氮素和外源生长物质对烟草次生代谢的影响

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烟草是一种特殊的经济作物,烟叶色泽及烟气香吃味是其品质的重要构成因素。大量研究表明,烟草香气风格和吃味特征受烟碱、萜类化合物、多酚、色素等次生代谢产物的含量和比例的影响。次生代谢受遗传因素、器官及部位、营养条件、生长发育时期、环境及栽培条件等诸多因素影响,其中植物激素和氮素对多条次生代谢途径具有直接或间接的调控作用。水杨酸、亚精胺、茉莉酸甲酯是生产实践中常用的植物生长调节剂。为明确植物生长调节剂和氮素在烟草品质提高中的作用,本研究以烟草品种NC82为试材,通过测定不同浓度水杨酸、亚精胺、茉莉酸甲酯及不同氮素形态及浓度处理后,烟草类胡萝卜素、多酚、有机酸及烟碱等次生代谢产物的含量及代谢相关酶类苯丙氨酸解氨酶、苹果酸脱氢酶和柠檬酸合酶活性,探究这3种植物生长调节剂和氮素对烟草次生代谢的影响,并将茉莉酸甲酯处理的烟草叶片进行转录组测序,通过差异基因表达情况,分析基因之间的功能富集及差异基因的表达特征,探究茉莉酸甲酯影响烟草次生代谢产物合成的可能生理机制,为进一步研究植物生长调节剂和氮素在提高烟叶品质中的应用提供一定的理论参考。研究结果如下:(1)水杨酸处理烟草类胡萝卜素、总酚、乳酸、琥珀酸、苹果酸、甲酸、乙酸和烟碱含量增加;亚精胺处理多酚、甲酸和烟碱含量降低,类胡萝卜素、乙酸、柠檬酸、琥珀酸和苹果酸含量增加,草酸含量变化不大。茉莉酸甲酯处理降低烟草类胡萝卜素和大多数多酚类及乳酸、乙酸、柠檬酸和苹果酸的含量,莨菪亭、草酸和琥珀酸含量增加。(2)低氮水平下,铵态氮或铵硝等比例混施能促进烟草总酚、新绿原酸和绿原酸的积累;中氮水平下,铵态氮利于类胡萝卜素积累,高氮水平下,纯硝态氮、纯铵态氮或铵硝等比例混施均能促进烟草类胡萝卜素的积累;高硝态氮供应能促进烟草总有机酸、甲酸、苹果酸、乳酸及烟碱的积累,高铵态氮则降低总酸、乙酸和烟碱含量,但促进柠檬酸积累,氮素浓度和形态对草酸、隐绿原酸和芸香苷影响不大。(3)转录组测序中,在0、12、24 h和7 d 4个检测时间点,对照组和试验组共有4611个DEGs,在处理12 h基因差异表达较大,有3620个DEGs,随着处理时间延长,基因差异表达数量显著降低,说明茉莉酸甲酯处理引起的基因差异表达效果具有瞬时性。在本试验中,与类胡萝卜素生物合成有关的DEGs有7个,PDS、ABA2、AAO1、CCD4和CYP707A2表达量下调,其编码的5个酶PDS、ZEP、AAO3、NCED和CYP707A活性降低,进而抑制类胡萝卜素生物合成。苯丙烷生物合成与多酚代谢密切相关,苯丙烷生物合成相关的DEGs有51个,这6个酶共涉及17个DEGs,其中2个基因表现为下调,15个表现为上调。4CL1、HOMT1、HST表达量上调程度大于PAL,说明PAL对茉莉酸甲酯处理的响应不敏感;C3’H的编码基因CYP98A2分别上调2.37、3.12倍,C3’H催化对香豆酰奎宁酸向绿原酸的转化,控制绿原酸生物合成。与烟碱合成有关的酶AOC3/AOC2/tyn A、pnc B/NAPRT1活性降低。本试验中,转录组测序采用的是叶片,而烟草中烟碱只能在根部合成,进一步转运到叶片中完成积累,叶片转录测序并不能反映烟碱合成相关基因的表达情况,因此,在烟草烟碱合成的进一步研究中,应对其合成部位即根部进行转录组测序。
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