紫葉紫薇新品系葉色變化理化因素研究

王 瑩， 李 敏， 談 峰， 馬祥建， 郭 聰， 李玉娟

(江蘇沿江地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇如皋 226541)

紫薇(LagerstroemiaindicaL.)以其豐富的花色、良好的抗逆性在世界范圍內(nèi)受到越來越多的重視，很多國家都已經(jīng)深入開展了紫薇的育種工作，并取得了一定的成果。黃建民等利用多子代花粉自然雜交產(chǎn)生的遺傳變異，選育出一批性狀穩(wěn)定、觀賞價值高、抗逆性強、適生性廣的新品種[1]。湖南省林業(yè)科學(xué)研究院從美國引進和選育了一批彩葉紫薇新品種，集觀花、觀葉于一體，其觀賞價值較高[2]。美國和日本開展了以抗病、矮化為主要目標(biāo)的紫薇種間雜交育種[3-4]，其中美國的Pounders等培育出一批紫紅色葉的黑鉆石系列紫薇品種，這些品種除了具有多彩的花色，葉色期統(tǒng)一呈現(xiàn)出絢麗的紫色[5]。黑鉆石紫薇品種的出現(xiàn)，使得葉色成為紫薇繼干皮、花色、株型之后的另一個重要觀賞性狀。

為了更好地滿足彩葉苗木市場與社會發(fā)展的需求，筆者所在項目組從美國引進紫葉紫薇“Black Diamond”系列種質(zhì)資源，2014年開始通過實生選種，篩選出了一批觀賞性狀優(yōu)良的紫葉紫薇新品系，其中紫晶1號紫薇與親本相比，全株葉片在春季呈現(xiàn)更加明艷的紫紅色，色葉期比親本長15～20 d，初夏開始返青，上位葉呈紫紅色，中位葉呈紫色與綠色相雜的花葉色，下位葉呈綠色(圖1)，具有非常好的葉色觀賞性。關(guān)于彩葉植物葉片的生理生化呈色機制，目前已經(jīng)有很多相關(guān)研究報道。張敏等指出，秋季櫸樹葉色變化最直接的原因是色素的成分和比例發(fā)生改變，而溫度、糖分、礦質(zhì)元素等是葉片呈色的重要內(nèi)外因子[6]。王亞蕓等通過測定金葉榆不同葉位葉片的色素含量和光合生理參數(shù)來研究葉片的呈色生理機制[7]。姜雪茹等研究指出，麗城小葉黃楊冬季葉片類胡蘿卜素含量顯著增加，另外H2O2的增加可能使紅色葉片免受氧化傷害[8]。但是由于彩葉紫薇屬新的色葉樹種，對其葉色變異機制的研究非常匱乏。因此，若能進一步解析紫葉紫薇葉色成因及其調(diào)控機制，可以有針對性地培育出一批色葉型紫薇新品種，以滿足巨大的市場需求與城市園林綠化的需要。

本研究以紫葉紫薇新品系紫晶1號轉(zhuǎn)色期葉色表型為紫葉(上位葉)、花葉(中位葉)、綠葉(下位葉)的紫薇葉片為試材，從生理生化角度探尋影響該品系紫薇葉片呈色的關(guān)鍵因素，旨在探明葉片的呈色機制，為進一步提高新品系觀賞特性、延長色葉觀賞期提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

以江蘇沿江地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所紫薇種質(zhì)圃內(nèi)新選育的紫葉紫薇紫晶1號為試材。選取葉色性狀穩(wěn)定、生長健壯、長勢一致的植株，采集上位葉(紫葉、嫩葉)、中位葉(花葉)和下位葉(綠色)3個葉位的功能葉片(圖1)，帶回實驗室立即測定葉綠素、花青素等相關(guān)理化指標(biāo)。

1.2 方法

1.2.1 葉綠素含量的測定 取紫葉紫薇紫晶1號鮮葉，擦干，去中脈，剪碎并稱取0.2 g放入缽體，加入少許石英砂和CaCO3，再加入少許95%乙醇研磨成勻漿，靜置10 min；用漏斗濾去殘渣，再用95%乙醇反復(fù)沖洗研缽、殘渣至無色，用有刻度的帶塞試管定容至20 mL。以95%乙醇為空白對照，在波長665、649、470 nm下測定溶液的吸光度。試驗設(shè)3個重復(fù)。

