转录组与生理学视角解析遮荫对雪茄烟叶发育的调控机制及品质提升策略

本研究针对遮荫如何影响雪茄外包烟叶品质的生理与分子机制尚不明确的问题，通过设置全光照（CT）、中度遮荫（MT, 70–80%透光率）和重度遮荫（LT, 50–60%透光率）处理，结合生理测定、转录组学和激素分析，发现MT通过上调AMY、UGP2等基因增强淀粉降解与蔗糖合成，并优化内源激素平衡，显著提高外包烟叶产量和品质，为雪茄烟草精准遮荫栽培提供了理论依据。

　　

随着中国经济的快速发展和人民生活水平的提高，国内雪茄消费需求显著增长。然而，中国雪茄烟草种质资源仅占烟草种质资源库的3%，且雪茄烟叶质量与国际优质产品仍存在较大差距。光照是调控植物生长发育和代谢的关键环境因子，遮荫作为影响雪茄外包烟叶生长、生理和品质的重要农艺措施，其生理和分子机制尚未得到系统解析。因此，探究不同遮荫强度对雪茄烟草的生理、形态和转录组响应，对于提高雪茄烟叶品质和产量具有重要意义。

为深入解析遮荫对雪茄烟草的调控机制，研究人员以品种QX103为材料，在海南省儋州市中国烟草总公司海南省公司实验农场开展田间试验。该地区属热带湿润季风气候，年均温23.5℃，年降水量1815mm。研究采用随机完全区组设计，设置三种光处理：全光照（CT，对照）、中度遮荫（MT，70-80%透光率）和重度遮荫（LT，50-60%透光率）。分别于第10叶出现后第7天（早期响应）和第21天（晚期响应）取样，测定农艺性状、SPAD值、酶活性、碳水化合物含量、内源激素水平，并进行转录组测序和qRT-PCR验证。

研究主要应用了以下关键技术方法：使用手持光量子计和环境温湿度计测定冠层光强和微气候条件；采用便携式光谱仪测量冠层光谱组成；使用SPAD叶绿素仪测定叶片SPAD值；通过酶学方法分析蔗糖磷酸合成酶(SPS)和蔗糖合成酶(SS)活性；采用高效液相色谱-三重四极杆质谱联用技术(HPLC-MS/MS)定量内源激素；利用Illumina测序平台进行转录组测序，使用DESeq2筛选差异表达基因(DEGs)，并进行KEGG富集分析；通过qRT-PCR验证关键基因表达。

3.1. 遮荫对雪茄烟草冠层微气候和光可用性的影响

遮荫显著改变了冠层微气候和光可用性。LT处理在8:00-12:00时冠层温度最高，而CT在14:00时达到峰值。中午后相对湿度按LT > MT > CT的顺序增加。光合有效辐射(PAR)始终表现为CT > MT > LT。CT下的光谱强度最大，在450nm（蓝光）处有显著峰值。每日PAR曲线显示，CT在12:00-14:00时达到1700-1800 μmol m^-2 s^-1，MT使PAR降低30-35%（约1200 μmol m^-2 s^-1），LT进一步降低55-60%（约800-900 μmol m^-2 s^-1）。

3.2. 遮荫对雪茄烟草农艺性状的影响

遮荫显著影响QX103的生长。第7天时，CT的株高最高，但到第21天时，MT植株变得更高。叶长、叶宽和含水量随遮荫程度增加而增加（CT < MT < LT），分别增加1.52%-17.90%、1.36%-17.39%和1.22%-5.08%。叶片发育早期，鲜重和干重无显著差异；但到第21天，CT的鲜重和干重均显著增加，较MT和LT分别增加2.93%-29.99%（鲜重）和7.59%-38.00%（干重）。

3.3. 遮荫对雪茄烟叶结构性状和经济品质的影响

叶片结构性状对遮荫表现出可变响应。叶脉宽度和角度在各处理间相对稳定。单叶重(SLW)在LT下最高（5.66 g），表明单位面积质量更大。叶片厚度无显著变化，而茎含量(SC%)随遮荫增加而下降，LT下最低（23.25%）。干鲜比按CT > MT > LT的顺序，反映遮荫下叶片含水量更高。总产量在MT下最高（1310.04 kg ha^-1），LT下最低（1191.26 kg ha^-1）。相反，外包烟叶产量随遮荫增加而增加，LT最高（250.19 kg ha^-1），其次是MT（233.01 kg ha^-1）和CT（180.00 kg ha^-1）。外包烟叶百分比在MT（19.56%）和LT（19.10%）显著高于CT（14.09%），表明遮荫提高了外包烟叶品质。

3.4. 遮荫对雪茄烟草SPAD值的影响

SPAD值在叶片发育过程中逐渐增加。第5天时，SPAD值顺序为LT > MT > CT，MT和LT分别较CT高14.94%和30.62%。到第21天，MT的SPAD值最高，表明中度遮荫下叶绿素积累增强。

3.5. 遮荫对雪茄烟草酶活性和碳水化合物的影响

遮荫和时间显著影响SPS和SS活性。SPS活性在MT7时最高，显著超过所有其他处理，而最低活性出现在CK7。SS活性总体变化较小，但在LT7和LT21时最高，均显著高于CK21和MT21。碳水化合物含量也对遮荫作出响应。可溶性糖含量在LT7时最低，而CK7、MT7、CK21和LT21保持较高水平。蔗糖含量在CK21时最高，其次是CK7和LT21，LT7时最低。淀粉含量在LT7时显著降低，而CK21、MT21和LT21显示最高的淀粉积累。

