作为一种重要的经济作物，烟草品质提升受限于传统育种与农艺调控等常规方法效果有限。该综述聚焦代谢工程在实现烟草品质性状精确化、定向化调控中的应用。首先，文章分析了香气、健康相关成分、功能性代谢物以及燃烧特性等关键品质因子的决定机制与内在基础。随后，总结了近年来代谢工程策略的研究进展，包括代谢途径重构、代谢通量重分配、酶工程以及调控网络调节，用于优化萜类化合物、多酚和生物碱等目标化合物的生物合成与积累。此外，文章还简要讨论了若干支持代谢调控与品质形成的整合性方法。最后，作者强调了当前面临的主要挑战，并提出未来研究方向，以推动烟草品质更加精准且高效的改良。
1. Introduction
本文围绕烟草品质提升中的关键瓶颈，系统综述了代谢工程在烟草品质精准改良中的应用框架。文章首先指出，烟草作为全球性重要经济作物，除传统卷烟制造外，还在药用蛋白生产、生物燃料开发和农药创新等领域展现出拓展潜力，因此其品质优化不仅关系产品市场价值，也关系产业竞争力与多元应用开发。作者将烟草品质概括为四个彼此关联的维度：香气品质、健康相关属性、功能性特征以及燃烧性能。相较于传统育种、农艺调控和化学调节，代谢工程能够通过基因编辑、途径重构与网络调控对目标代谢物进行时空可控的精准干预，因而在效率、可预测性与环境可持续性方面具有突出优势。文中同时界定了“代谢工程”的核心内涵，主要包括代谢途径重构、代谢通量重分配、酶工程改造和调控网络操纵，并将光遗传调控、根际工程、合成微生物群落及加工相关干预作为重要支撑技术纳入讨论范围。
2. Metabolic engineering of tobacco for improving aroma quality
2.1. Challenges in improving the aroma quality of tobacco
文章指出，烟草香气形成依赖复杂次生代谢物的协同作用，其中萜类、苯丙烷类和脂类构成三大关键化学支柱，而萜类化合物是决定香气品质的核心因子。因此，以代谢工程增强萜类生物合成是改善香气品质的重要切入点。作者总结了当前主要限制因素：其一，异戊烯基焦磷酸（IPP）与二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP）等前体在甾醇、叶绿素和萜类之间存在竞争分配，导致通量供给不足；其二，单萜和倍半萜挥发性强，且其合成与储存存在亚细胞区室分离及发育不同步问题，造成损失；其三，木质素合成与萜类生成之间通过4-香豆酰辅酶A等节点发生代谢串扰，影响碳流定向配置。总体而言，烟草香气改良面临前体供给不足、合成-储存错配和跨途径竞争三重挑战。
2.2. Strategy I: Directed enhancement of key pathways
针对前体供给和关键限速步骤问题，文章介绍了“关键途径定向增强”策略。其主要路径包括两类：一是过表达限速酶或调控因子、抑制竞争支路；二是优化前体供给并开展亚细胞区室化设计。文中举例说明，调控转录因子可同时上调多个萜类生物合成关键酶基因，从而提高目标代谢物积累；而抑制竞争途径关键基因则能将代谢通量重新导向目标产物。与此同时，亚细胞定位工程可通过改变关键酶所在区室，提高局部底物浓度、减轻反馈抑制并优化催化微环境。例如，将香叶基香叶基焦磷酸合酶（GGPPS）定位于叶绿体，可减少GGPP流向胞质甾醇途径；将单萜合酶靶向脂滴，则可实现“合成-储存一体化”，既提高单萜积累，又降低代谢毒性。作者据此认为，区室化工程为高值萜类植物细胞工厂构建提供了可行路径。
2.3. Strategy II: Dynamic balance and regulation of metabolic networks
