烟草烘烤前后类胡萝卜素代谢及香气形成的转录组与代谢组学多组学解析

本研究通过转录组与代谢组学联合分析，系统揭示了环境与遗传因素对烟草类胡萝卜素代谢及其衍生物（CDPs）积累的调控机制。研究发现烘烤过程中类胡萝卜素降解关键基因（如PSY、LCYB）及转录因子（如PIF1a、AP2a）的表达差异显著影响香气前体积累，阐明了“基因表达–类胡萝卜素积累–香气形成”的级联调控关系，为通过栽培调控和品种选育提升烟草香气品质提供了理论依据。

　　

引言

烟草（Nicotiana tabacum L.）作为重要经济作物，其叶片经烘烤后形成的香气品质直接决定经济价值。研究表明，烘烤烟叶中的香气物质主要来源于类胡萝卜素降解产物（CDPs），而CDPs积累受品种遗传背景和生态环境双重影响。为解析影响CDPs积累的关键因素，本研究选取K326、NC82、G28和Gexin3四个香气特性差异品种，在山东（北方）和云南（南方）典型烟区进行田间试验，通过转录组与代谢组学整合分析，系统揭示环境与遗传因素对类胡萝卜素代谢通路及香气形成的调控机制。

材料与方法

试验于2021年在山东临沂（35°37′26″N）和云南大理（25°22′22″N）进行。采集中部叶位鲜烟叶及经三段式烘烤后的烟叶，进行转录组测序、类胡萝卜素LC-MS/MS定量及香气物质HS-SPME/GC-MS分析。RNA-seq数据通过HISAT2比对烟草参考基因组（Nitab-v4.5），DESeq2筛选差异表达基因（DEGs）。qRT-PCR验证类胡萝卜素通路关键基因表达，统计学分析采用Prism 9软件。

结果与讨论

转录组分析显示，两地间DEGs数量（20,756个）是品种间DEGs（5,987个）的3倍以上，且地点DEGs显著富集于类胡萝卜素合成通路（KEGG enrichment）。PCA分析表明两地样本转录组聚类明显，其中云南环境更利于品种特性表达。GO分析揭示地点DEGs显著富集细胞通讯（GO:0007154）和信号转导（GO:0023052）等过程，表明环境差异通过调控信号通路影响代谢。

类胡萝卜素通路基因表达呈现明显地域规律：山东烟叶中GGPS、PSY1、LCYB及转录因子PIF1a、AP2a表达普遍高于云南，而云南烟叶中CHYB、DREB-1BL1、PRE2表达更高。qRT-PCR验证PSY1和PIF1a在山东表达量均为云南2倍以上，AP2a在山东K326中表达达云南9.72倍。这种差异与两地生态条件密切相关：山东海拔低、气温高（均温高3.6°C）、日照长，且土壤类型为淋溶褐土（Udic Cambisols），而云南为潴育水稻土（Stagnic Anthrosols），通过光信号转导和土壤微生物互作间接调控基因表达。

代谢组分析显示，鲜烟叶中检测到7种类胡萝卜素（phytoene、lutein、β-carotene、zeaxanthin、antheraxanthin、violaxanthin、neoxanthin），其中lutein、β-carotene、violaxanthin和总类胡萝卜素含量山东显著高于云南，而zeaxanthin反之。两地方差分析表明地域是主要影响因素（P<0.05）。烘烤后仅检测到4种类胡萝卜素（phytoene、lutein、β-carotene、zeaxanthin），其中phytoene含量反常上升，推测因烘烤黄化期37°C激活PSY酶促合成；其余成分大幅降解，lutein降解量最高（SD_G28下降787.53 μg/g），总降解率达80.07%。

香气物质分析发现，烘烤后CDPs种类从14种增至23种。其中2,4-heptadienal、farnesyl acetone、β-ionone等7种物质显著增加，6-methyl-2-heptanone下降。megastigmatrienone异构体、β-damascenone等9种物质仅存在于烤后烟叶。值得注意的是，geranyl acetone和acetoin含量呈现地域一致性：山东geranyl acetone更高而acetoin更低；megastigmatrienone异构体在K326、NC82、G28中亦呈现地域一致性；而β-ionone-5,6-epoxyde和3-oxo-α-ionol则表现品种特异性（Gexin3中2,4-heptadienal和farnesyl acetone含量超其他品种3倍）。方差分析表明，geranyl acetone、acetoin和megastigmatrienone主要受环境调控，β-ionone-5,6-epoxyde和3-oxo-α-ionol主要受遗传因素控制，β-ionone等物质受二者协同影响。

结论

本研究通过多组学整合分析，揭示环境因素（主要通过光信号和土壤微生物调控）对烟草类胡萝卜素代谢通路基因表达的影响强于遗传因素。山东生态条件促进PSY1、LCYB等基因表达及lutein、β-carotene积累，云南则利于CHYB表达及zeaxanthin积累。烘烤过程中类胡萝卜素经酶促（CCDs、LOXs）和非酶促降解生成CDPs，其中环境因素主导geranyl acetone等物质形成，遗传因素主导β-ionone-5,6-epoxyde等特性香气合成。该研究系统阐明了“基因表达–类胡萝卜素积累–香气形成”的级联调控网络，为通过生态调控和品种选育提升烟草香气品质提供了理论依据。