兩種觀賞槭樹秋季葉片色素和可溶性糖含量的變化

趙東輝， 高玉福， 劉繼生， 周 燕， 榮立蘋

(延邊大學農學院，吉林 延吉 133002)

近年來，隨著城鄉建設的快速發展和人們對生活環境質量追求的不斷提高，彩色園林植物在園林綠化中得到越來越廣泛的應用[1]。槭樹(Acer)是著名的秋葉樹種，在我國園林綠化中應用較為廣泛[2-4]。研究其秋季葉片轉色過程中色素含量及可溶性糖含量變化，探尋影響葉片呈色的關鍵因素，可以為延長其秋季觀賞期及與其他植物的配置提供理論依據。目前已有學者對紅花槭(A．rubrum)[5]、茶條槭 (A．ginnala)[6]、雞爪槭(A．palmatum)及其品種[7]等秋季葉色變化進行了深入研究。

紫花槭(A.pseudo-sieboldianum)和五角楓(A.mono)均為槭樹科槭屬落葉喬木，樹姿瀟灑、葉形優美、秋葉艷麗，是我國優良的綠化樹種和庭院觀賞樹種[8]。目前關于兩種槭樹的研究多集中于種子休眠[9]、引種馴化[10]、繁殖育苗[11]等方面，也有學者對葉色變化及調控進行了廣泛研究[12]，但實驗地點在黑龍江省哈爾濱市，關于兩種觀賞槭樹在吉林延邊地區的葉色變化研究尚未見報道。而同一植物在不同地區葉色表達會有所差異，因此，本研究以延邊大學億利廣場和延吉居住區天池首府的紫花槭和五角楓為試驗材料，研究其葉片在秋季變色期不同時段葉綠素總含量、類胡蘿卜素含量以及花青素含量的變化情況，分析各色素在不同時期的變化動態，為進一步完善槭屬植物秋季葉色變化的生理機制奠定理論基礎，同時為其他彩葉植物的景觀配置提供經驗和科學理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料及地點

試驗于2016年9月21日—2016年10月11日進行，取樣地點為延邊大學億利廣場(簡稱YL)與延吉居住小區天池首府(簡稱TC)。延邊大學億利廣場位于朝南的斜坡上，周圍無高大喬木遮蔽，日照充足。天池首府居住區內高樓林立，樹木參天，因此具有較好的小氣候條件。2個地點各選生長勢良好、景觀效果較好、樹齡5年左右的植株為試驗材料。

1.2 試驗設計

從2016年9月21日—10月11日, 每5 d取樣1次。根據延邊氣象局的觀測數據，試驗期間延吉市的最高溫度和最低溫度如圖1。每次于下午16:00左右取樣，選擇樹冠高1.5 m處、且于樹冠外圍東西南北均勻取樣，每次約取50張葉片。葉片放入自封袋后迅速帶回實驗室，洗凈，擦干，去掉主脈后剪碎，混勻，用于葉綠素、花色素苷和可溶性糖的測定，每處理設3次重復。

圖1 不同生長時期溫度變化Fig.1 The temperature during the experiment in Yanji

1.3 測定指標與方法

1.3.1 葉綠素、類胡蘿卜素含量的測定

采用丙酮浸提法：取0.1 g樣品于25 mL 80%的丙酮中暗處浸提4.5 h，期間不斷搖動。離心，取上清液，用UV-2550型分光光度計測定645、652 和663 nm處的吸光度,分別計算葉綠素和類胡蘿卜素的含量。

1.3.2 花色素苷含量的測定

采用鹽酸乙醇浸提法:取0.2 g樣品于20 mL 1%的鹽酸乙醇提取液中浸提4.5 h，離心，取上清液測535 nm處吸光度。以每克鮮重在10 mL提取液中0.1 OD為1個色素單位，計算花色素苷的相對含量。

1.3.3 可溶性糖的測定

采用蒽酮比色法[13]。

1.4 數據處理與分析

采用Excel軟件處理數據，制作圖表，采用Spss17.0軟件進行方差和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 紫花槭秋季葉色變化過程

試驗初期，紫花槭葉片為綠色，之后邊緣開始逐漸變紅并緩慢向葉中心擴散，至10月1日前后，葉片1/2變為暗紅色；10月中旬，整片葉色轉為橙紅色。五角楓葉片在試驗初期為綠色，之后逐漸變為黃綠色，至10月1日，葉片為黃色，上鑲嵌綠色斑塊，10月中旬之后，整片葉色為黃色，最后枯黃脫落。不同地點的槭樹葉色變化趨勢基本一致，但天池首府居住區的紫花槭葉片轉色時間比億利廣場稍晚3～4 d。

