不同光质条件下烤烟叶片衰老的生理效应研究

卢素萍，赵铭钦*，刘鹏飞，李玉娥，付 博

(1.河南农业大学烟草学院，河南 郑州 450002; 2.吉林烟草工业有限责任公司, 吉林 长春 130000)



不同光质条件下烤烟叶片衰老的生理效应研究

卢素萍1，赵铭钦1*，刘鹏飞1，李玉娥2，付 博1

(1.河南农业大学烟草学院，河南 郑州 450002; 2.吉林烟草工业有限责任公司, 吉林 长春 130000)

为探究不同光质对烤烟叶片衰老的作用及其机制，以‘云烟87’为供试材料，自然光为对照，在大田条件下通过覆盖不同颜色滤膜获得不同光质，研究红光(R)、白光(W)、蓝光(B)、紫光(P)、黄光(Y)等不同光质对烤烟成熟衰老过程中质体色素代谢和抗氧化酶活性的调控效应。结果表明，打顶后烟叶中质体色素降解转化，与自然光相比，红光和白光延缓了叶绿素含量的下降，白光和蓝光抑制类胡萝卜素的降解，整个降解过程中各不同光质处理下色素降解率从大到小依次为：蓝光>黄光>紫光>红光>白光>对照。叶片抗氧化酶活性呈先升后降的趋势，黄光和红光诱导了抗氧化酶活性的上升，并且使MDA的含量保持相对较低的水平，从而延缓叶片的衰老。紫光和蓝光则抑制了抗氧化酶的活性，导致叶片MDA含量的持续上升，加速了叶片的衰老进程。由此推测，红光有利于质体色素的合成，蓝光处理对质体色素的降解有促进作用，黄光和红光可使烤烟叶片维持较高的抗氧化酶水平，有利于延缓叶片的衰老。

光质；烤烟；衰老；生理效应

植物的衰老过程受温度和光照等生态因子的影响。光是影响烤烟生长发育的最重要环境因子之一，它不仅是植物光合作用的能量来源，还是参与调控植物生长发育和光形态建成以及逆境胁迫响应的重要信号来源[1-2]。研究表明，光质对植物种子萌发[3]、生长发育[4-10]、器官衰老[11]、植物光周期[12]、光合特性[13-17]、基因表达[18-20]、产量、品质、抗逆性和衰老[21]等方面均有较大的影响。前人研究表明，叶片衰老会引起叶绿素的降解及代谢失调等反应[22-23]。有学者认为活性氧的积累及抗氧化能力的下降是加速衰老的重要原因之一[24]。有关光质对植物光合色素的研究见于风信子[25]、草莓[26]、叶用莴苣[27]、烟草[28]、黄瓜[29]等植物，光质对植物活性氧清除酶的研究也有较多报道，且不同光质对不同植物的抗氧化酶活性产生不同程度的影响[29-31]。尽管这些研究表明光质参与了对植物叶片衰老的调控，但光质对衰老的生理生化机制的研究尚不够深入，仍需进一步研究光质的作用机理。本试验拟利用不同颜色滤光膜模拟不同的太阳光谱微环境，通过对烤烟叶片光合色素和抗氧化酶活性及过氧化产物丙二醛(MDA)含量等进行分析，旨在探明光质对二者的生理效应，为探讨烤烟成熟衰老研究的相关机理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2014年在河南省许昌县(北纬34°01′，东经113°49′)河南农业大学许昌校区进行。供试品种为云烟87，前茬作物为甘薯，试验土壤质地为淋溶褐土，有机质16.5 g/kg，碱解氮306.69 mg/kg，速效磷6.19 mg/kg，速效钾168.33 mg/kg，pH 7.83。

1.2 试验设计

试验共设6个不同光质处理，其中自然光(CK)作为对照。采用漂浮育苗方式培育烟苗，移栽至大田(行距×株距为120 cm×50 cm)20 d后，覆盖不同颜色滤膜(聚乙烯树脂，厚度0.08 mm,购于云南省玉溪市旭日塑料厂)于自制拱形升降棚上获得不同光质，从而获得白光(W)、红光(R)、蓝光(B)、黄光(Y)、紫光(P)处理环境。

