紫花含笑開花進(jìn)程中花被生理生化與色素變化1)

余秋岫 劉彩賢 金曉玲 譚殷殷

(中南林業(yè)科技大學(xué)，長沙，410004)

花衰老是植物花發(fā)育的最終階段，直接影響植物的觀賞和經(jīng)濟(jì)價值，目前對觀賞植物花衰老生理生化研究多有報道，但多集中于鮮切花采后保鮮生理研究，而對鮮花尤其是木蘭科植物自然衰老研究較少。萱草[1]、牡丹[2]、荷花[3]花瓣自然衰老生理機(jī)制研究表明，活性氧大量積累，膜脂過氧化加劇引起細(xì)胞膜損傷是導(dǎo)致植物花期短的主要原因；而醉香含笑[4]花被衰老早期的細(xì)胞抗氧化系統(tǒng)在抵御細(xì)胞過氧化方面起重要作用，細(xì)胞內(nèi)含物的積累和降解直接或間接影響細(xì)胞衰老進(jìn)程；Dar et al.[5]認(rèn)為，蛋白質(zhì)降解是調(diào)控石竹花衰老的關(guān)鍵因素；糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低和蛋白酶活性的提高是飛燕草[6]、桂花[7]衰老的主要變化。所以，花衰老是由一系列高度協(xié)調(diào)且復(fù)雜的生理生化變化所介導(dǎo)的[8]。

紫花含笑(Micheliacrassipes)是木蘭科(Magnoliaceae)含笑屬(Michelia)常綠灌木或小喬木，花色艷麗、花香濃郁，是含笑屬中唯一開紫花的植物，常用作雜交親本進(jìn)行木蘭科植物花色改良，具有較高的觀賞價值和科研價值。目前關(guān)于紫花含笑的研究主要在孢粉學(xué)[9]、開花生物學(xué)[10]、雜交育種[11-12]以及繁育技術(shù)[13-14]等方面，缺乏關(guān)于紫花含笑花衰老的研究。本研究通過對紫花含笑不同花期過程花被片各項生理指標(biāo)和花色素進(jìn)行測定，篩選出花被片生理衰老的主要影響因子，從生理生化變化與色素變化的綜合角度探討紫花含笑開花進(jìn)程中花被片衰老的相關(guān)機(jī)理，為調(diào)控紫花含笑花色觀賞，延長自然花期提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料來源于湖南省林業(yè)廳木蘭科資源圃，選取圃中生境一致的紫花含笑，隨機(jī)標(biāo)記5株為一個樣本重復(fù)。按照花被顏色、形態(tài)分為初蕾期、硬蕾期、初開期、盛開期和衰敗期5個時期(圖1)，各時期試驗材料采用3次重復(fù)隨機(jī)取樣、平行樣測定，測定結(jié)果取平均值。

1.2 生理指標(biāo)測定

各項生理指標(biāo)測定參照李瑞雪等[15]的方法，花色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定參照于娜[16]的方法。花被顏色使用英國皇家園林RHS植物比色卡鑒定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

通過SPSS17.0數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)各花器官的主成分分析方法，將花被12個屬性變量降維，用少量主成分來表示，通過計算主成分得分，分析花期衰老過程紫花含笑花被生理生化指標(biāo)變化的主要影響因子，以及將通過篩選反映衰老的主要因子簡潔化[17]。

為探討花期衰老過程中花被片各生理指標(biāo)與花色變化的關(guān)系，對花青素在花被片衰老過程中與其他10項生理指標(biāo)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，將10項生理指標(biāo)視為一個灰色系統(tǒng)，以花青素為參考數(shù)列(母序列)，10項生理指標(biāo)為比較數(shù)列(子序列)，計算各生理指標(biāo)與衰老過程中花色變化的關(guān)聯(lián)系數(shù)[18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫花含笑花期劃分及顏色變化

