植物激素对烟叶烟碱和钾含量影响的文献综述.doc

修改建议:1)长句过多，注意断句。植物激素对烟叶烟碱和钾含量的影响吴道铭1, 徐锋1，贾志红2，陈建军3, 沈宏1,*(1、华南农业大学资源环境学院，广东广州，510642；2、湖南中烟工业有限责任公司，湖南长沙，410007；3、华南农业大学农学院，广东广州，510642）摘要：烟叶烟碱含量高、钾含量偏低降低了烟叶工业可用性，制约了优质烟叶生产和发展。烟叶研究者通过多种手段（生物、化学、物理等）对降碱提钾技术进行了探讨和实践，并在田间试验中取得一些成效。关于降碱提钾技术的研究，以植物激素调控方法最多，并且效果最为显著。本文对激素（多胺、生长素、脱落酸等）调控烟叶烟碱和钾含量的机理和措施进行了综述，以期为优质烤烟生产提供参考。关键词：烟碱；钾；植物内源激素；植物生长调节剂Review of Phytohormone Effects on Nicotine and Potassium Content in Tobacco LeavesWU Daoming1, XU Feng1, JIA Zhihong2, CHEN Jianjun3, SHEN Hong1,*(1. College of Resources and Environment, South China Agricultural University, Guangzhou, 510642，Guangdo, China; 2. China Tobacco Hunan Industrial Co.，LTD，Changsha 410007, Hunan, China; 3. College of Agriculture, South China Agricultural University, Guangzhou, 510642, Guangdo, China)Abstract: High nicotine and low potassium (K) concentration in tobacco leaves was a major limitation to the development of China tobacco industry. Tobacco scientists have developed many approaches to increase K uptake and decrease nicotine and obtained better ecological and economic effects. One of approaches was to use phytohormones to control K uptake and nicotine synthesis. In this study, the application methods and action mechanisms of phytoharmones including polyamine, IAA, ABA etc. in raising K uptake and reducing nicotine synthesis were reviewed so as to enhance the production of qualified tobacco leaves. Key words: Nicotine; Potassium; Phytohormones; Plant growth regulator资助：湖南中烟工业公司项目：植烟土壤根系分泌物对烤烟生长影响的研究(2007-YC-0001) 作者：吴道铭（1987-），男，广东湛江， 在读硕士，主要从事烟草根层调控。