茶條槭秋季葉色變化相關(guān)生理性指標的研究

摘要：為了探究茶條槭秋季葉色變化的機理，對茶條槭在不同葉色時期的多項生理指標進行了系統(tǒng)研究，包括色素種類與含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、過氧化物酶（POD）活性、超氧化物歧化酶（SOD）活性、過氧化氫酶（CAT）活性、游離脯氨酸（Pro）含量及丙二醛（MDA）含量。結(jié)果表明，茶條槭葉色變化主要由花青素的大量積累引發(fā)，總花青素含量在葉色變化過程中顯著增加，紅色葉片的花青素含量是綠色葉片的4.31倍。隨著葉色由綠轉(zhuǎn)紅，可溶性糖含量從2.54%增加至8.96%，可溶性蛋白含量從0.25 mg·g-1增加至0.35 mg·g-1。綠色葉片時期的POD、SOD和CAT活性分別為45.52，1 985.21和153.28 U·g-1；半紅色葉片時期，這些酶活性顯著提高，分別達到228.51，7 854.58和254.47 U·g-1；而在紅色葉片時期，酶活性又有所下降，分別為105.86，514.25 和78.52 U·g-1。因此，建議在茶條槭的推廣應(yīng)用中，注重通過調(diào)控環(huán)境因素如光照、溫度和土壤養(yǎng)分等，優(yōu)化其生長條件，適當調(diào)節(jié)糖等營養(yǎng)元素的供應(yīng)，增強茶條槭的葉色表現(xiàn)和抗逆性。

關(guān)鍵詞：茶條槭；葉色變化；花青素;生理指標

收稿日期：2024-08-01

基金項目：黑龍江省省屬科研院所科研業(yè)務(wù)費項目（YB2023-02）。

第一作者：舒鈺（1982-），女，博士，副研究員，從事園林植物研究。E-mail：370194057@qq.com。

通信作者：

茶條槭（Acer ginnala）屬于槭樹科槭屬，其葉片清秀，樹干挺直，花香氣撲鼻，整體樹形優(yōu)美。秋季時，茶條槭葉色鮮紅艷麗，其成熟前的翅果也呈現(xiàn)出迷人的紅色，極具觀賞性［1］。茶條槭具有較強的可塑性，易于修剪整形，適合作為綠地觀賞樹種、行道樹、綠籬或整形樹使用，還可用于園林護坡綠化或片植成林。葉色是觀賞植物的重要評價指標，是外界環(huán)境以及遺傳作用的共同結(jié)果。大部分彩葉樹葉片顏色會隨著生長的不同階段進行變化。葉片中的色素含量、種類，決定了葉片的顏色。同時葉色發(fā)生變化的過程，葉片的生理指標也在發(fā)生變化。通過對葉片中色素含量的測定，以及多種酶活性的測定，有助于充分了解彩葉植物葉色變化的機制。然而，對于茶條槭秋季葉色的變化研究目前仍處于初步階段，特別葉色變化過程中的生理指標鮮有報道。故本研究以茶條槭為材料，測定其秋季葉色變化過程中的生理指標，包括色素含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、過氧化物酶（POD）活性、超氧化物歧化酶（SOD）活性、過氧化氫酶（CAT）活性、游離脯氨酸含量（Pro）、丙二醛（MDA）含量等。綜合分析不同葉色時期的生理指標，探索茶條槭葉色變化的生理機制，特別是花青素的積累與其他生理指標之間的關(guān)系，為理解植物色彩變化提供了新的視角，進一步為彩葉植物的著色機理研究及茶條槭的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

材料選自于黑龍江省林業(yè)科學(xué)研究所，巴彥縣茶條槭良種繁育中心，選擇6株生長健壯、無蟲害的茶條槭。分別在2022年7月15日、9月17日和10月8日9：00（均為晴朗天氣）采集植株中部位置當年生枝條的綠色葉片、半紅色葉片以及紅色葉片。每株茶條槭采集各顏色的葉片4片，放置50 mL離心管封閉，標記后，用液氮速凍后放置-80 ℃冰箱保存。

