烟草叶绿体及其色素研究进展

龙春芬，孙焕良，刘 燕，李 辉

(湖南农业大学农学院，长沙410128)

叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所，属于亚细胞结构。叶绿素是叶绿体中最重要的色素，烤烟叶片叶绿素含量变化导致的叶色变化，在生产上通常作为烟株营养管理和叶片成熟度判断的重要指标[1]。研究叶绿素的变化可以判断烟叶成熟度，准确掌握烟叶采收时期，对提高烟叶的生产质量、增加烟农的收入起关键作用[2]。在烟叶成长成熟过程中，叶绿体的结构、数量都会发生明显的变化。同时，叶绿素的含量也会随之发生动态变化。因此，了解烟叶叶绿体的结构与功能，探讨叶绿体及叶绿素与烟叶成熟度和品质的关系，对更好地掌握烟株的营养状况，在最佳成熟度采收烟叶以提高烟叶质量具有重要的意义。

1 叶绿体概述

1.1 叶绿体的形态、结构和化学组成

叶绿体为植物细胞内含有叶绿素并能进行光合作用的质体，是植物绿色细胞所特有的能量转换细胞器[3]。叶绿体一般呈透镜状，大小约1～3 μm×5～7 μm ×2 ～3 μm，有双层被膜与胞质分开，内有片层膜，含叶绿素[4，5]。通常一个叶肉细胞含有几十甚至上百个叶绿体。在电镜下，高等植物的叶绿体为膜层结构，叶绿体由叶绿体膜、类囊体和基质三部分构成，基质内分布有40～80个基粒(在低等植物如绿藻中，这些膜形成扁平的囊或盘而没有基粒)[3～6]。叶绿体的化学组成主要是蛋白质和脂类，此外，还有少量糖类及核酸。从高等植物的叶绿体化学成分来看，其中蛋白质约占干重的35% ～55%，脂类约占干重的20% ～30%。大约80%的蛋白质是不溶性的，它们与脂类结合，形成脂蛋白[4]。叶绿体中含有叶绿素和类胡萝卜素。高等植物细胞的叶绿体具有两种，即叶绿素a和叶绿素b，它们均匀地分布于基粒片层和基质片层之中。叶绿素的吸收光谱与光合作用效率相一致，这说明叶绿素是主要的捕捉能量的分子。类胡萝卜素包括β－胡萝卜素和叶黄素等，通常被叶绿素所掩盖，当叶绿素含量减少时，它们才显示出来。叶绿体中RNA的平均含量为干重的5%左右。在叶绿体的基质中发现有DNA，它的存在可由电镜照片予以确定，但含量很少，只占5%左右。除此之外，在叶绿体的类囊膜上还存在电子载体蛋白质，如细胞色素、质体蓝素和铁氧化还原蛋白等。在进行光合作用时，这些电子载体蛋白质具有传递电子的作用。新鲜烟叶叶绿体中的色素种类主要有叶绿素a、叶绿素b、叶黄素、新黄质、紫黄质和β－胡萝卜素[7]。新鲜烟叶中叶绿素含量变化范围一般为0.5% ～4%，成熟烟叶中胡萝卜素和叶黄素的总量大约占叶绿素含量的1/5至1/3[8]。烤烟烟叶中的胡萝卜素是由68%的β－胡萝卜素和32%的新β－胡萝卜素所组成的混合物，而叶黄素的构成为60%的叶黄素，22%的新黄素和18%的紫黄质[9]。

1.2 叶绿体的功能

叶绿体的主要功能是进行光合作用[3～6]。光反应在类囊体部分进行，类囊体膜中的光合色素分子吸收和传递光能，在反应中心光能转化成化学能，形成ATP和NADPH，同时使水分解放氧。暗反应在叶绿体基质中进行，利用光反应形成的 ATP和NADPH，同化CO2形成贮能有机物。叶绿体DNA能以半保留方式复制，并有自己的蛋白质合成系统。叶绿体中的重要蛋白质，分别由核基因和叶绿体基因编码形成。此外，叶绿体基因与细胞质遗传有一定关系。在个体发育中，叶绿体是由前质体分化而来。发育中的幼龄叶绿体分裂能使叶绿体增殖。在光照条件下，白色体可变成具有正常结构和功能的叶绿体[6]。

