煙草葉綠體及其色素研究進展

龍春芬，孫煥良，劉 燕，李 輝

(湖南農業大學農學院，長沙410128)

葉綠體是綠色植物進行光合作用的場所，屬于亞細胞結構。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致的葉色變化，在生產上通常作為煙株營養管理和葉片成熟度判斷的重要指標[1]。研究葉綠素的變化可以判斷煙葉成熟度，準確掌握煙葉采收時期，對提高煙葉的生產質量、增加煙農的收入起關鍵作用[2]。在煙葉成長成熟過程中，葉綠體的結構、數量都會發生明顯的變化。同時，葉綠素的含量也會隨之發生動態變化。因此，了解煙葉葉綠體的結構與功能，探討葉綠體及葉綠素與煙葉成熟度和品質的關系，對更好地掌握煙株的營養狀況，在最佳成熟度采收煙葉以提高煙葉質量具有重要的意義。

1 葉綠體概述

1.1 葉綠體的形態、結構和化學組成

葉綠體為植物細胞內含有葉綠素并能進行光合作用的質體，是植物綠色細胞所特有的能量轉換細胞器[3]。葉綠體一般呈透鏡狀，大小約1～3 μm×5～7 μm ×2 ～3 μm，有雙層被膜與胞質分開，內有片層膜，含葉綠素[4，5]。通常一個葉肉細胞含有幾十甚至上百個葉綠體。在電鏡下，高等植物的葉綠體為膜層結構，葉綠體由葉綠體膜、類囊體和基質三部分構成，基質內分布有40～80個基粒(在低等植物如綠藻中，這些膜形成扁平的囊或盤而沒有基粒)[3～6]。葉綠體的化學組成主要是蛋白質和脂類，此外，還有少量糖類及核酸。從高等植物的葉綠體化學成分來看，其中蛋白質約占干重的35% ～55%，脂類約占干重的20% ～30%。大約80%的蛋白質是不溶性的，它們與脂類結合，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片層之中。葉綠素的吸收光譜與光合作用效率相一致，這說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，當葉綠素含量減少時，它們才顯示出來。葉綠體中RNA的平均含量為干重的5%左右。在葉綠體的基質中發現有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，如細胞色素、質體藍素和鐵氧化還原蛋白等。在進行光合作用時，這些電子載體蛋白質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、紫黃質和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]。烤煙煙葉中的胡蘿卜素是由68%的β－胡蘿卜素和32%的新β－胡蘿卜素所組成的混合物，而葉黃素的構成為60%的葉黃素，22%的新黃素和18%的紫黃質[9]。

1.2 葉綠體的功能

葉綠體的主要功能是進行光合作用[3～6]。光反應在類囊體部分進行，類囊體膜中的光合色素分子吸收和傳遞光能，在反應中心光能轉化成化學能，形成ATP和NADPH，同時使水分解放氧。暗反應在葉綠體基質中進行，利用光反應形成的 ATP和NADPH，同化CO2形成貯能有機物。葉綠體DNA能以半保留方式復制，并有自己的蛋白質合成系統。葉綠體中的重要蛋白質，分別由核基因和葉綠體基因編碼形成。此外，葉綠體基因與細胞質遺傳有一定關系。在個體發育中，葉綠體是由前質體分化而來。發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構和功能的葉綠體[6]。

2 葉綠體與煙葉品質的關系

煙草的光合作用在葉綠體中進行。葉綠素是進行光合作用的重要色素，胡蘿卜素是煙葉香氣物質的重要來源，葉綠素a、葉綠素b、總葉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行光合作用吸收光能和光能轉化的物質，其含量是植物進行碳氮代謝的基礎，因此，對植物的生長發育和品質的形成具有重要的作用[11]。煙草類型(品種)、葉位、煙葉成熟度以及環境條件和栽培條件都會影響煙草葉片葉綠體的數量和葉綠素的含量。

