遮蔭對4種鴨跖草科植物葉色和生理特性的影響

肖 冰，王 寧，鄧 磊，孫延軍，郭 微，丁明艷

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院園藝園林學(xué)院，廣州 510225）

彩葉植物因觀賞價(jià)值較高日益受到關(guān)注。其葉片色彩形成與葉綠素、類胡蘿卜素和花青素等天然色素含量變化直接相關(guān)。花色素苷對葉片呈紫紅色貢獻(xiàn)最大[1]。花青素作為花色素苷前體物質(zhì)極不穩(wěn)定，易受光照、溫度、水分等環(huán)境因子影響，常與糖基結(jié)合生成花色素苷，屬于類黃酮次生代謝物[2]。此外，花色素苷在植物抵抗低溫、干旱、鹽脅迫和低氮等非生物脅迫下增強(qiáng)植物抗逆能力發(fā)揮重要作用[3]。

光照在植物生長發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用，是影響植物葉片變色主要因素[4]。肖婷婷等發(fā)現(xiàn)美國紅楓幼苗葉片在100%自然光條件下呈鮮紅色，但75%光照下葉色變化緩慢，觀賞性不佳[5]；“紅葉”南天竹葉色變化研究中發(fā)現(xiàn)，遮蔭對“紅葉”南天竹葉片色素含量及比例影響明顯，花色素苷/葉綠素是決定“紅葉”南天竹葉色變化直接因素[6]；崔曉靜等發(fā)現(xiàn)全光照條件有利于紅葉石楠葉片可溶性糖、花色素苷積累和苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性提高[7]。

鴨跖草科植物具有葉色豐富，植株低矮，抗逆性強(qiáng)等優(yōu)勢，目前在華南地區(qū)地被花卉園林景觀中應(yīng)用廣泛。其中假紫萬年青、細(xì)竹蒿草、牛軛草和鋪地錦竹草等鴨跖草科植物因觀賞性高，生長迅速，耐粗放管理等特點(diǎn)成為當(dāng)前潛在可開發(fā)應(yīng)用的新型屋頂綠化植物[8]。

在引種馴化過程中發(fā)現(xiàn)，部分鴨跖草科植物種類在高光、干旱環(huán)境下葉色變成紫紅色或深紅色，在遮蔭條件下葉片呈綠色。表明不同鴨跖草科植物在響應(yīng)不同環(huán)境因子條件下葉色生理變化特征存在差異。本試驗(yàn)選擇假紫萬年青、細(xì)竹蒿草、牛軛草和鋪地錦竹草4種鴨跖草科植物作為試驗(yàn)材料，設(shè)置不同梯度遮蔭處理，測定包括光合色素含量、花色素苷含量、相關(guān)酶活性及其他相關(guān)逆境生理指標(biāo)，探討4種鴨跖草科植物對不同光環(huán)境適應(yīng)機(jī)制及其葉片呈色差異與機(jī)理，為鴨跖草科植物在園林植物配置應(yīng)用中提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取假紫萬年青、細(xì)竹篙草、牛軛草、鋪地錦竹草4種鴨跖草科植物作為試驗(yàn)材料，在相同環(huán)境下栽培與養(yǎng)護(hù)。

1.2 試驗(yàn)場所

試驗(yàn)地點(diǎn)為仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院海珠校區(qū)科學(xué)樓試驗(yàn)大棚（23°06′32.54″N，113°16′37.61″E），棚內(nèi)溫度為27~29℃，濕度保持80%~90%，通風(fēng)良好，透光不透雨。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試植物材料來源于仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院科研引種試驗(yàn)區(qū)。將假紫萬年青、細(xì)竹篙草、牛軛草、鋪地錦竹草剪取5~7 cm且至少含2個(gè)莖節(jié)插穗，將其扦插于18 cm×22 cm塑料花盆中，每3個(gè)插穗為1盆，均勻種植，采用泥炭土：珍珠巖為2：1的混合基質(zhì)。