按照初蕾期、硬蕾期、初開期、盛開期及衰敗期5個時期劃分(圖1)。

初蕾期：花蕾被苞片包裹，內(nèi)外輪花被片著墨紫色(RHS N79C)，偶有最外一片花被有淺綠縱紋(圖1A)；

硬蕾期：花被片突破苞片顯露，內(nèi)外輪花被片均有不同程度著綠色，尤其是外層花被片(RHS N74A)(圖1B)；

初開期：外層花被出現(xiàn)松動，花被片均著紫色(色號為RHS N71A)，出現(xiàn)泛白，白點(diǎn)分布于花被片中間位置(圖1C)；

盛開期：內(nèi)外輪花被均展開，花被片深紫(RHS N79C)，偶有外層花被背面有淺白縱紋，雄蕊開裂傳粉(圖1D)；

衰敗期：花被片輕觸出現(xiàn)脫落?；ū黄喞邪走厙@(圖1E)，花紫色暗淡(RHS N42B)，雄蕊枯萎。

A．初蕾期；B.硬蕾期；C.初開期；D.盛開期；E.衰敗期。

2.2 開花進(jìn)程中花被片細(xì)胞膜透性變化

相對電導(dǎo)率從初蕾期到初開期顯著下降，盛開期相比初開期顯著上升而后衰敗期下降，盛開期和衰敗期變化不顯著(表1)。

相對含水量從初蕾期到初開期沒有顯著變化，在盛開期明顯下降后在衰敗期上升(表1)。

2.3 開花進(jìn)程中花被片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨花的開放總體呈上升趨勢，在初蕾期質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，硬蕾期明顯上升，初開期無明顯變化，盛開期明顯上升后至衰敗期質(zhì)量分?jǐn)?shù)再次上升但變化不顯著(表1)。

游離脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈先上升后下降的趨勢，即初蕾到硬蕾期明顯上升，在硬蕾期達(dá)到最大值，初開期明顯下降，在盛開期無明顯變化，衰敗期明顯下降，質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最低(表1)。

可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)在花被中呈總體下降趨勢，初蕾期質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，硬蕾期和初開期均有明顯下降，盛開期略有上升但變化不顯著，衰敗期再次明顯下降，質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最低(表1)。

丙二醛質(zhì)量摩爾濃度(MDA)總體呈下降趨勢，初蕾期質(zhì)量摩爾濃度最高，硬蕾期和初開期均有顯著下降，初開期質(zhì)量摩爾濃度達(dá)到最低，盛開期上升后衰敗期下降(表1)。

2.4 開花進(jìn)程中花被片抗氧化酶活性的變化

超氧化物歧化酶(SOD)活性呈先上升后下降趨勢，初蕾期活性最低，硬蕾期顯著上升達(dá)到最大，初開期顯著下降，盛開期和衰敗期無顯著變化(表1)。

過氧化物酶(POD)活性總體呈下降趨勢，初蕾期活性最高，硬蕾期雖有降低但變化不顯著，花的開放過程中活性明顯下降，衰敗期活性最低(表1)。

2.5 開花進(jìn)程中不同花器官色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

花色作為觀賞植物的主要性狀之一，在整個開花過程中色素的逐步降解是植物衰老的最明顯特征之一[4，19]，在本試驗中也觀察到花色的變化，故此進(jìn)行色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析。

花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體呈下降趨勢，初蕾期質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，硬蕾期明顯下降，初開期質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最低，之后變化不顯著(表1)。

葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體呈下降趨勢，與初蕾期相比，硬蕾期質(zhì)量分?jǐn)?shù)有上升但不顯著，初開期明顯下降后至衰敗期質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不顯著(表1)。

類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨花的開放呈總體下降趨勢，初蕾期和硬蕾期變化不顯著，初開期顯著下降，盛開期小幅上升，衰敗期無明顯變化(表1)。

表1 紫花含笑開花進(jìn)程中花被生理指標(biāo)及色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