文章进一步强调，仅增强局部合成途径并不足以长期维持高效稳定产物积累，必须通过动态调控实现整个网络的稳态平衡。该部分主要涉及合成基因回路与光/化学诱导系统两种方法。作者指出，基于代谢状态感知的反馈回路能够在不显著损害植物生理状态的条件下自动调节碳流分配，从而提高萜类产量。文中以“乙酰辅酶A感知-反馈”回路为代表，说明此类系统可在维持叶绿素含量和鲜重基本稳定的同时显著提升目标萜类产量。另一方面，光遗传学（optogenetics）与诱导表达系统可实现代谢通路的时空特异性控制，如利用光敏色素B（phyB）/光敏色素互作因子（PIF）模块实现可逆诱导，避免组成型表达导致的生长抑制。针对自然环境中光照不稳定的问题，作者还介绍了结合热激启动子的双因子调控方案，以提升夜间或弱光条件下的代谢效率和网络稳定性。
2.4. Strategy III: Microbial-plant cross-species metabolic synergistic design
该部分聚焦植物-微生物跨物种协同代谢设计。作者认为，外源酶导入与工程化微生物互作体系为突破植物内源代谢上限提供了新模式。一方面，通过向烟草中引入异源酶基因，可在宿主中重建跨物种代谢途径，提升特定萜类化合物的合成能力；文中以柑橘来源的相关合酶在烟草中的表达为例，说明经叶绿体靶向优化后，可显著提高目标产物产量。另一方面，工程化有益微生物可通过影响蛋白降解、糖代谢和香气前体生成，改善烟叶化学品质与感官表现。综述中提到，特定不动杆菌（Acinetobacter）菌株接种可提高总糖和中性香气成分含量，降低蛋白水平，并延长燃烧时间、减轻刺激性，体现了微生物辅助代谢调控在烟草香气品质提升中的应用前景。
3. Metabolic engineering of tobacco for improving health quality
3.1. Challenges in improving the health quality of tobacco
在健康品质方面，文章将烟碱和烟草特异性亚硝胺（TSNAs）视为决定毒理风险的两类核心成分。作者指出，调控这两类物质存在三大难点：其一，生物碱合成与防御反应之间存在代谢-功能冲突，共同前体腐胺（putrescine）需在烟碱合成与多胺防御体系间分配；其二，TSNAs前体硝酸盐/亚硝酸盐与基础氮同化过程高度耦联，降低前体易损害氮代谢和生长；其三，烟碱在根部特定细胞中合成并经木质部运输至地上部，涉及精细的组织特异性与时序调控，粗放干预易引起离子稳态紊乱和系统性代谢失衡。因此，健康品质改良的实质在于解耦毒性成分形成、氮代谢维持与防御能力保障之间的复杂关系。
3.2. Strategy I: Targeted gene editing and specific regulation
针对上述问题，作者首先总结了靶向基因编辑与特异性调控策略，包括组织特异表达系统和硝酸盐代谢重编程。根特异启动子驱动RNA干扰（RNAi）抑制烟碱合成关键基因，可在降低根部烟碱生物合成的同时，尽量保留叶片防御相关蛋白活性，从而实现防御-毒性分离。与此同时，硝酸还原酶（NR）活性增强等氮代谢工程手段可有效降低叶片硝酸盐含量，并进一步减少调制后烟叶及主流烟气中的TSNAs、NNK和NNN水平，而不显著影响生物量。作者据此认为，组织特异沉默与氮代谢重编程共同构成了烟草健康品质精准改良的核心技术框架。
3.3. Strategy II: Microbe-plant cross-species partnerships for toxin reduction
文章认为，植物-微生物跨界协作在毒性降低方面具有重要潜力。根际工程菌可以通过感知根系分泌物并调节植物激素信号，如生长素（IAA）、茉莉酸（JA）和水杨酸（SA），进而影响根系结构、氮吸收和次生代谢。文中提到，某些多胺代谢根际菌能促进侧根发育并增强烟碱合成，揭示了“多胺-激素-代谢”联动机制。进一步地，合成微生物群落（SynComs）通过多菌株协同实现碳源利用、氮循环和诱导系统抗性（ISR）等功能互补，可从土壤氮循环到植株免疫激活进行系统级调控。作者借助群落水平通量平衡分析（cFBA）说明，模型优化的合成群落可综合提升植物生长、氮吸收与免疫激活等关键指标，展示了微生物群落工程在烟草健康品质调节中的系统优势。
