烟草烟叶多酚类物质代谢影响因素的研究进展

贺文俊， 何 佳， 孙志浩， 杨铁钊

(河南农业大学， 河南 郑州 450002)

多酚类物质是一类广泛存在于植物体内的重要次生代谢物质。最初，人们研究的植物多酚主要为单宁。根据单宁的结构可分为水解单宁(hydrolysable tannin)和缩合单宁(condensed tannin)[1]。HASLAM[2]对应地将植物多酚分为聚棓酸脂和聚黄烷醇类两大基本类型。研究发现，多酚对调节植物生长发育、基因的诱导和表达、信号的传导都有影响[3-4]。

在烟草中，多酚类物质主要的存在形式是葡萄糖苷和酯，约为干叶重的0.5%～2.5%[5]，其中，绿原酸、芸香苷和莨菪亭是烟叶中主要的多酚类物质。在烤烟中，绿原酸的含量较高，约占总酚含量的75%～95%[6]。烟草中多酚类物质合成的途径一般可分为3个：莽草酸途径、乙酸一丙二酸途径和乙酸一甲轻戊酸途径。其中，莽草酸途径是烟草多酚代谢的主要途径。经莽草酸途径形成的苯丙氨酸在苯丙氨酸解氨酶(PAL)、肉桂酸-4-羟基化酶(C4H)和多酚氧化酶(PPO)连续催化作用下可形成咖啡酸、阿魏酸、芥子酸等酚类中间产物。在4-香豆酸辅酶A连接酶(4CL)及其他酶的作用下，该中间产物又可进一步转化为香豆素、绿原酸及莨菪亭等，也可形成CoA酯。CoA酯在肉桂酰辅酶A还原酶(CCR)及查尔酮合成酶(CHS)等多种酶的作用下进一步转化为木质素和各种黄酮类物质[7]。这些多酚类物质在烟草中的主要合成部位是烟叶，其次茎也能合成少量的绿原酸，但关于酚类物质能否在根部合成还有待研究[8]。烟草多酚类物质含量在烟株中的分布有一定规律性，即随着叶位增高，多酚类化合物含量逐渐增加[9]；在同一片叶中，从叶尖到叶基多酚类化合物含量逐渐减少[8]。这可能与合成多酚类物质的部位有关。

多酚类物质在烟草生长发育过程中起重要作用，并且对烟叶色泽、烟气吃味和生理强度都有影响，是衡量烟叶品质的重要指标之一[10]。有研究表明，烟草多酚类物质与烟草制品等级呈正相关[11]。多酚类物质是烟草重要的香气前体物，与烟叶香气类型和香气量密切相关。周小红等[12]研究发现，不同香型烟区的烟叶中，其绿原酸、莨菪亭、芸香苷和多酚总量均存在显著差异。常爱霞等[13]研究发现，烟叶中多酚类物质含量较高有利于其风格指向清香型。此外，烟草多酚类物质还被证实具有抗病毒作用和增强抗逆性的作用。阎新甫等[14]研究发现，烟草能产生多酚类物质以适应不利环境条件的变化。

近几年，国内外对烟草多酚的性质、测定方法及烟草多酚对烟草品质的影响进行了系统的研究，但对烟草生长过程中多酚类物质代谢影响因素的研究还不够深入。鉴于此，对影响烟草多酚类物质代谢的遗传因素、生态因素、施氮水平及农艺措施进行综述，以期为调控烟草多酚类物质，进而提高烤烟品质和开发特色烟叶提供参考。

1遗传因素

品种作为遗传因素对烟草多酚类物质代谢有重要影响。李亚培等[15]研究发现，不同时期(叶龄40 d、叶龄60 d和烤后烟)K326、红花大金元及NC89等7个烤烟品种的多酚类物质(总酚、芸香苷及绿原酸)的含量变化呈动态差异。刘阳等[16]研究结果表明，中烟100、云烟85、云烟87和NC89等4个烤烟品种间多酚类物质含量存在差异；云烟85和云烟87的主要多酚类物质含量均无显著差异。这可能与其具有相同亲本有关。WILLIAMSON等[9]研究发现，多酚类物质含量高的品种其后代的多酚类物质含量也高。由此说明，多酚类物质的含量受基因型控制并具有遗传性。由于不同品种烟草的基因型不同，其多酚代谢相关酶活性及其基因表达量也不同，所以多酚水平存在差异。不同品种间基因型差异越大，多酚类物质含量的差异也越大。因此，品种在很大程度上决定着烟叶多酚类物质的代谢及含量。

