八大香型風格新鮮煙葉代謝特征的生態成因分析

周會娜，劉萍萍，張玉霞，王寶林，鄭慶霞，賈國濤，羅登山，姚 倩，喬學義，張俊嶺*

1. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產業開發區楓楊街2 號 450001

2. 河南中煙工業有限責任公司，鄭州市榆林南路16 號 450000

代謝組學是對某生物或細胞在特定生理時期內所有代謝產物同時進行定性和定量分析的一門學科［1-2］。煙草代謝物是煙草品質構成的物質基礎，其水平除受栽培品種影響外，還與土壤、海拔高度以及溫度、日照時數、降雨量等氣候條件相關［3］。連培康等［4］分析了貴州烏蒙煙區不同海拔烤煙碳氮代謝的差異，發現海拔高度影響烏蒙煙區烤煙碳氮代謝水平，中海拔地區煙葉細胞發育更為合理，碳氮代謝協調性更好，化學成分更加協調。金云峰［5］以煙草植株為材料，分析了溫度對煙草植株生長發育、光合生理生化特性、質體色素代謝和多酚物質代謝的影響，發現高溫和低溫處理對煙草葉片的生長發育均有抑制作用，不同生長溫度對不同生育期的煙堿含量及基因表達均有不同程度的影響。孟霖［6］研究了光質對烤煙葉片代謝物質積累及煙苗發育的影響，確定不同波段光譜煙葉成熟后期的輻射量與煙葉化學成分有較強的相關性，生物堿在不同光質處理間變化趨勢一致，紅光和黃光明顯促進了生物堿積累。Li等［3］利用基于LC-MS/MS 的煙葉代謝譜分析方法，從全局表征煙葉代謝組，對津巴布韋和中國的煙葉進行了對比，并找出了主要的差異代謝物。耿召良等［7］研究了貴州不同產區煙葉，考察了生態條件和品種因素對烤煙次生代謝產物如生物堿、有機酸類、多酚類和甾醇類物質等含量的影響，結果表明，生態條件對煙葉次生代謝產物含量影響明顯，而品種因素對煙葉次生代謝產物影響較小。對云南、貴州和河南3地煙葉中代謝物的分析結果也表明，地區差異是造成代謝物差異的主要因素，其重要性高于品種差異［8-11］。

根據“全國烤煙煙葉香型風格區劃研究”項目的研究結果，按照香韻可將烤煙分為八大香型風格區，分別為：西南高原生態區（Ⅰ區，清甜香型）、黔桂山地生態區（Ⅱ區，蜜甜香型）、武陵秦巴生態區（Ⅲ區，醇甜香型）、黃淮平原生態區（Ⅳ區，焦甜焦香型）、南嶺丘陵生態區（Ⅴ區，焦甜醇甜香型）、武夷丘陵生態區（Ⅵ區，清甜蜜甜香型）、沂蒙丘陵生態區（Ⅶ區，蜜甜焦香型）、東北平原生態區（Ⅷ區，木香蜜甜香型）。目前，根據八大香型風格區區劃分析生態因素對鮮煙葉代謝組影響的研究尚未見報道。為此，采集了八大香型風格區典型煙葉產區的煙葉樣品，結合氣象數據，對煙葉中的質體色素、生物堿、有機酸、游離氨基酸、萜類化合物和甾醇類化合物進行了靶向分析，同時分別使用基于LC-MS和GC-MS的煙葉非靶向檢測方法對煙草代謝組進行了測定［12］，分析了八大香型風格區中鮮煙葉代謝物與不同氣象因子的相關性，旨在了解煙草各類代謝物（脂類化合物、含氮化合物、糖類化合物、有機酸類化合物、核酸類化合物和甾醇類化合物）的生態成因。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

根據八大香型風格區劃選擇典型產區，于2013年至2015 年間進行樣品采集（表1 和表2）。樣品為成熟期第10葉位鮮煙葉，相鄰的3株煙葉合并為1個樣品，每個地點每個品種設6個生物學重復。樣品采集后立即液氮冷凍，之后在-70 ℃條件下進行運輸和儲藏。

表1 2013、2014年度新鮮煙葉樣品來源Tab.1 Sources of fresh tobacco leaf samples in 2013 and 2014

表2 2015年度新鮮煙葉樣品來源Tab.2 Sources of fresh tobacco leaf samples in 2015

1.2 代謝組學檢測方法

于鮮煙葉樣品獲取當年采集代謝組學數據，采集方法參照文獻［12］。

1.3 數據分析

通過搜索數據庫（自建數據庫、METLIN、NIST等）、標準品比對等定性方法，共鑒定出500余種煙草代謝產物，經過數據的標準化（非靶向方法采用內標校正）和歸一化（UV、Par、Z-score 等）處理后，使用Simca 13.0 軟件進行主成分（PCA）分析和正交偏最小二乘（OPLS）判別分析，獲取不同香型風格區之間的差異代謝物；計算Pearson 相關系數，考察香型風格區生態特征與該區特征代謝產物形成的關系；使用MetaboAnalyst 3.0進行代謝途徑富集分析。