1.2 方法

可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、 過氧化物酶（POD）活性、超氧化物歧化酶（SOD）活性、過氧化氫酶（CAT）活性、游離脯氨酸（Pro）含量參照王燕龍［2］的方法。丙二醛（MDA）含量參照李合生［3］的方法。色素含量的測定參照孫安然［4］的方法。采Excel 2019和SPSS 20.0軟件進行數(shù)據(jù)處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 茶條槭不同葉色時期色素含量

由圖1可知，隨著葉色從綠色逐漸變成紅色，茶條槭葉片中的葉綠素含量呈現(xiàn)逐漸減低的趨勢，并且在不同葉色階段之間差異顯著。類胡

蘿卜素的含量也呈現(xiàn)逐漸減低的趨勢，尤其是從綠色階段到半紅葉階段的差異顯著，而從半紅葉到紅葉的階段差異則不顯著。綠色葉片花青素含量為22.16 μmol·g-1，半紅色葉片為35.212 μmol·g-1，紅色葉片為95.582 μmol·g-1?？偦ㄇ嗨氐暮吭谌~色變化過程中顯著增加，紅色葉片的花青素含量是綠色葉片的4.31倍。紅色葉片葉綠素含量為0.355 mg·g-1，半紅色葉片為0.613 mg·g-1，綠色葉片為1.822 mg·g-1。紅色葉片、半紅色葉片和綠色葉片的類胡蘿卜素含量分別為0.045，0.185和0.064 mg·g-1。表明，茶條槭葉色的變化主要由葉綠素和類胡蘿卜素的逐漸降低和花青素的逐漸增加所引起?；ㄇ嗨卦诓钘l槭紅色葉片中是主要的色素物質(zhì)。

2.2 茶條槭不同葉色時期生理指標

由表1可知，茶條槭葉片在葉色從綠色到紅色的過程中，可溶性糖含量顯著增加，分別為2.54%、5.27%和8.96%。進一步證明，可溶性糖不僅是花青素合成的前體，還在植物體內(nèi)扮演著重要的信號傳遞角色［5-6］。此外，茶條槭葉片的可溶性蛋白含量在葉色變化過程中也表現(xiàn)出持續(xù)升高的趨勢，綠色葉片、半紅色葉片和紅色葉片的含量分別為0.25，0.32和0.35 mg·g-1，但半紅色到紅色的變化期間可溶性蛋白含量的增加并不顯著?？扇苄缘鞍妆徽J為是植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)［7］，其增加有助于提高植物對不良環(huán)境的適應(yīng)能力［8］。游離脯氨酸在茶條槭葉片變紅過程中顯著增加，綠色葉片為72.54 μg·L-1，半紅色葉片上升到217.58 μg·L-1，紅色葉片達到647.24 μg·L-1，是綠色葉片時期的8.92倍。丙二醛含量則呈現(xiàn)出先顯著升高后顯著降低的趨勢，綠色葉片為22.54 μmol·g-1，半紅色葉片上升到168.35 μmol·g-1，紅色葉片下降至86.15 μmol·g-1。

由表2可知，茶條槭在3個不同葉色時期葉片中過氧化物酶（POD）活性、超氧化物歧化酶（SOD）活性、過氧化氫酶（CAT）活性，整體呈現(xiàn)顯著差異，具體表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢，峰值出現(xiàn)在半紅色葉片時期。綠色葉片時期的POD、SOD和CAT活性分別為45.52，1 985.21和153.28 U·g-1；半紅色葉片時期的POD活性分別為228.51，7 854.58和254.47 U·g-1；紅色葉片時期的POD、SOD和CAT活性為105.86，514.25和78.52 U·g-1。這些結(jié)果表明，在葉片顏色變化的過程中，茶條槭葉片的抗氧化酶活性發(fā)生了顯著變化，這可能是植物對外界環(huán)境變化的一種適應(yīng)性響應(yīng)。

2.3 茶條槭不同葉色時期生理指標相關(guān)性分析

由表3可知，花青素的含量與Pro呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達0.927，與POD呈顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.776；葉綠素的含量與類胡蘿卜素、SOD、MDA、POD呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.936，0.924，0.889和0.947。葉綠素與可溶性糖含量和游離脯氨酸分別呈極顯著和顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.875和-0.687。類胡蘿卜素也與SOD、MDA、POD呈極顯著正相關(guān)，與可溶性糖含量和游離脯氨酸呈極顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.957，0.941，0.933，-0.904和-0.706。