1.2.2 花色素苷含量的測定 取材與處理方法同“1.2.1”節(jié)，加入少許2%鹽酸-甲醇溶液，經(jīng)反復(fù)研磨、清洗殘渣，以定性濾紙過濾，用有刻度的帶塞試管定容至20 mL，搖勻，立即取濾液，用2%鹽酸-甲醇溶液作空白，于紫外-可見分光光度計在波長530 nm處進行分析。試驗設(shè)3個重復(fù)。

1.2.3 類黃酮含量的測定 取材與處理方法同“1.2.1”節(jié)，取濾液，用2%鹽酸-甲醇溶液作空白，于紫外-可見分光光度計在波長320 nm處進行分析。試驗設(shè)3個重復(fù)。

1.2.4 總酚含量的測定 取材與處理方法同“1.2.1”節(jié)，取濾液，用2%鹽酸-甲醇溶液作空白，于紫外-可見分光光度計在波長280 nm處進行分析。試驗設(shè)3個重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 12.0統(tǒng)計軟件進行相關(guān)分析，用Excel 2003作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同葉位葉片葉綠素、類胡蘿卜素含量分析

在初夏葉片轉(zhuǎn)色期，紫晶1號葉片中葉綠素、類胡蘿卜素含量變化見圖2。隨著葉位的降低，葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量均表現(xiàn)出逐漸升高的趨勢，其中綠葉中總?cè)~綠素含量最高，達到2.89 mg/g。3種葉位的葉片進行葉綠素與類胡蘿卜素含量對比，葉綠素a含量最高，類胡蘿卜素含量最低，嫩葉中葉綠素、類胡蘿卜素含量明顯低于綠葉。方差分析表明，下位葉中葉綠素a含量與上位葉、中位葉差異達到極顯著水平；上位葉葉綠素b含量與中位葉、下位葉差異達到顯著水平；中位葉類胡蘿卜素含量與上位葉差異達到顯著水平，與下位葉差異達到極顯著水平。

2.2 不同葉位葉片花色素苷、類黃酮、總酚含量分析

由圖3可知，隨著葉位的降低，花色素苷含量也會逐漸減少，其含量在嫩葉中相對最高，為綠葉中的4.37倍，這與葉綠素與類胡蘿卜素在不同葉位葉片中的變化趨勢相反。與花色素苷、總酚含量相比，類黃酮含量在葉片中最高，僅在綠葉中平均值就已達 13.68 mg/g?？偡雍磕廴~中最高，為 5.11 mg/g，花葉中最低，為3.24 mg/g。方差分析得出，3個葉位葉片中花色素苷含量差異達到極顯著水平；上位葉中類黃酮、總酚含量與中位葉、下位葉的差異達極顯著水平。

2.3 色素比值分析

2.3.1 不同葉位葉片中色素、總酚含量比例分析 色素含量的比例直接影響著植物葉片呈現(xiàn)的顏色，圖4為紫晶1號在轉(zhuǎn)色期時不同葉位葉片中色素及總酚含量比例。從結(jié)果可以看出，轉(zhuǎn)色期嫩葉中花色素苷所占比例最大，隨著葉位降低，其比例逐漸減小，與中、下葉位差異明顯?？?cè)~綠素含量比例在不同葉位葉片中的變化規(guī)律與花色素苷相反，在綠葉中的相對含量最高。類胡蘿卜素含量比例變化雖與總?cè)~綠素含量的變化趨勢一致，但因其分布量最少，尤其在嫩葉中僅為0.56%，推測其對葉片的呈色影響不明顯?？偡雍吭诓煌~位葉片中的含量分布僅次于花色素苷含量，與花色素苷含量在不同葉位葉片中的變化基本規(guī)律相反。由此推測，紫晶1號葉片呈色主要受花色素苷、總?cè)~綠素及總酚含量的比例所影響。

