烟碱烟草生物碱主要包括烟碱(又音译为“尼古丁”，nicotine)、降烟碱(又称“去甲基烟碱”，nornicotine)、新烟草碱(anatabine)和假木贼碱(又称“毒藜碱”，anabasine)。烟碱占烟草生物碱的90%左右，是最重要的一种生物碱，其次是降烟碱、假木贼碱和新烟草碱^{[1, 2]}。烟草中烟碱含量受多种因素影响，包括生态环境、栽培技术以及烟草品种等。烟碱主要在烟草根部合成，通过微管组织运输到叶片的叶肉，并储存于液泡内^[3]。腐胺(putrescine)在腐胺-N-甲基转移酶(putrescine N-methyltransferase，PMT)的作用下催化合成烟碱，这也是植物中烟碱合成的主要途径。在此过程中腐胺通过PMT获得1个甲基后转化为N-甲基腐胺(N-methyiputrescine)，N-甲基腐胺在N-甲基腐胺氧化酶(N-methylputrescine oxidase,MPO)催化下形成4-甲氨基丁醚^[4]，随后与提供吡啶环部分的烟酸衍生物发生缩合反应形成烟碱。在合成过程中，PMT是烟碱合成的关键酶，是调控烟碱合成代谢最重要的酶。

烟草烟碱含量关系到其生长发育以及工业可用性。烟草生长受到昆虫、病原菌侵害或受到胁迫时，烟株通过合成分泌烟碱抵御侵害，因此烟碱是一种自我保护性代谢物，对自我生长发育进行保护^{[5, 6]}。在工业生产中烟碱含量过高或过低都会导致烟叶化学成分含量不协调，降低可用性，不利于卷烟的生产^{[7, 8]}。在农业生产中烟碱正逐渐成为一种新型的环保杀虫剂，是一种高效、低毒、广谱的“绿色”农药，对农业生产以及环境保护具有重要的影响^{[9, 10]}。研究烟草的烟碱合成与代谢调控技术并注重推广应用对我国烟草工业以及农业生产的发展具有重要意义。

研究表明，烟草属植物积累的烟碱，其吡啶环来自烟酸，吡咯烷环(pyrrolidine ring)来自鸟氨酸(ornithine)，在合成过程中主要以精氨酸(arginine)为前体物质在植物内转化为鸟氨酸，鸟氨酸在鸟氨酸脱羧酶(ornithine decar-boxylase,ODC)的作用下转化为腐胺，或由精氨酸在精氨酸脱羧酶(arginine decarboxylase,ADC)的作用下转化为胍基丁胺(agmatine)，胍基丁胺再次转化为N-氨基甲酰腐胺(N-carbanoyl putrescine)，N-氨基甲酰腐胺通过进一步反应转化为腐胺。腐胺在PMT的作用下转化为N-甲基腐胺，N-甲基腐胺在MPO的作用下形成N-甲基吡咯烷盐，进而合成烟碱^{[11, 12]}。此外，腐胺在烟草体内合成后，可以与肉桂酸等酸性物质结合，形成结合态腐胺；还可以在亚精胺合成酶(spermidine synthase,SPDS)的催化下形成亚精胺(spermidine)，还可以转化成γ-氨基丁酸(GABA)^[13]。

烟碱的合成前体物质腐胺在亚精胺合成酶的作用下转化为亚精胺，从而减少了烟碱合成前体物质的含量，能够有效地降低植物中烟碱的合成。另一方面，已经合成的烟碱在烟碱-N-去甲基化酶(nicotine N-demethylase,NND)催化介导作用下可以转化为降烟碱(nornicontine)和N-亚硝基降烟碱(N-nitrosonornicotine,NNN)。烟碱通常占烟草生物碱的94%以上，而降烟碱的含量不超过3.5%。降烟碱是仲胺类生物碱，具有较大的不稳定性，容易发生氧化、酰化和亚硝化反应，生成麦斯明、酰基降烟碱和亚硝基降烟碱，这些物质的形成对烟叶品质和安全性具有不利影响^{[14, 15]}。已有研究表明，降烟碱对人体有危害作用，可引起人体蛋白质异常糖基化反应，造成吸烟者血浆变性蛋白质的积累，还可与常用的甾醇类药物共价结合，改变药效并产生毒副作用^[16]。除此以外，烟碱还可以转化成烟酸、氨基酸、色素、有机酸和糖类等^[17]。

