不同株型渠首1 号上部烟叶代谢图谱差异分析

doi:10.15933/j.cnki.1004-3268.2024.05.007

摘要/Abstract

摘要： 为明确烤烟不同株型产质量及代谢组学的差异，以渠首1号为研究对象，利用液相色谱-质谱联用（LC-MS）非靶向代谢组学方法并结合化学成分及感官质量等指标的测定，对筒形和伞形2种株型成熟时期上部烟叶代谢物进行分析。结果表明，与伞形烟株相比，筒形烟株株高和有效叶片数增加、最大叶面积减小。筒形烟株烟叶的整体化学成分协调性和感官质量均优于伞形烟株。筒形烟株产量较伞形烟株降低5.2%，但均价和产值分别增加25.0%和20.4%。通过偏最小二乘法判别分析法（PLS-DA）筛选出123种差异代谢物，主要是氨基酸、有机酸、糖类、类黄酮和生物碱类代谢物，其中N-甲酰-L-蛋氨酸、2-氧基精氨酸、苯乙酰谷氨酰胺、海藻糖、3-酮-β-D-半乳糖、D-甘露糖、2-苯乙醇、茉莉酸等可能是响应不同株型的关键代谢物。差异代谢物显著富集在氨基酸代谢、糖代谢等通路上，其中烟酸和烟酰胺代谢通路，丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢通路，色氨酸代谢通路等在不同株型烟叶内在质量形成过程中起重要调控作用。

关键词: 烤烟, 株型, 代谢组学, 渠首1号, 差异代谢物

Abstract: In order to clarify the differences in yield,quality and metabolomics of flue‑cured tobacco under different plant types，with Qushou No.1 as the experimental material，the metabolites of upper leaves at the mature stage of two plant types were analyzed by LC‑MS non‑targeted metabonomics technique combined with the determination of chemical components and sensory quality.The results showed that compared with umbrella‑type tobacco plants,the plant height and effective leaf number of cylinder‑type tobacco plants increased,and the maximum leaf area decreased.The overall chemical composition coordination and sensory quality of the cylinder‑type tobacco plants were better than those of the umbrella‑type tobacco plants.The yield of cylinder‑type tobacco plants was 5.2% lower than that of umbrella‑type tobacco plants，but the average price and output value increased by 25.0% and 20.4%.Through partial least squares‑discriminate analysis(PLS‑DA),123 differential metabolites were screened out, including amino acids,organic acids,sugars,flavonoids and alkaloids,in which N‑formyl‑L‑methionine,2‑oxoarginine,phenylacetylglutamine,trehalose,3‑keto‑β‑D‑galactose,D‑mannose,2‑phenylethanol，jasmonic acid might be the key metabolites in response to different plant types.Thedifferential metabolites were significantly enriched in the pathways of amino acid metabolism and glucose metabolism.Among them，nicotinic acid and nicotinamide metabolism pathway,alanine,aspartic acid and glutamic acid metabolism pathway,and tryptophan metabolism pathway played important regulating roles in the formation of intrinsic quality under different plant types.

Key words: Flue-cured tobacco, Plant type, Metabolomics, Qushou No.1, Differential metabolites

中图分类号:

S572

李金澄, 张力, 王卫民, 郑宏斌, 韩丹, 贾玮, 史久长, 许自成. 不同株型渠首1 号上部烟叶代谢图谱差异分析[J]. 河南农业科学, 2024, 53(5): 60-69.

LI Jincheng, ZHANG Li, WANG Weimin, ZHENG Hongbin, HAN Dan, JIA Wei, SHI Jiuchang, XU Zicheng. Difference Analysis of Metabolic Profiles of Upper Leaves from Different Plant Types of Qushou No.1[J]. Journal of Henan Agricultural Sciences, 2024, 53(5): 60-69.

参考文献

［1］何文高.施氮量和留叶数对贵州烤烟生理及株型特征的影响研究［D］.重庆：西南大学，2014.

HE W G.Studies on the effects of nitrogen rates and remained leaves number on physiology and plant type of flue‑cured tobacco in Guizhou［D］.Chongqing：Southwest University，2014.

［2］WANG B，SMITH S M，LI J Y.Genetic regulation of shoot architecture［J］.Annual Review of Plant Biology，2018，69：437‑468.

［3］欧阳素影，王志权，李青，等.辣椒株型调控研究进展［J］.植物遗传资源学报，2023，24（5）：1248‑1256.

OUYANG S Y，WANG Z Q，LI Q，et al.Research progress on the regulation of chili plant morphology［J］.Journal of

Plant Genetic Resources，2023，24（5）：1248‑1256.

