，分解蔗糖生成腺苷二磷酸葡萄糖(UDPG)和果糖，是促使蔗糖进入各种代谢的关键酶之一，也是植物淀粉合成途径的关键酶[18]。SS参与细胞的构建，既可催化蔗糖合成又可催化蔗糖分解。由图2c可知，从整体变化趋势来看，3个海拔试验点烟叶的SS活性均表现为从移栽后30d到移栽后70d呈现逐渐上升的趋势，并在移栽后70d达到最大值，之后迅速下降。对比同一时期不同海拔高度之间的SS活性，可见随着海拔升高SS活性呈现出逐渐升高的趋势，即高海拔>中海拔>低海拔。

2.3.4 不同海拔高度烤烟叶片淀粉酶(AM)活性的比较淀粉是烟草叶片大田期积累的重要碳水化合物，它的合成途径在烟草碳代谢中起着重要作用，AM可将叶绿体积累的淀粉转化为单糖，其活性关系到烟叶淀粉的积累量[10]。图2d显示了不同海拔高度烤烟AM活性变化趋势。整体来看，3个海拔试验点的烤烟AM活性在旺长期之前均呈现升高趋势，之后均有一定程度的下降。低海拔地区和中海拔地区AM活性从移栽后30d到移栽后60d逐渐升高，并在移栽后60d达到最大值，之后逐渐降低。高海拔地区AM活性从移栽后30d到移栽后50d逐渐升高，并在移栽后50d达到最大值，之后逐渐下降。在移栽后30d至移栽后60d之间,AM活性均表现为高海拔>中海拔>低海拔，但在移栽后70d至移栽后80d则变为中海拔>低海拔>高海拔。2.4不同海拔高度烤烟氮代谢酶活性的差异比较

2.4.2 不同海拔高度烤烟叶片谷氨酰胺合成酶(GS)活性的比较GS位于叶绿体中，是处于氮代谢中心的多功能酶，参与了多种氮代谢的调节[23]，在ATP存在的情况下，GS催化无机氮参入到谷氨酸中，生成谷氨酰胺，植物主要通过GS/GOGAT(谷氨酸合成酶循环)途径进行氨同化[24]。GS是联系氮素同化代谢和无机代谢的关键酶，随着生育期的进行表现出先升后降的趋势。从图2f可以看出，随着叶片的发育，GS活性先升高后降低，中、 低海拔地区烤烟GS活性从移栽后40d起迅速升高，在移栽后60d达到最大值，之后迅速下降，高海拔地区从移栽后40d起逐渐升高，在移栽后70d达到最大值，之后迅速下降。从同一时期不同海拔高度来看，移栽后30d至移栽后40d3个海拔地区GS活性大小比较接近，从移栽后50d至80d期间GS活性均表现为中海拔>低海拔>高海拔。

3　讨论与结论

通过对比同一时期不同海拔高度烤烟叶肉细胞淀粉粒的情况可以看出，从移栽后60d开始，中海拔地区烤烟淀粉粒数量和大小发生明显变化，淀粉粒体积的增大和数量的增多均明显优于同时期高、 低海拔地区，这可能是乌蒙烟区中海拔地区烟叶糖含量较高的主要原因之一。

海拔高度不同使得烟叶各种酶活性大小、 酶活性最大值出现时期不同，进而导致烟株碳氮代谢能力差异，并最终影响烟叶的吃味和香气，只有碳水化合物和含氮化合物之间平衡协调才能生产出优质烟叶[26]。中海拔地区在移栽后30至50d期间，Inv活性大于高海拔，SS、AM活性小于高海拔，使得中海拔地区碳代谢旺盛，蔗糖积累较多; 在移栽后70d左右SPS活性以中海拔为最高，表明此阶段淀粉积累较多，而SS活性的适中也是蔗糖分解平稳向淀粉积累过渡的原因之一，并最终使得中海拔地区糖含量高于高、 低海拔地区。氮代谢方面NR、GS活性变化较单一，均为先升高后降低，前期氮代谢旺盛，后期碳代谢旺盛，中海拔地区GS酶活性最高，不仅促进了烟叶的成熟落黄也使得中海拔地区总氮和烟碱含量低于高、 低海拔地区。中海拔地区烤烟生长过程中酶活性的相互协调使得该地区糖碱比、 氮碱比都优于高、 低海拔地区。

