烤烟近等基因低生物碱品系的产量、化学特性、品质及土传病原体抗性研究

这篇研究通过构建11个烤烟品种K326的近等基因系(NILs)，系统评估了不同低尼古丁基因组合对烟草产量、化学组成(尼古丁<0.7 mg g?1)、品质及土传病害抗性的影响。研究发现仅3个NILs能达到超低尼古丁水平，但伴随显著品质下降和抗性降低，揭示了利用现有自然或诱导遗传变异开发超低尼古丁品种的技术挑战。

　　

研究背景与意义

全球监管机构正考虑强制降低可燃卷烟中尼古丁含量至0.4-0.7 mg g^?1的"非成瘾性"水平。传统烤烟叶片尼古丁含量通常为18-32 mg g^?1，开发超低尼古丁商业品种面临重大技术挑战。本研究通过构建近等基因系，系统评估了利用自然变异和常规诱变技术开发低尼古丁烟草的可行性。

材料与方法

研究团队构建了11个K326背景的低生物碱近等基因系，涉及多种基因变异类型：

1. 1.

   高尼古丁转化系(K326 HIC)：基于CYP82E4基因转录不稳定性

2. 2.

   双隐性基因系(K326 nic1/nic2)：源自LAFC53的转录抑制型nic1和缺失型nic2等位基因

3. 3.

   三重突变系(K326 222)：EMS诱导的BBL基因家族(a,b,c)有害突变

4. 4.

   组合变异系：如将TI313的myc2a突变与上述变异组合

田间评估在4个北卡罗来纳州环境中进行，测定指标包括：

• •

  化学特征：尼古丁、降尼古丁、新烟草碱等生物碱含量

• •

  农艺性状：产量、等级指数、经济价值

• •

  抗病性：对烟草黑胫病(Phytophthora nicotianae)和青枯病(Ralstonia solanacearum)的抗性

关键发现

化学特征分析显示：

• •

  仅K326 nic1/nic2/Cs、K326 nic1/nic2/Ct和K326 nic1/nic2/myc2a/Ct三个品系能达到<0.7 mg g^?1的超低尼古丁水平

• •

  含TI313 myc2a突变的品系意外表现出高降尼古丁转化率

• •

  含LAFC53 nic1/nic2等位基因的品系显著降低所有生物碱含量

农艺性状评估发现：

• •

  多数低尼古丁品系显著降低等级指数和经济价值

• •

  仅K326 HIC和K326 222 HIC保持与K326相当的品质

• •

  K326 nic1_TI313 nic2_LAFC53品系产量骤降47.6%

抗病性研究揭示：

• •

  两个最低尼古丁品系(K326 nic1/nic2/Cs和K326 nic1/nic2/myc2a/Ct)对黑胫病和青枯病抗性显著降低

• •

  含BBL三重突变的K326 222品系表现出意外增强的抗病性

机制探讨

研究揭示了ERF199转录因子在烟草生长发育中的关键作用：

• •

  TI313来源的nic1缺失等位基因比LAFC53的转录抑制型等位基因对生物碱积累影响更大

• •

  ERF199缺失导致681个根系基因差异表达，影响多重代谢网络

• •

  BBL基因突变可能通过改变代谢物积累影响抗病性

研究意义与展望

该研究为评估低尼古丁政策的技术可行性提供了重要依据：

1. 1.

   证实利用现有遗传变异开发超低尼古丁(<0.7 mg g^?1)烟草品种的可行性，但伴随显著品质损失

2. 2.

   揭示了生物碱代谢网络与品质性状、抗病性的复杂关联

3. 3.

   为开发新一代低危害烟草产品提供了遗传资源和理论依据

4. 4.

   提示需要探索更精准的基因编辑策略，避免多效性影响

未来研究可重点关注：

• •

  鉴定调控生物碱合成的关键转录因子

• •

  开发保持品质性状的精准基因编辑策略

• •

  解析低尼古丁烟草特有化学成分变化对健康的影响