5 種北美櫟樹秋冬季葉色變化機(jī)理分析

代澤婭 譚 準(zhǔn) 孫海菁 施 翔 王樹鳳 胡冀珍

（1.西南林業(yè)大學(xué)地理與生態(tài)旅游學(xué)院，云南 昆明 650233；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所，浙江 杭州 311400）

櫟樹（Quercusspp.）在世界上分布十分廣泛，是北半球森林群落的重要建群種。櫟樹多為落葉或常綠喬木，少數(shù)為灌木，根深葉茂，有的秋季葉色五彩繽紛，常用于水源保護(hù)，遮蔭和美化環(huán)境等，因此，櫟樹具有重要的生態(tài)服務(wù)功能和環(huán)境保護(hù)價值。中國本土櫟樹有60 余種，多用于山區(qū)造林。然而鄉(xiāng)土櫟樹中的色葉品種并不多，秋冬季葉片呈色不理想，景觀價值并不高[1]。2001 年，中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所從美國東南部地區(qū)引進(jìn)了20 多種櫟樹，其中很多樹種秋季呈色明顯，五彩繽紛，如納塔櫟（Quercus nuttallii）、舒瑪櫟（Q.shumardii）等，具有極高的觀賞價值；并且具有速生、耐水濕能力，是長三角地區(qū)重要的彩葉景觀樹種[2]。通過多年的觀測發(fā)現(xiàn)，引種的北美櫟樹秋季葉色變化主要有3 種類型：葉片呈現(xiàn)紅色、葉片呈現(xiàn)黃色或褐色和葉片不變色或基本保持綠色；而在不同立地條件和氣候條件下，即使是同一種櫟樹，其葉片呈色也會發(fā)生很大變化。目前有關(guān)引種櫟樹葉片呈色機(jī)理的研究報道較少，姜琳等[1]研究了櫟屬4 個樹種秋冬轉(zhuǎn)色期葉片的生理生化變化，呂秀立等研究了納塔櫟和舒瑪櫟不同年齡單株葉片轉(zhuǎn)色期花青素、葉綠素以及可溶性糖等生理指標(biāo)的變化[3]，但由于近年來引種的北美櫟樹品種較多，除納塔櫟、舒瑪櫟以外，引種的其他櫟樹如水櫟（Q.nigra）、柳葉櫟（Q.phellos）、沼生櫟（Q.palustris）等，在秋冬季也會出現(xiàn)明顯的葉色變化，而因此，迫切需要對這些引種櫟樹的葉色變化及其影響因素進(jìn)行評價和研究。

目前，國內(nèi)外對彩葉植物葉片呈色機(jī)制的研究集中在色素的形成機(jī)制方面，已有大量研究表明，花青素的積累是彩葉植物葉片顯色的主要原因，葉綠素、類胡蘿卜素等作為色素的重要組成部分，對植物葉片的顯色也起一定作用[4-5]?？扇苄蕴鞘腔ㄇ嗨匦纬傻那绑w物質(zhì)，其含量與花青素的合成密切相關(guān)[6-7]。國內(nèi)在三角楓（Acer buer-gerianum）、元寶楓（Acer truncatum）[8]、紅花檵木（Loropetalum chinense var.rubrum）[9]、櫸樹（Zelkova serrata）[10]、檫木（Sassafras tsumu）[11]、烏桕（Sapium sebiferum）[12]等彩葉樹種葉色變化的生理機(jī)制方面都做了一些研究。盡管目前國內(nèi)已有研究關(guān)注引種北美櫟樹葉片呈色的生理機(jī)制，但大多數(shù)研究僅限于對葉片轉(zhuǎn)色期間生理指標(biāo)變化的討論，針對影響北美櫟樹葉片呈色的環(huán)境因子和內(nèi)在機(jī)制的研究還很少[13]，根據(jù)引種櫟樹苗期葉色變化的觀測，引種櫟樹中，秋季變色最早的是納塔櫟，一般在霜降之后開始變紅，舒瑪櫟轉(zhuǎn)色較遲，葉片呈色也為紅色。不少水櫟苗木葉片在秋冬季節(jié)變?yōu)榧t色[2]。姜琳等研究也發(fā)現(xiàn)，舒瑪櫟屬于秋季變色較遲的櫟樹，但葉片紅色最深[1]。本研究選取5 種秋季呈色不同的北美櫟樹，分別為黃色葉類型的柳葉櫟，紅色葉類型的納塔櫟、舒瑪櫟、沼生櫟、水櫟，且具有速生、耐水濕能力、葉片顏色鮮艷等特點(diǎn)，通過研究5 種北美櫟樹在秋冬轉(zhuǎn)色期葉色變化以及葉片中色素含量、可溶性糖含量等生理指標(biāo)的動態(tài)變化，分析其與環(huán)境因子的相關(guān)性，旨在揭示不同引種櫟樹在秋冬轉(zhuǎn)色期葉片呈色的生理基礎(chǔ)及其對環(huán)境因子的響應(yīng)，以期為不同櫟樹在不同立地條件科學(xué)選擇栽植以及櫟樹色葉品種的選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