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，發現了同樣的趨勢，即曬紅煙＞烤煙＞白肋煙，說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，并將所測的葉綠素含量與SPAD值的關系進行研究，其結果表明，不同提取試劑對烤煙K326和紅花大金元葉片葉綠素提取進程的影響差異顯著，其中以將體積比為2∶1的丙酮與無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。也有研究表明，不同品種間的葉綠素含量差異也達到顯著水平[15]。李躍武[16]等對烤煙品種云煙85和 K326不同成熟度鮮葉進行解剖觀察和葉綠素含量測定，并進行烘烤驗證和煙葉化學成分分析。結果表明: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，結果表明，葉片主脈葉綠素含量和葉綠體數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，處于適熟階段。李躍武等[16]對烤煙品種云煙85和K326的下二棚、腰葉、上二棚3個部位的不同成熟度鮮葉進行解剖觀察和葉綠素含量測定，并進行烘烤驗證和煙葉化學成分分析。結果表明:2個品種各部位葉片、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個品種各部位煙葉總葉綠素含量也隨著煙葉成熟度的提高而降低，說明隨著煙葉成熟度的提高，煙葉產量和品質呈下降趨勢。伍賢進[15]對6個不同煙草品種分別在生根期、成苗期及伸根、旺長、成熟各期測量其葉綠素含量，發現各品種各生育期葉綠素含量的變化趨勢一致。苗期葉綠素逐漸增加，成苗期時達到最高，然后隨著煙葉的成熟開始下降，統計分析表明: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;細胞間孔隙度隨成熟度發展而增大;葉綠素a、葉綠素b、總葉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過程中葉綠素含量動態變化規律時，在烤煙的不同生育期，對不同葉序及同一葉片不同部位的葉綠素含量進行測定。結果表明: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;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;在測定烤煙田間生長過程中葉綠素含量時，可以選取葉片的中部進行測定。師進霖等[1]研究烤煙葉片CCI值與葉綠素含量的相關性的結果也表明，葉綠素值與葉綠素含量存在極顯著的正相關關系，用葉綠素計監測烤煙葉片最佳部位為中部。王嬋娟等[20]研究表明，葉片發育過程中凈光合速率值呈現先上升后下降的趨勢。葉綠素含量同凈光合速率變化趨勢一致，結合葉綠體超微結構觀察結果，可知凈光合速率的變化與葉綠體超微結構的發育及葉綠素含量密切相關，葉綠體結構逐步完善及葉綠素含量升高是導致凈光合速率上升的主要原因，凈光合速率下降的過程中，葉綠體超微結構的逐步解體，烤煙葉片的衰老主要是非氣孔限制因素引起的。在煙葉的調制過程中，葉綠素的降解是黃色品質和香氣物質形成的基礎。如果葉綠素沒有充分降解就將煙葉烤干，就會烤出不同程度的“青黃煙”?！扒帱S煙”不僅外觀品質不良，而且也會嚴重影響煙葉的內在品質[21]。李雪震、王樹生等[22，23]研究表明，烤后煙葉中葉綠素含量與評吸勁頭得分呈負相關，說明葉綠素含量過高對煙葉品質不利，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，不同的施肥水平會對煙草的生長發育產生重要影響。施肥的種類和數量會影響煙葉的葉綠體結構、葉綠素和類胡蘿卜素的含量，進而影響煙葉的產量、香氣質量和煙葉評級。尹鵬達等[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函數建立方程。結果表明:烤煙葉片葉綠素含量與不同氮磷鉀配比密切相關，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。以葉綠素含量為指標篩選出東北地區烤煙的最佳施肥方案為:N 15 kg/hm2，P2O5101 kg/hm2，K2O 189 kg/hm2。師進霖[25]、崔保偉[26]等研究結果也表明，隨著施氮量的增加，烤煙最大葉面積、株高、產量及葉綠素含量均呈增加趨勢，但施氮量達到一定限度時，產值、均價、上等煙比例、中上等煙比例均呈下降趨勢。張紀利等[27]對 K326、云煙 85、CB －1、紅花大金元4個煙草品種進行葉面噴施鉬肥，研究施鉬對煙草葉片葉綠素含量、光合速率、產量和品質的影響。結果表明，施鉬能提高4個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，增加煙葉產量和產值，提高煙葉含鉀量和含鉬量。

