煙草葉綠體及其色素研究進(jìn)展

龍春芬，孫煥良，劉 燕，李 輝

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)沙410128)

葉綠體是綠色植物進(jìn)行光合作用的場(chǎng)所，屬于亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。葉綠素是葉綠體中最重要的色素，烤煙葉片葉綠素含量變化導(dǎo)致的葉色變化，在生產(chǎn)上通常作為煙株?duì)I養(yǎng)管理和葉片成熟度判斷的重要指標(biāo)[1]。研究葉綠素的變化可以判斷煙葉成熟度，準(zhǔn)確掌握煙葉采收時(shí)期，對(duì)提高煙葉的生產(chǎn)質(zhì)量、增加煙農(nóng)的收入起關(guān)鍵作用[2]。在煙葉成長(zhǎng)成熟過(guò)程中，葉綠體的結(jié)構(gòu)、數(shù)量都會(huì)發(fā)生明顯的變化。同時(shí)，葉綠素的含量也會(huì)隨之發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。因此，了解煙葉葉綠體的結(jié)構(gòu)與功能，探討葉綠體及葉綠素與煙葉成熟度和品質(zhì)的關(guān)系，對(duì)更好地掌握煙株的營(yíng)養(yǎng)狀況，在最佳成熟度采收煙葉以提高煙葉質(zhì)量具有重要的意義。

1 葉綠體概述

1.1 葉綠體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成

葉綠體為植物細(xì)胞內(nèi)含有葉綠素并能進(jìn)行光合作用的質(zhì)體，是植物綠色細(xì)胞所特有的能量轉(zhuǎn)換細(xì)胞器[3]。葉綠體一般呈透鏡狀，大小約1～3 μm×5～7 μm ×2 ～3 μm，有雙層被膜與胞質(zhì)分開(kāi)，內(nèi)有片層膜，含葉綠素[4，5]。通常一個(gè)葉肉細(xì)胞含有幾十甚至上百個(gè)葉綠體。在電鏡下，高等植物的葉綠體為膜層結(jié)構(gòu)，葉綠體由葉綠體膜、類囊體和基質(zhì)三部分構(gòu)成，基質(zhì)內(nèi)分布有40～80個(gè)基粒(在低等植物如綠藻中，這些膜形成扁平的囊或盤(pán)而沒(méi)有基粒)[3～6]。葉綠體的化學(xué)組成主要是蛋白質(zhì)和脂類，此外，還有少量糖類及核酸。從高等植物的葉綠體化學(xué)成分來(lái)看，其中蛋白質(zhì)約占干重的35% ～55%，脂類約占干重的20% ～30%。大約80%的蛋白質(zhì)是不溶性的，它們與脂類結(jié)合，形成脂蛋白[4]。葉綠體中含有葉綠素和類胡蘿卜素。高等植物細(xì)胞的葉綠體具有兩種，即葉綠素a和葉綠素b，它們均勻地分布于基粒片層和基質(zhì)片層之中。葉綠素的吸收光譜與光合作用效率相一致，這說(shuō)明葉綠素是主要的捕捉能量的分子。類胡蘿卜素包括β－胡蘿卜素和葉黃素等，通常被葉綠素所掩蓋，當(dāng)葉綠素含量減少時(shí)，它們才顯示出來(lái)。葉綠體中RNA的平均含量為干重的5%左右。在葉綠體的基質(zhì)中發(fā)現(xiàn)有DNA，它的存在可由電鏡照片予以確定，但含量很少，只占5%左右。除此之外，在葉綠體的類囊膜上還存在電子載體蛋白質(zhì)，如細(xì)胞色素、質(zhì)體藍(lán)素和鐵氧化還原蛋白等。在進(jìn)行光合作用時(shí)，這些電子載體蛋白質(zhì)具有傳遞電子的作用。新鮮煙葉葉綠體中的色素種類主要有葉綠素a、葉綠素b、葉黃素、新黃質(zhì)、紫黃質(zhì)和β－胡蘿卜素[7]。新鮮煙葉中葉綠素含量變化范圍一般為0.5% ～4%，成熟煙葉中胡蘿卜素和葉黃素的總量大約占葉綠素含量的1/5至1/3[8]?？緹煙熑~中的胡蘿卜素是由68%的β－胡蘿卜素和32%的新β－胡蘿卜素所組成的混合物，而葉黃素的構(gòu)成為60%的葉黃素，22%的新黃素和18%的紫黃質(zhì)[9]。