5 種美國引進(jìn)的櫟樹：水櫟、納塔櫟、舒瑪櫟、柳葉櫟和沼生櫟，采樣地為浙江省杭州市富陽區(qū)樹種對比試驗(yàn)林，均為4 年生苗木，選取生長一致、健康植株樹冠中上部葉片進(jìn)行測定。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 取樣

于2015 年10 月12 日至12 月16 日對5 種北美櫟樹取樣，每個處理設(shè)3 次重復(fù)，單株為1 個重復(fù)，7～10 d 采樣1 次，取每個重復(fù)每株樹冠中部向陽面葉片3～7 片，每個處理一共取10～20 片葉片。同時在試驗(yàn)期間，在樣地放置溫濕度記錄儀（DL?WS211，杭州盡享科技公司），每30 min 記錄溫濕度數(shù)據(jù)。

1.2.2 指標(biāo)測定

葉綠素、類胡蘿卜素采用丙酮浸提法[14]，花青素采用鹽酸甲醇浸提法[15]，可溶性糖采用蒽酮比色法[16]。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用Microsoft Excel、Origin 7.5 等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和圖表處理，DPS 13.0 統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析及葉片色素含量與溫度及可溶性糖之間的相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 5 種櫟樹葉片轉(zhuǎn)色期色素含量動態(tài)變化

2.1.1 花青素含量變化

5 種櫟樹葉片轉(zhuǎn)色期花青素含量動態(tài)變化情況見圖1。

圖1 5 種櫟樹葉片轉(zhuǎn)色期花青素含量動態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes of anthocyanin content in leaves of 5 oak species during coloring period

從圖1 可以看出，從10 月12 日開始，隨著氣溫的下降，5 種櫟樹花青素含量逐漸上升，其中納塔櫟、水櫟葉片變色較早，從11 月中旬開始葉片有部分變紅，并在12 月7 日花青素含量出現(xiàn)峰值，此時氣溫降至5 ℃以下；但此后花青素含量便下降，原因可能是經(jīng)歷低溫以后，葉片開始枯萎、脫落。其他3 種櫟樹花青素含量在12 月16 日出現(xiàn)最大值，而此時氣溫降至10 ℃以下。根據(jù)觀察，在整個試驗(yàn)期間，柳葉櫟葉色基本未出現(xiàn)顏色變化，其花青素含量在5 種櫟樹中最低。從11 月底開始，大部分櫟樹葉片開始呈現(xiàn)不同程度的顏色變化，花青素含量出現(xiàn)大幅增加，在變色期間，5 種北美櫟樹花青素含量最大值從大到小依次為：納塔櫟>水櫟>舒瑪櫟>沼生櫟>柳葉櫟。