*通讯作者：沈宏，教授，Email: ; Tel:国是世界上最大的烟草生产国，但烟叶品质与美国、巴西、津巴布韦等优质烟草生产国家相比存在较大的差距，尤其是存在烟叶烟碱含量较高、钾素含量偏低、香气不足等问题。如美国和津巴布韦的烟叶含钾量多在4-6，烟碱含量适宜，而我国烟叶的含钾量多在1%-2%，很少有超过2%的，烟碱多在3-4%之间，这不仅制约优质卷烟的生产，而且影响烟叶外销，更不利于人类身体健康1-4。降低烟叶烟碱含量，增加含钾量，对提高卷烟吸食品质，增强中式卷烟核心竞争力，具有相当重要的意义。关于调控烟碱和钾含量的研究，植物激素调控机理及措施的研究较多且效果显著，本文对这方面研究进行了综述，以期为今后调控机理深入研究和优质烤烟生产提供参考。1 烟碱和钾对烤烟品质的影响烟叶品质一般从外观特性、物理特性、化学特性（包括烟叶化学成分和烟气化学成分）、评吸特性以及安全性等方面进行全面评价。钾和烟碱属于烟叶化学成分，它们含量的高低会影响影响烟叶的整体品质，是衡量烟叶品质的重要指标。烟碱是烟草特有的生物碱，是烟草具有商品价值的重要因素，有刺激人的神经中枢作用，其含量占烟草生物碱总量的90-95%5-6。烟碱在抽吸过程中会产生碱性物质，给烟气提供劲头和刺激性。卷烟中适量的烟碱含量能让消费者取得自身生理强度的满足和烟香的魅力。烟碱过低则劲头小，香气不足，吃味平淡；而烟碱含量过高则会降低糖碱比导致内在化学成分不协调，进而影响烟叶香气质和香气量，使得吃味辛辣、劲头大、刺激性强，对人体健康极不利。钾能促进烟叶机械组织的形成和纤维素的合成，使烟叶结构细腻、致密，有利于提高烟叶内在品质7。钾含量高的叶片富有弹性、油分足、光泽好、呈金黄色8。烟叶中钾含量多与烟叶中含氮化合物如烟碱和焦油含量呈显著负相关，含钾高的烟叶吃味纯净5,9。钾对烤烟品质最显著和最直观的影响是对其燃烧性的影响，适当的含钾量会提高钾氯比，提高阴燃持火力和可燃率，调整烟叶的燃烧温度，进而改变烟气产物，减少有害物质的挥发，一定程度上改善其吸食品质8,10。2 植物激素与烟叶烟碱的关系2.1 植物内源激素影响烟碱的合成烟碱合成于烟草根部，主要在新嫩细根合成，根系活力越高，其合成作用越强11。烟碱在烟草生长发育中的作用是产生生理强度，抵抗昆虫的侵害，保护自身的正常生长。故受到外界机械损伤和昆虫伤害时，烟草体内的烟碱含量会上升12。一般认为烟碱的合成过程为：鸟氨酸在鸟氨酸脱羧酶(ODC)催化下形成腐胺(Put)，腐胺以S-腺苷甲硫氨酸（SAM）为甲基供体在腐胺N-甲基转移酶(PMT)的作用下形成N-甲基腐胺，N-甲基腐胺进而在N-甲基腐胺氧化酶(MPO)催化下被氧化为N-甲基-1-二氢吡咯盐，最终N-甲基-1-二氢吡咯盐和烟酸合成烟碱13-15。其中多胺合成的中间产物腐胺是烟碱合成的重要前体物16，ODC、PMT和MPO是烟碱合成过程中的三个关键酶，而这几种酶的活性与植物激素的作用密切相关。在烟株中存在多种信号控制烟碱的合成，烟株受到外界伤害时会激发茉莉酸(JA)及其甲醋(MeJA)信号传导进而诱导植物防御基因的表达17，促进烟碱的形成18。JA可以调控PMT基因(NsPMT)19和MPO基因20的表达。JA含量高低影响烟株中烟碱的含量。皮妍21从喜树中克隆了茉莉酸途径关键酶丙二烯氧化物环化酶(Aoc)基因CaAOC，并将其转入烟草中表达，发现下游JA含量上升，烟叶中烟碱含量增加。Baldwin等22则模仿昆虫损伤烟株叶片，发现损伤先导致烟株体内茉莉酸合成增加，而后烟碱合成增加。生长素则在烟碱合成中充当消极信号23，乙烯信号对JA信号存在对抗作用24。