不同色彩珙桐苞片與葉片的生理特性研究

梁 玲 江潔蓓 張騰駒 呂佳瑤 陳小紅,2*

(1.四川農業大學林學院，成都 611130；2.長江上游生態安全協同創新中心，成都 611130)

植物器官的顏色受遺傳因素和外部環境共同影響，由生理生化代謝水平調控，通過改變各種色素的種類、含量以及分布形成了豐富的色彩[1]，學者普遍認為花色苷是影響植物花色和葉色呈現的關鍵因素[2～3]。糖作為花色苷合成的前體和信號物質，可溶性蛋白和脯氨酸作為植物體內重要滲透調節物質，苯丙氨酸解氨酶(PAL)和查爾酮異構酶(CHI)是花色苷合成的相關酶，過氧化物酶(POD)是花色苷降解相關酶，它們都與花色苷的生物合成和降解密切相關，決定著植物的色彩表型變化[2,4～5]。目前植物呈色研究多集中在不同生長階段的花色變化或葉色變化上[6～7]，而對同一時期花和葉的色彩變化規律的一致性研究甚少。研究花和葉的呈色生理特性，對于研究花和葉的進化關系、植物色彩品種改良和提高植物觀賞特性有著重要意義。

珙桐(DavidiainvolucrataBaill.)為珙桐科(Nyssaceae)珙桐屬(Davidia)落葉喬木，屬國家I級重點保護野生植物[8]，具有很高的學術地位和科研價值。珙桐因其棕紫色頭狀花序外的一對由葉片進化而來的白色心形大苞片而被稱為“鴿子樹”，其苞片承擔著吸引昆蟲傳粉的作用，同時能保護花序中的花粉，使之不會遇水失活，在呈色上與葉片有一定的同源性[9]。2016年4月，在四川省珙縣王家鎮珙桐林區內發現18株苞片為粉紅色、葉片呈猩紅色的野生珙桐。該“粉紅珙桐”為世界首次發現，研究價值極高，可為珙桐園林觀賞品種的選育提供重要材料。本研究選取同一生境下的粉紅珙桐和普通珙桐植株為試材，探尋影響珙桐苞片和葉片色彩轉粉紅的生理因素，以期為珙桐的園林應用、品種選育和栽培管理提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料采集與預處理

本試驗選取苞片、葉片均呈粉紅色的珙桐植株(粉紅珙桐)為試材，苞片呈白色、葉片呈綠色的珙桐植株(普通珙桐)為對照，其苞片和葉片的著色情況見圖1。兩種珙桐來源于四川省宜賓市珙縣王家鎮四里坡原始林區的同一野生珙桐群落，地理位置為27°54′20.351″N，104°50′24.287″E，海拔1 505 m，現有普通珙桐上千株，混生有粉紅珙桐18株。該區屬于亞熱帶濕潤性季風氣候，年平均氣溫18.2℃，年平均降水量1 143.6 mm；土壤類型為黃棕壤，pH5.0～6.7，土壤厚度40～50 cm。珙桐為該群落的喬木層優勢樹種，伴生有燈臺樹(Bothrocaryumcontroversum(Hemsl.) Pojark.)、樟(Cinnamomumcamphora(L.) Presl.)、杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.)、野桐(Mallotusjaponicus(Thunb.) Muell. Arg. var.floccosusS.M.Hwang)等少量喬木樹種，林分郁閉度為0.6。林下主要有川莓(RubussetchuenensisBureau et Franch.)、烏泡子(RubusparkeriHance)、筇竹(QiongzhueatumidinodaHsueh et Yi)、西南繡球(HydrangeadavidiiFranch.)及一些禾草等植物。

于2017年4月25日和2018年4月28日兩次取樣，當日上午9:00時在該珙桐林區的同一生境內(坡向、坡位一致)隨機選取長勢良好、一致的粉紅和普通珙桐植株各6株(樹齡約30年)，即6次重復。在東、西、南、北、中五個方位采集樹冠外圍中部的當年生枝條上處于苞片Ⅳ期[10]的苞片、頂部第2～4片葉，洗凈擦干后，用液氮速凍，置于-80℃條件保存。

1.2 生理指標的測定

類黃酮(FC)、花色苷(AC)、葉綠素(Chl)、類胡蘿卜素(Car)、可溶性糖(SS)、可溶性蛋白(SP)、脯氨酸含量(Pro)、過氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)活性的測定參照李合生[11]的方法；苯丙氨酸解氨酶(PAL)和查爾酮異構酶(CHI)活性的測定參照Lister[12]的方法。所有指標的測定均為3次重復，取平均值。試驗所得的各呈色參數為兩次取樣的平均值。