朱佩等^[18]报道，随着生育时间的延长，烟碱积累强度呈直线上升趋势。烟碱积累速率与氮素吸收速率不同步。氮素吸收速率高峰期是在移栽后60 d，而此时烟碱积累才开始加速。烟碱积累的高峰期是在移栽后90 d，即打顶后30 d。打顶前根系烟碱含量高于烟叶，但打顶后烟叶中烟碱含量远高于根系。打顶前后鲜根中烟碱合成变化显著，打顶前鲜根中烟碱合成变化很小，但打顶后鲜根烟碱合成显著提高^{[19, 20]}。通常认为，烟碱在烟叶中积累后不再向植株的其他部位转移，也有研究表明^[21]，烟碱可以从叶片转移到烟株的其他部位。

烟株不同器官内的植物碱含量不同。一般叶片内烟碱含量最高，其次是根，茎的含量最低。烟碱在烟草根部合成后，随着蒸腾液流经木质部运输到地上部分。不同生育期各器官中烟碱分布为：苗期根部烟碱含量大于茎和叶片烟碱含量总和；移栽后根部烟碱含量最高，其次分别是茎和叶片；旺长期根部烟碱积累量相对下降，地上部分茎、叶片中烟碱积累量逐渐上升；成熟期叶片烟碱含量最高，其次分别是根和茎。不同部位之间，烟碱含量表现为：上部烟叶烟碱含量最高，其次是中部叶，下部叶烟碱含量最低^[18]。

烟株生长发育受到外界环境的影响，进而影响烟碱等多种物质的合成积累。水分对烤烟烟碱含量的影响与土壤本身的氮素供应状况有关^[22]。在正常生长的前提下，土壤供氮量较低时水分的增加降低烟叶烟碱含量；而土壤供氮量较高时水分增加会提高烟叶烟碱含量。干旱处理的烟草，叶片淀粉和烟碱含量减少；干旱程度越深，其变化趋势越明显^{[23, 24]}。

成熟期积温和日照时数与烟碱的积累呈正相关，降雨量与烟碱的积累呈负相关；积温和降雨量与烟碱的积累相关关系不显著，日照时数与烟碱的积累相关关系显著。这说明积温、降雨量、日照时数三因素中，日照时数对烟碱积累的影响较大。烟碱含量和气温、光热、降雨量密切相关，气温高、降雨少、光照充足，则烟碱含量较高^[25]。

移栽过早或过晚都会影响烟叶质量，一般烟叶中烟碱、总氮含量随移栽期的推迟呈上升趋势。打顶时间对烟叶中烟碱含量具有重要影响，中上部烟叶烟碱含量与打顶时间呈负相关关系^[26]。施肥量一定时，烟叶中烟碱含量随种植密度的增加呈下降趋势^[27]。氮素施用量与烟碱合成呈显著的正相关关系^[28]。生产中降低中、上部烟叶含氮化合物含量，提高烟叶可用性应严格控制施氮量；增加硝态氮施用比例可促进烟株对氮素的前期吸收，一定程度降低上部叶烟碱含量^[29]。烟碱积累与施氮、磷量，微肥施用，追肥施用比例呈正相关，且达显著水平；与施钾量呈负相关，钾肥的增施能够调节烟株的氮代谢，降低烟叶烟碱含量^[30]。在生产上应采取控氮、降磷、增钾，降低追肥比例的措施以降低烟碱含量^{[31, 32]}。留叶数越多单株烟叶烟碱合成量越大，但随叶片数的增加，单叶烟碱含量降低^[33]。在高海拔地区全生育期内覆盖地膜烟叶中烟碱含量增加，低海拔地区增加效果不明显^[34]。

