不同海拔高度烟草叶片组织结构和质体色素特性研究

杨志晓+李雨+王志红

摘要：以红花大金元为试验材料，采用大田试验研究烟叶的组织结构和质体色素在不同海拔高度下的变化特征。结果显示，叶片在达到长度20 cm前，高、低海拔烟叶的组织学厚度和栅栏细胞密度差异均不明显；但在达到叶长 20 cm 后，高海拔烟叶的组织厚度较薄，而栅栏细胞较密。高海拔烟叶的叶绿素a、叶绿素b含量和叶绿素总量在叶长50 cm前均较低，但烟叶在高海拔条件下具有较高含量的类胡萝卜素，且叶绿素a/叶绿素b、类胡萝卜素/叶绿素比值也较大。研究表明，高、低海拔高度条件下烟叶的组织结构和质体色素含量明显不同，造成细胞结构和光合作用差异明显，从而导致不同海拔高度烟叶的内在质量风格出现差异。

关键词：烟草；叶片；海拔高度；组织结构；质体色素；烟叶质量；风格特色

中图分类号： S572.01 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）11-0133-03

相关研究指出，海拔高度是影响烟叶产质量的重要生态因素之一，其对烟叶生长发育的影响程度明显高于土壤类型、土壤理化性状等生态因子。海拔高度的变化能够引起太阳辐射量、有效积温、昼夜温差以及空气湿度等相关条件的改变，不同的海拔高度可以导致烟叶的组织生长发育与光合特性发生改变[1]。烟叶的内部组织结构形态可以直接反映烟株的营养状况和成熟特征[2]；而质体色素含量和性质对叶片的光合作用也产生影响，其在成熟期的降解变化不仅作用于烟叶的外观质量，而且还直接影响叶片的内在品质[3]。本研究通过对贵州省威宁烟区不同海拔高度条件下红花大金元烟叶生长发育过程中的组织结构和质体色素含量的变化进行研究，旨在明确引起不同海拔高度烟叶内在品质差异的发育机理，为进一步调控烟株生长发育，彰显烟叶质量风格特色提供理论依据。

1 材料与方法

试验分别在贵州省威宁县黑石头镇、小海乡进行，海拔高度分别为2 200、1 700 m。2个试验点均采用大区试验设计，以红花大金元为供试品种。于2014年4月28日移栽，烟株株行距分别为110 cm×60 cm，施純氮量82.5 kg/hm2，N ∶P2O5 ∶K2O=11 ∶12 ∶23，留叶数为18张叶。其他田间管理均按照贵州省威宁优质烟叶生产管理规程开展。

选择试验田中生长整齐一致的90株烟，选取上部叶（第16张叶，从下向上数）进行挂牌标记。分别在叶长5、10、15、20、30、40、50、60、70、72～75（定长）cm和成熟时进行取样，每次取3张烟叶。取样部位是叶片第6～8条侧脉间的叶肉组织。取样叶片大小为0.5 cm×1 cm，并含有1个小支脉。在取样的同时记载所取烟叶的长度、宽度、叶片厚度、叶龄以及取样时间。取样后立即使用FAA固定液固定并保存，此后利用石蜡制片法进行制片，切片厚度为10 μm，以番红-固绿进行对染，每个处理分别制片15～20张。采用Olympus摄影显微镜观察并拍照，通过Image-Pro Plus 6.0专业图像分析软件分别测量烟叶的栅栏组织厚度、海绵组织厚度、叶片厚度、栅栏细胞密度（D=m/d；D为单位长度栅栏细胞个数，单位个/mm；m为栅栏组织细胞个数，单位个；d为长度，单位mm）、组织比（栅栏组织厚度/海绵组织厚度）和栅/叶比（栅栏组织厚度/叶厚）。质体色素含量采用分光光度法进行测定[4]。

利用DPS统计软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同海拔高度烟叶组织结构特性

2.1.1 不同海拔高度烟叶栅栏细胞密度

烟叶中的栅栏细胞排列整齐，含有大量叶绿体，是叶片进行光合作用的主要组成部分，栅栏组织的发育状况与烟叶内在品质有一定关系[5]。由图1可知，随着叶长的不断生长，烟叶的栅栏细胞密度呈单峰曲线的变化趋势。在叶长20 cm前，烟叶栅栏细胞以分裂生长为主，栅栏细胞密度迅速增加。在栅栏细胞分裂结束后，叶片进入伸长生长阶段，细胞开始增粗、增长，细胞间隙不断扩大，而细胞密度则逐渐减小。在叶长5～20 cm时，不同海拔高度下烟叶的栅栏细胞密度差异不大；但叶长达到20 cm后，高海拔高度下烟叶的栅栏细胞密度较大，而其组织结构较为致密。