圖1 兩種珙桐苞片和葉片的色彩對比 A.粉紅珙桐苞片；B.普通珙桐苞片；C.粉紅珙桐葉片；D.普通珙桐葉片Fig.1 Comparison of the color of two D.involucrata bracts and leaves A.The bract of pink D.involucrata; B.The bract of common D.involucrata; C.The leaf of pink D.involucrata; D.The leaf of common D.involucrata

1.3 數據處理

數據分析采用軟件Excel 2010和SPSS 20.0，對兩種珙桐的各項生理指標進行單因素方差分析和Duncan多重比較，各指標間采用Spearman系數進行雙變量相關分析。

2 結果與分析

2.1 色素含量的比較

色素是植物呈色的物質基礎，由圖2可以看出：兩種珙桐苞片的類黃酮含量無明顯差異(P>0.05)，但在葉片上表現出極顯著差異(P<0.01)，粉紅珙桐葉片類黃酮含量高達859.53 U·g-1，是普通珙桐的1.52倍，表明類黃酮雖對珙桐花色變化影響不大，但有助于葉片紅色的形成[2,13]。兩種珙桐的苞片與葉片的花色苷含量都表現出極顯著差異(P<0.01)，粉紅珙桐苞片和葉片的花色苷含量分別是普通珙桐的1.68和3.67倍，說明花色苷含量的增加是影響珙桐色彩轉紅的關鍵因素。粉色葉片的葉綠素、類胡蘿卜素含量均略低于綠色葉片，但差異不顯著(P>0.05)，表明光合色素對珙桐葉片轉紅無直接影響。

圖2 兩種珙桐色素含量的比較 不同小寫字母表示在P<0.05水平上差異顯著，不同大寫字母表示在P<0.01水平上差異極顯著，下同。Fig.2 Comparison of the pigment content of two D.involucrata Different lowercase letters indicate significant differences at the P<0.05 level,and different capital letters indicate significant differences at the P<0.01 level between different treatments,the same as below.

圖3 兩種珙桐基礎代謝物含量的比較Fig.3 Comparison of the basal metabolite content of two D.involucrata

不同器官的色素含量有差異，珙桐葉片的色素含量遠遠高于苞片(P<0.01)，粉紅珙桐葉片的類黃酮、花色苷含量分別是其苞片的5.55、17.25倍，普通珙桐葉片的類黃酮、花色苷含量分別是其苞片的4.25、7.92倍?？梢娙~色形成所需要的色素含量更高，可能是因為葉片可進行光合作用提供更多的底物和能量以供色素的合成代謝。

2.2 基礎代謝物含量的比較

糖作為花色苷的前體物質，對花色和葉色的形成有著重要影響[4]。與普通珙桐相比(見圖3)，粉紅珙桐苞片和葉片的可溶性糖含量分別增加了23.1%和44.4%，說明可溶性糖利于花色苷的合成，對珙桐色彩變紅起著顯著調節作用[14]?？扇苄缘鞍资侵参矬w內重要營養物質，參與大多數生命活動，影響著花色苷的合成[15]。隨苞片和葉片色彩轉紅，可溶性蛋白含量分別下降了39.4%和31.3%，在一定程度上抑制了紅色的呈現。脯氨酸是植物體內的滲透調節物質，粉紅珙桐苞片和葉片的脯氨酸含量分別是普通珙桐的1.43和1.71倍，可見脯氨酸含量與珙桐的色彩變化有著密切關系。

這3種營養物質在苞片和葉片中的含量也表現出極顯著差異(P<0.01)，苞片的可溶性糖含量低于葉片，但可溶性蛋白與脯氨酸含量更高，說明植物不同器官的代謝水平有一定的差異，合成色素所需要的營養物質含量也有所差異。

2.3 酶活性的比較

與普通珙桐相比(見圖4)，隨珙桐色彩轉紅，PAL、CHI活性極顯著升高(P<0.01)，粉紅珙桐苞片和葉片的PAL活性分別為普通珙桐的1.51和1.22倍，CHI活性分別為普通珙桐的1.58和2.77倍。而粉紅珙桐與普通珙桐的POD、SOD活性均無顯著差異(P>0.05)，對珙桐色彩變化影響并不大。

圖4 兩種珙桐酶活性的比較Fig.4 Comparison of the enzyme activity of two D.involucrata

PAL在苞片和葉片中的活性差異不顯著(P>0.05)，但CHI活性表現出極顯著差異(P<0.01)，苞片的CHI活性更高。珙桐苞片的POD、SOD活性遠高于葉片(P<0.01)，表明植物不同器官的抗氧化酶系統有差異，苞片具更強的抗氧化能力，以保證花色素的正常合成代謝[16]。