2.3.2 不同葉位葉片中相關(guān)色素及總酚含量與葉綠素含量的比值分析 從圖5可以看出，花色素苷在嫩葉中的積累量最多，花色素苷/葉綠素(ant/chl)值為在花葉和綠葉中的3.18、9.17倍，差異達極顯著水平(P<0.01)，葉片呈現(xiàn)紫紅色；隨著葉位的降低，葉綠素含量呈升高趨勢，葉片變紅的程度也相對較低，在綠葉中ant/chl值很低，僅為0.85。類胡蘿卜素/葉綠素(car/chl)在紫晶1號不同葉位葉片中的變化趨勢與ant/chl相反， 但變化幅度較不明顯。與car/chl、ant/chl相比，總酚/葉綠素在不同葉片中的變化略有不同，隨葉位降低，總酚/葉綠素呈先升后降的趨勢。

2.3.3 色素比值與測定指標(biāo)的相關(guān)性分析 由表1可知，3種表型紫葉紫薇葉片中，色素比值與葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量均呈負相關(guān)，與類胡蘿卜素、總酚含量均呈正相關(guān)，其中綠葉中花色素苷/葉綠素、類黃酮/葉綠素與葉綠素b含量呈顯著負相關(guān)，說明葉綠素b含量的相對穩(wěn)定在綠色單株呈色過程中起重要作用；花葉中類黃酮/葉綠素與葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量呈顯著負相關(guān)，花色素苷/葉綠素與總酚含量相關(guān)度最高(0.950)，表明葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素以及總酚的含量和比例是影響花葉呈色的主要原因；嫩葉中花色素苷/葉綠素與葉綠素b含量呈顯著負相關(guān)，與花色素苷含量呈極顯著正相關(guān)，表明花色素苷含量的提高和葉綠素b含量的降低是紫葉單株葉色變紫的主要原因。

表1 色素比值與測定指標(biāo)的相關(guān)性分析

3 討論與結(jié)論

3.1 色素含量及比例對紫薇葉片呈色的影響

色素種類、比例、含量是導(dǎo)致彩葉植物葉色變化的直接原因。相關(guān)研究表明， 紅(紫)葉植物的葉色取決于葉片花色素苷和葉綠素含量的比例(ant/chl)，ant/chl的值越大，葉色越紅[9]。從結(jié)果可以看出，不同表型紫薇葉片中ant/chl值存在明顯差異。轉(zhuǎn)色期嫩葉中花色素苷所占比例最大，與花葉和綠葉中的差異達顯著水平，葉片呈現(xiàn)紫紅色，隨著葉位的降低，葉綠素含量呈升高趨勢，葉片變紅的程度也相對較低。

另外，Saure指出，類黃酮中的花色素苷在彩葉樹種生長發(fā)育過程中與葉綠素等其他色素物質(zhì)同時存在[10]。只有伴隨葉綠素的降解，花色素苷才有可能形成。本試驗發(fā)現(xiàn)，隨著葉位的降低，葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量均逐步升高，而花色素苷含量逐漸減少(嫩葉為綠葉中的 4.37 倍)，3個表型葉片中花色素苷含量差異達到極顯著水平。色素比值與測定指標(biāo)的相關(guān)性分析顯示，嫩葉中花色素苷/葉綠素與葉綠素b含量呈顯著負相關(guān)，與花色素苷含量呈極顯著正相關(guān)，說明花色素苷含量的提高和葉綠素b含量的降低是紫葉單株葉色變紫的主要原因。由此可以推測，葉綠素在花色素苷形成前的降解與花色素苷的迅速合成有關(guān)，葉綠素降解物可能對于花色素苷的形成起到活化作用。

3.2 光照對紫薇葉片呈色的影響

葉片的著色是一個非常復(fù)雜的過程，花色素苷合成不僅受到遺傳特異性調(diào)控，還受到許多環(huán)境因子的調(diào)節(jié)，其中光照對花色素苷合成與積累的影響不盡相同[11-12]?；ㄉ剀湛梢杂晒庹T導(dǎo)產(chǎn)生，具有光保護作用[13]。本試驗中，上位葉花色素苷含量較高，可能與上位葉葉片接受光照較中位葉、下位葉多有關(guān)。有不少研究表明，光可能通過光合作用影響葉片的生長和著色，花色素苷的產(chǎn)生需要由光合作用提供足夠的可溶性糖，不同波長的光可誘導(dǎo)各種生長激素在植物體內(nèi)含量的變化，進而影響類黃酮色素的積累[14-15]。于偉等的試驗結(jié)果指出，隨著遮陰度增加，紅葉南天竹葉綠素、類胡蘿卜素含量增加，花色素苷相對含量減少[16]，本試驗結(jié)果與之相似。因此光照是影響花色素苷合成的重要因素。