试验期间，烟草遮膜处理后，根据外界降雨情况，及时人工对棚内烟株补水，保持和自然条件下的土壤水分一致。保持棚内良好的通风透气，使温、湿度等条件保持一致。烤烟按常规方式施肥，并按烤烟技术规范实施田间管理。试验处理除覆盖薄膜颜色不同外，各小区所有栽培措施和环境调控措施均严格保持一致。以自下而上第11片叶为研究对象，打顶后第7天为取样时间起点，分别以7、14、21、28、35、42 d为采样时间点，用液氮固定样品，置于-80 ℃超低温冰箱保存。

图1 不同光质处理对烤烟叶片叶绿素a含量的影响Fig.1 Effects of different light qualities on the contents of chlorophyll a in flue-cured tobacco leaves

1.3 测定项目及方法

1.3.1 叶绿素及类胡萝卜素测定 采用95 %乙醇提取，分光光度计法测定[32]。

1.3.2 衰老指标的测定 采用氮蓝四唑(NBT)法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性[33]；过氧化物酶(POD)活性的测定按照Ranier[34]的方法；参照Aebi[35]的方法测定过氧化氢酶(CAT)活性；以Health、Packer[36]的硫代巴比妥酸比色法测定丙二醛(MDA)含量。

1.4 数据处理

采用Excel和ANOVA软件进行相关数据的统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同光质对烤烟叶片衰老过程中光合色素含量的影响

2.1.1 不同光质对烤烟叶片衰老过程中叶绿素a含量的影响 从图1看出，遮膜处理增加了叶绿素a的含量，其中以白光处理叶片叶绿素a 含量最大，其次是红光。黄光、蓝光处理下的叶绿素a 含量较其他处理的低，其中对照处理下的最低。打顶后21～35 d红光处理叶片叶绿素a的减小速度较对照大，28 d后各处理间差异开始减小。处理间由大到小表现为白光>红光>紫光>黄光>蓝光>对照。总体看来，烤烟叶绿素a在不同光质条件下，均呈下降趋势，打顶28 d后叶绿素a含量下降趋势减缓。

2.1.2 不同光质对烤烟叶片衰老过程中叶绿素b含量的影响 由图2可知，各处理均促进了叶绿素b的降解。叶绿素b含量在不同光质条件下，均呈下降趋势，蓝光和黄光处理下增幅相对较低，蓝光处理下叶绿素b含量在打顶后21～35 d与对照(自然光)较接近，说明蓝光和黄光处理提高叶绿素b的效果不如白光、红光和紫光显著。处理间由大到小表现为白光>红光>紫光>黄光>蓝光>对照。

图2 不同光质处理对烤烟叶片叶绿素b含量的影响Fig.2 Effects of different light qualities on the contents of chlorophyll b in flue-cured tobacco leaves

图3 不同光质处理对烤烟叶片总叶绿素含量的影响Fig.3 Effects of different light qualities on the contents of chlorophyll in flue-cured tobacco leaves

图4 不同光质处理对烤烟叶片叶绿素a/b比值的影响Fig.4 Effects of different light qualities on the contents of chlorophyll a/b ratio in flue-cured tobacco leaves

2.1.3 不同光质对烤烟叶片衰老过程中总叶绿素含量的影响 由图3看出，叶绿素含量的动态变化是烤烟衰老的决定因素之一。在整个成熟过程中，各处理均表现出随叶片的成熟叶绿素含量不断下降，且前期和中期较平缓，后期叶绿素降解开始加快。白光、红光处理下的叶绿素含量显著高于蓝光和黄光，对照最低。

2.1.4 不同光质对烤烟叶片衰老过程中叶绿素a/b比值的影响 叶绿素a/b的比值反映叶绿素合成和转化的平衡关系。如图4所示，在7～21 d内，各处理下的比值下降缓慢，之后降幅较大。白光、紫光、红光下的叶绿素a/b比值较高，蓝、黄光处理较低。

2.1.5 不同光质对烤烟叶片衰老过程中类胡萝卜素含量的影响 由图5可知，烤烟叶片生长过程中，类胡萝卜素含量的变化趋势是随叶片的成熟衰老而下降。前期下降较快，后期趋于平缓。整个成熟过程中，蓝光处理的类胡萝卜素含量基本上均高于自然光，低于白光。

