光照和土壤對烏桕秋季葉片色素及可溶性糖的影響

吳飛洋 柳新紅 董峰平 董海日 葉 明 李因剛

( 1. 浙江農(nóng)林大學(xué)林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311300；2. 浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023；3. 建德市林業(yè)局，浙江 杭州 311600)

烏桕（Sapium sebiferum）為大戟科（Euphorbiaceae）烏桕屬（Sapium）落葉喬木，別名蠟子樹、桕子樹，喜生于曠野、塘邊或疏林中，廣泛分布于我國黃河以南各省區(qū)，北達(dá)陜西和甘肅[1]。烏桕是集油用、材用、藥用和觀賞等多種價值于一身的多用樹種，種子總出油率可達(dá)40%，榨取的桕脂和青油被廣泛用于油漆和制皂等[2]，木材是建筑、家具和模具生產(chǎn)的良材[3]。烏桕葉、根、皮可入藥，具有清熱解毒、消腫、利水通便和抗炎降壓等功效[4]，同時還含有抑制釘螺的活性物質(zhì)[5]。烏桕作為重要的木本油料樹種，在品種選育、苗木繁育和高產(chǎn)栽培[6-8]，耐旱、耐澇和耐鹽等抗逆性及分子遺傳學(xué)和病蟲害等方面的研究取得了一定的進(jìn)展[9-14]。

烏桕秋葉深紅、紫紅或杏黃，具有極高的觀賞價值，是亞熱帶地區(qū)重要的彩葉樹種，已廣泛應(yīng)用于彩色森林、通道彩化等景觀工程中。彩葉植物葉片顏色的季相變化除了受基因型的控制之外，光照、溫度、水分和營養(yǎng)等環(huán)境因子也對葉色呈現(xiàn)有重要的影響。通過環(huán)境因子的改變，讓彩葉植物呈現(xiàn)更佳的葉色效果對于其廣泛的應(yīng)用有重要意義。紅花檵木（Loropetalum chinense）[15]、金森女貞（Ligustrum japonicum）[16]和紫背天葵（Begonia fimbristipula）[17]中的研究表明，光照主要通過調(diào)節(jié)葉片中各種色素含量影響葉色變化，遮蔭不利于烏桕的葉色表達(dá)[18]。土壤主要通過水分、pH值、有機(jī)質(zhì)含量等因素而間接影響植物的葉色呈現(xiàn)[19-20]，梓樹（Catalpa ovata）隨著干旱脅迫程度加大葉片內(nèi)色素含量先升后降[21]。本試驗(yàn)對烏桕彩葉無性系進(jìn)行不同光照和土壤的組合處理，系統(tǒng)研究葉片內(nèi)葉綠素及其各組分、花色素苷和可溶性糖含量的變化，探討葉色變化與光照、土壤間的關(guān)系，以期為提高烏桕的觀賞價值提供理論基礎(chǔ)，為其在園林植物造景中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

試驗(yàn)地位于浙江省林業(yè)科學(xué)研究院內(nèi)的試驗(yàn)苗圃（30°13′9″N、120°01′44″E）。該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，具有四季分明，冬季易冷，夏季易熱和雨熱同季等氣候特點(diǎn)[22]。

1.1 試驗(yàn)材料

以優(yōu)良無性系商城16（秋季葉呈紅色）和商城17（秋季葉呈黃色）的當(dāng)年生嫁接苗為試驗(yàn)材料，砧木為1年生實(shí)生苗，地徑5 mm，高度80 cm，嫁接時間為2018年4月2日。整個試驗(yàn)期間，苗木在2加侖塑料盆內(nèi)培育。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2018年4—8月，商城16、商城17所有苗木均在全光照下生長，9月1日開始設(shè)置2種不同的光照處理。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個無性系設(shè)4個處理，3次重復(fù)，每個處理為5株（如表1）。試驗(yàn)土壤為烏桕野外種質(zhì)資源調(diào)查常見的山地紅壤和稻田土。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Test design