1.4 香型風格相關代謝物的篩選

按照香型風格區對烤前鮮煙葉樣品進行分組，采用正交偏最小二乘回歸（OPLS），根據所獲得的代謝組數據進行判別分析（OPLS-DA），成功建立了基于OPLS的判別分析模型（該模型的可靠性判別指標R2和Q2均大于0.8）?；贠PLS-DA模型對分組的貢獻大?。╒IP 值）對代謝物進行排序。一般認為VIP值大于1的代謝物為不同組間的差異代謝物，對分組的貢獻較大。經分析，共獲得116種與香型風格區劃相關的代謝物，這些代謝物分別屬于脂類物質（52 種）、生物堿（4 種）、多酚（3 種）、有機酸（15 種）、氨基酸（9 種）、甾醇（2 種）、糖類物質（9 種）和其他（22種，包括核酸和維生素等）。

1.5 生態及氣象數據的采集

查閱當年氣象局官方網站獲取的氣象數據，以大田生育期日均溫度（T）、移栽伸根期溫度（T1）、旺長期溫度（T2）、成熟前期溫度（T3）、成熟中后期溫度（T4）、成熟后期溫度（T5）、平均晝夜溫差（T-delta）、生育期平均日照時數（S）、移栽伸根期日照時數（S1）、旺長期日照時數（S2）、成熟前期日照時數（S3）、成熟中后期日照時數（S4）、成熟后期日照時數（S5）、總日照時數/移栽后至采收的生長周期（S-percent）、生育期平均降雨量（R）、移栽伸根期降

雨量（R1）、旺長期降雨量（R2）、成熟前期降雨量（R3）、成熟中后期降雨量（R4）、成熟后期降雨量（R5）等氣象數據和與香型風格相關的116種代謝物進行Pearson相關分析。

1.6 不同香型風格煙葉代謝特征形成的生態成因分析

對各生長期的溫度、日照時數、降雨量等與香型風格相關的116 種代謝物進行Pearson 相關分析，判斷八大香型風格區的鮮煙葉代謝特征形成的生態成因。

2 結果與討論

2.1 不同香型風格煙葉代謝特征的生態成因分析

香型風格相關的116 種代謝物與各香型風格區生態條件的相關性如圖1～圖5所示，整體來看，代謝物積累與溫度、日照時數、降雨量等存在顯著的相關關系，溫度和日照時數對代謝物積累的影響多為正相關，而降雨量的影響則相反，多為負相關。

2.2 溫度、日照時數、降雨量對脂類積累的影響

由圖1和圖2可見，降雨量不利于脂類物質的積累，大部分脂類代謝物與降雨量負相關，尤其是大田后期的降雨量（成熟中后期R4、成熟后期R5）不利于脂類物質的積累，且相對于溫度和日照時數，降雨量對磷脂酰膽堿（PC）、磷脂酰乙醇胺（PE）、甘油三酯（TG）的影響更弱，其相關性較??；溫度尤其是大田生長中后期（旺長期T2 至成熟中后期T4）的溫度與甾醇脂、鞘糖脂以及大部分的雙半乳糖甘油二酯（DGDG）、半乳糖基甘油二酯（MGDG）、PC 和PE 的含量正相關，即這一階段溫度高則有利于這些脂類物質的積累；而TG的積累則正好相反，大部分TG的積累都與這一生長階段的溫度負相關，平均晝夜溫差對脂類物質積累的影響較小。日照時數對脂類物質積累的影響與溫度類似，不同的是生長后期日照時數（S5）仍對脂類物質積累有較大的影響，S5 與鮮煙葉中脂類代謝物的相關性較高。Li等［9］基于河南、貴州和云南3個產地成熟期鮮煙葉脂質組的研究表明，脂類代謝物的積累受氣候因素的影響較大，尤其以旺長期和成熟期溫度的影響最大，其次為成熟期日照時數和降雨量，該結論與本文中的研究結果一致。

圖1 溫度、日照時數、降雨量等與DGDG等脂類物質的相關分析圖Fig.1 Correlations between temperature，sunshine hours，precipitation and different lipids such as DGDGs

圖2 溫度、日照時數、降雨量等與PC、PE等脂類物質的相關分析圖Fig.2 Correlations between temperature，sunshine hours，precipitation and different lipids such as PC and PE

