光质对烤烟叶片代谢物质积累及烟苗发育的影响

摘要

烟叶品质一直是烟草科技工作者们所关注的核心内容，其在很大程度上受制于其所生长的生态环境，故而，有“生态决定特色”的观点。在众多生态因子中，光是影响植物生长代谢最重要的环境因子之一，其对植物的光合作用、形态建成、根系发育、物质代谢及基因表达等均有显著影响。
　　为明确光照对烟叶质量风格特色形成及烟苗生长发育的影响，本研究测定、分析了不同植烟区太阳光谱辐射及其纬度和垂直地带性变化特征;研究了不同产区太阳光谱辐射在烤烟大田生育期的变化特征及其与烟叶致香物质间的相关关系;利用不同LED光源研究了不同单色光对烟草叶片代谢轮廓的影响;在水培条件下系统研究了红、蓝单色光对烟苗生长发育及生理特性的影响;进一步研究了红、蓝单色光调控烟苗侧根发育的作用机理。本研究获得主要结果如下:
　　(1)测量并分析了天柱（贵州）、遵义（贵州）、黔西（贵州）、贵定（贵州）、开阳（贵州）、余庆（贵州）、盘县（贵州）、威宁（贵州）、道真（贵州）、临朐（山东）、武隆（重庆）、巫山（重庆）、诸城（山东）、桑植（湖南）、旬阳（陕西）15个站点2012年4月28日至9月21日的太阳光谱特征。分析结果表明:紫外辐射占太阳总辐射的比例为2.9％～10％，可见光辐射占太阳总辐射的比例为44.3％～48.9％，红外辐射所占太阳总辐射的比例为44.7％～51.2％。所有分光辐射中紫外辐射占太阳总辐射的比例日间变化最大，最不稳定。可见光比例在日间变化最小，是太阳光谱中最稳定的波段。紫外辐射比例分别与纬度、海拔呈显著的正、负相关，而蓝光辐射比例与之相反。各分光辐射比例的稳定性与海拔、纬度间未表现出显著的相关关系。各地太阳总辐射高峰出现的月份不尽相同，受海拔、纬度的影响不明显。各地红外辐射与太阳总辐射均表现出极显著的正相关关系，可见光辐射与之相反。紫外辐射比例与总辐射在绝大多数地方表现出极显著的负相关关系，但在余庆的状况与之相反，在武隆、诸城、巫山、临朐和天柱5个地方未见二者间存在显著的相关关系;
　　(2)为研究太阳光谱对烤烟致香物质的影响，测定了2012年19个植烟区烤烟大田生育期太阳光谱辐射量，同时测定了对应观测站点初烤烟叶致香物质的含量，采用典型相关分析方法研究了不同生育时期太阳总辐射及各分光辐射与烤烟致香物质间的相关关系。结果表明:在烤烟全生育期，各观测站点太阳总辐射量及各分光辐射量差异明显;各站点太阳总辐射量和各分光辐射量在不同生育时期的分布明显不同;各站点太阳分光辐射量所占太阳总辐射的比例不尽相同;除绿光外，各分光辐射与烟叶致香物质间均存在显著的典型相关关系;不同波段光谱均为烟叶成熟后期的辐射量与烟叶化学成分有较强的相关性，在成熟前期未发现任何波段的光谱辐射与化学成分的相关关系，伸根期的紫外光、红光辐射和旺长期的蓝光、红光、红外光辐射也与烟叶化学成分存在显著的相关关系;
　　(3)为深入研究植物叶片对不同光质的代谢应答，在烟草(Nicotiana tabacum L.)上部叶片生理成熟期给以白、紫外A、蓝、绿、黄、红6种LED灯光处理，并采用非靶标及靶标性代谢物质检测手段，研究了不同光质处理下烟草叶片代谢轮廓的差异。结果表明:(1)非靶标检测方法共检测到了68种GC/MS（气相色谱/质谱）稳定的代谢产物，在PLS-DA得分图中，第一、第二主成分将6种光处理的样品明显分开;68种物质中有61种在质谱库中得到鉴定，其中45种代谢物质含量在不同光处理间存在显著性(P＜0.05)差异，主要为有机酸类、糖类、TCA循环中间产物、氨基酸类等初级代谢产物;差异性代谢物的热力图及聚类分析将其分为5类，同时也将6个处理明显分开，其中红、蓝光处理差异最为明显，除B类物质，其他4类均以红光处理高于蓝光处理;(2)靶标性检测方法测定了3种生物碱、5种多酚及茄尼醇的含量，4种（加上非靶标测定到的烟碱）生物碱在不同光质处理间变化趋势一致，红光和黄光明显促进了生物碱积累;莰菲醇基芸香苷和芸香苷在不同处理间变化趋势一致，以蓝光处理最低，黄光最高，光质对其他3种多酚的影响各异;黄光明显抑制了茄尼醇的积累，蓝光处理叶片中茄尼醇含量最高;
　　(4)为培育壮苗及优化烟草育苗光环境提供依据，以烤烟品种K326为材料，在水培条件下，研究了两种单色光处理对烟草幼苗生长发育及生理特性的影响。结果表明，与对照白光处理相比，红光处理下的烟苗叶片面积和地上部鲜重均显著增加，增幅分别为49.8％和48.8％，而蓝光明显抑制了叶片的发育;蓝光处理下的烟苗茎秆的高度显著增加，增幅为59.2％，而红光明显抑制了烟苗茎秆的伸长;就根系而言，红光处理下烟苗根系鲜重、一级侧根数量、二级侧根数量及根系表面积均显著高于白光对照和蓝光处理;不同光质处理下，烟苗叶片中叶绿素和类胡萝卜素含量大小依次均为:白光＞红光＞蓝光;红光和蓝光处理下烟苗的净光合速率、气孔导度均略低于对照白光处理，但红光处理烟苗光合速率降低是由非气孔因素限制所致，而蓝光处理则可能是由气孔导度降低所致;
　　(5)光是调控植物生长发育重要的生态因子之一，但目前关于光质调控侧根发育的机理仍不清楚。本文我们研究了烟草幼苗侧根发育对红、白、蓝3种光质的应答。与白、蓝光相比，在光处理的第9、12天，红光显著提高了烟苗一级侧根数量和二级侧根密度。生长素测定结果显示，与其他两种光处理相比，红光处理下的烟苗根系中生长素(IAA)含量明显增加，叶片中IAA含量则显著降低，这一结果暗示红光可能促进了IAA由叶片向根系转运。另外，烟苗根茎结合处及二级侧根区的DR5∷GUS表达水平也以红光处理最高。施用生长素极性运输抑制剂NPA（N-1-naphthylphthalamic）可使红光处理下烟苗一级侧根数量、二级侧根密度及DR5∷GUS表达水平恢复到白光处理的水平。施用外源生长素(NAA)的蓝光处理烟苗也出现类似的结果。3H标记的IAA转运试验结果显示，红光促进了生长素由地上部向根系的极性运输。红光明显提高了生长素外流载体编码基因PIN3在根茎结合处及根系的表达水平，蓝光则显著抑制了PIN1、PIN3和PIN4在这两个部位的表达，暗示这些基因在红、蓝光调控生长素转运过程中起关键作用。总之，本研究结果证明三种光质是通过改变生长素的极性运输来实现对侧根形成的调控。

