烟草叶绿体结构及发育影响因素的研究进展

皮本阳，戴林建，方 杰

(1湖南农业大学农学院，长沙410128;2常德市烟草公司临澧县分公司，湖南常德415000)

叶绿体是绿色植物光合作用的重要细胞器，是有机物合成和积累的重要场所，其含有的色素、多酚等有机物是烟叶致香成分的前体物质，因此叶绿体的形成与发育是影响烟叶产质量的重要因素。近年来，随着现代烟草农业的发展，国家烟草专卖局多次提出科技种烟是未来烟草农业发展的方向［1］。对影响烟草叶绿体结构及发育因素的研究在科技种烟课题上尤为重要，有关叶绿体的发育等方面的研究已成为众多学者关注的课题。为进一步了解叶绿体结构与发育的影响因素，结合我国当前烟叶生产形势，笔者综述了最近几年在烤烟及相关作物叶绿体形成与发育方面所取得的研究结果，以期为优质烟叶生产提供科学依据。

1 叶绿体的结构及发育

叶绿体在绿色植株上分布很广，主要集中在叶肉细胞及保卫细胞中，大多呈扁平椭圆形，来源于幼嫩植物分生组织细胞中近乎无色的前质体，在光照下合成色素，同时逐渐形成囊状结构的类囊体，从而发育成叶绿体。叶绿体通过自身的二分裂方式增加其数目。由被膜、基质和类囊体三部分构成，其中，被膜是空间三维结合膜，主要控制物质进出交换，维持叶绿体形态;类囊体有基质片层和基粒片层之分，完成光合作用中电子传递与光合磷酸化步骤的两个光系统PSⅠ、PSⅡ主要分布在类囊体上;基质除含有大量水分和矿质元素外，还含有多种可溶性蛋白质酶类物质和核酸等其他有机物质，使光合作用复杂的生化反应得以顺利进行。

2 影响叶绿体结构及发育的因素

2.1 光照

光是植物脱黄化过程的首要信号，导致植物光形态的建成，最显著的特点是形成叶绿体。光照时间、不同光质与光强的照光条件都能影响烟草叶绿体的生长发育和超微结构变化。

(1)不同植物生长需要的光照时间长短不同。对于烟草而言，长时间照光会引起叶绿体膨胀成圆形，基粒片层遭受一定程度的破坏。原因之一是植物持续照光，叶绿体持续进行光合作用，代谢合成物质增多，淀粉粒和脂质球不断累积积累，从而破坏叶绿体体内物质平衡。

(2)光质影响烟草植株的光合特性、叶绿体的生长发育及衰老，主要表现在光合色素含量变化和超微结构的异同。有研究表明，叶绿体基粒片层垛叠程度与叶绿素总含量呈正相关［2］，因此叶绿素总含量直接关系到叶绿体形成发育程度。张欢等［3］研究了光质对烟草光合色素积累量的影响，结果表明，单纯的红光、蓝光或不同比例的红蓝组合光照射处理的光合色素都显著高于荧光灯处理，远红光处理显著低于荧光灯处理;同时，他还指出，不同光质对幼苗叶片中叶绿体超微结构产生显著影响:红光、蓝光或红蓝组合光处理的叶绿体超微结构良好，其中红蓝组合光处理基粒、基质片层清晰，类囊体垛叠片层多且排列致密整齐，为最优处理，但黄光及远红光处理叶绿体超微结构不完善，基粒数少、基质片层模糊且疏松散乱、类囊体结构不明显。

(3)光强影响叶绿体的适应性。段青青［4］研究了黑暗无光条件对西瓜幼苗质量的影响，结果表明，黑暗可引起叶绿体变形，基粒、淀粉粒减少，基质片层疏松直至消失，膜破损，一定时间的黑暗处理后恢复光照，叶绿体功能结构可逐渐恢复。唐焕伟［5］报道了遮光对郁金香叶片叶绿素含量及叶绿体超微结构的影响，将5个郁金香品种进行盆栽，结果表明，弱光条件也能引起叶绿体结构变化，单个叶绿体脂质球和嗜锇颗粒增多，基粒片层疏松，片层数减少，叶绿素含量降低，但叶绿体形状变化不明显，功能结构未破碎。刘科［6］在高等植物光系统Ⅱ中强光照射产生超氧阴离子自由基的ESR探索中指出，强光照条件下，叶绿体中PSⅡ光化学反应中心产生高浓度的O2－等活性自由基，损伤叶绿体膜及类囊体，从而使叶绿体功能结构遭受不可逆转的破坏。由此可以推出，只有在适宜光照条件下生长的烟叶，叶绿体的功能才有可能完整，结构清晰，内在的各种生化反应才能良好有序进行。