［4］薛小平，赵会纳，陈懿，等.贵州烟区烤烟K326株型特征研究［J］.中国烟草科学，2013，34（1）：34‑39.

XUE X P，ZHAO H N，CHEN Y，et al.Studies on plant type characteristics of flue‑cured tobacco K326 in Guizhou ［J］.Chinese Tobacco Science，2013，34（1）：34‑39.

［5］龚治翔.不同栽培措施对烤烟株型的调控［D］.郑州：河南农业大学，2018.

GONG Z X.Ideotype regulation of flue‑cured tobacco by different cultivation measures［D］.Zhengzhou：Henan Agricultural University，2018.

［6］CASTRO‑MORETTI F R，GENTZEL I N，MACKEY D，et al.Metabolomics as an emerging tool for the study of plant‑pathogen interactions［J］.Metabolites，2020，10 （2）：52.

［7］田嘉树，丁光荣，王晓丽，等.基于文献计量学的烟草代谢组知识图谱分析［J］.烟草科技，2022，55（3）：31‑38.

TIAN J S，DING G R，WANG X L，et al.Knowledge mapping of tobacco metabolome based on bibliometrics［J］.Tobacco Science & Technology，2022，55（3）：31‑38.

［8］党伟，姚怡帆，黄海霞，等.不同氮素水平下烟草品种‘NC89’叶片代谢组变化［J］.植物生理学报，2022，58 （4）：687‑698.

DANG W，YAO Y F，HUANG H X，etc.Changes of leaf metabolome of tobacco variety 'NC89' under different nitrogen levels［J］.Journal of Plant Physiology，2022，58 （4）：687‑698.

［9］VASILEV N，BOCCARD J，LANG G，et al. Structured plant metabolomics for the simultaneous exploration of

multiple factors［J］.Scientific Reports，2016，6：37390.

［10］郝浩浩，王发展，许自成，等.2006—2015年驻马店烟区烤烟主要化学成分变化规律研究［J］.现代农业科技，2020（5）：210‑213.

HAO H H，WANG F Z，XU Z C，et al.Changes of main chemical components of flue‑cured tobacco in Zhumadian tobacco area from 2006 to 2015［J］.Modern Agricultural Science and Technology，2020 （5）：210‑213.

［11］贾健，许嘉阳，卢秀萍，等.基因型和环境条件对烟草株型性状的影响［J］.江苏农业科学，2016，44（4）：158‑160.

JIA J，XU J Y，LU X P，et al.Effects of genotype and environmental conditions on plant type traits of tobacco［J］.Jiangsu Agricultural Sciences，2016，44（4）：158‑160.

［12］向海英，刘欣，逄涛，等.基于非靶向代谢组学的红花大金元不同生育期烟叶代谢图谱差异分析［J］.中国烟草学报，2022，28（4）：77‑84.

XIANG H Y，LIU X，PANG T，et al.Differential analysis of metabolic profiles of Honghua Dajinyuan tobacco leaves in different growth stage based on untargeted metabolomics［J］.Acta Tabacaria Sinica，2022，28（4）：77‑84.

［13］傅达奇，李正国. 植物激素乙烯［J］.北方园艺，2001 （4）：33.

FU D Q，LI Z G. Plant hormone ethylene［J］.Northern Horticulture，2001（4）：33.

［14］DOUGLAS O A，SHANG F Y.气态植物激素乙烯：生物合成的机制和调节［J］.烟台果树，1983（4）：34‑38.

DOUGLAS O A，SHANG F Y.Gaseous plant hormone ethylene：Mechanism and regulation of biosynthesis［J］.Yantai Fruits，1983（4）：34‑38.

［15］刘国顺.烟草栽培学［M］.北京：中国农业出版社，2003.

LIU G S. Tobacco cultivation［M］.Beijing：China Agriculture Press，2003.

［16］WANG Y Y，HSU P K，TSAY Y F.Uptake，allocation and signaling of nitrate［J］.Trends in Plant Science，2012，17（8）：458‑467.

［17］ADAMS D O，YANG S F.Ethylene the gaseous plant hormone：Mechanism and regulation of biosynthesis ［J］.Trends in Biochemical Sciences，1981，6：161‑164.

［18］李丹阳，闫永庆，殷媛，等.外源Spd和NO对盐胁迫下玉竹脯氨酸代谢途径的影响［J］.河南农业科学，2018，47（6）：111‑116.

LI D Y，YAN Y Q，YIN Y，et al.Effects of spd and NO on proline metabolic pathways of Polygonatum odoratum（Mill.）druce under salt stress［J］.Journal of Henan Agricultural Sciences，2018，47（6）：111‑116.