3.3 葉片發(fā)育階段對紫薇葉片呈色的影響

發(fā)育階段對葉色形成也有一定的影響，幼齡植物由于組織構(gòu)造尚不成熟，其葉片中葉綠素含量較低，對光能利用能力較弱，更容易遭受光抑制脅迫。Zhou等研究不同時期紅葉桃葉片花色素苷含量以及相關(guān)合成基因表達量時發(fā)現(xiàn)，夏季幼葉的基因表達水平總是高于成熟葉，猜測新葉與老葉顏色差異可能與不同時期花色素苷合成能力有關(guān)[17]。紫葉紫薇新品系紫晶1號葉片由紫轉(zhuǎn)綠的過程中，葉片細胞逐漸發(fā)育成熟，干物質(zhì)累積增多，葉片革質(zhì)化，纖維增加，這通過在試驗中研磨靜置時試管底部沉積物逐漸增多可證明。上位葉為始發(fā)的嫩葉，葉片處于快速生長期，色素的合成最為旺盛，大量的花色素苷被積累到液泡中，葉片呈現(xiàn)紫紅色；隨著葉位的降低，葉片成熟度逐漸升高，細胞生長速度逐漸減慢，細胞數(shù)量和葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能發(fā)生相應(yīng)的變化，花色素苷合成或累積速度減緩，與此同時，葉綠素合成酶的活性升高，葉色向綠色過程轉(zhuǎn)變，孔祥海等也得到了相似的研究成果[18-19]。

3.4 總酚含量及比例對紫薇葉片呈色的影響

葉綠素、類胡蘿卜素和花色素苷等色素都屬于次生代謝物質(zhì)，使植物具有一定的色彩[20-21]，總酚等其他色素類產(chǎn)物也會影響其呈色的最終表現(xiàn)。本研究與陳芳等的研究結(jié)果[22-23]相似。在本試驗中，總酚在不同葉位中的含量分布僅次于花色素苷含量，并且隨著葉位降低，總酚含量百分比呈升高趨勢，初步推測總酚含量的比例對紫晶1號葉片呈色產(chǎn)生了一定影響；從色素比值與測定指標(biāo)的相關(guān)性分析結(jié)果看出，嫩葉中色素比值與總酚含量相關(guān)性未達到顯著水平，花葉中類胡蘿卜素/葉綠素、花色素苷/葉綠素與總酚含量呈正相關(guān)，綠葉中類胡蘿卜素/葉綠素與總酚含量呈正相關(guān)，由此推測上位葉葉片處于生長旺盛期，各色素合成速度加快，總酚的合成也同時加快，但花色素苷占主要優(yōu)勢，故葉片呈現(xiàn)紫紅色；在中位葉中，因接受的光照減少，類胡蘿卜素、花色素苷合成開始減弱，總酚含量比例相對提高，葉片呈現(xiàn)花紫色；綠葉中，由于葉片成熟度升高，葉綠素、類胡蘿卜素含量顯著提高，總酚的合成速度也同時加快，因而葉片呈現(xiàn)綠色。

綜上所述，紫葉紫薇葉色變化是在多種因素的綜合作用下完成的，最直接的原因是色素的成分和比例發(fā)生改變。而光照、溫度、糖分、礦質(zhì)元素等是葉片呈色重要的內(nèi)外因子。Shaked-Sachray等研究發(fā)現(xiàn)，溫度在影響紫薇花瓣中花色素苷合成的同時也影響花色素苷的穩(wěn)定性[24]；楚愛香等研究表明，花色素苷的合成與碳水化合物的代謝有關(guān)[25]；李夢靈等研究發(fā)現(xiàn)，光質(zhì)對菊花花色素苷合成與呈色的影響顯著，藍光使舌狀花顏色加深，而紅光使花色變淺[26]。如何通過改變外界環(huán)境因子達到調(diào)節(jié)相關(guān)色素的含量和比例的目的，進而控制紫葉紫薇葉片的呈色，還需要做進一步研究。