1.3 樣品采集與指標(biāo)測定

于2018年10月25日、11月3日和11月10日取樣，每次取樣均為9：00—10：00。采集當(dāng)年生新枝從頂端往下數(shù)的第3至4輪葉片，每株采3至4片葉作為供試材料，分別放入自封袋后立即帶回實(shí)驗(yàn)室。

將新鮮葉片洗凈擦干，去葉柄及中脈后剪碎混勻，用于葉綠素、花色素苷和可溶性糖的測定，每個處理重復(fù)3次。葉綠素含量測定采用丙酮浸提法[23]；花色素苷含量測定采用鹽酸浸提法[24]，以每克鮮質(zhì)量在10 mL提取液中吸光度值為1個色素單位（U）；可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法[25]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所得數(shù)據(jù)均用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SPSS 22.0進(jìn)行方差分析，置信區(qū)間為95%，并用Origin 2017進(jìn)行制圖，圖表數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉片色素與可溶性糖含量隨時間的變化

由表2可知，各處理葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量隨時間變化均呈明顯下降趨勢，但存在一定差異。T1～T4在11月3日的葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量均顯著低于10月25日（P＜0.05）；11月10日的含量雖又有所下降，但與11月3日時的差異多不顯著。而T5～T8的葉綠素含量在3次取樣間均表現(xiàn)出顯著差異（P＜0.05）。其中T1～T4的葉綠素a+b含量降幅分別為 0.77、0.54、0.53、0.44 mg/g，T5～T8分別為 1.19、1.05、1.06、0.95 mg/g，T1～T4處理的降解幅度均比T5～T8小。

表2 不同處理的葉片色素和可溶性糖含量變化Table 2 Changes of pigment and soluble sugar contents in leaves of different treatments

各處理的花色素苷含量隨時間變化均顯著升高（P＜0.05），T1～T4的升幅分別為 33.60、12.16、28.32和4.54倍，T5～T8分別為4.90、2.25、3.06和1.80倍，T1～T4的合成幅度均比T5～T8大。葉片中可溶性糖含量在整體上都呈現(xiàn)先緩慢上升后下降的趨勢，其中T1～T4在11月10日的可溶性糖含量均顯著低于前2次取樣（P＜0.05），而T5～T8的可溶性糖含量在3次取樣間的差異多不明顯。

2.2 葉綠素含量及其組成在處理間的差異

由圖1a～1c可知，10月 25日時葉綠素 a、葉綠素b和葉綠素a+b含量在T1～T4間差異均不顯著，但隨著試驗(yàn)進(jìn)行逐漸顯示出差異。到11月10日，T1的葉綠素a、a+b含量顯著低于其他3個處理（P＜0.05），葉綠素b含量僅顯著低于T4（P＜0.05）。葉綠素a、b與a+b含量均在逐步遞減的同時，葉綠素a/b一直穩(wěn)定在3.0左右，且處理間差異不顯著，表明在葉色變化期間它們的降解速度一致（圖1d）。葉綠素a、b和a+b含量在T5～T8處理間的差異情況與其在T1～T4間的相似（圖2a～2c），從11月3日開始含量下降并逐漸在處理間顯示出差異，到11月10日，三者的含量均為 T5＜T6＜T7＜T8，除 T8外其余 3 個處理的葉綠素a、b含量都已低于0.1 mg/g。葉綠素a/b也呈下降趨勢，從2.75降到了1.0左右，這表明葉綠素a的降解速度大于葉綠素b（圖2d）。

圖1 葉綠素含量及組成在T1～T4間的差異Fig. 1 Differences in chlorophyll content and composition between T1 and T4 in treatment