2 叶绿体与烟叶品质的关系

烟草的光合作用在叶绿体中进行。叶绿素是进行光合作用的重要色素，胡萝卜素是烟叶香气物质的重要来源，叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素均随着烟叶成熟度的提高而减少，但类胡萝卜素占色素的比例随着成熟度的提高而增加[10]。叶绿素是绿色植物进行光合作用吸收光能和光能转化的物质，其含量是植物进行碳氮代谢的基础，因此，对植物的生长发育和品质的形成具有重要的作用[11]。烟草类型(品种)、叶位、烟叶成熟度以及环境条件和栽培条件都会影响烟草叶片叶绿体的数量和叶绿素的含量。

2.1 不同烟草类型(品种)叶绿体和叶绿素含量差异

李虎林[12]等比较分析不同类型烟草叶片叶绿素和类胡萝卜素含量的结果表明，晒红烟的叶绿素含量明显高于烤烟中的含量，而烤烟中的叶绿素含量又明显高于白肋烟的;进一步比较3种类型烟草叶片中叶绿素a和叶绿素b的含量，发现了同样的趋势，即晒红烟＞烤烟＞白肋烟，说明晒红烟潜在的光合能力高于烤烟，烤烟高于白肋烟;类胡萝卜素含量的差异与叶绿素基本相同，即晒红烟＞烤烟＞白肋烟。姿义龙[13]等研究表明，白肋烟与烤烟叶绿素含量的差异达极显著水平，烤烟不同品种间叶绿素含量也存在显著差异。曾建敏[14]等对烤烟品种K326和红花大金元在移栽后采用不同的试剂提取叶绿素含量，并将所测的叶绿素含量与SPAD值的关系进行研究，其结果表明，不同提取试剂对烤烟K326和红花大金元叶片叶绿素提取进程的影响差异显著，其中以将体积比为2∶1的丙酮与无水乙醇混合液配制成95%的水溶液效果最好;叶片叶绿素含量与SPAD值存在极显著的正相关。也有研究表明，不同品种间的叶绿素含量差异也达到显著水平[15]。李跃武[16]等对烤烟品种云烟85和 K326不同成熟度鲜叶进行解剖观察和叶绿素含量测定，并进行烘烤验证和烟叶化学成分分析。结果表明:云烟85各部位的叶片、栅栏组织、海绵组织的厚度均大于K326，2个品种间存在显著差异。

