煙草葉綠體結構及發(fā)育影響因素的研究進展

皮本陽，戴林建，方 杰

(1湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，長沙410128;2常德市煙草公司臨澧縣分公司，湖南常德415000)

葉綠體是綠色植物光合作用的重要細胞器，是有機物合成和積累的重要場所，其含有的色素、多酚等有機物是煙葉致香成分的前體物質，因此葉綠體的形成與發(fā)育是影響煙葉產(chǎn)質量的重要因素。近年來，隨著現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)的發(fā)展，國家煙草專賣局多次提出科技種煙是未來煙草農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向［1］。對影響煙草葉綠體結構及發(fā)育因素的研究在科技種煙課題上尤為重要，有關葉綠體的發(fā)育等方面的研究已成為眾多學者關注的課題。為進一步了解葉綠體結構與發(fā)育的影響因素，結合我國當前煙葉生產(chǎn)形勢，筆者綜述了最近幾年在烤煙及相關作物葉綠體形成與發(fā)育方面所取得的研究結果，以期為優(yōu)質煙葉生產(chǎn)提供科學依據(jù)。

1 葉綠體的結構及發(fā)育

葉綠體在綠色植株上分布很廣，主要集中在葉肉細胞及保衛(wèi)細胞中，大多呈扁平橢圓形，來源于幼嫩植物分生組織細胞中近乎無色的前質體，在光照下合成色素，同時逐漸形成囊狀結構的類囊體，從而發(fā)育成葉綠體。葉綠體通過自身的二分裂方式增加其數(shù)目。由被膜、基質和類囊體三部分構成，其中，被膜是空間三維結合膜，主要控制物質進出交換，維持葉綠體形態(tài);類囊體有基質片層和基粒片層之分，完成光合作用中電子傳遞與光合磷酸化步驟的兩個光系統(tǒng)PSⅠ、PSⅡ主要分布在類囊體上;基質除含有大量水分和礦質元素外，還含有多種可溶性蛋白質酶類物質和核酸等其他有機物質，使光合作用復雜的生化反應得以順利進行。

2 影響葉綠體結構及發(fā)育的因素

2.1 光照

光是植物脫黃化過程的首要信號，導致植物光形態(tài)的建成，最顯著的特點是形成葉綠體。光照時間、不同光質與光強的照光條件都能影響煙草葉綠體的生長發(fā)育和超微結構變化。

(1)不同植物生長需要的光照時間長短不同。對于煙草而言，長時間照光會引起葉綠體膨脹成圓形，基粒片層遭受一定程度的破壞。原因之一是植物持續(xù)照光，葉綠體持續(xù)進行光合作用，代謝合成物質增多，淀粉粒和脂質球不斷累積積累，從而破壞葉綠體體內(nèi)物質平衡。

(2)光質影響煙草植株的光合特性、葉綠體的生長發(fā)育及衰老，主要表現(xiàn)在光合色素含量變化和超微結構的異同。有研究表明，葉綠體基粒片層垛疊程度與葉綠素總含量呈正相關［2］，因此葉綠素總含量直接關系到葉綠體形成發(fā)育程度。張歡等［3］研究了光質對煙草光合色素積累量的影響，結果表明，單純的紅光、藍光或不同比例的紅藍組合光照射處理的光合色素都顯著高于熒光燈處理，遠紅光處理顯著低于熒光燈處理;同時，他還指出，不同光質對幼苗葉片中葉綠體超微結構產(chǎn)生顯著影響:紅光、藍光或紅藍組合光處理的葉綠體超微結構良好，其中紅藍組合光處理基粒、基質片層清晰，類囊體垛疊片層多且排列致密整齊，為最優(yōu)處理，但黃光及遠紅光處理葉綠體超微結構不完善，基粒數(shù)少、基質片層模糊且疏松散亂、類囊體結構不明顯。