2.2 不同光质对烤烟成熟过程中抗氧化系统的影响

2.2.1 不同光质条件下烤烟成熟衰老期间MDA含量的变化 MDA是细胞膜脂质过氧化的最终产物，其含量的高低反映了细胞膜脂的过氧化水平，常被用来作为脂质过氧化的指标。如图6所示，不同光质处理下烟草叶片中MDA的含量随着叶片生长其含量逐渐增加，且处理间达到显著差异水平，这表明在烟叶成熟过程中细胞膜脂过氧化程度逐渐加强。紫、白光处理下叶片中MDA含量显著高于红光和黄光，衰老前期，自然光下MDA含量高于白光，衰老后期白光处理下叶片中MDA含量较高。总体而言，高能量的蓝光和紫光易导致叶片内MDA含量升高。

图5 不同光质处理对烤烟叶片类胡萝卜素含量的影响Fig.5 Effects of different light qualities on the contents of caroteniods in flue-cured tobacco leaves

不同小写字母表示差异达0.05显著水平(新复极差法)Different letters indicate significant difference at the same day after anthesis at 0.05 probability level by LSR method图6 不同光质处理对烟草叶片MDA含量的影响Fig.6 Effects of different light qualities on the contents of malondialdehyde(MDA) in flue-cured tobacco leaves

2.2.2 不同光质对烤烟衰老过程中抗氧化酶活性的影响 超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)与同属保护酶系统，其中SOD具有清除体内过量的活性氧，维持活性氧代谢平衡的作用，是生物防御活性氧毒害的关键性保护酶之一。不同光质处理对烟草叶片中SOD的活性有显著影响，与对照相比，黄、白光处理的烟草叶片超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)活性较高；蓝光和紫光处理的叶片SOD、POD、CAT活性较低。

在研究中，随着烤烟的生长发育，SOD活性呈先升后降的趋势，处理间差异显著。整个处理过程中，在处理的7～28 d期间，SOD活性呈上升趋势，而处理28 d以后SOD活性逐渐下降，黄光处理叶片的SOD活性显著高于红光、蓝光和紫光处理，这在叶片生长后期表现尤为明显。分析认为作为SOD底物的活性氧自由基可以诱导SOD酶活性的变化，但到后期由于细胞合成代谢水平下降等原因导致SOD酶活性不可逆的降低。

烟草叶片在7～28 d的生长过程中POD活性逐渐升高，可能与前期细胞内活性氧自由基含量较高有关，随着叶片衰老，POD活性逐渐下降，不同光质处理下，烟草叶片中POD的活性总体上表现为白光>红光>紫光>蓝光>黄光，白光处理下的烟草叶片中POD活性显著高于其它光质处理，由图可知，白光处理的叶片POD活性显著高于自然光处理的叶片POD活性，单色光处理会降低烟草叶片中POD活性。

不同小写字母表示差异达0.05显著水平(新复极差法)Different letters indicate significant difference at the same day after anthesis at 0.05 probability level by LSR method图7 不同光质处理对烤烟叶片中抗SOD、POD、CAT活性的影响Fig.7 Effects of different light qualities on the activities of SOD, POD and CAT in flue-cured tobacco leaves

CAT活性变化和POD变化趋势基本接近，在7～28 d活性升高，之后下降，分析认为其活性变化原因和POD基本相同，不同光质处理间的差异不显著，与自然光相比，白光处理下的光强较弱，但CAT活性较高。

3 讨论与结论

3.1 不同光质对烤烟叶片成熟过程中质体色素代谢的影响

本研究结果表明，在烤烟成熟期，不同光质处理对烟草叶片的光合色素有一定影响，白光处理下的叶片的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素以及类胡萝卜素含量都高于单色红光和蓝光下生长的叶片，这一结论与史宏志等[37]的结论一致，但红、蓝光均提高叶绿素a/b的比值这一结论没在本试验中体现，可能与光质来源、取样时期以及实验品种等不同有关。本试验中，蓝、黄光处理的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素以及类胡萝卜素含量低于白光处理，黄光叶绿素a/b的比值和类胡萝卜素含量最低，这一结果与柯学[8]和占镇[28]的结果较为一致。