2.1.2 葉綠素含量變化

由 圖2 可以看出，從10 月12 日 至12 月16 日，5 種北美櫟樹葉綠素a、葉綠素b 和總?cè)~綠素含量均呈下降趨勢。但在試驗(yàn)不同時期，2 種色素的變化規(guī)律表現(xiàn)不同：試驗(yàn)前期（10 月12 日到11 月5 日），大部分樹種葉綠素a 下降趨勢較為平緩（圖2a），而葉綠素b 則出現(xiàn)了較為明顯的下降（圖2b），其中納塔櫟、舒瑪櫟和柳葉櫟降幅最大。試驗(yàn)后期（從11 月11 日開始），5 種櫟樹葉綠素a 含量出現(xiàn)較為明顯的下降，此后一直呈下降趨勢（圖2a），截至12 月16 日，5 種櫟樹葉綠素a 含量從大到小依次為：沼生櫟>水櫟>舒瑪櫟>納塔櫟>柳葉櫟；而葉綠素b 在試驗(yàn)后期呈現(xiàn)較為平緩的下降趨勢（圖2b）。根據(jù)對溫濕度的記錄的發(fā)現(xiàn)，雖然溫度的下降在一定程度上促進(jìn)了櫟樹葉綠素含量的下降，但2 種葉綠素（葉綠素a 和葉綠素b）對溫度的響應(yīng)不同，在11 月5 日之前，氣溫依然在15 ℃以上，大部分樹種葉綠素a 含量變化較為平緩，而葉綠素b 含量卻出現(xiàn)大幅下降（圖2a，2b），推測葉綠素b 含量的變化可能更多的依賴于樹種自身的代謝過程。

圖2 5 種櫟樹葉片轉(zhuǎn)色期葉綠素a 和葉綠素b 含量動態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of chlorophyll a,chlorophyll b content in leaves of 5 oak species during coloring period

2.1.3 類胡蘿卜素含量變化

由圖3 可知，同一時期內(nèi)測定的類胡蘿卜素含量在不同櫟樹之間存在明顯差異，初秋季節(jié)（10 月12 日），舒瑪櫟葉片類胡蘿卜素明顯高于其他櫟樹，說明隨著秋季氣溫下降，葉綠素合成的減少，舒瑪櫟較早的合成類胡蘿卜素，以彌補(bǔ)葉綠素含量下降導(dǎo)致的光合速率下降。隨著氣溫的進(jìn)一步下降，到12 月份，柳葉櫟較其他櫟樹葉片類胡蘿卜素含量出現(xiàn)明顯的增加，而根據(jù)觀察，此時柳葉櫟葉片明顯開始變黃。在整個測定期內(nèi)，大部分供試櫟樹葉片類胡蘿卜素含量整體呈波動趨勢，而柳葉櫟類胡蘿卜素含量在整個測定期呈波動上升趨勢。

圖3 5 種櫟樹葉片轉(zhuǎn)色期類胡蘿卜素含量動態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of carotenoids content in leaves of 5 oak species during coloring period

2.2 轉(zhuǎn)色期葉片可溶性糖含量變化

由圖4 可知，5 種櫟樹可溶性糖含量在轉(zhuǎn)色期因樹種的不同，變化趨勢也有所不同。在整個測定期間，5 種櫟樹葉片可溶性糖含量呈波動變化：其中水櫟和舒瑪櫟可溶性糖含量在整個轉(zhuǎn)色期間變化不大，納塔櫟呈下降—上升—下降趨勢，并在11 月30 日達(dá)到峰值；柳葉櫟呈下降—上升—下降趨勢，并分別在11 月17 日和12 月7 日出現(xiàn)峰值。而在不同的測定時間，各樹種之間的可溶性糖含量差異并不明顯，但在11 月底，納塔櫟可溶性糖含量明顯高于其他櫟樹。

圖4 5 種櫟樹葉片轉(zhuǎn)色期可溶性糖含量動態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes of soluble sugar content in leaves of 5 oak species during coloring period

2.3 葉片色素與可溶性糖和環(huán)境因子的相關(guān)性分析

通過對葉片葉綠素、類胡蘿卜素和花青素含量與溫度、平均濕度和可溶性糖含量的相關(guān)性分析（表1）可發(fā)現(xiàn)，供試5 種櫟樹中，只有水櫟和柳葉櫟葉片花青素含量與可溶性糖含量之間呈顯著相關(guān)關(guān)系（P<0.05），其余樹種花青素與可溶性糖含量的相關(guān)性并不顯著，說明櫟樹花青素的合成對細(xì)胞內(nèi)可溶性糖的依賴性存在物種間差異。而5 種櫟樹葉綠素和類胡蘿卜素與可溶性糖之間的相關(guān)性均不顯著，說明可溶性糖對這2 種色素的合成影響極小。

表1 葉片色素含量與溫度和可溶性糖之間的相關(guān)性Table 1 The relevance of leaf pigment content between temperature and soluble sugar