总的看来，海拔高度是影响乌蒙烟区烤烟碳氮代谢水平的一个重要因素; 与乌蒙烟区高海拔、 低海拔地区相比较，中海拔地区烟叶细胞发育更为合理，碳氮代谢协调性更好，化学成分更加协调，可作为乌蒙烟区特色烟叶种植的重要地区。本研究分析了乌蒙烟区中海拔地区烟叶糖含量较高并表现为清甜香风格特征的主要原因，除海拔高度外，其他生态因素对烤烟碳氮代谢的影响尚需进一步研究。

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Comparisonofcarbonandnitrogenmetabolismofflue-curedtobaccoindifferentaltitudesinWumengtobacco-growingareaofGuizhou

LIANPei-kang1,XUZi-cheng1*,MENGLi-ming1,LIUBing-qing1,ZHAIXin2,CHENXue2,HUANGHua-gang2

(1 College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China;2 Bijie Branch of Guizhou Provincial Tobacco Company, Bijie, Guizhou 551700, China)

【Objectives】Carbonandnitrogenmetabolismisaffectedbytheactivitiesofvariousenzymes，theirvariationsdirectlyorindirectlyaffectthecontentsandproportionsofvariouschemicalconstituentsoftobacco,impactingthequalityoftobacco.Inthispaper,tobaccocultivar“Yunyan97”wasusedasmaterials,andtheactivitydifferencesofsomeenzymesaffectedbythegrowingaltitudeswereinvestigatedtoprovidereferencesforhighqualitytobaccocultivationinWumenghillyarea,YunnanProvince.【Methods】Tobaccoleafsampleswerecollectedindifferentgrowingstages.Theconventionalchemicalcomponentsofflue-curedtobaccowereanalyzed.Thecellultrastructurewasobservedusingtransmissionelectronicmicroscope,theactivityofnitratereductasewasmeasuredusingsulfacolorimetricmethod,andtheactivitiesofamylaseandinvertaseby3,5-dinitrosalicylic-acidmethod,theactivitiesofsucrosesynthaseandsucrosephosphatesynthaseusingconventionalmethods.【Results】Thesugarcontentsishigher,thenicotineandtotalnitrogencontentsareatareasonablelevel,andthechemicalcomponents’coordinationissatisfactoryintheWumenghillyareas.Theratioofsugartonicotineandthatoftotalnitrogentonicotineinthemiddlealtitudeareasarehigherthaninthehighandlowaltitudes.Atthe60thdayofthetransplanting,thenumberandsizeofstarchparticlesintheleavesaresignificantlydifferentamongtobaccosindifferentaltitudes.Thevolumeandnumberincreaseofthestarchparticlesinthemiddlealtitudeareasaresignificantlyhigherthaninthehighandlowaltitudesatthesamestage.From30to50daftertransplanting,theactivityofinvertaseinthemiddlealtitudeareasisgreaterthaninthehighaltitudeareas,whilethoseofsucrosesynthaseandamylaseinthemiddlealtitudeareasarelessthaninthehighaltitudeareas.Around70dafterthetransplanting,theactivityofsucrosephosphatesynthaseinthemiddlealtitudeareasishighestandthatofsucrosesynthaseisinthemiddle,andaccordingly,thesugarcontentinthemiddleattitudeareasishigherthaninthehighandlowaltitudeareas.Forthenitrogenmetabolism,thenitratereductaseandglutaminesynthetaseactivitiesarereducedafterthefirstrise,theactivityofglutaminesynthetaseinthemiddlealtitudeareasisthehighest,whichpromotesthematurationandyellowingoftobacco,andinduceshighcontentsofnitrogenandnicotineinthemiddleattitudeareas.Duringthegrowthofflue-curedtobacco,duetothecoordinationoftheenzymeactivities,theratioofsugartonicotineandtheratioofnitrogentonicotineinthemiddleattitudeareasarebetterthanthoseinthehighandlowaltitudeareas.【Conclusions】Altitudeisanimportantfactortoinfluencethecarbonandnitrogenmetabolismofflue-curedtobaccoinWumeng.Comparingthethreealtitudes,celldevelopmentoftobaccointhemiddlealtitudeareasismorereasonable,thecoordinationofthecarbonandnitrogenmetabolismisbetterandthechemicalcompositionismorecoordinated,andtheareascanbeusedaspredominantareasforplantingtobaccoinWumeng.

Wumengtobaccoplantingarea;flue-curedtobacco;altitude;carbonandnitrogenmetabolism;

2014-07-03接受日期: 2014-10-23网络出版日期: 2015-05-14

贵州省烟草公司重点科技攻关项目(GY2012-06)资助。

连培康(1989—)，男，河南开封人，硕士研究生，主要从事烟草生态与质量评价研究。E-mail:lianpeikang0601@126.com

E-mail:zcxu@sohu.com

S572.062

A

1008-505X(2016)01-0143-08