低溫及光照對彩葉楊樹葉片中花色素苷變化的影響

朱秀紅，蔡曜琦，楊金橘，程紅梅，茹廣欣

（河南農(nóng)業(yè)大學林學院，鄭州 450000）

楊樹作為世界上分布最廣、適應性最強的樹種，生長迅速，干形通直，成材快，輪伐期短，經(jīng)濟與生態(tài)效益大。人們對于生態(tài)樹種的要求不斷提高，不同品種的彩葉楊樹應運而生。彩葉楊樹不僅維持了楊樹的獨特優(yōu)勢，且均為雄株免于形成飛絮，降低了對于環(huán)境的污染。彩葉楊樹對于傳統(tǒng)楊樹病蟲害的抗性有所提高，生長迅速，冠型飽滿，且不同品種的葉色隨季節(jié)變化表現(xiàn)豐富多彩，提高了林木觀賞價值。彩葉楊樹作為改良品種楊樹，擁有良好的社會生態(tài)效益，填補了楊樹品種在彩葉林上的空白。

對于彩葉楊樹的研究多為探討葉色與外界環(huán)境條件的生理作用關(guān)系，且大部分研究材料為單一品種或2個品種對比，因此進一步探討研究不同品種彩葉楊樹花色苷合成機制及其在不同環(huán)境脅迫下對葉片保護作用的調(diào)控機理，對進一步豐富以花色素苷呈色為基礎(chǔ)的彩葉楊樹品種具有重要意義，同時明確彩葉楊樹葉片中花色素苷的作用，能對楊樹在開發(fā)新型彩葉品種方面有進一步突破提供理論指導。研究表明，適當?shù)牡蜏啬軌虼龠M植物組織花色素苷的積累［1，2］。本試驗對5種彩葉楊樹進行低溫處理，研究低溫對彩葉楊樹花色素苷含量、葉綠素含量、類胡蘿卜素含量、可溶性糖和蔗糖含量的影響，以及相關(guān)酶活性變化規(guī)律，同時進行遮光處理，探究光照是否參與對其影響，為低溫環(huán)境下彩葉楊樹葉色變化的機制提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與處理

在新密試驗田中，選取長勢良好的全紅楊、中紅楊、金紅楊、紅霞楊與翡翠楊的一年生苗木同側(cè)枝剪下帶回進行扦插培養(yǎng)（每個品種每株重復扦插3盆），幼苗生長至25 cm（包括頂芽，主枝3～4片葉）放置于溫室內(nèi)，溫度為15～25℃，每天遮光10 h繼續(xù)培養(yǎng)，確保可取新鮮樣品進行重復試驗。

試驗共設(shè)置4個處理：常溫常光（CK），溫度為25℃/15℃，光照度為200μmol/（m2·s）；低溫常光（LT）：溫度為14℃/8℃，光照度為200μmol/（m2·s）；低溫遮光（LT+D），溫度為14℃/8℃，光照度為0 μmol/（m2·s）；低溫重新通入光源（LT+L），溫度為14℃/8℃，光照度為200μmol/（m2·s）。10 d后對5個品種進行取樣測定。

1.2 測定方法

采用蘇正淑等［3］提出的丙酮乙醇萃取法進行葉綠素與類胡蘿卜素含量測定。采用何奕昆等［4］、于曉南［5］的鹽酸甲醇分光光度計法進行花色素苷的測定。采用蒽酮比色法［6］測定葉片的可溶性糖及蔗糖含量。花色素苷相關(guān)合成酶活性測定采用王惠聰?shù)龋?］的方法，略加改動。PAL活性、CHI活性、UFGT活性參照文獻［8，9］。DFR活性參照Stafford等［10］在花青苷還原酶轉(zhuǎn)化中采用的方法。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Origin 9.0與Excel 2016軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與分析，并用單因素方差分析來檢驗樣本間的差異顯著性（置信區(qū)間為95%）。

2 結(jié)果與分析

2.1 彩葉楊樹葉片中葉綠素和類胡蘿卜素含量的變化

低溫處理后，不同品種彩葉楊樹色素含量變化見表1。低溫處理下，與對照處理相比，5個品種彩葉楊樹的葉綠素a含量均呈下降趨勢，其中中紅楊、金紅楊和紅霞楊的葉綠素a含量在1.540～1.653 mg/g。與對照處理相比，全紅楊、中紅楊、金紅楊和紅霞楊葉綠素b含量均呈下降趨勢，而翡翠楊在低溫處理下葉綠素b的含量呈上升趨勢，為對照組的2.60倍。低溫處理下，5個品種的類胡蘿卜素含量下降，其中全紅楊類胡蘿卜素含量最高，翡翠楊類胡蘿卜素含量最低。