目前已知参与烟碱代谢调控的植物激素主要有生长素(IAA)、乙烯及茉莉酸(jasmonate,JA)等，其中生长素、赤霉素(GA₃)类和乙烯等物质是烟碱合成的负调控因子，JA等是烟碱合成的正调控因子^{[35, 36, 37]}。JA是植物次生物质代谢的重要调控因子，在烟草中与烟碱合成相关的功能基因绝大多数受到JA的调控^{[38, 39]}，但现有研究也无法解释烟碱合成关键酶基因PMT的JA应答机理^[40]。 打顶后施用外源物质2，4-D能够降低烟叶中烟碱含量，其主要是促进了烟草的碳代谢并抑制了烟叶中硝酸还原酶活性，减弱根系活力以及降低跟烟碱合成相关酶的活性^[41]。IAA、GA₃作为一种信号物质，在打顶时或者打顶后施用外源IAA或者GA₃能够有效降低控制烟碱合成的ODC、PMT和MPO等酶的活性，从而降低烟碱的合成^{[42, 43]}。在打顶后喷施GA₃能够显著地降低烟叶中的烟碱含量，而且高浓度GA₃降低烟碱的效果高于低浓度GA₃降低烟碱的效果。在烟株现蕾后外源施用乙烯能够有效降低中上部烟叶中烟碱含量，促进烟叶化学成分协调，提高烟叶的工业可用性^[44]。

鲜烟叶的采收成熟度直接影响调制后烟叶中烟碱的含量。有报道认为，烤烟上部叶不连秆一次采烤同连秆一次采烤相比，可以降低烟叶的烟碱含量^[45]。白肋烟摘叶采收比例增大，会增加上部叶烟碱含量。为降低烟叶烟碱含量，应尽可能减少摘叶采收比例。当烟叶主色调呈黄色、叶面有明显成熟斑、主脉变白发亮、侧脉3/4基本全白时，一次性采收或带茎砍收，采取适当延长变黄时间、稳定升温定色、拉长54~55 ℃烘烤时间的工艺进行烘烤，具有降低上部叶总氮、烟碱含量的作用^[46]。高湿变黄和高湿定色烤后烟叶总氮含量较低；湿度对烤后烟碱含量的影响不明显^[47]。随着转火时机的延长，烟碱含量趋于下降^{[48, 49]}。随着烘烤时间的延长，烟叶内烟碱含量下降^[50]。

烟碱代谢过程中主要受ODC、ADC、MPO以及PMT等关键基因的调控。有研究认为^[51]烟草植株中，ODC途径是提供腐胺中间物用于生物碱合成的首要途径，而ADC仅起次要作用。在ADC的反义抑制植株中，ADC的转录和活性显著降低，但并未降低叶片烟碱的含量，且新烟碱含量有轻微的升高^[52]。相反地，通过RNAi技术沉默ODC基因的植株烟碱含量显著降低，并伴随着新烟碱的大量增加^[53]，这可能是由于仍有一定的代谢流走向了ADC代谢途径。金云峰等^[53]研究认为，ODC基因在烟碱大量合成时表达量显著高于ADC，尽管至少有4个ODC基因编码了ODC酶，但很可能只有一部分受到特异性调节参与生物碱合成，而其他的则根据细胞对多胺代谢的需要而受到调节。因此，ODC和ADC为烟草烟碱合成提供所需的腐胺具有重要作用。Shoji et al^[54]发现，在过量表达MPO基因的烟草中，烟碱合成急剧增高；RNA干扰技术抑制烟草发状根中MPO基因表达使烟碱生物合成明显受到抑制，这表明MPO基因转录水平也是制约烟碱合成的关键步骤。PMT酶活性最初从烟草根部检测到^[55]。Hibi et al^[56]从烟草中克隆发现第1个PMTcDNA，接着从番茄、马铃薯、曼陀罗等植物中获得更多的PMTcDNA序列，Teuber et al^[57]首次从旋花科植物克隆了PMT基因。过量表达PMT基因可以使叶部烟碱的积累量增加^[58]，通过反义RNA技术沉默PMT的表达可以降低叶部烟碱的含量^[59]。

烟草作为植物研究的模式作物，对生物学研究具有一定的参考价值。在烟碱代谢的调控上，虽然众多的栽培措施已被证实对烟碱代谢具有调控作用，但是在实际生产应用中还存在应用不够广泛等问题。在生理生化调控上烟碱代谢的途径已经基本清晰，部分基因被分离鉴定，但外源物质调控烟碱合成的响应机制还不够明确，烟碱合成的根特异性的遗传机理仍有待研究，也存在调控基因分离鉴定不够完整的问题。因此，烟碱合成的根特异性的遗传机理以及烟碱代谢相关调控基因的分离鉴定及其同源基因的发现等问题将成为后续研究热点。