3 環境條件與煙草葉綠體的關系

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，增強光合作用，積累更多的有機物，提高煙草產量和品質。蘇新宏等[28]采用盆栽方法研究了旺長期遮光及光照轉換對不同肥料條件下煙草葉片光合速率(Pn)與熒光特性的影響。結果表明，遮光促進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。其中施無機肥的煙草葉片Chl含量增加較多，而50%無機肥+50%餅肥配施時煙草葉片的Car增幅顯著，說明施無機肥時煙草葉片Chl/Car上升，而無機肥+餅肥配施時煙草葉片Chl/Car卻下降?？聦W等[29]研究了不同光質對煙草葉片生長及光合作用的影響，結果表明:紅光、藍光和紫光促進了煙葉的生長，這種促進作用是與其高光合效率緊密相連的;而黃光對煙葉的生長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行灌水處理，并在灌水前后分別進行葉綠素和農藝性狀的測定。結果表明，當團棵期土壤含水量為65% ～75% ，旺長期、現蕾期、成熟期為55% ～65%時最有利于煙葉生長;土壤含水量越高，越有利于株高的增長，但對根的生長不利;水分過多、過少都不利于產量的形成;團棵期土壤含水量65% ～75%，旺長和現蕾期75% ～85%，成熟期35% ～45%時，最有利葉綠素含量的增加，可使煙葉葉綠素含量達到最高。這一結論在崔保偉[31]的研究中也得到了證明:在烤煙的不同生育時期，正常生長所需要土壤相對含水量也不一樣，無論是干旱還是水分過飽和都會使烤煙的光合速率降低，最適宜光合速率的土壤相對含水量在團棵期、旺長期、現蕾期和成熟期分別是65%、80%、80%和65%。張曉海等[32]的研究結果也表明，隨著水分調控時期的提前，煙葉葉綠素含量增加，煙葉鉀含量逐漸提高，化學成分趨于協調，吸味品質有所提高。

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烤煙農藝性狀、光合色素、產量、產值和質量的影響。結果表明:種植密度在16 680～22 230株/hm2時，隨著密度的增加，葉面積系數增加，煙葉中葉綠素含量下降，烤后下中部煙葉單葉重較高，產量和產值越高，均價、上中等煙比例也較高，總糖、還原糖含量增加，煙堿、總氮、蛋白質含量下降，種植密度22 230株/hm2時效果最好，能夠獲得較高的產量和產值及較協調的內在化學成分。張廣富等[34]研究表明，種植密度過高或過低都會不同程度降低光合作用，也就降低了葉綠素含量，進而影響烤煙的產量和品質。王瑞等[35]研究結果顯示，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，延長同化產物的積累時間。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發育，提高煙葉葉綠素含量，推遲葉綠體的降解，提高凈光合速率，提高煙葉產量和品質。

4 小結與展望

目前國內外對煙葉品質的研究多集中于肥料、水分脅迫和光照方面，對葉綠體的研究尚處于初級階段。葉綠素是鮮煙葉中的質體色素之一，它不僅決定調制后煙葉的葉色，而且對煙草香味物質的形成和品質的提高具有重要的貢獻[7]。煙葉的成熟度與煙葉的內在品質有著密切的關系，成熟度是煙葉化學成分等內在品質的外在表現，它是影響煙葉內在品質、外觀商品等級、加工時物理性狀及其香吃味等實用價值的重要因素[36]。因此，為更好掌握煙葉的成熟度，提高煙葉品質，筆者認為在今后的研究中，可以加強以下幾方面的工作:深入研究葉綠體的解剖結構，探討其在煙葉生長發育過程中的合成與解體過程，同時測定相應的葉綠素含量的變化，深入研究葉綠體與煙葉品質的關系。

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