表1 低溫處理5個品種彩葉楊樹的葉綠素及類胡蘿卜素含量的變化 （單位：mg/g）

2.2 彩葉楊樹葉片中花色素苷含量的變化

如圖1所示，單獨進行低溫脅迫而正常通入光源時，相對低溫處理（LT）對5個品種彩葉楊樹的花色素苷有明顯影響。其中，全紅楊的花色素苷含量為常溫狀態(tài)的7.31倍；中紅楊在相對低溫狀態(tài)下花色素苷含量為常溫狀態(tài)的7.09倍，變化幅度略低于全紅楊；金紅楊與紅霞楊的花色素苷含量變化幅度基本相同，為常溫狀態(tài)的6.98倍；翡翠楊的花色素苷含量在試驗過程中雖然一直保持較低值，但受低溫狀態(tài)的影響其含量上升至常溫對照組的5.41倍。由此可知，光照正常時，全紅楊葉片內(nèi)的花色素苷含量易受溫度的影響，翡翠楊葉片內(nèi)的花色素苷受溫度影響相對較小。

圖1 5種彩葉楊樹葉片中花色素苷含量的變化

當試驗條件變化為相同低溫狀態(tài)進行遮光處理后，與對照組相比，5個品種的花色素苷含量未表現(xiàn)出明顯變化，遮光后再次通入光源，5個品種的花色素苷含量超過首次進行低溫脅迫時的狀態(tài)，這表明光照是低溫促進彩葉楊樹中花色素苷含量的關(guān)鍵條件，當刪除這一條件，低溫對花色素苷合成與積累的影響較小。

2.3 彩葉楊樹葉片中可溶性糖和蔗糖含量的變化

由圖2可以看出，與對照相比，相對低溫處理（LT）5個品種彩葉楊樹的可溶性糖含量及蔗糖含量都呈上升趨勢，全紅楊的可溶性糖含量為常溫狀態(tài)的4.62倍，蔗糖含量為常溫狀態(tài)的5.01倍；中紅楊在相對低溫狀態(tài)下可溶性糖含量上升至常溫狀態(tài)的3.97倍，蔗糖含量上升至常溫時的4.09倍；金紅楊在相對低溫狀態(tài)下可溶性糖含量上升至常溫狀態(tài)的3.22倍，蔗糖含量上升至常溫時的3.29倍；紅霞楊在相對低溫狀態(tài)下可溶性糖含量上升至常溫狀態(tài)的2.89倍，蔗糖含量上升至常溫時的3.14倍；翡翠楊的可溶性糖含量與蔗糖含量高于金紅楊與紅霞楊，但變化幅度較低，分別為對照組的1.65倍、1.71倍。

圖2 5種彩葉楊樹葉片中可溶性糖和蔗糖含量的變化

對彩葉楊樹進行遮光處理后，與對照相比，5個品種的可溶性糖及蔗糖含量均有小幅度下降。遮光后再次通入光源，5個品種的可溶性糖及蔗糖含量也大幅度上升，與單獨進行低溫脅迫持平，其中全紅楊與翡翠楊的可溶性糖含量達到4個處理中的最高水平。

2.4 彩葉楊樹品種的花色素苷相關(guān)酶活性的變化

苯丙氨酸解氨酶（PAL）為花色素苷合成過程中催化苯丙氨酸轉(zhuǎn)化為肉桂酸的關(guān)鍵酶，查耳酮黃烷酮異構(gòu)酶（CHI）在花色素苷生物合成中將四氫查耳酮環(huán)化形成二氫黃酮（即柑橘素）的關(guān)鍵步驟中起催化作用。二氫黃酮醇-4-還原酶（DFR）能夠催化3種二氫黃酮醇和2種黃烷酮，生成5種不同的花青素前體，加速花色素苷的生物合成［11］。UFGT作為類黃酮中葡萄糖基的轉(zhuǎn)移酶，將葡萄糖基轉(zhuǎn)移至花色素苷C3的羥基上以穩(wěn)定花色素苷的結(jié)構(gòu)。這4種酶的功能及活性與花色素苷的合成與積累密切相光。由圖3可知，溫度下降后，與對照相比，5個品種的4種酶活性均明顯上升，與花色素苷含量的變化趨勢一致。全紅楊的相關(guān)酶活性變化最顯著，與常溫狀態(tài)相比，低溫下PAL活性上升了342%，CHI活性上升了381%，DFR活性上升了390%，UFGT活性上升了420%。中紅楊的相關(guān)酶活性上升幅度次于全紅楊，分別提高了251%、324%、369%和389%。金紅楊與紅霞楊的相關(guān)酶活性上升幅度相似但低于中紅楊。翡翠楊的相關(guān)酶活性變化幅度相對較低，PAL活性上升了94%，CHI活性上升了147%，DFR活性上升了170%，UFGT活性上升了150%。這表明光照正常時，溫度的降低使彩葉楊樹中與花色素相關(guān)的4種關(guān)鍵酶活性顯著上升，花色素苷的合成速率上升，遠高于分解速度，進一步造成花色素苷的積累及其他色素含量比例的變化，可能是造成彩葉楊樹能夠在秋季溫度下降后維持葉片色彩，且進行再一次變色的原因。