1.2 葉綠體的功能

葉綠體的主要功能是進(jìn)行光合作用[3～6]。光反應(yīng)在類囊體部分進(jìn)行，類囊體膜中的光合色素分子吸收和傳遞光能，在反應(yīng)中心光能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，形成ATP和NADPH，同時(shí)使水分解放氧。暗反應(yīng)在葉綠體基質(zhì)中進(jìn)行，利用光反應(yīng)形成的 ATP和NADPH，同化CO2形成貯能有機(jī)物。葉綠體DNA能以半保留方式復(fù)制，并有自己的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)。葉綠體中的重要蛋白質(zhì)，分別由核基因和葉綠體基因編碼形成。此外，葉綠體基因與細(xì)胞質(zhì)遺傳有一定關(guān)系。在個(gè)體發(fā)育中，葉綠體是由前質(zhì)體分化而來(lái)。發(fā)育中的幼齡葉綠體分裂能使葉綠體增殖。在光照條件下，白色體可變成具有正常結(jié)構(gòu)和功能的葉綠體[6]。

2 葉綠體與煙葉品質(zhì)的關(guān)系

煙草的光合作用在葉綠體中進(jìn)行。葉綠素是進(jìn)行光合作用的重要色素，胡蘿卜素是煙葉香氣物質(zhì)的重要來(lái)源，葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素均隨著煙葉成熟度的提高而減少，但類胡蘿卜素占色素的比例隨著成熟度的提高而增加[10]。葉綠素是綠色植物進(jìn)行光合作用吸收光能和光能轉(zhuǎn)化的物質(zhì)，其含量是植物進(jìn)行碳氮代謝的基礎(chǔ)，因此，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和品質(zhì)的形成具有重要的作用[11]。煙草類型(品種)、葉位、煙葉成熟度以及環(huán)境條件和栽培條件都會(huì)影響煙草葉片葉綠體的數(shù)量和葉綠素的含量。

2.1 不同煙草類型(品種)葉綠體和葉綠素含量差異

李虎林[12]等比較分析不同類型煙草葉片葉綠素和類胡蘿卜素含量的結(jié)果表明，曬紅煙的葉綠素含量明顯高于烤煙中的含量，而烤煙中的葉綠素含量又明顯高于白肋煙的;進(jìn)一步比較3種類型煙草葉片中葉綠素a和葉綠素b的含量，發(fā)現(xiàn)了同樣的趨勢(shì)，即曬紅煙＞烤煙＞白肋煙，說(shuō)明曬紅煙潛在的光合能力高于烤煙，烤煙高于白肋煙;類胡蘿卜素含量的差異與葉綠素基本相同，即曬紅煙＞烤煙＞白肋煙。姿義龍[13]等研究表明，白肋煙與烤煙葉綠素含量的差異達(dá)極顯著水平，烤煙不同品種間葉綠素含量也存在顯著差異。曾建敏[14]等對(duì)烤煙品種K326和紅花大金元在移栽后采用不同的試劑提取葉綠素含量，并將所測(cè)的葉綠素含量與SPAD值的關(guān)系進(jìn)行研究，其結(jié)果表明，不同提取試劑對(duì)烤煙K326和紅花大金元葉片葉綠素提取進(jìn)程的影響差異顯著，其中以將體積比為2∶1的丙酮與無(wú)水乙醇混合液配制成95%的水溶液效果最好;葉片葉綠素含量與SPAD值存在極顯著的正相關(guān)。也有研究表明，不同品種間的葉綠素含量差異也達(dá)到顯著水平[15]。李躍武[16]等對(duì)烤煙品種云煙85和 K326不同成熟度鮮葉進(jìn)行解剖觀察和葉綠素含量測(cè)定，并進(jìn)行烘烤驗(yàn)證和煙葉化學(xué)成分分析。結(jié)果表明:云煙85各部位的葉片、柵欄組織、海綿組織的厚度均大于K326，2個(gè)品種間存在顯著差異。