3.4. Strategy III: Decoupling of defense response and toxin reduction functions
为兼顾毒性降低与抗虫防御，文章提出防御功能与减毒功能解耦策略。其一，通过RNAi强力抑制烟碱合成，再引入外源抗虫因子，如苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis）Cry1Ac毒素或雪花莲凝集素（GNA），可在极低烟碱背景下维持与野生型相近的抗虫效果，说明烟碱并非唯一可用的防御输出。其二，生物-物理协同系统通过替代烟草薄片等材料工程手段降低主流烟气中的焦油、烟碱、一氧化碳（CO）及TSNAs暴露水平。作者将这类策略视作代谢工程与产品设计层面协同降害的重要补充。
4. Metabolic engineering of tobacco for improving functional quality
4.1. Challenges in improving the functional quality of tobacco
在功能品质方面，文章重点关注维生素和抗氧化物质在烟草中的定向积累。作者认为，这一方向有助于推动烟草从传统消费原料向高附加值生物活性成分生产平台转型。当前主要瓶颈包括：目标产物合成效率受限、氧化还原失衡诱导程序性细胞死亡，以及异源代谢途径适配性不足。文中指出，抗坏血酸（AsA）合成会与细胞壁前体竞争关键底物；增强多酚合成则可能导致活性氧（ROS）过量积累并触发细胞死亡；外源花青素途径若缺乏匹配转运系统，则会发生内质网滞留与利用率低下。这表明功能品质提升实质上涉及代谢通量、氧化还原稳态与跨区室转运三方面的系统协调。
4.2. Strategy I: Reconstruction and regulation of endogenous pathways
围绕内源途径重构，文章提出代谢节点解耦与抗逆元件应用两类方法。对于抗坏血酸合成，强化限速节点如果糖甘露糖变位酶（PMM）相关步骤，可显著提高AsA积累，说明通过关键节点“解锁”能够改善目标代谢物流量。另一方面，导入或过表达抗逆相关元件，如叶绿体定位光捕获复合体相关蛋白，可通过改善非光化学猝灭（NPQ）和光系统II（PSII）修复能力，减轻低温等逆境下氧化损伤。作者强调，这类策略不仅提升功能性代谢物含量，也有助于维持宿主细胞稳态和生产持续性。
4.3. Strategy II: Compartmental optimization of heterologous biosynthetic pathways
针对异源途径适配性差的问题，文章重点讨论了叶绿体靶向表达与液泡转运工程。作者指出，将花青素合成基因簇与叶绿体转运肽融合后进行定向表达，可显著提高叶片中花青素积累，说明叶绿体作为代谢前体丰富、还原力充足的区室，适合作为异源代谢模块部署平台。此外，通过重建液泡转运网络，可促进花青素等功能物质由胞质向液泡定向转运，既提高生物利用度，又降低胞质中间体反馈抑制，并利用液泡酸性环境延长产物半衰期。该部分突出了区室工程在突破“合成-运输-储存”瓶颈中的关键作用。
4.4. Strategy III: Development of light-regulated synthetic systems
文章还综述了光调控合成系统在功能品质提升中的应用，包括远红光诱导系统和蓝光响应反馈抑制系统。远红光系统依赖光受体构象变化解除下游抑制，从而在较低能量损耗下维持代谢稳态；蓝光响应系统则可通过光控变构开关与代谢物阈值联动，实现对关键酶活性的闭环调节。以AsA为例，当其含量超过设定阈值时，蓝光诱导构象变化可自动下调相关酶活性，使产量波动维持在较小范围内。作者据此认为，光调控技术有望为烟草功能代谢网络提供高精度、动态化的调节手段。
5. Metabolic engineering of tobacco for improving combustion quality
5.1. Challenges in improving the combustion quality of tobacco