2.1.2 不同海拔高度烟叶组织学厚度

表1结果显示，叶片栅栏组织厚度随着烟叶生长发育而呈现明显的先缓慢后快速上升的变化趋势，这与张贵峰等的研究结果[6]相似。在叶长 20 cm 以前，烟叶中的栅栏细胞较小，分裂旺盛，而伸长生长缓慢，造成栅栏组织厚度较小。进入叶长20 cm之后，栅栏细胞开始处于伸长生长阶段，栅栏组织厚度明显增加。在叶片生长发育进程中，烟叶的海绵组织厚度与栅栏组织厚度变化趋势相同。此外，在叶长20 cm之前，烟叶的栅栏组织、海绵组织厚度以及叶片组织厚度在不同海拔高度下差异较小；但在叶长20 cm之后，烟叶生长发育相继进入伸长生长期和腔隙扩展期，高海拔高度下烟叶的组织厚度小于低海拔烟叶，其叶片组织结构较薄。这与吴道良在茶树上的研究结果[7]相一致。

2.2 不同海拔高度烟叶质体色素含量

2.2.1 不同海拔高度烟叶叶绿素含量

烟叶中的叶绿体在进行光合活动时，绝大部分的叶绿素a分子和全部叶绿素b分子具有收集和传递光能的作用，而少数特殊状态的叶绿素a分子则能够将光能转化为电能。由表2可知，在不同海拔高度下，烟叶中的叶绿素a、叶绿素b含量和叶绿素总量在发育进程中均呈先升高后降低的变化趋势，这与周顺亮等的研究结果[8-9]相一致。低海拔高度烟叶在叶长40 cm、高海拔烟叶在叶长60 cm时，叶片中的叶绿素含量均达到高峰。表2结果同时显示，低海拔高度烟叶中的各叶绿素含量在达到叶长50 cm之前均高于高海拔烟叶，表明低海拔高度烟叶在发育过程中具有较强的光合作用能力。

2.2.2 不同海拔高度烟叶类胡萝卜含量

类胡萝卜素（Car）是光合作用活动中光传导途径和光反应中心的重要组成成分，能够作为叶绿体光合天线的辅助色素吸收光能供给叶绿体利用；此外，它在高温、强光下可以通过叶黄素循环，以非辐射方式消耗光系统Ⅱ（PSⅡ）的过剩能量从而保护叶绿体免受伤害。由图2可知，在不同海拔高度下，烟叶中的Car含量变化与叶绿素相似，均表现为先升高后降低的动态变化状态。高海拔高度下烟叶的Car含量在发育过程中高于低海拔烟叶，且最大值较大，表明烟叶在高海拔高度条件下具有较强的保护叶绿体、维护光合作用正常进行的能力。

2.2.3 不同海拔高度烟叶叶绿素a/叶绿素b和类胡萝卜素/叶绿素

叶绿素a/叶绿素b可以反映PSⅡ聚光复合体（LHCⅡ）在所有包含叶绿素结构中所占的比重，其值升高是LHCⅡ含量减少的主要特征；同时，其比值下降有利于捕获漫射光中占优势的蓝紫光[10]。由表3可知，在不同海拔高度条件下，烟叶的叶绿素a/叶绿素b大致呈现先升高后降低的变化趋势，进入烟叶细胞伸长生长期，叶绿素a/叶绿素b逐渐下降，表明烟叶的LHCⅡ含量在该时期上升，使光合作用能力不斷增强，进而提高对蓝紫光的吸收、利用能力。在烟叶成熟过程中，叶绿素a/叶绿素b比值升高，正是烟叶光能利用率低、光合能力下降的反映。不同海拔高度相比较，高海拔烟叶旺盛生长期的叶绿素a/叶绿素b比值较高，这与周党卫等的研究[11]相似，表明了高海拔高度烟叶利用蓝紫光的能力较差。

类胡萝卜素/叶绿素比值高低与植物忍受外界逆境的能力密切相关。表3结果显示，在高、低海拔高度条件下，烟叶的类胡萝卜素/叶绿素比值在细胞分裂结束时出现峰值，显示出在该时期烟叶具有较强的抗逆境能力；而进入烟叶成熟期，类胡萝卜素/叶绿素比值呈下降趋势，引起抗逆性不断降低。在不同海拔高度条件下，与低海拔烟叶相比，高海拔高度烟叶在全生育期具有较大的类胡萝卜素/叶绿素值，这可能是烟叶对高海拔高度条件下低温、高光强等外界逆境胁迫的一种适应性反应。