2生态因素

2.1温度

烟草是一种喜温作物，对外界温度变化的响应较为敏感。温度作为重要的生态因素，对烟草多酚类化合物的代谢有较大影响。杨慧芹等[11]研究表明，在移栽-团棵期，烟叶在较低温度(16℃)处理下多酚总量较高；而在团棵-现蕾期，较高温度(25℃)处理下更有利于多酚总量的维持。说明，在烟草的不同生长时期多酚积累的最适温度存在差异。这是因为在不同生长时期，不同温度对多酚物质代谢关键酶活性和基因表达的影响不同。张刚等[17]研究表明，在较低温度(均温18.5 ℃)处理下，烟叶多酚类物质代谢相关基因PAL、C4H和4CL等表达量增加，其代谢关键酶PAL、C4H、4CL和CHI的活性提高，有利于多酚类物质积累。该研究还发现，在处理过程(60 d)中，多酚类物质含量、代谢相关酶活性和基因表达均呈先降低后上升趋势，且在较低温度下(均温18.5℃)PAL、C4H、4CL等酶活性和基因表达量均高于其他处理，与杨慧芹等[11]研究结果存在差异。此外，低温胁迫对多酚类物质代谢具有显著影响。杨慧芹等[18]研究烟草多酚类物质代谢对低温胁迫的响应发现，在低温胁迫下(4℃)，PAL、C4H、PPO、POD和CAD酶活性均不同程度地提高，总酚含量持续下降，木质素含量提高。但试验材料和低温处理的温度不同也可能导致植物体内总酚含量增加，同时抑制PAL、PPO和POD的活性[19]。

2.2光照

光作为植物生长重要的能量来源和信号因子，可以通过光质、光强等影响植物生长和次生代谢。彭东等[20]研究表明，在较强的光照处理下，烟叶多酚类物质含量及关键酶活性均较高，当光照强度为自然光的44%时，多酚类物质合成受阻，与郑明等[21]研究结果相似。说明，在一定的光照强度范围内，多酚含量与光强呈正相关关系。适当增加光强有利于提高多酚类物质的含量。但也有研究表明，当光照强度不断降低，烟叶内多酚类物质含量逐渐升高[22]。这可能是试验过程中采用不同的光照强度或品种所致。此外，不同光质对多酚类物质代谢也有影响。杨利云等[23]研究发现，与白光处理相比，蓝、紫光显著地提高烟叶内绿原酸、芸香苷和莨菪亭的含量，其与蓝、紫光增强PAL活性及降低POD活性有一定关系。另有研究表明，UV-B辐射有利于植物多酚类物质合成和PAL活性提高[24]。可能是因为紫外光与紫光、蓝光的波长相近且部分重叠。多酚类物质含量在不同海拔间存在差异，可能与不同海拔紫外线辐射强弱有关。但也有研究表明，在自然光的基础上增强UV-B，可增加上部烟叶多酚类物质积累，但会抑制中部叶多酚类物质的合成[25]。光质对烟草多酚类物质代谢的影响是一个极其复杂的过程，还需进一步系统研究。

