不同海拔高度煙草葉片組織結(jié)構(gòu)和質(zhì)體色素特性研究

楊志曉+李雨+王志紅

摘要：以紅花大金元為試驗(yàn)材料，采用大田試驗(yàn)研究煙葉的組織結(jié)構(gòu)和質(zhì)體色素在不同海拔高度下的變化特征。結(jié)果顯示，葉片在達(dá)到長(zhǎng)度20 cm前，高、低海拔煙葉的組織學(xué)厚度和柵欄細(xì)胞密度差異均不明顯；但在達(dá)到葉長(zhǎng) 20 cm 后，高海拔煙葉的組織厚度較薄，而柵欄細(xì)胞較密。高海拔煙葉的葉綠素a、葉綠素b含量和葉綠素總量在葉長(zhǎng)50 cm前均較低，但煙葉在高海拔條件下具有較高含量的類(lèi)胡蘿卜素，且葉綠素a/葉綠素b、類(lèi)胡蘿卜素/葉綠素比值也較大。研究表明，高、低海拔高度條件下煙葉的組織結(jié)構(gòu)和質(zhì)體色素含量明顯不同，造成細(xì)胞結(jié)構(gòu)和光合作用差異明顯，從而導(dǎo)致不同海拔高度煙葉的內(nèi)在質(zhì)量風(fēng)格出現(xiàn)差異。

關(guān)鍵詞：煙草；葉片；海拔高度；組織結(jié)構(gòu)；質(zhì)體色素；煙葉質(zhì)量；風(fēng)格特色

中圖分類(lèi)號(hào)： S572.01 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）11-0133-03

相關(guān)研究指出，海拔高度是影響煙葉產(chǎn)質(zhì)量的重要生態(tài)因素之一，其對(duì)煙葉生長(zhǎng)發(fā)育的影響程度明顯高于土壤類(lèi)型、土壤理化性狀等生態(tài)因子。海拔高度的變化能夠引起太陽(yáng)輻射量、有效積溫、晝夜溫差以及空氣濕度等相關(guān)條件的改變，不同的海拔高度可以導(dǎo)致煙葉的組織生長(zhǎng)發(fā)育與光合特性發(fā)生改變[1]。煙葉的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)形態(tài)可以直接反映煙株的營(yíng)養(yǎng)狀況和成熟特征[2]；而質(zhì)體色素含量和性質(zhì)對(duì)葉片的光合作用也產(chǎn)生影響，其在成熟期的降解變化不僅作用于煙葉的外觀質(zhì)量，而且還直接影響葉片的內(nèi)在品質(zhì)[3]。本研究通過(guò)對(duì)貴州省威寧煙區(qū)不同海拔高度條件下紅花大金元煙葉生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的組織結(jié)構(gòu)和質(zhì)體色素含量的變化進(jìn)行研究，旨在明確引起不同海拔高度煙葉內(nèi)在品質(zhì)差異的發(fā)育機(jī)理，為進(jìn)一步調(diào)控?zé)熤晟L(zhǎng)發(fā)育，彰顯煙葉質(zhì)量風(fēng)格特色提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

試驗(yàn)分別在貴州省威寧縣黑石頭鎮(zhèn)、小海鄉(xiāng)進(jìn)行，海拔高度分別為2 200、1 700 m。2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)均采用大區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以紅花大金元為供試品種。于2014年4月28日移栽，煙株株行距分別為110 cm×60 cm，施純氮量82.5 kg/hm2，N ∶P2O5 ∶K2O=11 ∶12 ∶23，留葉數(shù)為18張葉。其他田間管理均按照貴州省威寧優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)管理規(guī)程開(kāi)展。