3.6. 遮荫下雪茄烟叶的基因表达

QX103的转录组分析揭示了遮荫下广泛的转录重编程。第7天时，MT诱导2141个上调基因和2165个下调基因，到第21天时增加至7008个上调基因和7047个下调基因。LT下，第7天时1276个基因上调和1629个基因下调，第21天时3532个基因上调和4333个基因下调。Venn分析显示，第7天时MT和LT共享1667个DEGs，MT独有2639个，LT独有1238个。第21天时，3627个DEGs共享，MT独有10428个基因。

3.7. 遮荫下雪茄烟叶DEGs的功能富集

KEGG分析揭示了遮荫和时间依赖的转录响应。第7天时，MT显著富集与光合作用-天线蛋白、昼夜节律、碳固定、类胡萝卜素生物合成和淀粉/蔗糖代谢相关的通路，其中淀粉/蔗糖代谢的DEGs数量最多。LT显著影响核糖体相关通路、昼夜节律、光合作用-天线蛋白和类胡萝卜素生物合成，包括超过200个与核糖体功能相关的基因。第21天时，MT富集了昼夜节律、卟啉和叶绿素代谢、光合作用-天线蛋白、过氧化物酶体功能、氨基酸生物合成和糖酵解/糖异生通路，其中大多数DEGs参与氨基酸生物合成。LT显著富集光合作用-天线蛋白、昼夜节律、乙醛酸代谢、氮代谢、核糖体功能和淀粉/蔗糖代谢，其中大多数基因与核糖体和淀粉代谢通路相关。

3.8. 遮荫下雪茄烟叶代谢通路基因表达分析

基于KEGG通路富集，选择两个关键通路进行进一步转录组分析。基因表达模式表明遮荫强度和时间动态转录调控。MT7下，TreX（4个DEGs）和SPS（1个DEG）显著上调，而LT7下TPS（12个DEGs）明显上调。到第21天，MT21诱导更广泛的转录上调，包括gblb（4个DEGs）、TREH（2个DEGs）、ENPP1_3（2个DEGs）、AMY（21个DEGs）、UGP2（5个DEGs）、WAXY（2个DEGs）、GN5_6（3个DEGs）和glgP（1个DEG）。相反，LT21强烈上调GN123（24个DEGs）和ISA（2个DEGs），表明长期低光下淀粉降解增强和碳水化合物代谢改变。昼夜节律基因的表达模式也揭示了遮荫依赖的调控。MT7下未观察到显著上调，而LT7显著诱导TOC1（3个DEGs）。第21天时，MT21显著上调PHYB（5个DEGs）、PRR5（3个DEGs）、FT（3个DEGs）、CDF1（13个DEGs）、SPA1_2（7个DEGs）、CCA1（1个DEG）和CO（17个DEGs）。LT21下，CRY1（3个DEGs）、CRY2（1个DEG）、COP1（6个DEGs）和LHY（12个DEGs）显著上调，表明昼夜节律系统对光可用性降低的转录调整。MT21下PRR5表达升高表明在改变的光周期下维持节律性和同步内部过程的适应机制。

3.9. 遮荫对雪茄烟草激素调控的影响

第7天时内源植物激素定量揭示了遮荫强度不同的激素响应。CT vs MT比较中，吲哚-3-羧酸衍生物(ICAId)和反式玉米素核苷(TZR)显示中等强度正相关，表明中度遮荫下生长素和细胞分裂素活性增强支持生长。相反，CT vs LT比较显示吲哚-3-乙酸(IAA)、赤霉素(GA1, GA7)和吲哚-3-丙酸(IPA)强正相关，同时水杨酸葡萄糖苷(SAG)、二氢茉莉酸(DHJA)和水杨酸(SA)强负相关，表明LT诱导应激相关激素响应。MT vs LT比较中，SAG、DHJA和SA正相关。这些发现表明中度遮荫维持有利于生长的激素稳态，而重度遮荫破坏激素平衡，触发可能促进低光下生长抑制的应激相关响应。

3.10. 遮荫下雪茄烟叶基因表达的验证

qRT-PCR分析验证了转录组结果，确认遮荫处理下显著基因表达变化。NtCOP和NtLHY在LT21下高度上调，与转录组数据一致。NtSPS在MT7下表达较高，但在MT21和LT21下显著下调，匹配早期上调后抑制的转录组模式。NtTPS在LT7下表达较高，而Ntglb和NtTreX分别在MT21和MT7下表达较高。qRT-PCR表达模式 collectively 证实了转录组数据，表明遮荫，特别是中度和重度，强烈调节基因表达，可能调控遮荫条件下叶片形态和生理适应。

本研究通过整合生理、转录组和激素分析，系统解析了遮荫对雪茄烟草的调控机制。结果表明，中度遮荫通过上调AMY、UGP2、TREH、WAXY和SPS等基因，增强淀粉降解和蔗糖合成，同时优化内源激素平衡，促进叶片扩张和光合效率，从而提高外包烟叶产量和品质。而重度遮荫则诱导应激相关响应，如上调TPS、GN1_2_3和ISA基因，改变激素谱，导致生长抑制。这些发现揭示了遮荫强度对雪茄烟草生长和品质的双重影响，为精准遮荫栽培提供了理论依据和实践指导。

研究结论强调，中度遮荫能够平衡生长、代谢和应激响应，提高外包烟叶品质和产量，而重度遮荫可能引发应激反应，不利于长期生长。该研究不仅深化了对遮荫调控机制的理解，还为雪茄烟草生产中的光管理策略提供了科学支持，对于提高中国雪茄烟叶的国际竞争力具有重要意义。未来研究应进一步探索不同品种对遮荫的响应差异，优化遮荫强度和时间，以实现雪茄烟草的高质量可持续发展。