2.2 不同葉位、不同成熟度煙草葉綠體和葉綠素含量變化

周杰[17]等以K326和G80為材料，研究不同成熟度烤煙葉片主脈葉綠體的差異，結(jié)果表明，葉片主脈葉綠素含量和葉綠體數(shù)量隨著成熟度的提高而降低，葉綠體解體加快。K326和G80在莖葉夾角為50°左右時(shí)，處于適熟階段。李躍武等[16]對(duì)烤煙品種云煙85和K326的下二棚、腰葉、上二棚3個(gè)部位的不同成熟度鮮葉進(jìn)行解剖觀察和葉綠素含量測(cè)定，并進(jìn)行烘烤驗(yàn)證和煙葉化學(xué)成分分析。結(jié)果表明:2個(gè)品種各部位葉片、柵欄組織、海綿組織厚度都是隨著煙葉成熟度的提高而逐漸變小。2個(gè)品種各部位煙葉總?cè)~綠素含量也隨著煙葉成熟度的提高而降低，說(shuō)明隨著煙葉成熟度的提高，煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)呈下降趨勢(shì)。伍賢進(jìn)[15]對(duì)6個(gè)不同煙草品種分別在生根期、成苗期及伸根、旺長(zhǎng)、成熟各期測(cè)量其葉綠素含量，發(fā)現(xiàn)各品種各生育期葉綠素含量的變化趨勢(shì)一致。苗期葉綠素逐漸增加，成苗期時(shí)達(dá)到最高，然后隨著煙葉的成熟開(kāi)始下降，統(tǒng)計(jì)分析表明:同一品種在不同生育期葉綠素含量的差異顯著。吳國(guó)賀等[18]研究表明，上、中、下不同部位煙草葉片的葉片厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度及柵欄組織與海綿組織厚度比值均隨成熟度的增加而下降;細(xì)胞間孔隙度隨成熟度發(fā)展而增大;葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量也隨成熟度的增加而降低。陸星星等[19]在研究烤煙田間生長(zhǎng)過(guò)程中葉綠素含量動(dòng)態(tài)變化規(guī)律時(shí)，在烤煙的不同生育期，對(duì)不同葉序及同一葉片不同部位的葉綠素含量進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明:煙株在封頂前葉綠素含量逐漸增高，封頂后則隨著氮代謝的減弱呈下降趨勢(shì);新葉的葉綠素含量高于老葉的葉綠素含量;同一葉片葉尖部位的葉綠素含量變化最大，葉基部次之，葉中部最小;在測(cè)定烤煙田間生長(zhǎng)過(guò)程中葉綠素含量時(shí)，可以選取葉片的中部進(jìn)行測(cè)定。師進(jìn)霖等[1]研究烤煙葉片CCI值與葉綠素含量的相關(guān)性的結(jié)果也表明，葉綠素值與葉綠素含量存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，用葉綠素計(jì)監(jiān)測(cè)烤煙葉片最佳部位為中部。王嬋娟等[20]研究表明，葉片發(fā)育過(guò)程中凈光合速率值呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。葉綠素含量同凈光合速率變化趨勢(shì)一致，結(jié)合葉綠體超微結(jié)構(gòu)觀察結(jié)果，可知凈光合速率的變化與葉綠體超微結(jié)構(gòu)的發(fā)育及葉綠素含量密切相關(guān)，葉綠體結(jié)構(gòu)逐步完善及葉綠素含量升高是導(dǎo)致凈光合速率上升的主要原因，凈光合速率下降的過(guò)程中，葉綠體超微結(jié)構(gòu)的逐步解體，烤煙葉片的衰老主要是非氣孔限制因素引起的。在煙葉的調(diào)制過(guò)程中，葉綠素的降解是黃色品質(zhì)和香氣物質(zhì)形成的基礎(chǔ)。如果葉綠素沒(méi)有充分降解就將煙葉烤干，就會(huì)烤出不同程度的“青黃煙”?！扒帱S煙”不僅外觀品質(zhì)不良，而且也會(huì)嚴(yán)重影響煙葉的內(nèi)在品質(zhì)[21]。李雪震、王樹(shù)生等[22，23]研究表明，烤后煙葉中葉綠素含量與評(píng)吸勁頭得分呈負(fù)相關(guān)，說(shuō)明葉綠素含量過(guò)高對(duì)煙葉品質(zhì)不利，葉綠素含量在0.8 mg/g干葉以下為宜。