3施氮水平

氮是烟草生长必需的营养元素，不仅影响烟草的生长发育，而且对烤烟品质的形成有重要作用[26]。李飞等[27]研究表明，多酚含量与氮代谢呈显著负相关。说明多酚作为次生代谢产物，受到氮素和氮代谢的调控。王爱华等[28]研究表明，高施氮量处理(67.5 kg/hm2)提高了上部叶的PAL、PPO活性和总酚、绿原酸、类黄酮的含量，与TSO等[29]的研究结果一致。张渝婕等[30]研究发现，在低氮条件下(45 kg/hm2)，上部叶的绿原酸、芸香苷和莨菪亭含量高于其他处理(60 kg/hm2、75 kg/hm2)。STRISSEL等[31]研究表明，在较高施氮水平下，PAL酶活性降低，黄酮类化合物含量减少。这可能是由于试验所用材料或者氮素施用比例不同所致。由于生态的差异，各地区氮素施用比例存在明显差异，从而影响多酚类物质含量和关键酶活性。还有研究表明，在烟草生长前期，较低施氮水平上调了烟草多酚类物质含量、关键酶活性和基因表达量，而在生长后期则相反[32]。因此，关于增加施氮量对烟草多酚类物质含量和关键酶活性的影响还需进一步研究。此外，不同氮素形态及其配比对烤烟多酚类物质含量也有较大影响。孟翔东等[33]研究发现，适当增加硝态氮比例能明显提高绿原酸、芸香苷等多酚类物质的含量，与SHEEN等[34]研究结果基本一致。无论是硝态氮还是铵态氮，对烟草生长发育均有一定影响。因此，要根据不同生态条件合理掌握不同氮素形态的比例[35]。

4农艺措施

打顶是烟草生长过程中重要的技术措施，其改变了烟株的源库关系，因此，对烟草次生代谢等多个生物过程有重要影响。张永安等[36]研究表明，打顶后一段时间内，中上部烟叶多酚含量均有较大提高，并且随着时间的推移，上部叶多酚积累速率大于中部叶，与袁卫瑜等[37]研究结果相似。袁卫瑜等研究发现，在打顶后一段时间内，PAL活性持续增加，且上部叶增加速率大于中部叶，而PPO活性均降低，且上部叶下降速率大于中部叶。说明，打顶后中上部烟叶多酚代谢关键酶活性发生了不同程度的变化，所以其多酚类物质积累速率也不同。此外，打顶时期不同，对多酚类物质的代谢和烟叶品质也有很大的影响。张永安等[38]研究结果表明，从现蕾期、蕾叶平行期、30%中心花开放期至盛花期，随着打顶时期的适当推移，能不断提高烟叶多酚类物质含量，并且在30%中心花开放期打顶，上部叶多酚类物含量达最高。杨银菊等[39]研究发现，苗期打顶相比同期未打顶处理，绿原酸等多酚类物质含量显著降低，而PPO和PAL活性提高；现蕾后打顶，多酚类物质含量显著升高，PPO活性降低，PAL活性提高。因此，打顶调控烟叶多酚类物质代谢与打顶时期有重要关系。过早或过晚打顶都不利于烟叶多酚类物质代谢和品质的形成。此外，打顶后烟叶多酚类物质含量与PPO活性显著相关。在现蕾期后打顶，烟叶多酚类物质提高，可能主要是因为PPO活性降低，导致多酚类物质降解速率低于其合成速率。

5小结

烟草是我国重要的经济作物。现阶段，如何生产特色优质烟叶，提高烟草制品品质已成为迫切需要解决的难题。烟草多酚类物质对烟草生长发育及品质均有重要影响。因此，研究其影响因素、代谢途径有重要意义。虽然烟草中多酚类物质合成的主要基因已经大部分被鉴定，但对其调节机制尚未清楚，仍需要进行深入研究。对影响多酚类物质代谢因素的研究还不够深入，大部分研究只停留在对烟草多酚类化合物含量以及相关酶活性的影响方面，对相关酶基因的表达以及其表达与酶活性变化关系的研究尚少。关于一些植物生长调节剂对烟草的最佳作用时期、最适浓度及机制也需要进一步研究。多酚代谢与调控是一个复杂的过程，今后可从转基因或者代谢通路的效率方面进行深入研究，以调控目标多酚类物质的含量。最后，可建立一套完善的数据库，综合各个因素对多酚代谢的影响，探索不同烟区多酚物质积累的最适宜条件，为特色烟叶的生产提供全面的数据支撑。随着分子生物学的不断发展，将逐步加深对多酚类代谢及其调控机制的了解，从而改善烟草的品质。