該試驗(yàn)選擇3針遮陰網(wǎng)對植物材料作遮蓋處理，高度為植株上方10 cm處。每種植物設(shè)置CK（全光照，透光率100%）、1C（一層遮蔭，透光率76.3%）、2C（二層遮蔭，透光率35.3%）、3C（三層遮蔭，透光率11.8%）共4個(gè)處理，每個(gè)處理每種植物設(shè)置3次重復(fù)，4種植物共計(jì)種植48盆。插穗種植于盆中，正常養(yǎng)護(hù)10 d，待植株扦插成活后將試驗(yàn)植株放置于遮陰網(wǎng)下方，期間每隔2 d澆水1次，每盆澆水量200 mL。放置遮陰網(wǎng)30 d后將植物取出，用于測定相關(guān)指標(biāo)。

1.4 指標(biāo)測定方法

花色素苷含量采用宋莉英等方法測定[9]；葉綠素和類胡蘿卜素含量參考齊睿方法測定[10]；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氯化硝基四氮唑藍(lán)（NBT）光還原法測定，過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法測定，過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外吸收法測定[11]；苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性采用唐前瑞等方法測定[12]，查爾酮異構(gòu)酶（CHI）活性采用Lister等方法測定[13]；可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定[11]；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測定[11]；丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法測定[11]。每個(gè)指標(biāo)重復(fù)5次。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

利用Excel 2013和SPSS 17.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)作相關(guān)分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 遮蔭處理對4種植物葉色變化的影響

結(jié)果如表1所示。

表1 遮蔭處理下4種鴨跖草科植葉片顏色的變化Table 1 Change of leaf color of four species of Commelinaceae under shading treatment

由表1可知，CK處理水平下，假紫萬年青、細(xì)竹篙草葉表及葉背顏色均為紅色，而牛軛草、鋪地錦竹草葉表及葉背均為綠色。假紫萬年青及細(xì)竹篙草隨遮蔭程度提高，葉片顏色逐漸由紅色轉(zhuǎn)為綠色，牛軛草和鋪地錦竹草葉色則由綠色逐漸轉(zhuǎn)為黃綠色。

2.2 遮蔭處理對4種植物葉片色素含量的影響

由圖1A可知，全光照下，假紫萬年青和細(xì)竹篙草花色素苷含量較高，分別為27.33和35 μmol·g-1，而牛軛草、鋪地錦竹草花色素苷含量均在0.67 μmol·g-1左右。隨遮蔭程度增加，假紫萬年青、細(xì)竹篙草花色素苷含量顯著下降，在3C處理下分別降至1.67和3 μmol·g-1；遮蔭條件下，牛軛草、鋪地錦竹草花色素苷含量變化小，且在4個(gè)處理下均較大幅度低于假紫萬年青和細(xì)竹蒿草，尤其是CK處理水平。由圖1B可知，遮蔭條件下，4種鴨跖草科植物葉綠素a+b含量均顯著上升，其中假紫萬年青、細(xì)竹篙草葉片葉綠素a+b含量在3C處理下升至最高，分別為12.09和11.58 mg·g-1。牛軛草、鋪地錦竹草在2C處理下葉綠素a+b含量最高，分別為13.03和11.47 mg·g-1。遮蔭條件下，假紫萬年青、細(xì)竹蒿草類胡蘿卜素含量未發(fā)生顯著變化，牛軛草、鋪地錦竹草類胡蘿卜素含量則呈顯著上升趨勢（見圖1C）。

圖1 遮蔭處理下4種鴨跖草科植物花色素苷、葉綠素a+b和類胡蘿卜素含量變化Fig.1 Change of anthocyanin,chlorophyll a+b and carotenoid content of four species of Commelinaceae under shading treatment