2.3 不同施肥水平下煙葉葉綠素含量變化

煙草是耐肥作物，不同的施肥水平會(huì)對(duì)煙草的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生重要影響。施肥的種類和數(shù)量會(huì)影響煙葉的葉綠體結(jié)構(gòu)、葉綠素和類胡蘿卜素的含量，進(jìn)而影響煙葉的產(chǎn)量、香氣質(zhì)量和煙葉評(píng)級(jí)。尹鵬達(dá)等[24]以烤煙品種龍江911為材料，在田間條件下以氮、磷、鉀施用量和配比作為變量，以烤煙葉片的葉綠素含量為目標(biāo)函數(shù)建立方程。結(jié)果表明:烤煙葉片葉綠素含量與不同氮磷鉀配比密切相關(guān)，并能建立三元二次回歸方程;氮磷鉀是影響烤煙葉片葉綠素含量的主控因子;磷鉀的交互作用為正相關(guān)。以葉綠素含量為指標(biāo)篩選出東北地區(qū)烤煙的最佳施肥方案為:N 15 kg/hm2，P2O5101 kg/hm2，K2O 189 kg/hm2。師進(jìn)霖[25]、崔保偉[26]等研究結(jié)果也表明，隨著施氮量的增加，烤煙最大葉面積、株高、產(chǎn)量及葉綠素含量均呈增加趨勢(shì)，但施氮量達(dá)到一定限度時(shí)，產(chǎn)值、均價(jià)、上等煙比例、中上等煙比例均呈下降趨勢(shì)。張紀(jì)利等[27]對(duì) K326、云煙 85、CB －1、紅花大金元4個(gè)煙草品種進(jìn)行葉面噴施鉬肥，研究施鉬對(duì)煙草葉片葉綠素含量、光合速率、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，施鉬能提高4個(gè)品種生育前期葉片葉綠素的含量和光合速率，提高烤后煙葉中上等煙的比例，顯著降低雜色煙的比例，增加煙葉產(chǎn)量和產(chǎn)值，提高煙葉含鉀量和含鉬量。

3 環(huán)境條件與煙草葉綠體的關(guān)系

3.1 光照

煙草是喜光作物，充足的光照有利于葉綠素含量的增加，增強(qiáng)光合作用，積累更多的有機(jī)物，提高煙草產(chǎn)量和品質(zhì)。蘇新宏等[28]采用盆栽方法研究了旺長(zhǎng)期遮光及光照轉(zhuǎn)換對(duì)不同肥料條件下煙草葉片光合速率(Pn)與熒光特性的影響。結(jié)果表明，遮光促進(jìn)兩種肥料條件下煙草葉片葉綠素(Chl)和類胡蘿卜素(Car)含量的積累，卻降低它們的Pn。其中施無(wú)機(jī)肥的煙草葉片Chl含量增加較多，而50%無(wú)機(jī)肥+50%餅肥配施時(shí)煙草葉片的Car增幅顯著，說(shuō)明施無(wú)機(jī)肥時(shí)煙草葉片Chl/Car上升，而無(wú)機(jī)肥+餅肥配施時(shí)煙草葉片Chl/Car卻下降。柯學(xué)等[29]研究了不同光質(zhì)對(duì)煙草葉片生長(zhǎng)及光合作用的影響，結(jié)果表明:紅光、藍(lán)光和紫光促進(jìn)了煙葉的生長(zhǎng)，這種促進(jìn)作用是與其高光合效率緊密相連的;而黃光對(duì)煙葉的生長(zhǎng)有一定程度的抑制作用。