(3)光強影響葉綠體的適應性。段青青［4］研究了黑暗無光條件對西瓜幼苗質量的影響，結果表明，黑暗可引起葉綠體變形，基粒、淀粉粒減少，基質片層疏松直至消失，膜破損，一定時間的黑暗處理后恢復光照，葉綠體功能結構可逐漸恢復。唐煥偉［5］報道了遮光對郁金香葉片葉綠素含量及葉綠體超微結構的影響，將5個郁金香品種進行盆栽，結果表明，弱光條件也能引起葉綠體結構變化，單個葉綠體脂質球和嗜鋨顆粒增多，基粒片層疏松，片層數(shù)減少，葉綠素含量降低，但葉綠體形狀變化不明顯，功能結構未破碎。劉科［6］在高等植物光系統(tǒng)Ⅱ中強光照射產(chǎn)生超氧陰離子自由基的ESR探索中指出，強光照條件下，葉綠體中PSⅡ光化學反應中心產(chǎn)生高濃度的O2－等活性自由基，損傷葉綠體膜及類囊體，從而使葉綠體功能結構遭受不可逆轉的破壞。由此可以推出，只有在適宜光照條件下生長的煙葉，葉綠體的功能才有可能完整，結構清晰，內(nèi)在的各種生化反應才能良好有序進行。

2.2 溫度

植物的脫黃化過程是一系列復雜的酶生理生化過程，葉綠體的形成發(fā)育需要酶催化合成各種物質，從而分化成各種功能結構，因此葉綠體是對溫度反應最為敏感的細胞器之一［7］。

劉榮梅等［8］研究了低溫對轉CBF3基因煙草葉綠體超微結構和生理特性的影響，試驗結果表明，在低溫脅迫條件下使酶活性鈍化，會影響物質合成的速率，使葉綠體發(fā)育畸形，功能結構發(fā)育不完全。通過對翠南報春、甜椒、玉米等植物葉綠體超微結構的觀察發(fā)現(xiàn)，在自然光照條件下的低溫脅迫沒有使葉綠體數(shù)目發(fā)生大的變化，但形態(tài)變化較大，主要表現(xiàn)在葉綠體膨脹成圓形，基粒片層受損，類囊體垛疊解體，淀粉粒消失［9］。此外，低溫脅迫時間長短對葉綠體影響也不同，長時間低溫能致使類囊體膜系統(tǒng)遭受不可逆破壞，導致光合能力降低，甚至喪失［2］。

在煙株成熟期，由于高溫對葉綠體的影響，容易遭遇高溫逼熟。萬里強等［10］在高溫干旱脅迫條件下對3個多年生黑麥草品種葉綠體超微結構變化進行了研究，結果表明，高溫對葉綠體傷害較輕的是類囊體片層膨脹，葉綠體體積增大，形狀變圓，這可能是植株為了減少光線的直接穿透量和受光面積，避免高溫灼傷的生理適應性反應，同時葉綠素降解加速;傷害較重的是葉綠體基粒片層溶解，最終導致細胞不可逆死亡。由此可以看出，煙草生長進入旺盛期后，如遇高溫天氣，葉綠體易產(chǎn)生較重傷害，即葉片灼傷，從而降低煙葉產(chǎn)質量。

2.3 水和部分營養(yǎng)元素

葉綠體的主要成分為水，占75%左右。干物質中，以蛋白質、脂類、色素和無機鹽為主，其中灰分元素占10%左右［11］。因此，水分和營養(yǎng)元素在葉綠體形成發(fā)育過程中起重要作用。水既是葉綠體主要成分之一，也是葉綠體內(nèi)微環(huán)境的重要溶劑，缺水或水分過多都能影響葉綠體正常發(fā)育，致使超微結構改變，加速葉綠體衰老解體。