3 討論

葉片中色素的含量、種類是影響葉色的主要因素［9］，葉色中的主要呈色物質(zhì)是花青素、類胡蘿卜素、葉綠素［10］。通過對不同葉色時期茶條槭色素含量的研究發(fā)現(xiàn)，茶條槭秋季紅色主要的呈色物質(zhì)是花青素，葉色由紅變綠的過程中，葉綠素含量顯著減少，花青素含量顯著增加，類胡蘿卜素含量也有減少但不顯著。類似的色素變化現(xiàn)象也在其他槭樹種類如嶺南槭（Acer tutcheri）［11］和雞爪槭（Acer palmatum）［12］的秋季葉色變化中觀察到。當葉片中葉綠素含量較高，類胡蘿卜素和花青素含量較低時，葉片呈現(xiàn)綠色［2］。隨著葉綠素的不斷降解，花青素的大量合成，葉片的顏色由綠色慢慢變成紅色，到紅色時期，花青素的含量達到最高值。歐洲衛(wèi)矛（Euonymus europaeus）［13］和火炬樹（Rhus typhina）［14］的研究也表明，植物葉片由綠色變成紅色，是由于花青素含量顯著提高，而綠葉素含量顯著降低的原因。

相關(guān)研究指出，糖對花青素的合成和代謝有重要影響，其作用可能與糖的磷酸化狀態(tài)密切相關(guān)。那些能夠被磷酸化的糖分子顯著促進花青素的積累，而不能被磷酸化的糖則不具備誘導(dǎo)花青素積累的能力［15］?；ㄇ嗨氐暮铣尚枰亲鳛榍绑w，可溶性糖作為調(diào)節(jié)物質(zhì)還參與了細胞內(nèi)的信號傳導(dǎo)［16］等多種生理過程。茶條槭葉色變化過程中，可溶性糖的重要作用不容忽視。本研究觀察到，在茶條槭葉片由綠色到紅色的轉(zhuǎn)色過程中，可溶性糖含量顯著增加，與葉色的變化趨勢一致。這一發(fā)現(xiàn)與北美紅楓的類似研究結(jié)果相符［17］。

此外，滲透調(diào)節(jié)是植物在逆境條件下的重要應(yīng)對機制，通過調(diào)節(jié)細胞的滲透壓來維持細胞穩(wěn)定［18］。在逆境條件下，植物會增加脯氨酸的含量，從而保護細胞膜系統(tǒng)和酶的結(jié)構(gòu)，減緩蛋白質(zhì)的降解速率［19］。茶條槭在葉片轉(zhuǎn)色過程中，不僅可溶性糖含量增加，而且可溶性蛋白和游離脯氨酸的含量也顯著上升。特別是，游離脯氨酸與花青素含量呈正相關(guān)，這表明茶條槭葉色的變化是通過積累滲透物質(zhì)來響應(yīng)外界的某種脅迫。

在植物細胞衰老期間，過氧化物酶活性的增加已被證明是抗氧化防御系統(tǒng)的一部分［20］。在菊花的花瓣中，隨著花瓣衰老時間的推移，過氧化物酶活性逐漸增加。這種增加伴隨著其他抗氧化酶的增加，表明植物通過協(xié)調(diào)防御機制來控制和延遲衰老。在萱草中，即使在花朵開放前過氧化氫酶就開始升高，隨萱草花瓣的衰老而降低［21］。

在茶條槭葉片轉(zhuǎn)色期間，環(huán)境溫度逐漸下降。這種低溫條件觸發(fā)了植物防御系統(tǒng)中酶類的活性變化，包括過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT）。這些酶的活性變化趨勢與銀杏（Ginkgo biloba）葉片在秋季變化的生理指標相似［22］，顯示出茶條槭對外界環(huán)境變化的響應(yīng)機制可能具有普遍性和保守性。而研究發(fā)現(xiàn)酶活性和其他生理指標大部分都有相關(guān)性。