2.2 不同叶位、不同成熟度烟草叶绿体和叶绿素含量变化

周杰[17]等以K326和G80为材料，研究不同成熟度烤烟叶片主脉叶绿体的差异，结果表明，叶片主脉叶绿素含量和叶绿体数量随着成熟度的提高而降低，叶绿体解体加快。K326和G80在茎叶夹角为50°左右时，处于适熟阶段。李跃武等[16]对烤烟品种云烟85和K326的下二棚、腰叶、上二棚3个部位的不同成熟度鲜叶进行解剖观察和叶绿素含量测定，并进行烘烤验证和烟叶化学成分分析。结果表明:2个品种各部位叶片、栅栏组织、海绵组织厚度都是随着烟叶成熟度的提高而逐渐变小。2个品种各部位烟叶总叶绿素含量也随着烟叶成熟度的提高而降低，说明随着烟叶成熟度的提高，烟叶产量和品质呈下降趋势。伍贤进[15]对6个不同烟草品种分别在生根期、成苗期及伸根、旺长、成熟各期测量其叶绿素含量，发现各品种各生育期叶绿素含量的变化趋势一致。苗期叶绿素逐渐增加，成苗期时达到最高，然后随着烟叶的成熟开始下降，统计分析表明:同一品种在不同生育期叶绿素含量的差异显著。吴国贺等[18]研究表明，上、中、下不同部位烟草叶片的叶片厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度及栅栏组织与海绵组织厚度比值均随成熟度的增加而下降;细胞间孔隙度随成熟度发展而增大;叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量也随成熟度的增加而降低。陆星星等[19]在研究烤烟田间生长过程中叶绿素含量动态变化规律时，在烤烟的不同生育期，对不同叶序及同一叶片不同部位的叶绿素含量进行测定。结果表明:烟株在封顶前叶绿素含量逐渐增高，封顶后则随着氮代谢的减弱呈下降趋势;新叶的叶绿素含量高于老叶的叶绿素含量;同一叶片叶尖部位的叶绿素含量变化最大，叶基部次之，叶中部最小;在测定烤烟田间生长过程中叶绿素含量时，可以选取叶片的中部进行测定。师进霖等[1]研究烤烟叶片CCI值与叶绿素含量的相关性的结果也表明，叶绿素值与叶绿素含量存在极显著的正相关关系，用叶绿素计监测烤烟叶片最佳部位为中部。王婵娟等[20]研究表明，叶片发育过程中净光合速率值呈现先上升后下降的趋势。叶绿素含量同净光合速率变化趋势一致，结合叶绿体超微结构观察结果，可知净光合速率的变化与叶绿体超微结构的发育及叶绿素含量密切相关，叶绿体结构逐步完善及叶绿素含量升高是导致净光合速率上升的主要原因，净光合速率下降的过程中，叶绿体超微结构的逐步解体，烤烟叶片的衰老主要是非气孔限制因素引起的。在烟叶的调制过程中，叶绿素的降解是黄色品质和香气物质形成的基础。如果叶绿素没有充分降解就将烟叶烤干，就会烤出不同程度的“青黄烟”。“青黄烟”不仅外观品质不良，而且也会严重影响烟叶的内在品质[21]。李雪震、王树生等[22，23]研究表明，烤后烟叶中叶绿素含量与评吸劲头得分呈负相关，说明叶绿素含量过高对烟叶品质不利，叶绿素含量在0.8 mg/g干叶以下为宜。

2.3 不同施肥水平下烟叶叶绿素含量变化

烟草是耐肥作物，不同的施肥水平会对烟草的生长发育产生重要影响。施肥的种类和数量会影响烟叶的叶绿体结构、叶绿素和类胡萝卜素的含量，进而影响烟叶的产量、香气质量和烟叶评级。尹鹏达等[24]以烤烟品种龙江911为材料，在田间条件下以氮、磷、钾施用量和配比作为变量，以烤烟叶片的叶绿素含量为目标函数建立方程。结果表明:烤烟叶片叶绿素含量与不同氮磷钾配比密切相关，并能建立三元二次回归方程;氮磷钾是影响烤烟叶片叶绿素含量的主控因子;磷钾的交互作用为正相关。以叶绿素含量为指标筛选出东北地区烤烟的最佳施肥方案为:N 15 kg/hm2，P2O5101 kg/hm2，K2O 189 kg/hm2。师进霖[25]、崔保伟[26]等研究结果也表明，随着施氮量的增加，烤烟最大叶面积、株高、产量及叶绿素含量均呈增加趋势，但施氮量达到一定限度时，产值、均价、上等烟比例、中上等烟比例均呈下降趋势。张纪利等[27]对 K326、云烟 85、CB －1、红花大金元4个烟草品种进行叶面喷施钼肥，研究施钼对烟草叶片叶绿素含量、光合速率、产量和品质的影响。结果表明，施钼能提高4个品种生育前期叶片叶绿素的含量和光合速率，提高烤后烟叶中上等烟的比例，显著降低杂色烟的比例，增加烟叶产量和产值，提高烟叶含钾量和含钼量。