葉綠體中很多物質都含有N，主要的有機物是類囊體膜蛋白、酶蛋白類和葉綠素，因此N素對葉綠體生長發(fā)育及功能有重要影響，也是煙葉生產(chǎn)上重要的施肥元素［12］。從葉綠素分子看，它是由4個含N吡咯環(huán)通過甲烯基連接而成的卟啉環(huán)頭部和一個葉綠醇尾部構成。在煙草生長前期適量增施N素可以增加煙葉葉綠素含量，提高葉綠體發(fā)育程度，提高煙草對逆境的適應能力。若N素缺乏則抑制葉綠素合成，導致植物中葉綠素含量減少，CO2吸收減少，Chl a∕b值比正常狀態(tài)高，影響光合作用，減少煙株生物產(chǎn)量。此外N素缺乏也能改變?nèi)~綠體膜通透性，呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律，使葉綠體出現(xiàn)“水腫”現(xiàn)象，超微結構模糊不清［13］。同時，N肥過量也影響光合作用，不利于葉綠體正常發(fā)育，使煙株產(chǎn)生“貪青晚熟”現(xiàn)象，甚至形成黑暴煙，影響其品質。

在大田條件下，礦質元素缺乏會嚴重影響葉綠體形成及發(fā)育，阻礙物質合成及轉運，不利于煙草內(nèi)在品質形成，降低煙葉產(chǎn)量。例如缺P致使葉綠體發(fā)育不良，導致單位葉面積葉綠素含量相對增加，形成褐色斑點;缺K影響光合物質的運輸，進而影響光合作用及葉綠體發(fā)育，煙葉暗綠無光澤，葉邊緣呈燒焦狀，影響煙葉外觀質量和內(nèi)在質量;缺Mg會嚴重影響葉綠素形成及葉綠體的發(fā)育，從而導致煙葉質量下降［14］。同時，礦質元素不僅是葉綠體結構成分，更是各種蛋白復合體和光合酶的活化劑。任何一種營養(yǎng)元素的缺乏都會直接或間接影響煙葉葉綠體發(fā)育，影響光合作用，從而減少煙葉產(chǎn)量、降低煙葉質量。

2.4 空氣成分比例

CO2和O3是空氣中影響煙葉葉綠體生長發(fā)育的主要因素。有研究［9］認為高濃度的CO2能促進光合作用，使葉綠體數(shù)目增加，但其超微結構發(fā)生改變:基粒片層垛疊程度降低，類囊體明顯增加。同時，研究結果還表明［9］，O3濃度增加對葉綠體結構產(chǎn)生損害作用，葉綠體體積縮小，被膜受損，基粒片層破裂，基質濃縮，從而導致葉綠體功能減弱、喪失。此外，O3是煙草氣候性斑點病的元兇。魏寧生等［15］測定，煙草氣候性斑點病可致使煙葉產(chǎn)量損失達10.5% ～53.5%，煙堿下降36.7%，總糖下降17.26%，還原糖下降18.32%，總氮和蛋白質也有下降趨勢。趙天宏等［16］報道，適量提高CO2濃度可緩解O對葉綠體的負效應。

2.5 重金屬

土壤中過量的重金屬容易導致煙草植株發(fā)生“中毒”現(xiàn)象，不僅影響煙葉產(chǎn)質量，而且給煙葉安全性帶來威脅。鎘是已發(fā)現(xiàn)的環(huán)境中最具生物毒性的重金屬污染物之一，在土壤中具有很強的移動性且易被植物吸收積累［17，18］。袁祖麗［19］、馬新明［20］等在鎘污染對煙草葉片超微結構及部分元素的影響試驗中發(fā)現(xiàn)，煙草植株重金屬中毒會明顯降低原葉綠素酸脂還原酶活性，從而致使葉綠素含量下降，加速葉綠體老化，同時也能影響葉綠體的二分裂，減少葉綠體數(shù)目。吳坤等［21］研究指出，隨著鎘污染濃度增大，光合色素含量顯著降低，PSⅡ潛在活性和PSⅡ最大光能轉化效率均呈下降趨勢。此外，鎘污染還能導致營養(yǎng)元素含量降低，特別K、Mn呈極顯著降低趨勢［19］。