選擇試驗(yàn)田中生長(zhǎng)整齊一致的90株煙，選取上部葉（第16張葉，從下向上數(shù)）進(jìn)行掛牌標(biāo)記。分別在葉長(zhǎng)5、10、15、20、30、40、50、60、70、72～75（定長(zhǎng)）cm和成熟時(shí)進(jìn)行取樣，每次取3張煙葉。取樣部位是葉片第6～8條側(cè)脈間的葉肉組織。取樣葉片大小為0.5 cm×1 cm，并含有1個(gè)小支脈。在取樣的同時(shí)記載所取煙葉的長(zhǎng)度、寬度、葉片厚度、葉齡以及取樣時(shí)間。取樣后立即使用FAA固定液固定并保存，此后利用石蠟制片法進(jìn)行制片，切片厚度為10 μm，以番紅-固綠進(jìn)行對(duì)染，每個(gè)處理分別制片15～20張。采用Olympus攝影顯微鏡觀察并拍照，通過(guò)Image-Pro Plus 6.0專(zhuān)業(yè)圖像分析軟件分別測(cè)量煙葉的柵欄組織厚度、海綿組織厚度、葉片厚度、柵欄細(xì)胞密度（D=m/d；D為單位長(zhǎng)度柵欄細(xì)胞個(gè)數(shù)，單位個(gè)/mm；m為柵欄組織細(xì)胞個(gè)數(shù)，單位個(gè)；d為長(zhǎng)度，單位mm）、組織比（柵欄組織厚度/海綿組織厚度）和柵/葉比（柵欄組織厚度/葉厚）。質(zhì)體色素含量采用分光光度法進(jìn)行測(cè)定[4]。

利用DPS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同海拔高度煙葉組織結(jié)構(gòu)特性

2.1.1 不同海拔高度煙葉柵欄細(xì)胞密度

煙葉中的柵欄細(xì)胞排列整齊，含有大量葉綠體，是葉片進(jìn)行光合作用的主要組成部分，柵欄組織的發(fā)育狀況與煙葉內(nèi)在品質(zhì)有一定關(guān)系[5]。由圖1可知，隨著葉長(zhǎng)的不斷生長(zhǎng)，煙葉的柵欄細(xì)胞密度呈單峰曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)。在葉長(zhǎng)20 cm前，煙葉柵欄細(xì)胞以分裂生長(zhǎng)為主，柵欄細(xì)胞密度迅速增加。在柵欄細(xì)胞分裂結(jié)束后，葉片進(jìn)入伸長(zhǎng)生長(zhǎng)階段，細(xì)胞開(kāi)始增粗、增長(zhǎng)，細(xì)胞間隙不斷擴(kuò)大，而細(xì)胞密度則逐漸減小。在葉長(zhǎng)5～20 cm時(shí)，不同海拔高度下煙葉的柵欄細(xì)胞密度差異不大；但葉長(zhǎng)達(dá)到20 cm后，高海拔高度下煙葉的柵欄細(xì)胞密度較大，而其組織結(jié)構(gòu)較為致密。

2.1.2 不同海拔高度煙葉組織學(xué)厚度

表1結(jié)果顯示，葉片柵欄組織厚度隨著煙葉生長(zhǎng)發(fā)育而呈現(xiàn)明顯的先緩慢后快速上升的變化趨勢(shì)，這與張貴峰等的研究結(jié)果[6]相似。在葉長(zhǎng) 20 cm 以前，煙葉中的柵欄細(xì)胞較小，分裂旺盛，而伸長(zhǎng)生長(zhǎng)緩慢，造成柵欄組織厚度較小。進(jìn)入葉長(zhǎng)20 cm之后，柵欄細(xì)胞開(kāi)始處于伸長(zhǎng)生長(zhǎng)階段，柵欄組織厚度明顯增加。在葉片生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程中，煙葉的海綿組織厚度與柵欄組織厚度變化趨勢(shì)相同。此外，在葉長(zhǎng)20 cm之前，煙葉的柵欄組織、海綿組織厚度以及葉片組織厚度在不同海拔高度下差異較小；但在葉長(zhǎng)20 cm之后，煙葉生長(zhǎng)發(fā)育相繼進(jìn)入伸長(zhǎng)生長(zhǎng)期和腔隙擴(kuò)展期，高海拔高度下煙葉的組織厚度小于低海拔煙葉，其葉片組織結(jié)構(gòu)較薄。這與吳道良在茶樹(shù)上的研究結(jié)果[7]相一致。

2.2 不同海拔高度煙葉質(zhì)體色素含量

2.2.1 不同海拔高度煙葉葉綠素含量

煙葉中的葉綠體在進(jìn)行光合活動(dòng)時(shí)，絕大部分的葉綠素a分子和全部葉綠素b分子具有收集和傳遞光能的作用，而少數(shù)特殊狀態(tài)的葉綠素a分子則能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)化為電能。由表2可知，在不同海拔高度下，煙葉中的葉綠素a、葉綠素b含量和葉綠素總量在發(fā)育進(jìn)程中均呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，這與周順亮等的研究結(jié)果[8-9]相一致。低海拔高度煙葉在葉長(zhǎng)40 cm、高海拔煙葉在葉長(zhǎng)60 cm時(shí)，葉片中的葉綠素含量均達(dá)到高峰。表2結(jié)果同時(shí)顯示，低海拔高度煙葉中的各葉綠素含量在達(dá)到葉長(zhǎng)50 cm之前均高于高海拔煙葉，表明低海拔高度煙葉在發(fā)育過(guò)程中具有較強(qiáng)的光合作用能力。