3 环境条件与烟草叶绿体的关系

3.1 光照

烟草是喜光作物，充足的光照有利于叶绿素含量的增加，增强光合作用，积累更多的有机物，提高烟草产量和品质。苏新宏等[28]采用盆栽方法研究了旺长期遮光及光照转换对不同肥料条件下烟草叶片光合速率(Pn)与荧光特性的影响。结果表明，遮光促进两种肥料条件下烟草叶片叶绿素(Chl)和类胡萝卜素(Car)含量的积累，却降低它们的Pn。其中施无机肥的烟草叶片Chl含量增加较多，而50%无机肥+50%饼肥配施时烟草叶片的Car增幅显著，说明施无机肥时烟草叶片Chl/Car上升，而无机肥+饼肥配施时烟草叶片Chl/Car却下降。柯学等[29]研究了不同光质对烟草叶片生长及光合作用的影响，结果表明:红光、蓝光和紫光促进了烟叶的生长，这种促进作用是与其高光合效率紧密相连的;而黄光对烟叶的生长有一定程度的抑制作用。

3.2 水分

肖金香等[30]在烤烟的不同生育期分别进行灌水处理，并在灌水前后分别进行叶绿素和农艺性状的测定。结果表明，当团棵期土壤含水量为65% ～75% ，旺长期、现蕾期、成熟期为55% ～65%时最有利于烟叶生长;土壤含水量越高，越有利于株高的增长，但对根的生长不利;水分过多、过少都不利于产量的形成;团棵期土壤含水量65% ～75%，旺长和现蕾期75% ～85%，成熟期35% ～45%时，最有利叶绿素含量的增加，可使烟叶叶绿素含量达到最高。这一结论在崔保伟[31]的研究中也得到了证明:在烤烟的不同生育时期，正常生长所需要土壤相对含水量也不一样，无论是干旱还是水分过饱和都会使烤烟的光合速率降低，最适宜光合速率的土壤相对含水量在团棵期、旺长期、现蕾期和成熟期分别是65%、80%、80%和65%。张晓海等[32]的研究结果也表明，随着水分调控时期的提前，烟叶叶绿素含量增加，烟叶钾含量逐渐提高，化学成分趋于协调，吸味品质有所提高。

3.3 种植密度

毕文荣等[33]以云烟85为材料，研究了不同种植密度对烤烟农艺性状、光合色素、产量、产值和质量的影响。结果表明:种植密度在16 680～22 230株/hm2时，随着密度的增加，叶面积系数增加，烟叶中叶绿素含量下降，烤后下中部烟叶单叶重较高，产量和产值越高，均价、上中等烟比例也较高，总糖、还原糖含量增加，烟碱、总氮、蛋白质含量下降，种植密度22 230株/hm2时效果最好，能够获得较高的产量和产值及较协调的内在化学成分。张广富等[34]研究表明，种植密度过高或过低都会不同程度降低光合作用，也就降低了叶绿素含量，进而影响烤烟的产量和品质。王瑞等[35]研究结果显示，降低种植密度可以降低叶片Pn下降率，延缓光合功能的衰退，延长同化产物的积累时间。较高种植密度能够减轻中部叶片“午休”的程度。以上研究均表明:合适的种植密度有利于烟株的生长发育，提高烟叶叶绿素含量，推迟叶绿体的降解，提高净光合速率，提高烟叶产量和品质。

4 小结与展望

目前国内外对烟叶品质的研究多集中于肥料、水分胁迫和光照方面，对叶绿体的研究尚处于初级阶段。叶绿素是鲜烟叶中的质体色素之一，它不仅决定调制后烟叶的叶色，而且对烟草香味物质的形成和品质的提高具有重要的贡献[7]。烟叶的成熟度与烟叶的内在品质有着密切的关系，成熟度是烟叶化学成分等内在品质的外在表现，它是影响烟叶内在品质、外观商品等级、加工时物理性状及其香吃味等实用价值的重要因素[36]。因此，为更好掌握烟叶的成熟度，提高烟叶品质，笔者认为在今后的研究中，可以加强以下几方面的工作:深入研究叶绿体的解剖结构，探讨其在烟叶生长发育过程中的合成与解体过程，同时测定相应的叶绿素含量的变化，深入研究叶绿体与烟叶品质的关系。

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