花期超氧化物歧化酶活性/U·g-1過氧化物酶活性/U·g-1·min-1花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/mg·g-1葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/mg·g-1類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/mg·g-1花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)初蕾期(151.25±14.50)c(1668.46±37.37)a (7.76±0.82)a (0.43±0.01)a(0.13±0)a 18.04硬蕾期(857.14±20.42)a(1551.80±54.47)a(5.70±0.31)b(0.51±0.02)a(0.12±0.01)ab11.14初開期(571.97±59.24)b(1094.94±68.83)b(4.06±0.08)c(0.08±0.01)b(0.06±0)c49.51盛開期(661.03±30.21)b(923.33±43.71)bc(4.33±0.01)c(0.05±0.01)b(0.09±0.01)bc78.79衰敗期(545.14±46.55)b(758.10±45.84)c(4.58±0.11)bc(0.04±0.01)b(0.09±0.01)bc111.79

花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢相反，隨著衰敗期花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的小幅上升以及葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)驟降，比值急劇上升，達(dá)到111.79(表1)?；ㄆ谟^察中，花被片從初開期亮紫色至衰敗期暗紫色，著色逐漸加深?？梢?，花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對紫花含笑花色影響顯著。

2.6 開花進(jìn)程中花被片生理衰老相關(guān)指標(biāo)篩選

對紫花含笑花被片在整個花期中各生理指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見表2。紫花含笑花被片衰老生理指標(biāo)主成分分析提取了3個主成分。前3個主成分的貢獻(xiàn)率分別為56.354%、17.796%和12.603%，累計貢獻(xiàn)率已達(dá)86.752%，即3個主成分代表了開花進(jìn)程中11個生理指標(biāo)86.752%的信息量。

MDA質(zhì)量摩爾濃度、POD活性、葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)、花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)和游離脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在第1主成分上有較高的載荷，說明第1主成分主要反映了MDA等7個指標(biāo)的信息；SOD活性和游離脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在第2主成分上有較高的載荷，說明第2主成分主要反映了二者的信息；類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在第3主成分上有較高的載荷，說明第3主成分主要反映了類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的信息。根據(jù)各指標(biāo)在不同因子上的載荷，可確定丙二醛質(zhì)量摩爾濃度、POD活性、葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)、花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、游離脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和SOD活性等8個生理指標(biāo)為紫花含笑花被片花期衰老生理的主要影響因子。

表2 花被各指標(biāo)主成分的特征向量及其貢獻(xiàn)率

2.7 開花進(jìn)程中各生理指標(biāo)與色素變化的關(guān)聯(lián)度

本研究將花被片花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與其余10項生理指標(biāo)設(shè)定為一個灰色系統(tǒng)，以花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為參考數(shù)列，10項生理指標(biāo)作為比較數(shù)列，分析獲得各生理指標(biāo)與花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在花衰老過程中的關(guān)聯(lián)度(表3)。根據(jù)關(guān)聯(lián)度分析，生理指標(biāo)與花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化關(guān)聯(lián)系數(shù)排序見表3。

表3 花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與其他生理指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度

3 結(jié)論與討論

花瓣衰老的外在表現(xiàn)通常包括花色變化，卷曲，萎蔫和脫落等[20-21]，根據(jù)花瓣衰老形態(tài)類型分類[22]，紫花含笑衰敗期花被花色變淺，脫落但萎蔫不明顯，屬于初始脫落型，可能與花衰老過程中相對電導(dǎo)率下降和相對含水量比較穩(wěn)定有關(guān)?；谥鞒煞址治龇椒?，結(jié)果篩選出丙二醛質(zhì)量摩爾濃度、POD活性、葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)、花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、游離脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和SOD活性8個生理指標(biāo)為紫花含笑花衰老生理變化主要因子。