目录

声明

摘要

英文缩略表

第一章 引言

1．1 太阳光谱

1．1．1 太阳光谱组成

1．1．2 影响地表太阳光谱组成的因素

1．1．3 太阳光谱测量研究进展

1．2 光质对植物光合作用的影响

1．3 光质对植物生长发育的影响

1．3．1 光质对植物茎叶生长发育的影响

1．3．2 光质对植物根系生长发育的影响

1．4 光质对植物代谢物质积累的影响

1．5 研究目的和技术路线

1．5．1 目的意义

1．5．2 技术路线

第二章 不同区域太阳光谱特征及其变化规律的研究

2．1 研究站点与研究方法

2．1．1 研究站点

2．1．2 观测时间

2．1．3 观测方法

2．1．4 数据处理

2．2 结果与分析

2．2．1 不同站点太阳光谱辐射量变化趋势

2．2．2 不同站点太阳光质特征

2．2．3 太阳光谱分光辐射比例与海拔和纬度的关系

2．2．4 太阳光谱分光辐射比例的稳定性

2．2．5 不同区域太阳光谱各分光辐射比例与太阳总辐射的关系

2．3 讨论

第三章 太阳光谱辐射与烤烟致香物质的典型相关分析

3．1 材料与方法

3．1．1 研究区域

3．1．2 太阳光谱采集方法

3．1．3 试验材料

3．1．4 烟叶致香物质测定

3．2 结果与分析

3．2．1 烤烟大田生育期太阳光谱测定

3．2．2 紫外光与化学成分间的典型相关分析

3．2．3 蓝光与化学成分间的典型相关分析

3．2．4 绿光与化学成分间的典型相关分析

3．2．5 红光与化学成分问的典型相关分析

3．2．6 红外光与化学成分间的典型相关分析

3．3 讨论

第四章 光质对烟草叶片组织结构及代谢轮廓的影响

4．1 材料与方法

4．1．1 试验设计

4．1．2 栽培条件

4．1．3 光照条件

4．1．4 叶片组织结构观察

4．1．5 代谢物质测定

4．1．6 数据统计分析

4．2 结果与分析

4．2．1 光质对烟草叶片组织结构的影响

4．2．2 光质对烟草叶片代谢组的影响

4．2．3 光质对烟叶次生代谢物质含量的影响

4．3 讨论

第五章 红蓝单色光对水培烟草幼苗生长发育及生理特性的影响

5．1 材料与方法

5．1．1 试验设计

5．1．2 水培条件

5．1．3 LED光源的光谱能量分布

5．1．4 测定项目与测定方法

5．1．5 数据处理与分析

5．2 结果与分析

5．2．1 光质对烟苗地上部的影响

5．2．2 光质对烟苗根系的影响

5．2．3 光质对烟苗叶片质体色素含量的影响

5．2．4 光质对烟苗光合特性的影响

5．3 讨论

第六章 光质通过改变生长素的分布调控烟苗侧根发育

6．1 材料与方法

6．1．1 栽培条件

6．1．2 外源激素处理

6．1．3 根系性状调查

6．1．4 IAA含量测定

6．1．5 GUS组织表达分析

6．1．6 3H标记IAA转运试验

6．1．7 基因表达量分析

6．1．8 数据分析

6．2 结果与分析

6．2．1 不同处理烟苗的表型

6．2．2 光处理过程中侧根发育的动态变化

6．2．3 内源IAA含量及其在根茎结合处和根系中的分布

6．2．4 NAA和NPA对侧根形成的影响

6．2．5 3H同位素示踪IAA极性运输

6．2．6 PIN基因在根茎结合处及根系中的表达量

6．3 讨论

第七章 全文结论

参考文献

附录

致谢

作者简历