3.2 水分

肖金香等[30]在烤煙的不同生育期分別進(jìn)行灌水處理，并在灌水前后分別進(jìn)行葉綠素和農(nóng)藝性狀的測(cè)定。結(jié)果表明，當(dāng)團(tuán)棵期土壤含水量為65% ～75% ，旺長(zhǎng)期、現(xiàn)蕾期、成熟期為55% ～65%時(shí)最有利于煙葉生長(zhǎng);土壤含水量越高，越有利于株高的增長(zhǎng)，但對(duì)根的生長(zhǎng)不利;水分過(guò)多、過(guò)少都不利于產(chǎn)量的形成;團(tuán)棵期土壤含水量65% ～75%，旺長(zhǎng)和現(xiàn)蕾期75% ～85%，成熟期35% ～45%時(shí)，最有利葉綠素含量的增加，可使煙葉葉綠素含量達(dá)到最高。這一結(jié)論在崔保偉[31]的研究中也得到了證明:在烤煙的不同生育時(shí)期，正常生長(zhǎng)所需要土壤相對(duì)含水量也不一樣，無(wú)論是干旱還是水分過(guò)飽和都會(huì)使烤煙的光合速率降低，最適宜光合速率的土壤相對(duì)含水量在團(tuán)棵期、旺長(zhǎng)期、現(xiàn)蕾期和成熟期分別是65%、80%、80%和65%。張曉海等[32]的研究結(jié)果也表明，隨著水分調(diào)控時(shí)期的提前，煙葉葉綠素含量增加，煙葉鉀含量逐漸提高，化學(xué)成分趨于協(xié)調(diào)，吸味品質(zhì)有所提高。

3.3 種植密度

畢文榮等[33]以云煙85為材料，研究了不同種植密度對(duì)烤煙農(nóng)藝性狀、光合色素、產(chǎn)量、產(chǎn)值和質(zhì)量的影響。結(jié)果表明:種植密度在16 680～22 230株/hm2時(shí)，隨著密度的增加，葉面積系數(shù)增加，煙葉中葉綠素含量下降，烤后下中部煙葉單葉重較高，產(chǎn)量和產(chǎn)值越高，均價(jià)、上中等煙比例也較高，總糖、還原糖含量增加，煙堿、總氮、蛋白質(zhì)含量下降，種植密度22 230株/hm2時(shí)效果最好，能夠獲得較高的產(chǎn)量和產(chǎn)值及較協(xié)調(diào)的內(nèi)在化學(xué)成分。張廣富等[34]研究表明，種植密度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)不同程度降低光合作用，也就降低了葉綠素含量，進(jìn)而影響烤煙的產(chǎn)量和品質(zhì)。王瑞等[35]研究結(jié)果顯示，降低種植密度可以降低葉片Pn下降率，延緩光合功能的衰退，延長(zhǎng)同化產(chǎn)物的積累時(shí)間。較高種植密度能夠減輕中部葉片“午休”的程度。以上研究均表明:合適的種植密度有利于煙株的生長(zhǎng)發(fā)育，提高煙葉葉綠素含量，推遲葉綠體的降解，提高凈光合速率，提高煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)。

4 小結(jié)與展望

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)煙葉品質(zhì)的研究多集中于肥料、水分脅迫和光照方面，對(duì)葉綠體的研究尚處于初級(jí)階段。葉綠素是鮮煙葉中的質(zhì)體色素之一，它不僅決定調(diào)制后煙葉的葉色，而且對(duì)煙草香味物質(zhì)的形成和品質(zhì)的提高具有重要的貢獻(xiàn)[7]。煙葉的成熟度與煙葉的內(nèi)在品質(zhì)有著密切的關(guān)系，成熟度是煙葉化學(xué)成分等內(nèi)在品質(zhì)的外在表現(xiàn)，它是影響煙葉內(nèi)在品質(zhì)、外觀商品等級(jí)、加工時(shí)物理性狀及其香吃味等實(shí)用價(jià)值的重要因素[36]。因此，為更好掌握煙葉的成熟度，提高煙葉品質(zhì)，筆者認(rèn)為在今后的研究中，可以加強(qiáng)以下幾方面的工作:深入研究葉綠體的解剖結(jié)構(gòu)，探討其在煙葉生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的合成與解體過(guò)程，同時(shí)測(cè)定相應(yīng)的葉綠素含量的變化，深入研究葉綠體與煙葉品質(zhì)的關(guān)系。

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