2.2 葉綠素含量變化

研究表明，兩種槭樹葉片葉綠素含量的變化趨勢一致，均呈下降趨勢(圖2)。

試驗初期，總葉綠素含量較高；隨著時間推移葉片總葉綠素含量逐漸降低，9月30日之前，降低趨勢較緩；9月30日—10月6日之間，葉綠素含量下

降幅度最大，降幅超過50%；10月6日之后，總葉綠素含量仍繼續下降，但下降趨勢逐漸變緩，至10月12日達到最低值。

圖2 葉色變化過程中兩種槭樹葉片總葉綠素含量變化趨勢Fig.2 The changes trend of total cholrophyll content of leaves during the color-changing period

以延邊大學億利廣場數據分析葉綠素a和葉綠素b的變化情況(表1)，結果表明，葉綠素a和葉綠素b含量均呈下降趨勢，其中紫花槭葉片中葉綠素a含量的下降幅度為93.0%，葉綠素b含量的下降幅度為90.8%；五角楓葉片中葉綠素a含量的下降幅度為91.5%，葉綠素b含量的下降幅度為84.9%。

表1 葉色變化過程中葉綠素a和葉綠素b含量Table 1 The changes of chlorophyll a and chlorophyll b during the color-changing period

注：表中數據為平均值±標準差。

2.3 類胡蘿卜素含量的變化

研究表明，兩種槭樹葉片類胡蘿卜素含量變化趨勢有所不同。紫花槭類胡蘿卜素含量呈先上升后下降的趨勢。試驗初期，紫花槭葉片內含少量的類胡蘿卜素，隨著時間推移，類胡蘿卜素含量逐漸增

加，至10月6日達到最大值，分別為1.67和1.63，之后又開始迅速降低(圖3)；而五角楓葉片類胡蘿卜素含量隨著時間變化逐漸增加，試驗初期類胡蘿卜素含量增加緩慢，從9月30日—10月6日，增加幅度變大，隨后增幅減緩(圖3)。

圖3 葉色變化過程中葉片類胡蘿卜素含量變化趨Fig.3 The changes trend of carotenoid content of leaves during the color-changing period

2.4 花色素苷含量的變化

研究表明，紫花槭和五角楓秋季轉色期葉片花色素苷含量總體呈上升趨勢，但差異明顯。9月30日之前，紫花槭葉片花色素苷隨著時間變化緩慢上升，9月30日以后，花色素苷含量開始迅速上升，至10月12日，花色素苷含量達到頂峰，分別達到4.88和4.71 μmol/g，與9月30號相比，上升幅度達到15倍之多(圖4)。而五角楓葉片花色素苷含量在整個試驗階段，雖然也呈上升趨勢，但上升速度緩慢。

圖4 葉色變化過程中葉片花色素苷含量變化Fig.4 The changes trend of anthocyanin content of leaves during the color-changing period

2.5 不同色素之間的比值變化

試驗期間兩種槭樹葉片葉綠素與花色素苷的比值、葉綠素與類胡蘿卜素比值呈明顯的下降趨勢(圖5，6)，而花色素苷和類胡蘿卜素含量比值在紫花槭葉片呈明顯的上升趨勢，在五角楓葉片中呈先上升后下降的趨勢，且變化較為緩慢(圖7)。結合2.3和2.4不同色素變化趨勢說明五角楓秋季呈色的主要色素是類胡蘿卜素，而紫花槭秋季呈色是花色素苷和類胡蘿卜素共同作用的結果。

圖5 葉色變化過程中葉綠素與花色素苷比值變化Fig.5 The changes trend of total chlorophyll to anth ocyanin of leaves during the color-changing period

圖6 葉色變化過程中葉綠素與類胡蘿卜素比值變化趨Fig.6 The changes trend of total chlorophyll to carotenoid of leaves during the color-changing period

圖7 葉色變化過程中花色素苷與類胡蘿卜素比值變化趨Fig.7 The changes trend of anthocyanin to carotenoid of leaves during the color-changing period

2.6 可溶性糖含量的變化

研究結果表明，整個試驗過程中，兩種槭樹葉片可溶性糖含量變化呈穩步上升趨勢(圖8)，而且五角楓葉片的可溶性糖含量在試驗的后半階段明顯高于紫花槭葉片。這可能是由于試驗后期紫花槭葉片部分可溶性糖用于合成花色素苷所致。