［19］黎旺姐，李勇，张刚，等.不同施氮水平对烟草叶片游离氨基酸含量及脯氨酸和苯丙氨酸代谢的影响［J］.基因组学与应用生物学，2017，36（4）：1634‑1640.

LI W J，LI Y，ZHANG G，et al.Effects of different nitrogen fertilization levels on contents of free amino acids as well as proline and phenylalanine metabolism in tobacco leaves［J］.Genomics and Applied Biology，2017，36（4）：1634‑1640.

［20］DELAUNEY A J，VERMA D P S.Proline biosynthesis and osmoregulation in plants［J］.The Plant Journal，1993，4（2）：215‑223.

［21］谢志坚，涂书新，张嵚，等.影响烤烟烟碱合成与代谢的因素及其机理分析［J］.核农学报，2014，28（4）：714‑719.

XIE Z J，TU S X，ZHANG Q，et al.Factors of nicotine synthesis and metabolism in Nicotiana tabacum L［J］.Journal of Nuclear Agricultural Sciences，2014，28（4）：714‑719.
［22］文锦芬，杨双龙，龚明.Cd²⁺胁迫诱导烟草悬浮细胞脯氨酸积累的生化途径及外源脯氨酸对Cd²⁺胁迫下H₂O₂产生的抑制作用［J］.植物生理学报，2011，47 （4）：392‑398.

WEN J F，YANG S L，GONG M.Biochemical pathways of Cd²⁺ stress‑induced proline accumulation and inhibitory effect of exogenous proline on Cd²⁺‑induced H₂O₂ production in tobacco（Nicotiana tabacum L.） suspension cells［J］.Plant Physiology Journal，2011，47（4）：392‑398.

［23］GIBBS J，MORRELL S，VALDEZ A，et al.Regulation of alcoholic fermentation in coleoptiles of two rice cultivars differing in tolerance to anoxia［J］.Journal of Experimental Botany，2000，51（345）：785‑796.

［24］SHELP B J，BOWN A W，MCLEAN M D.Metabolism and functions of gamma‑aminobutyric acid［J］.Trends in Plant Science，1999，4（11）：446‑452.

［25］张海龙，陈迎迎，杨立新，等.γ-氨基丁酸对植物生长发育和抗逆性的调节作用［J］.植物生理学报，2020，56（4）：600‑612.

ZHANG H L，CHEN Y Y，YANG L X，et al.Regulation of γ‑aminobutyric acid on plant growth and development and stress resistance［J］.Plant Physiology Journal，2020，56（4）：600‑612.

［26］SHOJI T，YAMADA Y，HASHIMOTO T.Jasmonate induction of putrescine N‑methyltransferase genes in the root of Nicotiana sylvestris［J］.Plant and Cell Physiology，2000，41（7）：831‑839.

［27］SHOJI T，OGAWA T，HASHIMOTO T.Jasmonate‑induced nicotine formation in tobacco is mediated by tobacco COI1 and JAZ genes［J］.Plant and Cell Physiology，2008，49（7）：1003‑1012.

［28］WINGLER A.The function of trehalose biosynthesis in plants［J］.Phytochemistry，2002，60（5）：437‑440.

［29］YAMAZAKI M，NAKAJIMA J I，YAMANASHI M，et al.Metabolomics and differential gene expression in anthocyanin chemo‑varietal forms of Perilla frutescens［J］.Phytochemistry，2003，62（6）：987‑995.

［30］COURT W A，ELLIOT J M.Influence of nitrogen，phosphorus，potassium，and magnesium on the phenolic constituents of flue‑cured tobacco［J］.Canadian Journal of Plant Science，1978，58（2）：543‑548.

［31］TSO T C，SOROKIN T P，ENGELHAUPT M E，et al.Nitrogenous and phenolic compounds of Nicotiana plants.I.Field and greenhouse grown plants［J］.Tobacco Sci，1967，11：133‑136.

［32］王爱华，王松峰，宫长荣.氮素用量对烤烟上部叶片多酚类物质动态的影响［J］.西北农林科技大学学报（自然科学版），2005，33（3）：57‑60.

WANG A H，WANG S F，GONG C R.The dynamic effects of nitrogen rate on polyphenols of flue‑cured tobacco upper leaf［J］.Journal of Northwest Sci‑Tech University of Agriculture and Forestry，2005，33（3）：57‑60.

［33］刘晶晶，崔光周，段旺军，等.生态因素影响烟草香味特征的研究进展［J］.河南农业科学，2023，52（2）：1‑11.