关于燃烧品质，文章指出，焦油与烟气成分与糖酯、纤维素及酚类等物质密切相关，但相关调控面临多维矛盾：一是减害需求与感官品质保持之间难以兼顾；二是细胞壁代谢的复杂性制约燃烧速率与机械强度的同步优化；三是糖酯合成与萜类前体在质体甲基赤藓糖醇磷酸（MEP）途径中存在资源竞争，影响香气表达。作者强调，燃烧品质优化不只是单一化学成分调节问题，而是细胞壁结构、热裂解化学和代谢前体竞争的综合系统工程。
5.2. Strategy I: Rational design of cell wall components
该部分聚焦细胞壁组分的理性设计。作者提出，可通过调控纤维素/木质素比例及木质素单体组成来兼顾燃烧充分性与组织力学性能。具体而言，利用CRISPR-Cas9编辑木质素和果胶相关基因，可降低木质化程度并改变细胞壁结构和细胞黏附特性；而定向增强纤维素合成，如过表达蔗糖合酶基因，则可优化纤维素与半纤维素比例、增加次生壁厚度并提升茎秆断裂强度。文章据此认为，多组分协同设计优于单一成分改造。
5.3. Strategy II: Spatiotemporal regulation of sugar ester biosynthesis pathways
在糖酯合成方面，作者强调应通过时空调控实现与其他品质性状的代谢解耦。衰老特异信号通路可在叶片衰老阶段特异激活相关代谢事件，例如诱导CYP82E4启动子在衰老叶中表达，以催化烟碱降解并避免对非目标生理过程造成干扰。与此同时，跨膜转运增强能够实现空间层面的代谢调节。文中提到，膜定位脂质转运蛋白NtLTPI.38可调节甘油磷脂代谢，增加蜡层厚度与烷烃含量，并通过提高超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性来降低ROS积累，从而改善表皮完整性、叶片断裂力和燃烧均匀性。
5.4. Strategy III: Metabolic intervention of pyrolysis products
最后，文章总结了对热解产物进行代谢层面干预的思路，核心是叶绿体中多抗氧化酶系统与类胡萝卜素代谢强化。作者指出，叶绿体具备较强的还原力再生能力，是调控抗氧化代谢与燃烧产物关系的关键区室。通过协同表达脱氢抗坏血酸还原酶（DHAR）、谷胱甘肽还原酶（GR）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）及CuZnSOD等抗氧化酶，可提高还原型抗坏血酸或谷胱甘肽比例，降低H
2O
2与·OH积累，减轻膜损伤并抑制自由基链式反应。与此同时，增强叶绿体类胡萝卜素合成可提高β-胡萝卜素积累，增强单线态氧（
1O
2）猝灭能力，并降低焦油中苯并[a]芘等有害多环芳烃形成。该部分表明，燃烧品质改良可通过预先塑造叶片抗氧化化学背景来间接影响热解毒理学特征。
6. Conclusion and prospect
在总结与展望部分，作者认为，代谢工程已在烟草品质改良中形成较完整的方法体系，主要体现在代谢网络解析、代谢物精准调控、动态调控开关构建以及植物-微生物跨界协同等方面。与传统育种和化学调节相比，代谢工程在靶向性、多性状协同、周期压缩和潜在环境友好性方面具有明显优势。但作者也指出，当前仍面临前体供给不足、通量分配效率低、氧化还原与辅因子约束、代谢补偿效应、微生物定殖稳定性不足以及工业化标准组件缺乏等瓶颈。未来研究方向主要包括：增强代谢网络韧性，发展多靶点编辑与动态反馈系统；深化植物-微生物互作设计，提升工程菌和合成群落在根际环境中的稳定性；提高产业适配性，推动标准化载体、数字化监测和人工智能（AI）辅助代谢设计应用。文章最后还比较了RNAi、CRISPR、动态调控系统与SynComs等策略的优势与局限，并指出实际落地还需综合考虑生物安全、监管合规、公众接受度与知识产权等因素。整体而言，该综述将烟草品质改良从单一性状优化提升到多维代谢系统重塑的层面，为未来精准、高效且可持续的烟草代谢工程研究提供了系统性框架。