2.3 溫度、日照時數、降雨量對氨基酸、多胺、生物堿等含氮化合物的影響

由圖3 可見，溫度、日照時數等對谷氨酸（Glutamic acid）、天（門）冬氨酸（Aspartic acid）、5-羥脯氨酸（5-oxoproline）、苯丙氨酸（Phenylalanine）、磷酸乙醇胺（Ethanolamine phosphate）表現出較強的負相關，與其他含氮化合物則具有較弱的正相關；上述5種化合物與大田生長前期溫度（T1、T2、T3）和日照時數（S1、S2、S3）的相關性較高，這一時期溫度較高或日照時數較長，不利于這些化合物的積累；降雨量在成熟后期（R5）對含氮化合物積累的影響較大，這一時期降雨量較多有利于上述5種化合物的積累，但不利于亞精胺（Spermidine）的積累。上述結果與Zhao等［10-11］對谷氨酸、天冬氨酸、5-羥脯氨酸的研究結果一致，與苯丙氨酸的研究結果則相反，這可能是由分析樣本的年度差異或苯丙氨酸對氣候響應較為復雜等因素造成的。

圖3 溫度、日照時數、降雨量等與含氮化合物的相關分析圖Fig.3 Correlations between temperature，sunshine hours，precipitation and nitrogenous compounds

2.4 溫度、日照時數、降雨量對糖、有機酸等代謝物的影響

如圖4 所示，除赤蘚糖醇（Erythritol）、阿糖醇（Arabitol）、木糖醇（Xylitol）、熊果苷（Arbutin）和葡萄糖酸（Gluconic acid）外，其余代謝物與大田生長中前期（移栽伸根期至成熟前期）的溫度和日照時數負相關，而與這一時期的降雨量正相關。其中，赤蘚糖醇和阿糖醇與整個生育期的溫度和日照時數呈弱的正相關關系，與降雨量弱負相關，這與Zhao 等［10］的研究結果相似。移栽伸根期的降雨量、日照時數、溫度等對圖4所示代謝物積累的影響最大，其次是旺長期，而成熟前期的溫度、日照時數和降雨量影響則較小。成熟后期的溫度（T5）與大部分代謝物積累呈明顯的正相關關系，而這一時期的日照時數對代謝物積累的影響較小，降雨量對部分代謝物，如半乳糖醇（Galacitinol）、甘油磷酸鹽（Glycerol 1-phosphate）和異檸檬酸（Isocitric acid）積累的影響較大，具有明顯的正相關性（相關系數大于0.84）。有機酸受光溫水調控較有規律，除葡萄糖酸（Gluconic acid）外，有機酸受大田生長中前期（移栽伸根期至成熟前期）溫度和日照時數的負調控，受大田生長后期溫度（T4 和T5）尤其是成熟后期溫度（T5）的正調控，降雨量在整個生育期都表現出對有機酸積累的正調控模式，兩者正相關，這與Zhao等［10］的研究結果一致。

圖4 溫度、日照時數、降雨量等與糖、有機酸等的相關分析圖Fig.4 Correlations between temperature，sunshine hours，precipitation and sugars，organic acids，etc.

2.5 溫度、日照時數、降雨量對核酸、甾醇等代謝物積累的影響

如圖5 所示，大田生長中后期（成熟中后期、成熟后期）尤其是成熟后期的降雨量（R5）對代謝物的影響較大，其他時期的降雨量對核酸、甾醇等代謝物的影響較小，其相關系數較小，相關性較弱；日照時數尤其是大田生長中前期的日照時數（S1、S2、S3）與代謝物積累的相關度較高，且多為負相關，僅有核糖酸-γ-內酯（Ribonic acid-gamma-lactone 2）、植物鞘氨醇（Phytosphingosine）、2,3-辛二酮（2，3-Octanedione）與日照時數正相關（相關系數＞0.6）；溫度對代謝物積累的影響呈現兩段化，即生長中前期（T1、T2、T3）與成熟后期（T5）對代謝物積累的影響正好相反。除上述3 種代謝物外，有6 種代謝物與大田生長中前期的溫度（T1、T2、T3）具有較強的負相關關系。Zhao 等［10］的研究中中分析過核糖酸-γ-內酯與光、溫、水的相關性，其結果與本研究中的結果一致，即與溫度、日照時數正相關，與降雨量負相關。

3 結論

每個風格區劃鮮煙葉的特征代謝物均與生態條件有一定的相關性，溫度、日照時數、降雨量等生態特征參數的變化可以解釋大部分特征代謝產物積累量的高低，表明鮮煙葉的代謝特征與環境生態條件緊密相關。其中與代謝物含量有較高相關性的氣候因子為大田中后期溫度和大田中后期日照時數。除此之外，降雨不利于脂類物質的積累，大田生產中后期溫度較高則有利于一些脂類物質的積累。大田生長前期溫度較高或日照較長不利于多數含氮化合物的積累，而成熟后期的降雨則有利于多數含氮化合物的積累，但不利于亞腈胺（Spermidine）的積累。除葡萄糖酸（Gluconic acid）外，有機酸受大田生長中前期溫度和光照的負調控，受大田生長后期溫度尤其是成熟后期溫度的正調控，降雨量在整個生育期都表現出對有機酸積累的正調控模式。大田生長中后期尤其是成熟后期的降雨量對核酸甾醇等代謝物的影響較大，其他時期的降雨量則影響較小，而大田生長中前期的日照時數與核酸甾醇的積累多為負相關。