2.3 花色素苷與可溶性糖含量在處理間的差異

由圖3a可知，T1～T4處理的花色素苷含量在10月25日均處于較低水平，但已表現(xiàn)出顯著性差異，T3和 T4顯著低于 T1（P＜0.05），3個處理又顯著低于T2（P＜0.05）。隨著試驗(yàn)進(jìn)行至11月3日和10日，各處理的花色素苷含量升高后，4個處理彼此間的差異均達(dá)顯著性水平（P＜0.05），其含量大小依次為 T1＞T3＞T2＞T4?；ㄉ剀蘸吭赥5～T8處理間的差異情況與其在T1～T4間的相似，在葉色變化后表現(xiàn)為T5＞T7＞T6＞T8，但其含量整體低于 T1～T4（圖3b）。

在10月25日和11月3日，T4的可溶性糖含量顯著低于其他3個處理（P＜0.05），到11月10日則表現(xiàn)為T2和T4的含量顯著低于T1和T3（P＜0.05）（圖4a）；在 10月25日和11月3日，T5～T8處理的可溶性糖含量之間存在顯著差異（P＜0.05），而到11月10日處理間又處于同一水平，無顯著差異（圖4b）。

圖1 葉綠素含量及組成在T5～T8間的差異Fig. 2 Differences in chlorophyll content and composition between T5 and T8 in treatment

圖3 花色素苷含量在各處理間的差異Fig. 3 Differences in anthocyanin content among treatments

圖4 可溶性糖含量在各處理間的差異Fig. 4 Difference in soluble sugar content among treatments

2.4 葉片色素與可溶性糖含量的方差分析

由表3可知，10月 25日時商城16、商城17的葉綠素a+b含量在土壤、光照及土壤與光照互作效應(yīng)間均不存在顯著差異；但隨著時間變化，逐漸表現(xiàn)出顯著（P＜0.05）或極顯著差異（P＜0.01）?；ㄉ剀蘸浚坛?6在整個試驗(yàn)過程中均在土壤、光照及其互作效應(yīng)間表現(xiàn)出顯著（P＜0.05）或極顯著差異（P＜0.01）；而商城17在10月25日，光照、土壤與光照互作效應(yīng)的差異達(dá)極顯著（P＜0.01），之后則在土壤、光照間差異極顯著（P＜0.01）?？扇苄蕴呛?，商城16在整個試驗(yàn)過程中多在土壤、光照及其互作效應(yīng)間表現(xiàn)出顯著（P＜0.05）或極顯著差異（P＜0.01）；而商城17僅是在11月3日時表現(xiàn)出顯著（P＜0.05）或極顯著差異（P＜0.01）。

表3 葉片色素與可溶性糖含量的方差分析Table 3 Variance analysis of pigment and soluble sugar contents in leaves

2.5 各指標(biāo)間的相關(guān)性分析

由表4可知，烏桕葉片的葉綠素a含量、葉綠素b含量和葉綠素a+b彼此間均為極顯著正相關(guān)（P＜0.01），而且均分別與花色素苷含量間呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），烏桕秋季葉片顏色轉(zhuǎn)變過程中其他色素含量與花色素苷含量呈現(xiàn)此消彼長的過程，但可溶性糖含量與這些色素含量的相關(guān)性均不顯著。

表4 烏桕葉片色素和可溶性糖含量相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of pigment and soluble sugar contents in leaves of S. sebiferum