研究发现内源激素IAA含量升高后，IAA作为第一信使沿木质部向下运输到根部，根部的ODC、PMT、MPO活性降低，并且与烟碱合成有关的天门冬氨酸、谷氨酸、赖氨酸、精氨酸、脯氨酸含量减少，烟叶中烟碱含量也下降；而ABA与IAA存在抵抗作用，ABA含量升高则会抑制IAA的含量并促进烟碱的合成25-26。在烟碱的生物合成过程中甲基供体的SAM作用不容忽视，烟草体内SAM的形成存在一个SAM-循环路径，即SAM转甲基反应后生成S-腺苷巯基丁氨酸(SAH)，SAH再经过S-腺苷巯基丁氨酸水解酶(SAHH)、蛋氨酸合酶(MS)和SAM合成酶(SAMS)催化重新产生SAM。研究发现内源激素IBA的减少反而会提高SAMS、SAHH和MS的mRNA水平27，烟碱含量增加。可见要降低烟叶中烟碱含量，有必要抑制其合成过程中三个关键酶的活性以及降低其合成前体物腐胺的含量，从激素调控的角度出发则要降低烟株体内JA、MeJA及ABA等激素含量，而适当增加IAA、IBA、NAA及乙烯等激素含量。2.2 应用植物生长调节剂调控烟叶烟碱含量一些研究表明应用植物生长调节剂来调控烟叶烟碱含量主要是通过影响植物的内源激素及激素间的平衡来间接影响烟株体内烟碱的合成。如打顶后涂抹NAA可以减少JA含量并减少根部生长素的供应，进而控制烟碱合成28-29；水培的烟草打顶和打顶后喷施Put、JA、ABA和6-BA，烟叶中Put和烟碱含量均增加，而喷施IAA和GA的烟叶中Put和烟碱含量下降30；喷施植物生长调节剂GA、IAA、2,4-D不同程度地提高了内源GA、IAA含量，降低了内源ABA含量，进而降低烟叶烟碱含量；而植物生长调节剂ABA较强地提高了内源ABA的含量，反而降低了内源GA、IAA的含量，导致烟叶烟碱含量升高31。然而，这些植物生长素的施用要控制在一定浓度范围，超出这个范围反而会削弱其作用。一些研究发现随2,4-D和GA的降碱效果在1020 mg/Kg浓度时较好，而浓度增加到30 mg/Kg时，降碱效果反而被削弱32；也有研究发现在035 mg/Kg的GA浓度范围内，降碱效果比较明显33。鉴于这些外源激素的作用有些差异，有人进行不同激素配比实验，发现GA+NAA+IAA+Mo和GA+NAA+IAA+ABA两个处理降碱效果较单一外源激素好34。也有一些研究发现，植物生长调节剂也能直接影响烟碱合成关键酶的活性。如在烟草根系的培养介质中添加IBA能抑制PMT的活性，而去掉IBA 则增强PMT的活性，其基因编码的mRNA水平也增加35；在烟草细胞悬浮培养中添加外源JA、MeJA能诱导烟碱合成关键酶基因的表达36-37。另外也有人直接应用市面的植物生长调节剂如增效剂(GGR10)、增产胺(DCPTA)和烯效唑(SS3307)，发现这些调节剂都能提高烟叶烟碱含量38-39，但具体机理不明。3 植物激素与烟叶钾素的关系3.1 植物内源激素影响钾素的吸收和转运K+是烟草体内含量最多的阳离子，也是体内极容易移动的离子。植物根系主要通过高亲和性K+转运体和低亲和性K+转运体吸收钾，前者主要包括K+泵、K+-H+反向转运体和K+-H+同向转运体，而后者主要是K+通道。K+通道主要有三种，而植物中普遍存在内向整流K+通道和外向K+通道40，其中内向K+通道在钾吸收上有很重要的作用41。K+通道促进植物对土壤K+吸收42-43，协调植株体内的K+运输和分配44-45。然而，K+通道易受植物内源激素变化影响，进而影响植株体内K+含量变化。如植物受到干旱胁迫后，体内的ABA含量增加，进而诱导保卫细胞细胞质基质的Ca2+增加，抑制质膜上的H+泵及K+内流通道46-47，使质膜去极化，促使保卫细胞中的K+外流48, 从而导致叶片中K+降低。与ABA不同，烟株体内的IAA增加时会促进体内K+的积累。一方面，IAA活化质膜K+通道促进植物对钾吸收49；另一方面，IAA诱导ATP酶的形成50，ATP酶能将H+泵出细胞外而促使K+进入细胞，并且ATP酶能水解ATP产生能量，促进K+主动吸收。