低溫對不同植物的花青素合成有著顯著促進作用［23］。例如，牡丹的花青素合成相關(guān)基因在低溫條件下得到增強［24］。柑橘在低溫環(huán)境下，諸如PAL、CHS和DFR等基因顯著上調(diào)，進而導(dǎo)致果肉中花青素增加［25］。蘋果在低溫條件下，果皮中MdMYBA轉(zhuǎn)錄因子顯著上調(diào)，從而促進花青素的積累［26］。此外，MdMYB73在植物耐寒性中的調(diào)控作用被證實，過表達MdMYB23同樣可增加擬南芥和轉(zhuǎn)基因蘋果中的花青素含量，并增強其耐寒性［27］。高溫環(huán)境則抑制了植物花青素的合成過程。擬南芥中，高溫抑制了TT8、TTG1及EGL3轉(zhuǎn)錄因子的表達，從而導(dǎo)致花青素的合成減少［28］。對紫菀的研究顯示，高溫條件下PAL和CHI酶的活性顯著降低，影響了花青素的合成［29］。溫度通過影響轉(zhuǎn)錄因子的表達以及相關(guān)酶的活性，顯著影響植物花青素的生物合成和積累。此外，建議進一步研究茶條槭在不同環(huán)境條件下的生理反應(yīng)，以推動其在生態(tài)恢復(fù)、護坡綠化以及其他生態(tài)工程中的廣泛應(yīng)用，實現(xiàn)其生態(tài)和景觀價值的雙重提升。

4 結(jié)論

本研究表明，在茶條槭葉色由綠色轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色的變化過程中，葉綠素含量逐漸減少，而花青素含量顯著增加。與綠色葉片相比，紅色葉片的可溶性糖含量顯著增加?？扇苄缘鞍缀亢陀坞x脯氨酸含量顯著升高，這表明葉色變化可能是茶條槭響應(yīng)某種脅迫的反應(yīng)?；谝陨习l(fā)現(xiàn)，建議在利用茶條槭進行城市綠化、道路景觀設(shè)計和園林美化時，注重通過調(diào)控環(huán)境因素如光照、溫度和土壤養(yǎng)分等，優(yōu)化其生長條件，通過合理的栽培管理措施，適當調(diào)節(jié)糖等營養(yǎng)元素的供應(yīng)，增強茶條槭的葉色表現(xiàn)和抗逆性。

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Study on Physiological Indicators Related to Leaf Color Changes of Acer tataricum subsp. ginnala in Autumn

SHU Yu1，2，GAO Tianhong2

（1.School of Continuing Education， Heilongjiang Open University， Harbin 150040， China; 2.Heilongjiang Forestry Science Research Institute， Harbin 150081， China）

Abstract：In order to investigate the mechanism behind the autumn leaf color change in Acer tataricum subsp. ginnala， this study systematically examined various physiological indices at different leaf color stages， including pigment types and contents， soluble sugar content， soluble protein content， peroxidase （POD） activity， superoxide dismutase （SOD） activity， catalase （CAT） activity， free proline content（Pro）， and malondialdehyde （MDA） content. The results indicated that the leaf color change in Acer ginnala was primarily driven by the significant accumulation of anthocyanins， with the total anthocyanin content increasing substantially during the color change process. The anthocyanin content in red leaves was 4.31 times higher than in green leaves. As the leaf color changed from green to red， the soluble sugar content increased from 2.54% to 8.96%， and the soluble protein content rose from 0.25 mg·g-1 to 0.35 mg·g-1. During the green leaf stage， the activities of POD， SOD， and CAT were 45.52， 1 985.21， and 153.28 U·g-1， respectively. In the semi-red leaf stage， these enzyme activities increased significantly to 228.51， 7 854.58， and 254.47 U·g-1， respectively. However， in the red leaf stage， enzyme activities decreased to 105.86， 514.25， and 78.52 U·g-1， respectively. This change is considered a response strategy of the plant to external stress， likely related to temperature variations.Therefore， it is recommended that in the promotion and application of A. tataricum subsp. ginnala， emphasis should be placed on optimizing its growth conditions by regulating environmental factors such as light， temperature， and soil nutrients， while appropriately adjusting the supply of nutrients like sugars， to enhance the leaf color performance and stress resistance of A. tataricum subsp. ginnala.

Keywords：Acer tataricum subsp. ginnala； leaf color change； anthocyanin; physiological indicators