3 結(jié)論和討論

葉綠素和花色素苷是影響彩葉植物葉色呈現(xiàn)的主要色素，且葉綠素的降解物對花色素苷的形成有活化作用[26-27]。本研究發(fā)現(xiàn)烏桕葉片的花色素苷含量與葉綠素含量相關(guān)性達(dá)到極顯著水平，入秋后隨著烏桕葉片中葉綠素含量下降和花色素苷的積累，各處理的葉片由綠開始轉(zhuǎn)色，這與左云[18]的研究結(jié)果一致，與其他彩葉植物的葉色轉(zhuǎn)變規(guī)律也相符[24]。在葉綠素含量下降過程中發(fā)現(xiàn)，雖然葉綠素a、b均與葉綠素a+b規(guī)律一致，但T1～T4（商城16）葉綠素a/b的值一直保持穩(wěn)定即降解速度一致，而T5～T8（商城17）的葉綠素a降解速度明顯大于葉綠素b。由于葉綠素a呈藍(lán)綠色，葉綠素b呈黃綠色，這可能也是商城17葉片變黃的原因之一。T1～T4（商城16）的花色素苷含量遠(yuǎn)高于T5～T8（商城17），這主要是商城16品系是秋季葉色紅艷的特性所決定。非結(jié)構(gòu)性碳水化合物是植物新陳代謝過程中重要的供能物質(zhì)，而可溶性糖是重要的反應(yīng)指標(biāo)[28]。糖是植物體內(nèi)碳水化合物運(yùn)輸?shù)闹饕问剑彩腔ㄉ剀蘸铣傻那绑w物質(zhì)，在其合成過程中起重要作用，通常認(rèn)為，秋冬季葉片衰老過程中，可溶性糖含量逐漸增加[29]。但在本研究中發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)束時的可溶性糖含量比開始時減小，可能是由于在烏桕變色期間花色素苷的迅速合成消耗了大量可溶性糖，甚至供不應(yīng)求，從而掩蓋了其上升趨勢。

葉色的轉(zhuǎn)變主要受遺傳因素控制，但同時還與環(huán)境因子有著重要關(guān)系[30]。光照是影響彩葉植物葉色變化重要因素，它在光強(qiáng)、光質(zhì)等方面影響植物色素的合成及調(diào)節(jié)相關(guān)酶的活性，能直接引起葉綠素、花色素苷等的含量及比例發(fā)生變化，從而影響葉片顏色。而且光能促進(jìn)花色素苷的生成，遮光時會影響到碳水化合物的積累，繼而使其合成受到嚴(yán)重抑制[31-32]。同一植株上外葉位比內(nèi)葉位變色更快、更明顯，正是由于二者接受的光強(qiáng)不同所造成的[33]。土壤也是影響葉色變化的重要因素，土壤中的有機(jī)質(zhì)含量、pH值和保水能力等都會影響葉色，微酸性或中性土壤能夠促進(jìn)彩葉呈色[19-20]。土壤、光照都在不同時期表現(xiàn)出了顯著或極顯著影響，土壤與光照的互作效應(yīng)也達(dá)到了顯著或極顯著水平，表明不同的土壤和光照條件都會對葉色產(chǎn)生較大影響，這與其他彩葉植物的研究結(jié)果也相符[20,34]，并且土壤與光照的互作效應(yīng)也會對葉色產(chǎn)生影響。進(jìn)一步分析2個品系在4個不同處理?xiàng)l件下色素的變化發(fā)現(xiàn)，葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b的降解速度均表現(xiàn)為T1和T5最快，T4和T8最慢；花色素苷的合成量均表現(xiàn)為 T1和 T5＞T3和 T7＞T2和 T6＞T4和 T8，11月 3日的 T1高于 T4處理 6.47倍，T5高于T8處理1.34倍。由此可見，T1、T5即全光照和山地紅壤組合表現(xiàn)最優(yōu)，葉片內(nèi)色素含量變化最快，具體表現(xiàn)在花色素苷含量顯著高于其他處理，葉綠素降解幅度也更快，更利于烏桕葉片變色，在一定程度上能促進(jìn)烏桕秋季的景觀觀賞效果。其次為T3、T7（全光照和稻田土組合）和T2、T6（50%遮陰和山地紅壤組合），最差為T4、T8（50%遮陰和稻田土組合），說明全光照比50%遮陰處理更利于烏桕的變色，這與前人研究得到的規(guī)律是一致的[18]；另一方面，2種光照條件下均表現(xiàn)為山地紅壤優(yōu)于稻田土，2種土壤都是烏桕野外資源調(diào)查最常見的類型，說明山地紅壤相較于稻田土更利于烏桕葉呈色。