秋冬葉片轉(zhuǎn)色期環(huán)境因子變化最明顯的是氣溫的下降，本研究對試驗(yàn)期間日平均氣溫，日最高、最低氣溫以及日溫差與葉片色素含量相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，5 種櫟樹葉片花青素含量與日平均氣溫呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），與日最高氣溫和最低氣溫也呈顯著的負(fù)相關(guān)（P<0.05），而與日溫差的相關(guān)性不明顯，說明秋冬季氣溫變化是影響花青素合成的重要環(huán)境因子，低溫促進(jìn)花青素的積累，高溫促進(jìn)花青素的分解。大部分供試櫟樹葉綠素含量與日最高氣溫和日平均溫度呈顯著正相關(guān)（P<0.05），說明秋冬季氣溫下降，是導(dǎo)致葉綠素含量下降的關(guān)鍵因子。由表1 還可以看出，5 種櫟樹類胡蘿卜素含量與溫度的相關(guān)性不顯著，推測葉片類胡蘿卜素的積累可能有其自身的調(diào)節(jié)機(jī)制，不受溫度變化的影響。同時發(fā)現(xiàn)，平均濕度對5 種櫟樹葉片色素含量的影響也不顯著（表1）。

3 結(jié)論與討論

2015 年10 月12 日至12 月16 日，整個試驗(yàn)期間，納塔櫟、沼生櫟最先變?yōu)榧t色，舒瑪櫟變色時間稍遲，葉片也呈紅色，柳葉櫟在轉(zhuǎn)色期以黃色為主，未出現(xiàn)明顯的紅色；水櫟在轉(zhuǎn)色期后期葉片變黃凋落，通過觀測發(fā)現(xiàn)納塔櫟、舒瑪櫟2 種櫟樹葉片紅色效果最為明顯，與陳益泰等苗期的研究結(jié)果基本一致[2]。因此，從觀賞角度而言，納塔櫟和舒瑪櫟屬于秋葉賞紅類型，根據(jù)多年觀察，霜后柳葉櫟葉片開始變黃，可以持續(xù)較長一段時間的色葉期，因此也具有較高的觀賞價值。

葉片顯色是不同因子綜合作用的結(jié)果，植物葉片中色素的種類及含量決定了葉色的表達(dá)[4,17]。葉片中的色素主要有3 類：葉綠素、類胡蘿卜素和花青素，其中葉綠素使葉片呈現(xiàn)綠色，類胡蘿卜素在植物光合作用中起輔助作用，可以吸收光能并傳遞給葉綠素a，同時也是使葉片呈現(xiàn)黃色、橙色的主要色素[17]。花青素是植物體內(nèi)主要的呈色物質(zhì)，在酸性條件下呈現(xiàn)紅色，在堿性條件下呈現(xiàn)藍(lán)色。研究證實(shí)，花青素含量的多少直接體現(xiàn)出植物所呈現(xiàn)的色彩鮮艷程度[18]。植物葉片色素含量的變化是環(huán)境因素和內(nèi)部代謝過程共同作用的結(jié)果[19-20]，秋冬季彩葉植物葉片的轉(zhuǎn)色主要是由于花青素和類胡蘿卜素含量的增加，使葉片呈現(xiàn)由黃到紅不同程度的彩色。一般認(rèn)為，隨著秋冬季日照時間的縮短和溫度的下降，植物葉片開始自然衰老，從而啟動葉綠素分解，而這種不利的環(huán)境，反而促進(jìn)了花青素及類胡蘿卜素的合成和積累，促使部分樹木的葉色在秋季變成了紅色或黃色[6,21-22]。根據(jù)試驗(yàn)研究表明，隨著秋冬季氣溫下降，5 種北美櫟樹中，納塔櫟、舒瑪櫟、水櫟、沼生櫟葉片內(nèi)花青素含量均有明顯增加，而柳葉櫟葉片內(nèi)花青素含量增加幅度較小，類胡蘿卜素含量增加幅度較大；秋冬轉(zhuǎn)色期，納塔櫟、舒瑪櫟呈色效果優(yōu)異，葉色鮮紅；沼生櫟葉片暗紅；水櫟葉片在轉(zhuǎn)色后期色葉斑駁，然后枯黃凋落，色葉時間較短；柳葉櫟葉片主要呈黃色，這與試驗(yàn)期觀測結(jié)果一致。

