揭秘烟草氮素奥秘：不同氮源对烟草根系生长与尼古丁合成的影响

《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》：Integrated plant physiology, transcriptomics, and metabolomics reveal tobacco root growth and nicotine synthesis responses in tobacco exposure to different nitrogen forms

研究人员为探究不同氮源对烟草根系生长和尼古丁合成的影响，开展多组学研究，发现硝铵共施利于尼古丁合成，为烟草氮素利用提供理论依据。

　　在烟草的生长过程中，氮元素扮演着至关重要的角色。它不仅是核酸、蛋白质、维生素、酶以及生物碱等物质的重要组成部分，对植物的生长发育有着深远影响，而且在烟草的品质和经济价值方面也起着关键作用，其中尼古丁含量更是决定烟草质量和价值的关键因素。

在作物种植中，常用的氮源有铵态氮（NH4+?）、硝态氮（NO3??）和酰胺态氮（如尿素），不同作物对不同氮源有着不同的偏好。例如，杨树在干旱条件下更倾向于铵态氮，而棉花在硝态氮供应下干生物量、氮含量和根系生长表现更佳。

烟草作为全球重要的经济作物，在现代烟草农业中，土壤自然氮素供应无法满足其产量和品质需求，氮肥的合理施用成为关键。已有研究表明，氮形态对烟草叶片的产量、品质和尼古丁含量有显著影响，但关于不同氮形态对烟草根系生长、发育和代谢的调控机制，以及氮形态对尼古丁合成的影响机制，仍有待深入研究。

为了揭开这些谜团，云南农业大学和云南省烟草农业科学研究院的研究人员开展了一项综合研究。他们通过整合植物生理学、转录组学和代谢组学分析方法，深入探究了烟草幼苗在不同氮源供应下尼古丁合成和代谢的调控机制。该研究成果发表在《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》杂志上。

研究人员选用云烟 39 烟草幼苗作为实验材料，设置了 4 种处理：无氮（T1）、2.5mMCa(NO3?)2??4H2?O（T2，硝态氮）、2.5mM(NH4?)2?SO4?（T3，铵态氮）以及1.25mMCa(NO3?)2??4H2?O+1.25mM(NH4?)2?SO4?（T4，硝铵混合）。利用改进的 Hoagland 营养液在人工气候室培养烟草幼苗，随后对其进行根系形态、生理指标测定，RNA 提取与转录组数据分析，代谢组学分析以及植物激素分析等实验。

研究结果如下：

• 根系形态：不同氮处理对烟草根系形态影响显著。T3 处理下不定根更发达，但根长最短；T2 处理下不定根发育较少，但根表面积（SurfArea）和根体积（RootVolume）较大；T4 处理根系相对健康。这表明氮形态能影响根系形态，硝态氮促进主根生长，铵态氮促进不定根生长，二者协同可使根系发育更平衡。
• 生理指标：不同氮处理下烟草幼苗根系多种酶活性和物质含量存在差异。例如，谷氨酸脱氢酶、天冬酰胺合成酶等酶活性在 T3 处理最高；NR 酶活性在 T2 和 T4 处理显著高于 T1 和 T3；T4 处理下 SOD 活性最高，MDA 含量也达到峰值；T1 处理下可溶性蛋白和脯氨酸含量显著低于其他处理，而纤维素含量显著高于其他处理。此外，T1 和 T4 处理下根系尼古丁含量显著高于 T2 和 T3，T2 和 T4 处理下叶片尼古丁含量显著高于 T1 和 T3。
• 转录组学分析：转录组测序和分析发现，不同氮处理下烟草根系基因表达存在差异。主成分分析显示，样本沿 PC2 轴根据氮形态分离。与 T1 相比，T2 处理有更多上调的差异表达基因（DEGs），表明硝态氮对基因表达影响更大。GO 和 KEGG 富集分析表明，DEGs 主要富集在植物激素信号转导和次生代谢产物生物合成等途径，说明烟草根系通过调节激素和次生代谢产物合成来响应不同氮供应环境。
• 代谢组学分析：共鉴定出 2275 种代谢物，主要包括生物碱、氨基酸及其衍生物等 12 类。主成分分析显示不同氮处理下烟草根代谢物差异显著。通过分析差异积累代谢物（DAMs）发现，氮施用促进核苷酸和氨基酸合成，抑制脂质和酚酸合成。此外，T2 处理促进脂质和有机酸合成，T3 处理主要积累生物碱和酚酸，T4 处理有利于多种物质合成，且硝铵共施更有利于尼古丁合成相关物质的合成。
• 综合分析：对 DEGs 和 DAMs 进行共表达网络分析，发现许多基因与代谢物存在高相关性，且不同氮处理下相关基因和代谢物主要富集在次生代谢产物生物合成途径。在尼古丁合成途径中，不同氮形态影响关键酶活性和相关基因表达，进而影响尼古丁合成和转运。例如，硝态氮促进烟酸合成，铵态氮促进腐胺合成，硝铵共施时烟草根尼古丁含量最高。

研究结论和讨论部分指出，硝态氮通过茉莉酸和细胞分裂素促进烟草根系发育，促进脂质和有机酸合成，但降低根系代谢强度和其他化合物合成；铵态氮不利于整体根系发育，却促进不定根发育，增强根系整体代谢，促进生物碱和酚酸等物质合成。氮缺乏时烟草根尼古丁和纤维素合成增加，可能是应对氮缺乏胁迫的措施。硝铵共施能提供充足的尼古丁前体，有利于尼古丁合成，但仍需进一步验证。

这项研究成果为建立烟草氮素高效利用的调控理论和途径提供了理论依据，也为后续调控烟草尼古丁合成提供了科学支持，对优化烟草种植中的氮肥施用、提高烟草品质和产量具有重要意义。