2.3 遮蔭處理對4種植物抗氧化酶活性的影響

由圖2A可知，遮蔭條件下，假紫萬年青、細(xì)竹篙草POD活性顯著下降，3C處理下POD活性最低，與對照相比分別下降59.40%和59.49%。牛軛草、鋪地錦竹草POD活性呈先升后降趨勢。與對照相比，在3C處理下，牛軛草、鋪地錦竹草POD活性分別下降30.41%和10.65%。表明在弱光環(huán)境下，4種鴨跖草科植物POD活性可能受到抑制。由圖2B可知，遮蔭條件下，4種鴨跖草科植物SOD活性均顯著下降。假紫萬年青、細(xì)竹篙草在3C處理下SOD活性最低。牛軛草、鋪地錦竹草分別在2C和1C處理下SOD活性最低。之后隨遮蔭程度增加，SOD活性均呈上升趨勢。由圖2C可知，隨遮蔭程度提高，4種鴨跖草科植物CAT活性均顯著下降，3C處理下降至最低，與對照相比，假紫萬年青、細(xì)竹篙草、牛軛草、鋪地錦竹草CAT活性降幅分別為65.5%、41.4%、64.5%和55.6%。

圖2 遮蔭處理下4種鴨跖草科植物過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT）活性變化Fig.2 Change of peroxidase,superoxide dismutase and catalase activities of four species of Commelinaceae under shading treatment

2.4 遮蔭處理對4種植物花色素苷相關(guān)酶活性的影響

由圖3A可知，正常光照條件下，細(xì)竹篙草PAL活性最高，為2.83 μg·min-1，假紫萬年青PAL活性為2.3 μg·min-1，另外2種植物PAL活性相對較低，約1 μg·min-1。隨遮蔭程度提高，4種植物PAL活性均顯著下降。與對照相比，假紫萬年青、細(xì)竹篙草、牛軛草、鋪地錦竹草PAL活性下降幅度分別為66.7%、65.2%、76.8%和69.8%。由圖3B可知，正常光照條件下，細(xì)竹篙草和假紫萬年青CHI活性較高于另外2種植物。遮蔭條件下，4種鴨跖草科植物CHI活性均顯著降低。3C處理與CK相比，假紫萬年青、細(xì)竹篙草、牛軛草、鋪地錦竹草CHI活性下降幅度分別為63.34%、58.81%、69.79%和84.33%，表明光強(qiáng)增加可有效誘導(dǎo)CHI活性上升。

圖3 遮蔭處理下4種鴨跖草科植物苯丙氨酸解氨酶（PAL）和查爾酮異構(gòu)酶（CHI）活性變化Fig.3 Change of phenylalanine ammonia-lyase and chalcone isomerase activities of four species of Commelinaceae under shading treatment

2.5 遮蔭處理對4種植物滲透性調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

由圖4A可知，在全光照條件下，4種植物中牛軛草、鋪地錦竹草MDA含量最高。遮蔭條件下，4種鴨跖草科植物MDA含量均呈下降趨勢，除牛軛草在3C處理下MDA含量高于2C處理外，其他3種植物MDA含量均隨遮蔭程度提高，MDA含量逐漸減小。由圖4B可知，假紫萬年青和細(xì)竹蒿草在全光照條件下其葉片可溶性糖含量高于牛軛草和鋪地錦竹草。遮蔭條件下，4種植物可溶性糖含量均顯著下降。由圖4C可知，全光照條件下，4種植物葉片可溶性蛋白含量約75 mg·g-1。遮蔭條件下，4種鴨跖草科植物葉片可溶性蛋白含量無顯著變化，表明光照強(qiáng)弱對這4種植物可溶性蛋白含量無顯著影響。

圖4 遮蔭處理下4種鴨跖草科植物丙二醛(MDA)、可溶性糖和可溶性蛋白含量變化Fig.4 Change of malondialdehyde，soluble sugar and soluble protein content of four species of Commelinaceae under shading treatment