植物衰老機(jī)制有基因的時空調(diào)控、營養(yǎng)虧缺理論、植物激素調(diào)控理論和氧自由基學(xué)說，學(xué)界普遍認(rèn)為，自由基的產(chǎn)生是植物衰老的主要原因[1]，花衰老生理研究表明，可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸等細(xì)胞內(nèi)含物可直接或間接影響開花進(jìn)程[3-6，23]。MDA質(zhì)量摩爾濃度、相對電導(dǎo)率、相對含水量是體現(xiàn)植物活性氧自由基引起細(xì)胞膜過氧化程度的重要指標(biāo)[1-2，4]。一些植物花衰老，鮮質(zhì)量幾乎或根本沒有損失[5]，與文中含水量幾乎不變的結(jié)果相似。本試驗中，MDA質(zhì)量摩爾濃度與相對電導(dǎo)率2個指標(biāo)花期總體均低于蕾期；MDA質(zhì)量摩爾濃度盛開期高于初開期、衰敗期，說明蕾期活性氧自由基積累，膜脂過氧化程度加重，膜透性增大，與之相比花期膜脂過氧化作用出現(xiàn)了緩解，盛開期時有所加重，結(jié)果與醉香含笑[4]相反，與保鮮劑作用菊花切花[24]緩解膜脂過氧化結(jié)果一致。所以，推測紫花含笑是否含有某種物質(zhì)與保鮮劑作用相似，在植物花期內(nèi)起到緩解膜脂過氧化作用。研究表明，細(xì)胞內(nèi)含物的積累和降解直接或間接影響細(xì)胞衰老進(jìn)程[4]，可溶性糖為植物開花提供足夠的能量[25]，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的下降標(biāo)志著細(xì)胞代謝水平的下降[4]；植物衰老時游離脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)通過積累調(diào)節(jié)滲透勢而維持細(xì)胞膜完整[4]，但紫花含笑花期游離脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)反而下降；SOD活性和POD活性是膜脂過氧化過程中的重要保護(hù)酶[18]，在花期呈下降趨勢，與醉香含笑[4]相似，說明可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)、游離脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、SOD活性和POD活性對紫花含笑花衰老反映敏感但并不是延緩其花期膜脂過氧化的主要原因?？扇苄缘鞍踪|(zhì)量分?jǐn)?shù)呈上升趨勢，有利于調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透勢和提供能量，與蝴蝶蘭[26]、桂花[7]結(jié)果相反，而與皺葉煙草[23]開花伴隨著可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增長，‘青菱紅蓮’荷花衰敗可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)則驟升[3]結(jié)果相似；另一方面猜測蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)的上升說明植物的開放過程中有新的蛋白合成，這與月季的研究相似[27]，可能與植物抗御衰老的機(jī)制有關(guān)。

通過試驗觀察發(fā)現(xiàn)，紫花含笑在開花進(jìn)程中花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在花期開始增大，達(dá)到111.79，花色出現(xiàn)明顯變化。色素降解在許多植物的花衰老研究中都有報道[21，28-29]，研究顯示，花青素果汁模型在貯藏過程中抗氧化能力有較高的穩(wěn)定性[30]，花青素與類胡蘿卜素均具有抗氧化性和清除活性氧的能力[4，31-32]。在紫花含笑花衰老過程中，類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)少，基于灰色關(guān)聯(lián)法發(fā)現(xiàn)，花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與MDA質(zhì)量摩爾濃度關(guān)聯(lián)系數(shù)最大，達(dá)0.967。MDA質(zhì)量摩爾濃度與花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)同增共減，且花期花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大，可能通過清除活性氧緩解花被衰老。生理活動是高度協(xié)調(diào)的過程，POD活性介導(dǎo)花青素的合成[33]有所報道，探討其他生理指標(biāo)對花青素合成的影響對花衰老研究也極具意義。與醉香含笑花衰老發(fā)生的生理機(jī)制相似，焦廷偉[4]認(rèn)為，細(xì)胞內(nèi)含物直接或間接影響衰老。本研究推測，紫花含笑花衰老主要是活性氧自由基增加引起，可溶性蛋白與花青素是影響衰老進(jìn)程的主要生理因子。

綜上所述，紫花含笑花衰老主要表現(xiàn)為花被脫落不萎蔫，活性氧自由基積累是紫花含笑發(fā)生花衰老生理的重要原因，可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加與花青素降解可能是紫花含笑調(diào)控自然花期的主要生理因子，但二者對開花進(jìn)程具體抗氧化能力有待深入研究，其他生理因子對花青素合成中的作用也有待揭示。