圖8 葉色變化過程中葉片可溶性糖含量變化趨Fig.8 The changes trend of soluble sugar content of leaves during the color-changing period

2.7 各指標與溫度的相關性分析

對測定的延邊大學億利廣場數據進行相關性分析(表2)，結果表明，秋季轉色期間紫花槭和五角楓葉片葉綠素含量均與溫度呈顯著正相關；兩種槭樹葉片類胡蘿卜素與氣溫存在相關性，但不顯著；紫花槭葉片花色素苷和可溶性糖含量與溫度呈顯著負相關，而五角楓葉片中花色素苷和可溶性糖含量均與溫度存在相關性，但相關性不顯著。

表2 葉綠素、類胡蘿卜素、花色素苷及 可溶性糖與溫度的相關性分析Table 2 Correlation analysis of chlorophyll, carotenoid, anthocyanin soluble sugar and temperature

注:*表示相關性在0.05水平上顯著。

3 討論與結論

秋季植物葉片呈現彩色的直接原因是葉片中的色素種類和比例發生了變化。本研究結果表明，秋季葉色變化過程中，2個地點的紫花槭葉片色素變化趨勢一致，即葉綠素含量降低，花色素苷含量逐漸升高，類胡蘿卜素含量先升高再降低，這與陳繼衛等對不同地點雞爪槭在轉色期葉色變化生理研究一致[5]。但是，對哈爾濱地區引種馴化的紫花槭秋季葉色表現研究表明，類胡蘿卜素含量總體呈下降趨勢[12]，與本研究發現的試驗整個階段紫花槭葉片類胡蘿卜素含量呈先上升后下降的趨勢有所不同，這可能是由于植物栽培地點不同，生長環境差異較大而導致的，引種到哈爾濱地區的紫花槭秋季變色階段葉片類胡蘿卜素在不斷降解，而生長于延吉地區的紫花槭葉片類胡蘿卜素前期處于合成階段而后才開始降解。本研究還發現，10月6日之前紫花槭類胡蘿卜素含量和花青苷含量均逐漸上升，而二者的比值也呈上升趨勢，說明花青苷的上升速度快，葉片中控制紅色成分的色素較多；10月6日之后葉綠素和類胡蘿卜素含量均呈下降趨勢，而二者之間比值也呈下降趨勢，說明葉綠素含量下降比類胡蘿卜素快，這與前人研究一致[6]。試驗結果表明，紫花槭秋季葉色表達是葉綠素、花色素苷和類胡蘿卜素等共同作用的結果，且花色素苷占主導地位，這與紫花槭葉片在秋季呈橙紅色相一致。

糖類為植物花色素苷合成提供底物和能量，也作為信號分子參與調節花色素苷相關酶活性或誘導相關酶基因的表達。研究表明，花色素苷的合成與碳水化合物的代謝有密切關系[14]，特別是與可溶性糖呈顯著正相關[15]。本研究中可溶性糖的變化與花色素苷含量呈顯著的正相關，說明可溶性糖和葉片呈色有緊密聯系，可為花色素苷的合成提供原料，這與鄭恬靜[16]等對王族海棠的研究結果一致，但與張敏等[17]對櫸樹的研究有所差異，具體原因還有待于進一步研究。

溫度是影響葉片中葉綠素與花色素苷含量的顯著因子之一，秋季葉片變紅需要一定的低溫與溫差[18-20]。本試驗發現當10月1日后，最低溫度降至10 ℃左右時，紫花槭葉片花色素苷含量顯著增加，印證了這一結論。 此外，晝夜溫差對彩葉植物葉色表達有顯著影響，研究表明，當晝夜溫差從5 ℃上升到10 ℃時，中華金葉榆葉片類胡蘿卜素含量逐漸增大，而溫差在15 ℃時，類胡蘿卜素含量開始有所降低[21]，本研究試驗階段晝夜溫差從15 ℃降至10 ℃左右時，五角楓葉片類胡蘿卜素含量逐漸增加，與黃印冉等研究一致，表明晝夜溫差10 ℃可能是黃色葉植物呈色的關鍵節點。

彩葉植物的呈色機理比較復雜，除了與葉片細胞內色素的種類、含量及在葉片中的分布有關，而且與營養元素和環境條件有關。因此，除了研究植物色素與葉片呈色的關系，還應深入探索環境因子對植物葉色表達的影響，從而更精準的進行葉色調控。此外，研究者應充分運用現代分子生物學的研究手段，加強對彩葉植物葉片呈色的機制研究，從而使葉色基因工程有目的地開展。