2.2.2 不同海拔高度煙葉類(lèi)胡蘿卜含量

類(lèi)胡蘿卜素（Car）是光合作用活動(dòng)中光傳導(dǎo)途徑和光反應(yīng)中心的重要組成成分，能夠作為葉綠體光合天線(xiàn)的輔助色素吸收光能供給葉綠體利用；此外，它在高溫、強(qiáng)光下可以通過(guò)葉黃素循環(huán)，以非輻射方式消耗光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）的過(guò)剩能量從而保護(hù)葉綠體免受傷害。由圖2可知，在不同海拔高度下，煙葉中的Car含量變化與葉綠素相似，均表現(xiàn)為先升高后降低的動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)。高海拔高度下煙葉的Car含量在發(fā)育過(guò)程中高于低海拔煙葉，且最大值較大，表明煙葉在高海拔高度條件下具有較強(qiáng)的保護(hù)葉綠體、維護(hù)光合作用正常進(jìn)行的能力。

2.2.3 不同海拔高度煙葉葉綠素a/葉綠素b和類(lèi)胡蘿卜素/葉綠素

葉綠素a/葉綠素b可以反映PSⅡ聚光復(fù)合體（LHCⅡ）在所有包含葉綠素結(jié)構(gòu)中所占的比重，其值升高是LHCⅡ含量減少的主要特征；同時(shí)，其比值下降有利于捕獲漫射光中占優(yōu)勢(shì)的藍(lán)紫光[10]。由表3可知，在不同海拔高度條件下，煙葉的葉綠素a/葉綠素b大致呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，進(jìn)入煙葉細(xì)胞伸長(zhǎng)生長(zhǎng)期，葉綠素a/葉綠素b逐漸下降，表明煙葉的LHCⅡ含量在該時(shí)期上升，使光合作用能力不斷增強(qiáng)，進(jìn)而提高對(duì)藍(lán)紫光的吸收、利用能力。在煙葉成熟過(guò)程中，葉綠素a/葉綠素b比值升高，正是煙葉光能利用率低、光合能力下降的反映。不同海拔高度相比較，高海拔煙葉旺盛生長(zhǎng)期的葉綠素a/葉綠素b比值較高，這與周黨衛(wèi)等的研究[11]相似，表明了高海拔高度煙葉利用藍(lán)紫光的能力較差。

類(lèi)胡蘿卜素/葉綠素比值高低與植物忍受外界逆境的能力密切相關(guān)。表3結(jié)果顯示，在高、低海拔高度條件下，煙葉的類(lèi)胡蘿卜素/葉綠素比值在細(xì)胞分裂結(jié)束時(shí)出現(xiàn)峰值，顯示出在該時(shí)期煙葉具有較強(qiáng)的抗逆境能力；而進(jìn)入煙葉成熟期，類(lèi)胡蘿卜素/葉綠素比值呈下降趨勢(shì)，引起抗逆性不斷降低。在不同海拔高度條件下，與低海拔煙葉相比，高海拔高度煙葉在全生育期具有較大的類(lèi)胡蘿卜素/葉綠素值，這可能是煙葉對(duì)高海拔高度條件下低溫、高光強(qiáng)等外界逆境脅迫的一種適應(yīng)性反應(yīng)。