2.6 遮陰處理下4種植物花色素苷含量與其他生理指標(biāo)之間相關(guān)性分析

相關(guān)性分析表明（見表2），假紫萬年青花色素苷含量與3種抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性、CHI活性、可溶性糖含量呈顯著正相關(guān)，與MDA含量呈極顯著負(fù)相關(guān)；與葉綠素含量呈顯著負(fù)相關(guān)；細(xì)竹篙草花色素苷含量與POD活性、SOD活性呈極顯著正相關(guān)，與CAT活性、PAL活性、CHI活性、可溶性糖含量呈顯著正相關(guān)；與葉綠素含量、MDA含量呈顯著負(fù)相關(guān)。牛軛草及鋪地錦竹草花色素苷含量與其他生理指標(biāo)均無顯著相關(guān)性。

表2 遮蔭處理下4種植物花色素苷含量與其他生理指標(biāo)之間相關(guān)性Table 2 Correlation between anthocyanin content of four plants and other physiological indicators under shading treatment

3 討論與結(jié)論

葉片中色素比例和種類變化是彩葉植物呈現(xiàn)色彩的直接原因[14]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，隨遮蔭程度提高，假紫萬年青、細(xì)竹蒿草花色素苷含量顯著下降，葉綠素含量顯著上升，類胡蘿卜素含量無明顯變化，葉片顏色由紅色變成綠色，與田野等對紫葉李研究結(jié)果一致[15]。遮蔭條件下，植物體內(nèi)花色素苷與葉綠素含量呈負(fù)線性相關(guān)，通過降解花色素苷含量，促進(jìn)葉綠素合成，改變?nèi)~綠素與花色素苷含量比例與分布，更好捕獲光能，以適應(yīng)弱光環(huán)境。牛軛草、鋪地錦竹草在遮蔭條件下其花色素苷含量無顯著變化，葉綠素含量呈先升后降趨勢，與遮蔭條件下對松葉百合研究結(jié)果一致[16]。牛軛草、鋪地錦竹草在遮蔭條件下類胡蘿卜素含量不斷上升，葉片顏色由綠色變成黃綠色，與前者對各種光環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制不同。張琰等試驗(yàn)結(jié)果表明，“血紅雞爪槭”隨光照減弱，其葉綠素和類胡蘿卜素含量逐漸上升，光照過低時(shí)，則下降[17]?？赡芘c弱光不利于光合作用導(dǎo)致光合色素下降有關(guān)。本試驗(yàn)中，因牛軛草、鋪地錦竹草葉片中類胡蘿卜素相對穩(wěn)定，對光照敏感性較弱，類胡蘿卜素仍呈上升趨勢，且類胡蘿卜素既是光合色素，又是內(nèi)源抗氧化劑，有收集和傳遞光能作用[18]。在弱光脅迫下，提高類胡蘿卜素含量，有利于對可見光吸收，把光能傳遞給葉綠素，提高光合速率，促進(jìn)光吸收和光保護(hù)作用[19]。牛軛草和鋪地錦竹草葉片呈色與花色素苷含量無關(guān)，而假紫萬年青、細(xì)竹蒿草葉片呈色則與花色素苷含量顯著相關(guān)，在全光照條件下，花色素苷含量處于最高水平，葉片為紅色。光照強(qiáng)度增加，可促進(jìn)花色素苷合成，抵御高光脅迫[19]。

在逆境條件下，植物體內(nèi)產(chǎn)生大量自由基和活性氧，嚴(yán)重?fù)p傷細(xì)胞結(jié)構(gòu)。保護(hù)酶系統(tǒng)包括SOD、POD、CAT等是植物免受傷害或增強(qiáng)抗性的重要原因之一。SOD是第一道防線，主要是催化兩個(gè)超氧自由基Q2-、OH-發(fā)生歧化反應(yīng)形成O2和H2O2，而POD和CAT具有清除H2O2的作用，三者協(xié)調(diào)一致，使自由基維持在低水平[20]。本試驗(yàn)中，隨遮蔭程度加強(qiáng)，假紫萬年青、細(xì)竹篙草POD、SOD活性受到抑制，均顯著降低；牛軛草及鋪地錦竹草POD活性先升后降，SOD活性先降后升；而4種植物CAT活性均呈下降趨勢，反映出3種抗氧化酶間協(xié)調(diào)作用。牛軛草、鋪地錦竹草SOD活性在遮蔭后期略升，可能是發(fā)生弱光脅迫，植物體內(nèi)活性氧上升，激發(fā)SOD活性，提高其抗逆能力。與全光照相比，在遮蔭條件下，隨透光率減小，4種鴨跖草科植物葉片中保護(hù)酶活性顯著降低，與季本華等研究結(jié)果一致[21]。