彩葉樹種秋冬季轉(zhuǎn)色期間，溫度是影響花青素積累的一個重要因素，研究表明[17,23]，溫度不僅影響花青素合成相關(guān)的酶活性，而且直接影響花青素的穩(wěn)定性，低溫會促進(jìn)花青素的合成，高溫則使植物分解代謝加劇從而導(dǎo)致花青素合成減少和分解[24]。研究表明，低溫促進(jìn)了日本紅楓（Acer palmatum）葉片中花青素的積累，使葉片紅色指數(shù)增加[7]。張敏等研究也表明，低溫對櫸樹葉片花色素苷的生成有較強(qiáng)的促進(jìn)作用[10]。本文研究也發(fā)現(xiàn)，隨著氣溫的下降，5 種櫟樹花青素含量逐漸增加，而葉綠素含量逐漸降低。許曉波[13]研究了環(huán)境因子（包括平均溫度、日照時數(shù)、最高氣溫、最低氣溫等）對秋季納塔櫟葉片色素積累的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，引起納塔櫟秋季葉片變色的主要因素是平均氣溫，其次是最高氣溫。本研究通過對5 種櫟樹葉片色素含量與平均溫度的相關(guān)性分析也表明，5 種櫟樹花青素含量與平均溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)，由此推測，秋冬季合適的低溫是促進(jìn)北美櫟樹葉片轉(zhuǎn)色的重要環(huán)境因子。除了季節(jié)交替的原因以外，最近一些研究發(fā)現(xiàn)，其他很多環(huán)境因子包括紫外線、干旱、光脅迫等均能不同程度影響植物體內(nèi)色素的合成和積累[25-28]，而這些環(huán)境因子對櫟樹葉色變化的影響還有待于進(jìn)一步研究。

除了環(huán)境因子以外，花青素的積累還與碳水化合物的代謝有關(guān)[7]，糖是植物體內(nèi)物質(zhì)能量的來源和結(jié)構(gòu)物質(zhì)，羅蘭[29]對彩葉草的研究表明，高溫季節(jié)彩葉草葉片會發(fā)生褪色，主要原因是由于高溫導(dǎo)致彩葉草體內(nèi)碳水化合物儲備不足，使花青素的糖鏈發(fā)生水解為植物體補(bǔ)充能量；而秋季夜晚溫度較低時，暗呼吸的速率加速了糖的積累，從而促進(jìn)了花色素的合成?？扇苄蕴鞘腔ㄇ嗨匦纬傻那绑w物質(zhì)，有研究表明，三角楓、小葉雞爪槭（Acer palmatum）等葉片內(nèi)可溶性糖含量與花青素含量呈正相關(guān)，而在五角楓（Acer mono）和元寶楓葉片內(nèi)相關(guān)性不明顯[8]。呂秀立等研究發(fā)現(xiàn)，舒瑪櫟和納塔櫟葉片中花青素含量與可溶性糖含量呈極顯著正相關(guān)[3]；而姜琳等等研究卻發(fā)現(xiàn)，舒瑪櫟和納塔櫟葉片內(nèi)可溶性糖與花青素并無顯著相關(guān)性[1]。本研究中水櫟和柳葉櫟葉片花青素含量與可溶性糖含量呈正相關(guān)，而舒瑪櫟、納塔櫟花青素含量與可溶性糖含量無顯著正相關(guān)。由于可溶性糖對花青素合成的調(diào)控極為復(fù)雜，不僅是花青素的前體物質(zhì)，而且也為其他色素如葉綠素、類胡蘿卜素等提供底物和能源，同時也是色素形成過程中的信號物質(zhì)[6,8]，有研究推測，可溶性糖雖然影響北美櫟樹葉片花青素的合成，但也許并非決定性因素[1,8]。根據(jù)本研究結(jié)果推斷，可溶性糖含量必然在一定程度上影響了北美櫟樹花青素的積累，但兩者之間的相關(guān)性可能取決于測定的季節(jié)以及供試苗木的年齡等因素。然而，北美櫟樹作為一類引進(jìn)樹種，在國內(nèi)的引種馴化不過十幾年，相關(guān)的研究還很少，特別是針對其葉片呈色機(jī)理的研究，目前還處于探索階段，因此，對于北美櫟樹葉片呈色的生理生化基礎(chǔ)以及花青素合成的分子調(diào)控等研究工作，還需要開展進(jìn)一步的探索。