3 小結(jié)與討論

煙草葉片在達(dá)到長(zhǎng)度20 cm之前處于細(xì)胞分裂期，高、低海拔高度條件下煙葉的組織學(xué)厚度在該時(shí)期差異不大，并且柵欄細(xì)胞密度差別也不明顯。但在葉長(zhǎng)20 cm后，柵欄細(xì)胞進(jìn)入伸長(zhǎng)生長(zhǎng)階段，與低海拔高度生長(zhǎng)環(huán)境相比，煙葉在高海拔條件下柵欄細(xì)胞伸展幅度較小，海綿細(xì)胞變形以及細(xì)胞間隙擴(kuò)大程度均較低，葉片組織厚度也較薄，但其柵欄細(xì)胞卻較密，體現(xiàn)出高海拔煙葉在伸長(zhǎng)生長(zhǎng)期組織較薄，而結(jié)構(gòu)致密的特征。這種特性有利于避免高海拔高度條件下強(qiáng)光強(qiáng)對(duì)煙草葉片的輻射損傷，從而達(dá)到保護(hù)煙葉，使其正常生長(zhǎng)的目的。此外，高海拔高度下煙葉的葉綠素a、葉綠素b和葉綠素的含量在葉長(zhǎng)50 cm前均較低，尤其是在柵欄細(xì)胞伸長(zhǎng)生長(zhǎng)期尤為突出。但煙葉在高海拔高度條件下具有較高含量的類(lèi)胡蘿卜素，而且葉綠素a/葉綠素b、類(lèi)胡蘿卜素/葉綠素比值在柵欄細(xì)胞伸長(zhǎng)生長(zhǎng)期也尤其較大。因此，從研究結(jié)果可以看出，在細(xì)胞伸長(zhǎng)生長(zhǎng)期，高、低海拔高度條件下煙葉的組織結(jié)構(gòu)和質(zhì)體色素含量具有顯著不同，造成葉片的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和光合活動(dòng)能力差異逐步明顯，從而導(dǎo)致高、低海拔高度條件具有不同的煙葉品質(zhì)。另一方面，煙葉的柵欄細(xì)胞中富含葉綠體，而葉綠素全部存在于葉綠體中。本研究證實(shí)，煙葉的葉綠素含量和柵欄組織厚度在不同海拔高度條件下具有相同的變化趨勢(shì)，但與柵欄細(xì)胞密度的生長(zhǎng)發(fā)育相反。由此推測(cè)，葉綠體中的色素含量和柵欄細(xì)胞的伸長(zhǎng)發(fā)育狀況可能具有密切關(guān)系，煙葉柵欄細(xì)胞越長(zhǎng)，內(nèi)部的葉綠體就越多越大，使其所含有的色素含量也就越高。

葉綠體是植物光合機(jī)構(gòu)的重要組分，一般來(lái)講，隨著海拔高度的增加，植物葉片中的葉綠素含量呈現(xiàn)降低的變化趨勢(shì)。有研究認(rèn)為，葉綠素含量下降，能夠減少葉片對(duì)光能的大量吸收，從而使植物免受強(qiáng)光照輻射的損傷[12]。本研究也發(fā)現(xiàn)，處在細(xì)胞伸長(zhǎng)生長(zhǎng)期，高海拔高度條件下煙葉的葉綠素a、葉綠素b和葉綠素的含量均低于低海拔葉片。類(lèi)胡蘿卜素分子中的共軛雙鍵可以強(qiáng)烈吸收紫外光譜區(qū)域輻射，因此，類(lèi)胡蘿卜素一方面能夠吸收過(guò)剩光能，以避免葉綠素的光氧化；另一方面，可以通過(guò)直接吸收紫外線(xiàn)輻射，從而減少紫外線(xiàn)對(duì)植物的傷害，尤其是對(duì)光合系統(tǒng)PSⅠ、PSⅡ的破壞[13]。本研究結(jié)果顯示，高海拔高度條件下煙葉在發(fā)育過(guò)程中具有較高的類(lèi)胡蘿卜素含量，這有可能是煙葉對(duì)外界紫外線(xiàn)強(qiáng)輻射適應(yīng)的結(jié)果。已有研究表明，高海拔植物較低海拔植物含有較高的類(lèi)胡蘿卜素含量，從而有利于阻止葉綠素光氧化的發(fā)生[14]。生長(zhǎng)在強(qiáng)紫外輻射條件下的植物，能夠通過(guò)增加葉片表皮層中紫外吸收物質(zhì)含量來(lái)影響紫外線(xiàn)輻射的穿透性，以減少進(jìn)入葉肉組織的紫外線(xiàn)輻射量，從而降低紫外線(xiàn)輻射造成的損傷[14]。高山植物含有大量的類(lèi)胡蘿卜素，且隨海拔高度的升高而不斷增加，反映出植物對(duì)外界紫外輻射增強(qiáng)的適應(yīng)性[15]。本研究結(jié)果證實(shí)，與低海拔葉片相比，高海拔高度條件下煙葉的類(lèi)胡蘿卜素/葉綠素值較高，這與前人的研究結(jié)論相一致。