2.6 煙草病毒

煙草病毒病是全世界煙草栽培地區(qū)普遍發(fā)生的一類病害，也是我國各煙區(qū)的重要病害，近年來有日益嚴重的趨勢，其中，花葉型病毒病對煙葉造成的損失占煙草侵染性病害總損失的37%［14］?；ㄈ~型病毒(主要為TMV、CMV、PVY及TEV)入侵煙草植株后產(chǎn)生顯著的花葉癥狀，細胞內(nèi)葉綠體結構和功能也遭受到破壞，導致葉綠體發(fā)育不良，數(shù)目減少［22］。有研究［23，24］表明，TMV、CMV、PVY 及 TEV 等病毒侵染寄主細胞后，外殼蛋白與類囊體膜上的PSⅠ系統(tǒng)特異性結合，阻止電子正常傳遞，導致活性氧原子積累，破壞葉綠體。於春等［25］研究了TMV－CP的葉綠體離體跨膜運輸特性，結果表明自然條件下，TMV感染煙草病毒后花葉癥狀需要一定時間才會顯現(xiàn)、加重。Hodgson等［26］認為，這是煙草葉綠體中TMV－CP逐漸積累的緣故。

2.7 外來化學物質

除草劑現(xiàn)已廣泛運用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，其脲類(如敵草隆)、聯(lián)吡啶類(如百草枯)、三氮苯類(如撲草滅)3類是主要殘存在植煙土壤中的除草劑，給煙草生產(chǎn)和煙葉品質形成帶來不利影響。其機理之一是除草劑影響了植物葉綠體降解超氧脅迫系統(tǒng)中超氧歧化酶(SOD)、谷胱甘肽還原酶、抗壞血酸過氧化氫酶活性，從而降低葉綠體和煙草植株自身抗逆脅迫能力，同時，除草劑還破壞PSⅠ、PSⅡ電子傳遞系統(tǒng)和誘導葉綠體遺傳物質突變［27］。因此，為保證煙株正常生長，應限制在植煙土壤使用除草劑，或開發(fā)及推廣除草劑替代品。

3 展望

目前，隨著科技種煙研究的深入，對于植物中葉綠體發(fā)育影響因素已經(jīng)有了一定的了解，但在煙草這一追求“適產(chǎn)優(yōu)質”和“提香、減害、增效”的葉用經(jīng)濟作物上，仍然存在某些問題尚待解決，主要包括:1)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，不同生態(tài)環(huán)境對煙葉產(chǎn)質量有特殊影響，但影響機制還不完全清楚，特別是生態(tài)環(huán)境如海拔等對葉綠體的影響仍然不十分清楚;2)雖然各個煙區(qū)有適合當?shù)靥厣氖┓始夹g，也根據(jù)具體情況制定了施肥配方，但是有關不同有機肥及其施用量對煙葉葉綠體發(fā)育的研究報道較少，很難為優(yōu)質煙葉生產(chǎn)提供理論依據(jù);3)煙葉的質量需要烘烤環(huán)節(jié)來顯露和發(fā)揮，這一程度主要決定于變黃期，但變黃期內(nèi)煙葉葉綠體形態(tài)變化和各種物質降解及新物質形成趨勢與烘烤環(huán)境的關系還不十分明確。因此，對煙葉葉綠體發(fā)育研究，不僅有助于理解煙葉產(chǎn)質量關系的生理機制，同時也可為以“減工、降本、增效”為核心的現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)建設提供理論依據(jù)。

［1］ 姜成康.姜成康局長在2010年全國煙草專賣局長、公司總經(jīng)理座談會上的講話［EB/OL］.http://www.tobacco.gov.cn/html.［2010 －07 －17］

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