LIU J J，CUI G Z，DUAN W J，et al.Research progress on the effects of ecological factors on tobacco aroma characteristics［J］.Journal of Henan Agricultural Sciences，2023，52（2）：1‑11.

[1]	高逸飞, 潘首慧, 张丽, 张权, 昝建朋, 岑浩, 范成平, 张福强, 田举要, 徐世晓. 烤烟烟碱含量标记基因NtMPO1和NtARF6的鉴定[J]. 河南农业科学, 2024, 53(5): 49-59.
[2]	陈卓, 陈家鼎, 毛岚, 白涛, 李生栋, 王涛, 宋朝鹏, 张豹林. 初烤烟叶主脉与叶片的吸附等温线及其热力学性质研究[J]. 河南农业科学, 2024, 53(4): 143-151.
[3]	宋绍森, 杨杰, 段旺军, 陈思昂, 王卫民, 张力, 许嘉阳, 韩丹, 许自成, 贾玮. 海拔高度对烟叶生长代谢及烤后品质的影响[J]. 河南农业科学, 2024, 53(3): 53-67.
[4]	杜雪丽, 柯璐瑶, 柳展, 代明珠, 周宇, 李剑兴, 徐玖亮. 叶面喷施镁对紫米产质量、花青素及代谢物含量的影响[J]. 河南农业科学, 2024, 53(2): 28-36.
[5]	任志超, 李想, 李先锋, 毋丽丽, 王景, 彭志良, 刘国顺, 殷全玉. 生物炭对黑胫病抗性不同烤烟品种根际土壤真菌群落结构的影响[J]. 河南农业科学, 2024, 53(1): 105-115.
[6]	付博, 杨永锋, 刘向真, 赵森森, 刘茂林, 贾国涛, 牛洋洋, 张坤芳, 于建军, 彭桂新, 姬小明. 基于近红外光谱的烤烟香型分类模型研究[J]. 河南农业科学, 2023, 52(7): 163-171.
[7]	郝贤伟, 李奇, 毕一鸣, 田雨农, 李永生, 王辉, 钟永键, 王芳, 徐秀红, 付秋娟, 孙婷婷, 韩晓. 不同颜色上部烤烟主要品质指标的差异分析[J]. 河南农业科学, 2023, 52(3): 173-180.
[8]	孟林峰, 杨祥飞, 吴晴阳, 宋美玲, 张文梅, 王利兵, 崔芳芳, 张志高, 朱肖文, 刘齐元. 基于中药复配剂的烤烟化学农药减量增效研究[J]. 河南农业科学, 2023, 52(2): 103-112.
[9]	韩雅婷, 郭天骄, 贾国涛, 赵红朝, 黄五星. 保水剂和抗蒸腾剂配施对土壤水分和云烟87 化学成分、碳氮代谢的影响[J]. 河南农业科学, 2023, 52(11): 57-65.
[10]	杨金初, 童治军, 李萌, 赵旭, 徐永明, 冯颖杰, 杨宗灿, 曲鹏, 李悦, 孙九喆, 张轲. 基于SNP 标记的4 个品种复烤烟叶鉴别研究[J]. 河南农业科学, 2023, 52(11): 174-180.
[11]	李思军, 郑宏斌, 毕一鸣, 江智敏, 田雨农, 郝贤伟, 章程, 侯建林, 吴文信, 朱林, 邓小华. 一次性采收中部6 片烟叶的田间成熟特征及烤后质量研究[J]. 河南农业科学, 2023, 52(10): 30-39.
[12]	陈培钰, 石秋环, 马君红, 李丽华, 李豪豪, 宋正熊, 代晓燕. 基于模糊数学法评价肥料运筹模式对豫西烤烟产质量的影响[J]. 河南农业科学, 2023, 52(1): 42-52.
[13]	轩栋栋, 贾宏昉, 郭仕平, 谢良文, 伍德洋, 秦艳青, 杨兴有, 冯长春. 不同后熟处理对烤烟上部叶烘烤质量的影响[J]. 河南农业科学, 2023, 52(1): 172-179.
[14]	王东旭, 武云杰, 曾超, 赵明阳, 余海涛, 周军, 薛子钟, 刘流, 叶协锋, 张锦韬. 土壤质地和氯含量对烤烟叶片区位化学成分的影响[J]. 河南农业科学, 2022, 51(9): 35-45.
[15]	殷全玉, 匡志豪, 王景, 任天宝, 张松涛, 姬小明, 刘国顺, 穆耀辉. 黑胫病不同抗性烤烟品种对哈茨木霉的生理响应[J]. 河南农业科学, 2022, 51(9): 88-98.