葉綠素在降解過(guò)程中產(chǎn)生的葉綠醇經(jīng)脫水而生成新植二烯，屬于煙葉中重要的萜烯類(lèi)化合物，是中性揮發(fā)性香氣物質(zhì)含量最高的組分[16-17]。煙葉中性揮發(fā)性香氣成分中有很大一部分屬于類(lèi)胡蘿卜素降解產(chǎn)物，其中有很多都是煙草葉片中的重要致香成分[18]。因此，煙葉在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中形成的質(zhì)體色素含量不同勢(shì)必影響其最終的質(zhì)量風(fēng)格。本試驗(yàn)結(jié)果表明，低海拔高度煙葉具有較高的葉綠素含量，而高海拔煙葉則含有較多的類(lèi)胡蘿卜素。煙葉在不同海拔高度條件下生長(zhǎng)發(fā)育而形成的不同質(zhì)體色素含量，從而具有不同的質(zhì)量風(fēng)格特色，這一研究結(jié)果對(duì)特色煙葉生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)作用，需要進(jìn)一步進(jìn)行深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]穆 彪，楊健松，李明海. 黔北大婁山區(qū)海拔高度與烤煙煙葉香吃味的關(guān)系研究[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2003，11（4）：148-151.

[2]劉衛(wèi)群，郭紅祥，石永春，等. 配施餅肥對(duì)烤煙葉片組織結(jié)構(gòu)的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2004，37（增刊）：6-10.

[3]王瑞新. 煙草化學(xué)[M]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2003：84-85.

[4]鄒 琦. 植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2000：72.

[5]郭月清，劉國(guó)順，汪耀富，等. 氮素用量對(duì)烤煙生長(zhǎng)發(fā)育和成熟度影響的研究[C]. 河南省煙草優(yōu)質(zhì)高效益綜合技術(shù)研究總結(jié)及論文匯編，1987：136-147

[6]張貴峰，李恒全，趙光偉. 烤煙葉片柵欄組織與葉片厚度比值的變化[J]. 中國(guó)煙草科學(xué)，2006，27（4）：31-34.

[7]吳道良. 紅河州不同海拔高度茶樹(shù)主要品質(zhì)成分與生理學(xué)特性的變化[D]. 武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008.

[8]周順亮，徐巧初，馮敏玉，等. 土壤水分對(duì)烤煙農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量及葉綠素的影響研究[J]. 江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2007，19（4）：1-3，19.

[9]肖金香，許曉利，馮敏玉，等. 土壤水分對(duì)烤煙農(nóng)藝性狀，產(chǎn)量和葉綠素的影響[J]. 氣象與減災(zāi)研究，2007，30（1）：48-52.

[10]于顯楓，郭天文，張仁陟，等. 水氮互作對(duì)春小麥葉片氣體交換和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的作用機(jī)制[J]. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2008，17（3）：117-123.

[11]周黨衛(wèi)，朱文琰，騰中華，等. 不同海拔珠芽蓼抗氧化系統(tǒng)的研究[J]. 應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2003，9（5）：489-492.

[12]盧存福，賁桂英. 高海拔地區(qū)植物的光合特性[J]. 植物學(xué)通報(bào)，1995，12（2）：38-42.

[13]周黨衛(wèi)，韓 發(fā)，騰中華，等. UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)植物光合作用的影響及植物的相關(guān)適應(yīng)性研究[J]. 西北植物學(xué)報(bào)， 2002，22（4）：1004-1010.

[14]侯扶江，賁桂英. 全國(guó)高原植物生理學(xué)術(shù)討論會(huì)論文摘要匯編[M]. 貴陽(yáng)：貴州科技出版社，1992：25

[15]Ellington J J，Scholotzhauer P F，Schepartz A I. Quantitation of hexane-extractable lipids in serial samples of flue-cured tobacco[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry，1978，26（1）：270-273.

[17]Ohrogge J B.Design of new plant products：engineering of fatty acid metabolism[J]. Plant Physiol，1994，104：821-826.

[18]楊虹琦，周冀衡，羅澤民. 煙草質(zhì)體色素代謝與香味物質(zhì)形成關(guān)系的研究[C]//中國(guó)煙葉學(xué)術(shù)論文集. 北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2004：471-475