2.2 温度

植物的脱黄化过程是一系列复杂的酶生理生化过程，叶绿体的形成发育需要酶催化合成各种物质，从而分化成各种功能结构，因此叶绿体是对温度反应最为敏感的细胞器之一［7］。

刘荣梅等［8］研究了低温对转CBF3基因烟草叶绿体超微结构和生理特性的影响，试验结果表明，在低温胁迫条件下使酶活性钝化，会影响物质合成的速率，使叶绿体发育畸形，功能结构发育不完全。通过对翠南报春、甜椒、玉米等植物叶绿体超微结构的观察发现，在自然光照条件下的低温胁迫没有使叶绿体数目发生大的变化，但形态变化较大，主要表现在叶绿体膨胀成圆形，基粒片层受损，类囊体垛叠解体，淀粉粒消失［9］。此外，低温胁迫时间长短对叶绿体影响也不同，长时间低温能致使类囊体膜系统遭受不可逆破坏，导致光合能力降低，甚至丧失［2］。

在烟株成熟期，由于高温对叶绿体的影响，容易遭遇高温逼熟。万里强等［10］在高温干旱胁迫条件下对3个多年生黑麦草品种叶绿体超微结构变化进行了研究，结果表明，高温对叶绿体伤害较轻的是类囊体片层膨胀，叶绿体体积增大，形状变圆，这可能是植株为了减少光线的直接穿透量和受光面积，避免高温灼伤的生理适应性反应，同时叶绿素降解加速;伤害较重的是叶绿体基粒片层溶解，最终导致细胞不可逆死亡。由此可以看出，烟草生长进入旺盛期后，如遇高温天气，叶绿体易产生较重伤害，即叶片灼伤，从而降低烟叶产质量。

2.3 水和部分营养元素

叶绿体的主要成分为水，占75%左右。干物质中，以蛋白质、脂类、色素和无机盐为主，其中灰分元素占10%左右［11］。因此，水分和营养元素在叶绿体形成发育过程中起重要作用。水既是叶绿体主要成分之一，也是叶绿体内微环境的重要溶剂，缺水或水分过多都能影响叶绿体正常发育，致使超微结构改变，加速叶绿体衰老解体。

叶绿体中很多物质都含有N，主要的有机物是类囊体膜蛋白、酶蛋白类和叶绿素，因此N素对叶绿体生长发育及功能有重要影响，也是烟叶生产上重要的施肥元素［12］。从叶绿素分子看，它是由4个含N吡咯环通过甲烯基连接而成的卟啉环头部和一个叶绿醇尾部构成。在烟草生长前期适量增施N素可以增加烟叶叶绿素含量，提高叶绿体发育程度，提高烟草对逆境的适应能力。若N素缺乏则抑制叶绿素合成，导致植物中叶绿素含量减少，CO2吸收减少，Chl a∕b值比正常状态高，影响光合作用，减少烟株生物产量。此外N素缺乏也能改变叶绿体膜通透性，呈现先减小后增大的规律，使叶绿体出现“水肿”现象，超微结构模糊不清［13］。同时，N肥过量也影响光合作用，不利于叶绿体正常发育，使烟株产生“贪青晚熟”现象，甚至形成黑暴烟，影响其品质。

在大田条件下，矿质元素缺乏会严重影响叶绿体形成及发育，阻碍物质合成及转运，不利于烟草内在品质形成，降低烟叶产量。例如缺P致使叶绿体发育不良，导致单位叶面积叶绿素含量相对增加，形成褐色斑点;缺K影响光合物质的运输，进而影响光合作用及叶绿体发育，烟叶暗绿无光泽，叶边缘呈烧焦状，影响烟叶外观质量和内在质量;缺Mg会严重影响叶绿素形成及叶绿体的发育，从而导致烟叶质量下降［14］。同时，矿质元素不仅是叶绿体结构成分，更是各种蛋白复合体和光合酶的活化剂。任何一种营养元素的缺乏都会直接或间接影响烟叶叶绿体发育，影响光合作用，从而减少烟叶产量、降低烟叶质量。