丙二醛（MDA）是反映膜脂過氧化作用的重要指標(biāo)，其含量反映膜系統(tǒng)受損傷程度[22]。不同遮蔭處理下，假紫萬年青、細(xì)竹蒿草的MDA含量整體上低于牛軛草和細(xì)竹蒿草，呈下降趨勢。全光照條件下，牛軛草和鋪地錦竹草MDA含量維持在最高水平；在3C處理下（透光率11.8%），牛軛草MDA含量顯著上升，為弱光脅迫所致，二者在CK處理下也受強(qiáng)光脅迫。

花色素苷合成途徑屬于類黃酮代謝途徑，是植物重要次生代謝途徑，其中苯丙氨酸裂解酶（PAL）和查爾酮異構(gòu)酶（CHI）在花色素苷合成中起重要作用。本試驗(yàn)表明，假紫萬年青、細(xì)竹篙草的PAL、CHI活性顯著高于牛軛草、鋪地錦竹草，與花色素苷含量呈正相關(guān)。路買林等認(rèn)為，CHI對花色素苷合成有一定作用，而PAL對其無顯著影響[23]；梁玲等認(rèn)為CHI和PAL均對花色素苷合成有影響[24]；王惠聰?shù)日J(rèn)為PAL、CHI與花色素苷合成并非直接相關(guān)[25]。關(guān)于PAL、CHI與花色素苷關(guān)系仍存爭議。假紫萬年青PAL活性在3C處理下略上升，說明其活性與花色素苷含量并非簡單線性關(guān)系，即花色素苷在降解過程中，PAL在遮蔭后期活性增加，但未對其含量產(chǎn)生影響。而在北美豆梨葉色研究中，PAL酶活性在變色初期始終保持較高水平，在變色后期花色素苷大量合成時(shí)，呈下降趨勢[26]。說明假紫萬年青PAL酶可能不是花色素苷合成關(guān)鍵酶。

糖是花色素苷合成前體物質(zhì)，也是花色素苷分子結(jié)構(gòu)組分之一。崔舜和吳馭帆等均認(rèn)為可溶性糖與花色素苷合成相關(guān)[27-28]。本研究結(jié)果與上述發(fā)現(xiàn)一致。隨遮蔭程度加重，假紫萬年青、細(xì)竹蒿草花色素苷含量不斷下降，可溶性糖含量呈下降趨勢。可溶性糖是植物光合作用產(chǎn)物，弱光條件下，可溶性糖合成速率降低。遮蔭條件下，牛軛草、鋪地錦竹草可溶性糖含量呈下降趨勢，與青花菜研究結(jié)果一致[29]。此外，可溶性蛋白與花色素苷合成有關(guān)[30]，但在本試驗(yàn)中，4種鴨跖草科植物可溶性蛋白含量在不同遮蔭處理下均無顯著變化，與花色素苷含量無顯著相關(guān)性。

本研究中，假紫萬年青、細(xì)竹蒿草花色素苷含量與保護(hù)酶活性呈顯著正相關(guān)，與MDA含量呈極顯著負(fù)相關(guān)；牛軛草、鋪地錦竹草花色素苷含量則與其他生理指標(biāo)均無顯著相關(guān)性。由上述指標(biāo)可知，花青素植物假紫萬年青、細(xì)竹蒿草在抗高光和耐蔭陰能力均優(yōu)于牛軛草和鋪地錦竹草。