3.2 不同光质对烤烟抗氧化酶系统的影响

光照对植物抗氧化系统的影响，以往的研究主要集中在光强方面，且发现长时间的强光照射会引发光氧化胁迫，导致叶片的衰老。本研究表明，在烟叶成熟过程中细胞膜脂过氧化程度逐渐加强，与白光相比，紫光处理下叶片中MDA含量显著高于红光和黄光，总体而言，高能量的蓝光和紫光易导致叶片内MDA含量升高，即在烟草生长发育后期紫光和蓝光处理更容易导致氧化胁迫。与白光相比，黄光处理的烟草叶片超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)活性升高；蓝光和紫光处理的叶片SOD、POD、CAT活性降低。与自然光相比，白光处理的烟草叶片中抗氧化酶活性较高。这与文锦芬[38]、杜洪涛[30]、蒲高斌[31]研究结论较一致。本试验结果与黄瓜中蓝光和紫光缓解叶绿素的降解、维持较高抗氧化酶活性[29]不同，可能与供试作物及光质处理的方法不同有关。

通过对烟草叶片在成熟期的叶绿素及抗氧化酶活性等相关生理生化指标综合分析可知，不同光质对烟草质体色素及抗氧化系统有重要影响，红、黄光延缓了叶绿素的降解以及膜质过氧化的发生，从而延缓了植株的衰老进程，紫光和蓝光处理则易导致叶片的光氧化胁迫，这对烟草衰老的生理机制具有一定的理论意义，但光质如何诱导抗氧化酶基因的表达还需深入研究。此外，Causin等[39]等研究表明，蓝光处理下小麦的衰老还与细胞分裂素有着重要联系，因此光质如何调控植物的激素代谢，调控植物的衰老进程，还需深入探讨。

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(责任编辑 李 洁)

Physiology Effects of Light Quality on Leaf Senescence in Flue-cured Tobacco Leaves

LU Su-ping1, ZHAO Min-qin1*, LIU Peng-fei1, LI Yu-e2, FU Bo1

(1.College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, Henan Zhengzhou 450002, China;2.Jilin Tobacco Industrial Co.,LTD.,Jilin Changchun 130000,China)

To investigate the mechanism involved in the different responses of flue-cured tobacco leaf senescence to light qualities, the interaction effects of different lights on plastid pigment metabolism and activities of antioxidant enzymes in the maturation of flue-cured tobacco leaves were investigated. Taking Yunyan 87 (NtcotianatobacumL.) as test material, by covering red, white, blue, yellow and purple polyethylene films above tobacco plants to obtain different light quality. Results indicated that plastid pigments were degradating and translating after topping. Compared with natural light, red and white light significantly inhibited the degradation of chlorophyll. White and blue light inhibited the degradation of caroteniods. Sequence of pigment degradation rate under different lights during declined stage was blue > yellow > purple > red > white > nature light. The activities of antioxidant enzymes in leaves demonstrated the trend of increased first and then decreased. Yellow and red light increased the activities of antioxidant enzymes, and made the content of MDA at a relatively low level. In contrast, purple and blue light decreased the activities of antioxidant enzymes and led to higher contents of MDA in the leaves. In summary, red light treatment contributed to accumulation, and blue light treatment contributed to degradation.Yellow and red light could maintain high levels of antioxidant enzymes and delay aging of flue-cured tobacco leaves.

Light quality; Flue-cured tobacco; Senescence; Physiology effect

1001-4829(2016)07-1595-05

10.16213/j.cnki.scjas.2016.07.017

2015-06-05

中国烟草总公司浓香型特色优质烟叶开发重大专项项目(110201101001 TS-01)；上海烟草集团有限责任公司的浓香型特色优质烟叶风格定位研究及样品检测工作项目(szbcw201201150)；浙江中烟工业公司的浓香型特色优质烟叶烟气检测项目(ZJZY201205); 吉林烟草工业有限责任公司项目(JY2013002)

卢素萍(1990-)，女，湖南永州人，硕士研究生，主要从事烟草化学与烟草生理生化研究，E-mail:lusupinghn@163.com,*为通讯作者，E-mail:zhaomingqin@126.com。

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