2.4 各生理指標間的相關性分析

色素是引起色彩變化的主要原因，但從表1～2看出，苞片的類黃酮含量與所有指標均不存在相關性，而葉片的類黃酮含量與大多指標都存在相關性；苞片與葉片的花色苷含量都表現為與可溶性糖、脯氨酸含量、PAL、CHI活性呈顯著正相關，與可溶性蛋白含量呈顯著負相關；葉片的光合色素間存在顯著正相關關系，但與其他指標不存在相關關系。可見，類黃酮可在一定程度上影響珙桐葉色的呈現，而對苞片著色影響不大；花色苷在類黃酮中雖僅占0.2%左右，卻對珙桐花色和葉色的形成都起到決定性作用；光合色素對葉色變化無顯著影響。

基礎代謝物影響著植物器官的色彩呈現，可溶性糖與脯氨酸含量間存在顯著正相關關系，且兩者都與類黃酮、花色苷含量、PAL、CHI活性等呈顯著正相關，而可溶性蛋白含量與這些指標呈顯著負相關，表明可溶性糖和脯氨酸的積累、可溶性蛋白含量的減少利于類黃酮、花色苷的合成。

酶活性方面，PAL與CHI活性之間存在顯著正相關關系，且兩者都與類黃酮、花色苷含量等呈正相關。苞片的POD活性及SOD活性與所有指標均不存在相關性，但葉片的POD活性與類黃酮含量、PAL活性呈顯著負相關?？梢?，PAL、CHI促進類黃酮、花色苷的合成；POD對苞片著色無顯著影響，但可調節葉片類黃酮的降解速率[17]；SOD對苞片和葉片呈色的影響都不大。

3 討論

植物的呈色是多種因素協同作用的結果，但根本上是由于特定色素在植物細胞中的存在[18～19]。類黃酮在植物體中以黃酮苷或黃酮苷元的形式存在，苷元的糖基化對植物花色及葉色有不同程度的影響[20]。其中花色苷是一類主要的類黃酮色素，廣泛存在于植物細胞的液泡中,是植物花瓣、葉片的重要呈色物質[15]。有研究表明，類黃酮決定著白色系非洲菊(GerberajamesoniiBolus)的花色[21]，影響著金銀花(LonicerajaponicaThunb.)由白到黃的轉變[22]，但在月季花(RosachinensisJacq.)[23]、鴛鴦茉莉(BrunfelsiaacuminataBenth.)[2]的研究中認為類黃酮對花色變化無明顯影響。本研究中，兩種色彩珙桐苞片的類黃酮含量都較低，無顯著差異，不是珙桐苞片色彩轉粉紅的決定性色素。兩種珙桐葉片的類黃酮含量具有顯著性差異，隨珙桐葉色轉紅，類黃酮含量呈上升趨勢，與北美紅楓(AcerrubrumL.)[24]、香山黃櫨(CotinuscoggygriaScop.)[13]秋季葉色變紅表現出一致規律，表明類黃酮可促進葉片紅色的形成，起到輔助呈色的作用[13]。花色苷在類黃酮中含量雖極少，僅占0.2%左右，卻是植物色彩變化的決定性代謝產物[2]，其含量增加可顯著促進花朵紅色加深[14]。秋季葉色變紅也是由于花色苷大量合成，往往還伴隨著葉綠素的下降，可為花色苷顯色創造條件[25～26]。本研究中，粉紅珙桐苞片和葉片的花色苷含量均極顯著高于普通珙桐，但光合色素并無顯著差異，表明花色苷是影響珙桐花色及葉色形成的關鍵因素，其含量的增加使珙桐的色調轉紅，而光合色素對其影響不大。

表1 珙桐苞片各指標間的相關系數

注：*和**分別表示在0.05和0.01水平上相關性顯著，下同。

Note:*indicates significant correlation at the 0.05 level,**indicates significant correlation at the 0.01 level,the same al below.

表2 珙桐葉片各指標間的相關系數

注：Chl a.葉綠素a含量；Chl b.葉綠素b含量；Chl.總葉綠素含量；Car.類胡蘿卜素含量

Note:Chl a.Chlorophyll a content; Chl b.Chlorophyll b content; Chl.Chlorophyll content; Car.Carotenoid content