2.4 空气成分比例

CO2和O3是空气中影响烟叶叶绿体生长发育的主要因素。有研究［9］认为高浓度的CO2能促进光合作用，使叶绿体数目增加，但其超微结构发生改变:基粒片层垛叠程度降低，类囊体明显增加。同时，研究结果还表明［9］，O3浓度增加对叶绿体结构产生损害作用，叶绿体体积缩小，被膜受损，基粒片层破裂，基质浓缩，从而导致叶绿体功能减弱、丧失。此外，O3是烟草气候性斑点病的元凶。魏宁生等［15］测定，烟草气候性斑点病可致使烟叶产量损失达10.5% ～53.5%，烟碱下降36.7%，总糖下降17.26%，还原糖下降18.32%，总氮和蛋白质也有下降趋势。赵天宏等［16］报道，适量提高CO2浓度可缓解O对叶绿体的负效应。

2.5 重金属

土壤中过量的重金属容易导致烟草植株发生“中毒”现象，不仅影响烟叶产质量，而且给烟叶安全性带来威胁。镉是已发现的环境中最具生物毒性的重金属污染物之一，在土壤中具有很强的移动性且易被植物吸收积累［17，18］。袁祖丽［19］、马新明［20］等在镉污染对烟草叶片超微结构及部分元素的影响试验中发现，烟草植株重金属中毒会明显降低原叶绿素酸脂还原酶活性，从而致使叶绿素含量下降，加速叶绿体老化，同时也能影响叶绿体的二分裂，减少叶绿体数目。吴坤等［21］研究指出，随着镉污染浓度增大，光合色素含量显著降低，PSⅡ潜在活性和PSⅡ最大光能转化效率均呈下降趋势。此外，镉污染还能导致营养元素含量降低，特别K、Mn呈极显著降低趋势［19］。

2.6 烟草病毒

烟草病毒病是全世界烟草栽培地区普遍发生的一类病害，也是我国各烟区的重要病害，近年来有日益严重的趋势，其中，花叶型病毒病对烟叶造成的损失占烟草侵染性病害总损失的37%［14］。花叶型病毒(主要为TMV、CMV、PVY及TEV)入侵烟草植株后产生显著的花叶症状，细胞内叶绿体结构和功能也遭受到破坏，导致叶绿体发育不良，数目减少［22］。有研究［23，24］表明，TMV、CMV、PVY 及 TEV 等病毒侵染寄主细胞后，外壳蛋白与类囊体膜上的PSⅠ系统特异性结合，阻止电子正常传递，导致活性氧原子积累，破坏叶绿体。於春等［25］研究了TMV－CP的叶绿体离体跨膜运输特性，结果表明自然条件下，TMV感染烟草病毒后花叶症状需要一定时间才会显现、加重。Hodgson等［26］认为，这是烟草叶绿体中TMV－CP逐渐积累的缘故。

2.7 外来化学物质

除草剂现已广泛运用于农业生产中，其脲类(如敌草隆)、联吡啶类(如百草枯)、三氮苯类(如扑草灭)3类是主要残存在植烟土壤中的除草剂，给烟草生产和烟叶品质形成带来不利影响。其机理之一是除草剂影响了植物叶绿体降解超氧胁迫系统中超氧歧化酶(SOD)、谷胱甘肽还原酶、抗坏血酸过氧化氢酶活性，从而降低叶绿体和烟草植株自身抗逆胁迫能力，同时，除草剂还破坏PSⅠ、PSⅡ电子传递系统和诱导叶绿体遗传物质突变［27］。因此，为保证烟株正常生长，应限制在植烟土壤使用除草剂，或开发及推广除草剂替代品。

3 展望

目前，随着科技种烟研究的深入，对于植物中叶绿体发育影响因素已经有了一定的了解，但在烟草这一追求“适产优质”和“提香、减害、增效”的叶用经济作物上，仍然存在某些问题尚待解决，主要包括:1)在农业生产上，不同生态环境对烟叶产质量有特殊影响，但影响机制还不完全清楚，特别是生态环境如海拔等对叶绿体的影响仍然不十分清楚;2)虽然各个烟区有适合当地特色的施肥技术，也根据具体情况制定了施肥配方，但是有关不同有机肥及其施用量对烟叶叶绿体发育的研究报道较少，很难为优质烟叶生产提供理论依据;3)烟叶的质量需要烘烤环节来显露和发挥，这一程度主要决定于变黄期，但变黄期内烟叶叶绿体形态变化和各种物质降解及新物质形成趋势与烘烤环境的关系还不十分明确。因此，对烟叶叶绿体发育研究，不仅有助于理解烟叶产质量关系的生理机制，同时也可为以“减工、降本、增效”为核心的现代烟草农业建设提供理论依据。

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