另外，IAA的增加一定程度上抑制ABA。据此，要提高烟叶中钾含量有必要活化K+通道，以利于烟株积累更多的钾，协调烟株体内的K+分配，减少烟叶的K+外排。从植物激素角度出发，就是有目的的增加能活化K+通道的激素含量(如IAA)，而降低钝化K+通道的激素含量(如ABA)。3.2 应用植物生长调节剂调控烟叶钾含量烟叶中钾含量较低的原因可能有：土壤供钾量不足导致烟株钾累积量低；烟株根系吸钾能力低；烟株生物量过大，根系吸收的钾大量流向无效叶、花和果实中；烟叶成熟衰老或其他外界胁迫导致烟叶中K+外排或者回流到根部等。其中后面三个原因与烟株体内植物激素的含量变化存在一定的关系。烟株顶端调控着体内养分物质的分配和累积，以及形成各种生长调节剂影响烟株的生长，是烟株的生长和物质交换中心。如顶端生长点合成IAA并通过极性运输分配到植株各部位，进而影响植物的生长发育和物质分配51。打顶有利于烤烟整株钾素的累积，但由于钾大量流向无效叶、花和果实中或者回流到根部52，烟叶钾含量总体较低；而打顶降低烤烟叶内IAA、ABA、GA和ZR含量，却刺激根中ABA的增加，抑制K+的运输，降低内流？钾离子通道活性，导致烟叶中钾含量下降53。打顶后外加植物生长调节剂一定程度上代替顶端作用，可以协调打顶对内源激素的刺激效应54-55，如打顶后施用外源IAA56-58、外源NAA59有助于提高中上部烟叶的钾含量；烟草Nt-syr1基因在ABA调控钾离子通道的运输和信号传导过程中起着重要作用60，打顶后涂抹生长调节剂则能降低Nt-syr1在烟叶中的表达61。4 研究展望植物激素调控烟碱和钾含量的研究取得了很大进展，但仍存在一些问题。主要体现在以下两个方面。(1) 烟株根部调控的研究不够深入。烟株吸收的营养元素大部分都要经过根系进行运输传递，而且根系是合成烟碱的主要部位。然而目前植物激素的研究主要侧重于烟株地上部的研究，特别是研究打顶前后激素处理对地上部烟碱和钾含量的影响较多，从烟草根部着手研究烟叶烟碱和钾含量变化较少，因此，可以考虑深入研究烟株根部在不同时期不同植物激素处理后，对烟叶烟碱和钾含量的调控作用，研究其对烟叶增钾降碱的效果。我们对烟株进行根层调控试验发现，经过调控后的上部烟叶比空白着色深且均匀，且烟株主根粗壮、侧根分布较为均匀（如图1），初步判断经过根层调控的烟叶烟碱和钾含量与没有调控的烟叶有很大差异，但具体数据差异正在深入研究。另外，打顶后IAA向根部极性运输，影响根部生长及其它激素变化，进而导致烟叶烟碱含量急剧上升。能否通过改变IAA或其它激素的极性运输，进而改变烟草根部的激素变化和烟碱合成？我们曾在拟南芥铝胁迫研究中发现，铝可以通过调节生长素运输载体(PIN2)在质膜和胞内移动阻碍生长素的运输62 ，而铝胁迫对烟草的作用又如何，在根中是如何表现的？这方面的研究也值得我们深入。(2) 没有将烟叶调控激素做成产品，而且在生产中没有制定烟用激素使用技术规范，缺乏烟用激素产品在大田应用推广。增钾降碱产品的研发最终要服务大田生产，然而目前植物激素的增钾降碱研究还没有形成一些技术产品，也没有制定一定技术规范。何种激素配方对优质烟叶生产最有利，合适的使用浓度、使用量又是多少，使用方法又如何，这些操作要点都有待于今后进一步研究和改进，这样才能不断推动激素配方在大田生产的应用，使科技真正转化为生产力。参考文献1左天觉. 烟草的生产、生理和生物化学M. 上海: 上海远东出版社. 1993, 415-429.2Collins W K, Hawks S N. 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