糖是花色苷合成的必需底物，作為能源物質維持植物的正常發育，也可通過特異的信號轉導途徑調節花色苷合成酶基因的表達，其含量與花色苷合成密切相關[4]。本研究中，粉紅珙桐的可溶性糖含量顯著高于普通珙桐，且與花色苷含量呈顯著正相關，表明可溶性糖的增加促進花色苷的積累，與前人[6,14,27]研究結果一致。植物體內莽草酸代謝是蛋白質和花色苷合成的共同途徑，苯丙氨酸階段是兩個途徑的分支點，隨植物體內外環境的改變，此階段適合蛋白質合成的條件不利于花色苷的生成，從而使蛋白質與花色苷含量之間的相關性處于不斷變化之中[28]。賀窯青[14]發現紅花玉蘭(MagnoliawufengensisL.Y.Ma et L.R.Wang)的可溶性蛋白與花色苷含量呈顯著負相關。聶慶娟[15]在紅櫨(Cotinuscoggygria‘Royal Purple’)葉片的研究上發現兩者呈正相關，而孟祥春[28]對矮牽牛(PetuniahybridaVilm.)的研究顯示兩者之間沒有顯著規律，不同色彩的植物表現出很大的差異性。在珙桐色彩轉紅的過程中，可溶性蛋白含量顯著下降，在一定程度上抑制了花色苷的合成。脯氨酸是植物蛋白質的組分之一，具有穩定細胞內部pH、解除氨毒，作為能量庫調節細胞氧化還原勢，穩定膜的結構和保護酶，清除活性氧等功能，以保持穩定的內環境供花色苷合成代謝[29～31]。本研究中，脯氨酸含量隨珙桐色彩轉紅而顯著升高，且與花色苷含量呈顯著正相關，表明脯氨酸可清除活性氧以保證花色苷的正常代謝，利于珙桐紅色的呈現[29,32]。

花色苷是在一系列酶的催化下形成的次生代謝產物，其中PAL是苯丙烷類代謝途徑中的第一個酶，CHI是催化花色苷前體黃烷酮合成的酶，兩者都在花色苷合成代謝中起著重要作用[14]。但PAL和CHI與花色苷合成的關系一直存在爭議，李玲[5]、張超[6]認為PAL、CHI顯著影響著花色苷的代謝，但王慧聰[33]、Lister[34]等人則認為PAL、CHI與花色苷的積累并無密切關系。本研究通過對兩種珙桐的PAL和CHI活性進行分析發現，隨珙桐色彩轉紅，PAL、CHI活性顯著升高，與花色苷含量呈正相關，且PAL活性還與可溶性蛋白含量呈負相關。說明PAL能阻止戊糖代謝中形成的苯丙酮酸不與氨結合生成苯丙氨酸向形成可溶性蛋白方向發展，而是朝著合成花色素的方向進行[35]，與CHI作為花色苷合成的關鍵酶，共同調控著花色和葉色的形成，酶活性越高，色彩越偏向紅色。

POD和SOD是植物體內清除自由基的主要保護酶，其活性對植物色彩變化有著重要影響[2]。POD活性可影響葉片的多酚含量，有利于葉片呈現紅色[15,36]，但卓啟苗[7]認為POD對葉色變化影響不大，陳小紅[2]認為POD影響著花瓣中花色苷的降解速率。曹盼盼[37]研究發現花色苷可通過激活酶活性來達到抗氧化的作用，對SOD活性有明顯促進作用。而本研究中，兩種珙桐的POD、SOD活性均無顯著差異，葉片的POD活性與類黃酮含量、PAL活性呈顯著負相關。表明POD可能影響了葉片中類黃酮物質的降解[17]，但POD和SOD均不是影響珙桐色彩轉紅的主要因素，與在歐洲衛矛(Euonymuseuropeaus)[7]、北美紅楓(AcerrubrumL.)[24]上的研究結果一致。

苞片是花序內不能促進植物生長的變態葉狀物，由葉進化而來，兩者在色彩呈現上具有一定的同源性[38]。珙桐苞片和葉片的色彩變化都主要由花色苷決定，類黃酮雖對花色影響不大，但可增加葉色的艷麗程度，起到輔助呈色的作用[13]。珙桐葉片的色素、可溶性糖含量遠高于苞片，說明葉片合成色素的能力更強，可能是由于葉片可進行光合作用提供更多的糖類和能量以供色素的合成代謝。珙桐苞片的可溶性蛋白、脯氨酸含量、POD、SOD、CHI活性均高于葉片，可溶性蛋白、脯氨酸在滲透調節中起著重要作用，POD和SOD是植物體內重要的保護酶，可見苞片為了保證花色素的正常合成代謝，形成了相應的保護機制。

綜上所述，花色苷是珙桐苞片色彩轉粉紅的直接因素，而葉片呈現紅色是類黃酮和花色苷共同作用的結果，可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸、PAL、CHI通過一定生理代謝調節花色苷的形成，進而影響珙桐苞片和葉片的著色。植物呈色由遺傳因素和外界環境共同決定[1]，而本研究試驗材料均取自同一生境，立地及管理條件一致，可排除外界條件的影響，今后需要在細胞及分子遺傳等方面對珙桐色彩變化機制進行深入研究。