3 小结与讨论

烟草叶片在达到长度20 cm之前处于细胞分裂期，高、低海拔高度条件下烟叶的组织学厚度在该时期差异不大，并且栅栏细胞密度差别也不明显。但在叶长20 cm后，栅栏细胞进入伸长生长阶段，与低海拔高度生长环境相比，烟叶在高海拔条件下栅栏细胞伸展幅度较小，海绵细胞变形以及细胞间隙扩大程度均较低，叶片组织厚度也较薄，但其栅栏细胞却较密，体现出高海拔烟叶在伸长生长期组织较薄，而结构致密的特征。这种特性有利于避免高海拔高度条件下强光强对烟草叶片的辐射损伤，从而达到保护烟叶，使其正常生长的目的。此外，高海拔高度下烟叶的叶绿素a、叶绿素b和叶绿素的含量在叶长50 cm前均较低，尤其是在栅栏细胞伸长生长期尤为突出。但烟叶在高海拔高度条件下具有较高含量的类胡萝卜素，而且叶绿素a/叶绿素b、类胡萝卜素/叶绿素比值在栅栏细胞伸长生长期也尤其较大。因此，从研究结果可以看出，在细胞伸长生长期，高、低海拔高度条件下烟叶的组织结构和质体色素含量具有显著不同，造成叶片的细胞结构和光合活动能力差异逐步明显，从而导致高、低海拔高度条件具有不同的烟叶品质。另一方面，烟叶的栅栏细胞中富含叶绿体，而叶绿素全部存在于叶绿体中。本研究证实，烟叶的叶绿素含量和栅栏组织厚度在不同海拔高度条件下具有相同的变化趋势，但与栅栏细胞密度的生长发育相反。由此推测，叶绿体中的色素含量和栅栏细胞的伸长发育状况可能具有密切关系，烟叶栅栏细胞越长，内部的叶绿体就越多越大，使其所含有的色素含量也就越高。

叶绿体是植物光合机构的重要组分，一般来讲，随着海拔高度的增加，植物叶片中的叶绿素含量呈现降低的变化趋势。有研究认为，叶绿素含量下降，能够减少叶片对光能的大量吸收，从而使植物免受强光照辐射的损伤[12]。本研究也发现，处在细胞伸长生长期，高海拔高度条件下烟叶的叶绿素a、叶绿素b和叶绿素的含量均低于低海拔叶片。类胡萝卜素分子中的共轭双键可以强烈吸收紫外光谱区域辐射，因此，类胡萝卜素一方面能够吸收过剩光能，以避免叶绿素的光氧化；另一方面，可以通过直接吸收紫外线辐射，从而减少紫外线对植物的伤害，尤其是对光合系统PSⅠ、PSⅡ的破坏[13]。本研究结果显示，高海拔高度条件下烟叶在发育过程中具有较高的类胡萝卜素含量，这有可能是烟叶对外界紫外线强辐射适应的结果。已有研究表明，高海拔植物较低海拔植物含有较高的类胡萝卜素含量，从而有利于阻止叶绿素光氧化的发生[14]。生长在强紫外辐射条件下的植物，能够通过增加叶片表皮层中紫外吸收物质含量来影响紫外线辐射的穿透性，以减少进入叶肉组织的紫外线辐射量，从而降低紫外线辐射造成的损伤[14]。高山植物含有大量的类胡萝卜素，且随海拔高度的升高而不断增加，反映出植物对外界紫外辐射增强的适应性[15]。本研究结果证实，与低海拔叶片相比，高海拔高度条件下烟叶的类胡萝卜素/叶绿素值较高，这与前人的研究结论相一致。

叶绿素在降解过程中产生的叶绿醇经脱水而生成新植二烯，属于烟叶中重要的萜烯类化合物，是中性挥发性香气物质含量最高的组分[16-17]。烟叶中性挥发性香气成分中有很大一部分属于类胡萝卜素降解产物，其中有很多都是烟草叶片中的重要致香成分[18]。因此，烟叶在生长发育过程中形成的质体色素含量不同势必影响其最终的质量风格。本试验结果表明，低海拔高度烟叶具有较高的叶绿素含量，而高海拔烟叶则含有较多的类胡萝卜素。烟叶在不同海拔高度条件下生长发育而形成的不同质体色素含量，从而具有不同的质量风格特色，这一研究结果对特色烟叶生产具有重要的指导作用，需要进一步进行深入研究。

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