紫葉李葉片春季成熟過程中花青素含量和光合功能變化研究

汪娟　張華　張杰

摘要： 以紫葉李幼葉為試驗材料，于2017年3～5月系統(tǒng)地觀測了其發(fā)育過程。從葉片大小（以葉面積表示）來看，紫葉李葉片的生長趨勢呈明顯的“拋物線形”曲線，在5月中旬葉面積達到最大。新生葉展開過程中，葉綠素和花青素含量均逐漸升高，其中葉綠素含量增加較快，5月初即達到最大值；花青素含量則一直呈上升趨勢，5月下旬花青素含量仍在升高；蛋白質(zhì)含量增加趨勢與葉綠素一致。隨著葉面積的增大，紫葉李葉片的質(zhì)體醌庫大?。ˋrea）和反應(yīng)中心數(shù)目（RCs/CSo）在5月中旬逐漸增大至最大值，PSII最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）、光能吸收和傳遞效率（ABS/CSo、TRo/CSo、ETo/CSo）、熱能耗散比率（DIo/CSo）等也在5月底逐漸趨于穩(wěn)定，說明此時葉片的光合功能已經(jīng)發(fā)育完善。

關(guān)鍵詞： 紫葉李； 葉片； 發(fā)育； 花青素； 光合功能

中圖分類號： S 687. 9， Q 948. 1 文獻標識碼： A

紫葉李（Prunus cerasifera），薔薇科李屬落葉小喬木，在整個生長季節(jié)內(nèi)葉片均呈現(xiàn)紫紅色，極具觀賞價值，是我國著名的綠化樹種之一。其紅色葉片中含有高濃度紫紅色物質(zhì)——花青素，花青素的含量影響著紫葉李的生長狀況、光合能力和美觀效果，前人對光照、溫度、葉位等不同環(huán)境下紫葉李葉片的花青素含量進行了觀測，系統(tǒng)分析了不同環(huán)境條件下花青素含量的變化規(guī)律[ 1 -2 ]。但對紫葉李葉片在春季發(fā)育過程中花青素含量及光合功能變化的相關(guān)研究還未見報道。

初步研究發(fā)現(xiàn)，紫葉李夏季的花青素含量和光合能力顯著高于春季，花青素含量升高可以提高紫葉李對夏季高溫和強光的適應(yīng)能力[ 3 ]，但這一結(jié)果不能提供詳細的紫葉李葉片發(fā)育信息。葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)可以探測葉片光合功能，檢測到葉片對光能的吸收、傳遞及光化學(xué)效率[ 4 ]，有助于了解葉片光合電子傳遞過程、光合結(jié)構(gòu)和光合效率等多方面的信息，是用來檢測植物葉片發(fā)育狀態(tài)的理想工具[ 5 ]。本文利用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)，結(jié)合葉綠素、花青素、蛋白質(zhì)等生理參數(shù)，系統(tǒng)分析紫葉李葉片在春季的生長發(fā)育規(guī)律。其中，葉綠素?zé)晒鈪?shù)可以反映紫葉李葉片的功能特征，花青素則是紫葉李葉片的表型特征，從這兩個方面了解紫葉李葉片的生長發(fā)育規(guī)律，對紫葉李的栽培、育種及其花青素的開發(fā)利用具有重要的參考價值。

1 試驗材料與方法

1. 1 材 料

以曲阜師范大學(xué)內(nèi)生長健壯、樹齡在15年左右的紫葉李為研究材料，摘取枝條上見光良好、生長一致的葉片進行測定。自2017年3月24日幼葉初展開時開始取樣，每隔3～7天取樣1次，至5月27日止共取樣12次。每次均在傍晚取樣，覆蓋濕紗布，迅速帶回實驗室測定葉面積、葉綠素含量、花青素含量、蛋白質(zhì)含量等指標。葉綠素?zé)晒庵笜擞诋斎胀碓跇潴w上進行活體測定。

1. 2 方 法

1. 2. 1 葉面積的測定

使用Li-3000A葉面積儀（美國LI-COR）測定每葉片的葉面積，共測定10片，計算單葉面積平均值。

1. 2. 2 葉綠素含量測定

取紫葉李葉片2片，用直徑為1.5 cm的打孔器在葉片中部各打取1個葉圓片，剪成寬1 mm左右的細絲，用兩步快速提取法精密測定葉片的葉綠素含量。上述試驗重復(fù)5次，取平均值[ 6 ]。

1. 2. 3 花青素含量的測定

稱取1 g葉片，剪成寬1 mm左右的細絲，并置于50 mL錐形瓶中，加入10 mL、0.1 mol/L的HCl置于32℃恒溫下浸泡提取4 h，至葉片無色。提取液6 000 rpm離心10 min后，上清液用0.1 mol/L HCl稀釋10倍，UV8500型分光光度計測定530 nm處的吸光度，以0.1 mol/L HCl作對照[ 7 ]。以每克鮮葉片在10 mL、0.1 mol/L HCl浸提液中的吸光度A=0.1為一個花青素單位（U）。上述試驗重復(fù)5次，取平均值。

1. 2. 4 可溶性蛋白質(zhì)含量測定

稱取0.1 g葉片，用冷蒸餾水提取可溶性蛋白質(zhì)，采用考馬斯亮藍G-250染色法測定可溶性蛋白質(zhì)含量，以牛血清白蛋白作為標準蛋白質(zhì)，具體操作步驟參照馬宗琪等人的方法[ 8 ]。上述試驗重復(fù)5次，取平均值。

1. 2. 5 葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)測定

晚上9點，待葉片充分暗適應(yīng)后，用Handy PEA植物效率分析儀，直接活體測定每個紫葉李葉片的葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)。測定條件參見楊翠翠等人的方法[ 5 ]，熒光參數(shù)的生理意義參見李鵬民等人的綜述[ 9 ]。熒光參數(shù)測定20個葉片，取平均值。

2 結(jié)果與分析

2. 1 紫葉李葉面積在春季發(fā)育過程中的變化

3月底隨著氣溫的升高，紫葉李葉片迅速展開，比楊樹、銀杏等樹木葉片發(fā)芽稍早[ 10 ]。之后，紫葉李葉面積開始緩慢增大，至5月中旬葉面積達到最大值，單葉面積最大達35 cm2，整個葉片發(fā)育呈“緩拋物線形”（圖1）；3月24日至4月15日，葉面積呈直線增大趨勢，平均每周葉面積增大6 cm2；4月15日至5月10日，葉面積增大速度迅速減慢至第一階段的50%左右，平均每周葉面積僅增大不足3 cm2；5月15日后，葉片驟然停止生長，葉面積不再增大。

2. 2 葉片發(fā)育過程中花青素含量的變化

紫葉李葉芽發(fā)芽初期，葉片即呈現(xiàn)一定的紅色，此后隨著葉片的生長發(fā)育，顏色越來越深。本文首次分析了紫葉李葉片整個發(fā)育過程中花青素含量的變化。圖2結(jié)果顯示，3月24日，紫葉李嫩葉期葉片雖然以綠色為主，但花青素含量已達31.3 U/gFW；3月24日至4月27日，花青素含量增加較快，平均每周增加10 U/gFW；此后，花青素含量增加幅度減緩，但在5月中下旬仍然呈增大趨勢，葉色也越來越紅，完全掩蓋了葉綠素的顏色。

2. 3 葉片發(fā)育過程中葉綠素含量的變化

與花青素不同，葉綠素是植物的光合色素，葉綠素含量的高低直接影響植物葉片的光合功能。圖3顯示，紫葉李葉片初展開時，就已含有大量的葉綠素，達2.13 mg/dm2；3月24日至4月10日的葉片發(fā)育初期，葉綠素含量迅速增大，4月10日時比3月24日增加了54%；此后葉綠素含量呈緩慢增加，5月22日時比4月10日僅增大了7.2%；5月10日，紫葉李葉片的葉綠素含量已基本穩(wěn)定，不再明顯增加。葉綠素含量在葉片發(fā)育早期的快速增加，有助于葉片光合系統(tǒng)的形成，為促進葉片的生長發(fā)育提供能量。

2. 4 葉片發(fā)育過程中蛋白質(zhì)含量的變化

可溶性蛋白質(zhì)是細胞進行代謝活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，其含量可以反映葉片活力。從圖4可以看出，在紫葉李葉片發(fā)育早期（3月24日至4月4日），其可溶性蛋白質(zhì)含量增加迅速，從最初的1.74 mg/gFW增加到3.63 mg/gFW，增加了1.08倍；其后蛋白質(zhì)含量增加緩慢，5月10日時僅比4月4日增加了13%；5月10日后，葉片蛋白質(zhì)含量穩(wěn)定在4.10 mg/gFW左右，達到穩(wěn)定的最大值。蛋白質(zhì)含量這一變化規(guī)律與葉綠素含量的變化基本一致。

2. 5 葉片發(fā)育過程中光合功能的變化

由于早期紫葉李葉片較小，不宜用光合儀測定其凈光合速率，故采用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)來探測紫葉李葉片發(fā)育過程中光合功能的變化。表1顯示，紫葉李葉片的PSII （Photosystem II）最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）在4月初已達到0.830左右，高等維管植物健康葉片的Fv/Fm均在0.832左右[ 11 ]，說明4月初葉片的PSII大部分已完成組裝，但其質(zhì)體醌庫大?。ˋrea）和光反應(yīng)中心的密度（RCs/CSo）在5月中下旬才達到最大值。隨著反應(yīng)中心密度的增加和質(zhì)體醌庫的增大，葉片單位激發(fā)態(tài)面積的光能吸收（ABS/CSo）、光能捕獲（TRo/CSo）及電子傳遞效率（ETo/CSo）都逐漸增大，熱能耗散比例（DIo/CSo）也相應(yīng)增大。至5月22日，葉片的光合功能達到穩(wěn)定的最大值，標志著葉片基本發(fā)育成熟。

3 結(jié)論及討論

3. 1 紫葉李葉片發(fā)育過程中葉面積及其生理生化參數(shù)的測定結(jié)果表明，紫葉李葉片從葉芽展開到葉片完全成熟，大約需要2個月的時間，其發(fā)芽期較其他樹木稍早，但葉片完全成熟期卻顯著晚于銀杏和楊樹等，說明紫葉李葉片整個發(fā)育周期較長。從葉面積的統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，紫葉李葉片的發(fā)育周期呈“緩拋物線形”，于5月中旬葉面積達到最大，這與銀杏和楊樹葉片的發(fā)育規(guī)律也略有不同。雖然紫葉李葉片的葉綠素和蛋白質(zhì)含量在5月初已基本達到最高水平，但其葉片光合結(jié)構(gòu)的發(fā)育仍需3周左右的時間，這期間，葉片單位激發(fā)態(tài)面積反應(yīng)中心數(shù)目繼續(xù)增多，質(zhì)體醌庫仍在增大，其光能捕獲和光合電子傳遞效率在5月22日基本達到最大值，標志著葉片此時在功能上已完全成熟。不過，紫葉李葉片早期發(fā)育較快，呈現(xiàn)早期快、后期慢、發(fā)育周期長的特點；紫葉李葉片發(fā)育的另一個特點是：葉片從葉芽剛冒出時就具有較強的光合能力。紫葉李葉片大小的發(fā)育和光合功能的發(fā)育基本同步，葉片面積達到最大時，光合功能也基本達到了最大值。

3. 2 紫葉李葉片最典型的特征是葉片從葉芽開始就含有較高含量的花青素，隨著葉片的發(fā)育，花青素含量越來越高，葉片顏色越來越紅，甚至完全掩蓋了葉片的綠色，葉片亮麗鮮艷。即使在葉片完全發(fā)育成熟后，紫葉李葉片的花青素含量仍呈增多趨勢，推測與夏季光照越來越強有關(guān)，光照越強，紫葉李葉片花青素含量就越高[ 12 ]?；ㄇ嗨睾康某掷m(xù)升高，有助于紫葉李抵御夏季的強光，但高濃度的花青素也會對葉片光合功能產(chǎn)生影響，一般彩葉植物的光合速率要低于類似的綠葉植物。

3. 3 通過對紫葉李葉片發(fā)育過程的觀察，可以初步了解紫葉李葉片的生長發(fā)育規(guī)律及葉片形態(tài)和功能的變化，對紫葉李的栽培、育種及其花青素的開發(fā)應(yīng)用等都具有一定的參考價值。

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第1作者簡介： 汪娟（1995-）， 女， 碩士， 從事植物逆境生物學(xué)研究。

通訊作者： 邱念偉（1976-）， 男， 博士， 教授， 從事植物逆境生物學(xué)研究。

收稿日期： 2018 - 02 - 23

（責(zé)任編輯： 潘啟英）