圖3 5種彩葉楊樹葉片內(nèi)花色素苷相關(guān)酶活性變化

同樣地，當沒有光照但維持低溫環(huán)境，5個品種的4種相關(guān)酶活性均不再出現(xiàn)大幅度變動，活性維持在常溫狀態(tài)的1倍左右，此時的酶活性與花色素苷含量均較低。低溫下再次通入光源后，4種酶活性再次出現(xiàn)大幅度上升。表明溫度下降對于彩葉楊樹中花色素苷相關(guān)酶活性的刺激作用必須有光照作為基本條件，若避免光照而僅降低溫度不會引起花色素苷的合成與積累，進而加強花色素苷對于葉片處于脅迫狀態(tài)時的保護能力。

3 小結(jié)與討論

與極度低溫致死環(huán)境不同，相對低溫環(huán)境用來模擬自然生態(tài)環(huán)境中的秋季低溫，以探究彩葉楊樹在此時進行變色或維持自身色彩的原因。自然界中的很多彩葉樹種，在秋季出現(xiàn)與綠葉樹種葉片變黃截然不同的艷麗色彩，有些還能維持進一步的顏色轉(zhuǎn)化，這種鮮明的特點使其具有較高的研究價值。當進行低溫處理時，彩葉楊樹葉片內(nèi)葉綠素含量、類胡蘿卜素含量呈下降趨勢，而花色素苷含量、可溶性糖和蔗糖含量均呈上升趨勢，相關(guān)酶的活性也不同程度地上升，使得花色素苷不斷合成與積累。進行完全暗處理時，彩葉楊樹葉片中的花色素苷含量、可溶性糖及蔗糖含量均無明顯變化，而重新通入光源后，則呈大幅度的上升，且紅葉品種（全紅楊、中紅楊、紅霞楊及金紅楊）的變化幅度遠大于綠葉品種（翡翠楊）。

葉片光合色素含量是反映植物光合能力的一個重要指標，環(huán)境因子的改變會引起葉綠體色素含量的變化，進而引起光合性能的改變［12］。Erdal［13］研究表明，低溫導致葉綠素含量下降。一方面是葉綠體色素合成酶活性降低，葉綠體合成受到抑制；另一方面葉綠體結(jié)構(gòu)受損［14］。此外，低溫使植物體代謝緩慢，合成葉綠素的原料不足，造成葉綠素含量減少［15］。曾乃燕等［16］對水稻低溫脅迫光合色素的影響研究得出，低溫使光合色素含量降低。低溫脅迫期間，一些木本植物，如降香黃檀、檀香、鐵刀木和樟樹葉片的葉綠素含量均下降［17］。本研究顯示，低溫處理下5個品種彩葉楊的葉綠素a和類胡蘿卜素的含量都呈下降趨勢，可能是低溫脅迫導致葉綠素的合成酶活性降低，從而導致葉綠素含量降低。

葉色的轉(zhuǎn)變主要受遺傳因素控制，但同時還與環(huán)境因子有重要關(guān)系［18］。溫度是影響彩葉植物葉色變化的重要因素，通常情況下，低溫可以增強花色素苷的相關(guān)基因表達，當夜間溫度越低但不低于致死溫度時，造成的晝夜溫差越大，越能促進花色素苷的積累。低溫還可以通過調(diào)整植物組織的比例進而對糖類有機物代謝產(chǎn)生影響，以緩解脅迫環(huán)境造成的組織內(nèi)部水勢變化。王小青等［19］研究證明，高溫會影響紅葉桃葉片的著色，因為過高溫度抑制了花色苷合成相關(guān)基因CHS、LDOX和MYBIO的表達。蔡建超等［20］研究表明，紫葉稠李在低溫脅迫下通過提高色素積累和增加可溶性糖含量，提高自身的耐寒性。劉國君等［21］研究花色素苷含量與蘋果抗寒性的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)抗寒性強的品種枝條中花色素苷含量較高。在本試驗中，當進行低溫處理時，5個品種彩葉楊樹葉片內(nèi)花色素苷含量呈上升趨勢，相關(guān)酶的活性也不同程度地上升，使得花色素苷不斷合成與積累，與前人研究結(jié)果一致。

光照是影響彩葉植物葉色變化重要因素，花色素苷合成途徑中許多相關(guān)酶是光誘導酶，如CHS、PAL、DFR等，其活性均受光照影響。史寶勝等［22］通過對紫葉李的研究發(fā)現(xiàn)，弱光處理后的紫葉李重新放入全光照環(huán)境下，花色素苷含量顯著上升。屈營等［23］通過四季秋海棠的低溫脅迫試驗進一步證明了低溫及光照是花色素苷增加的重要條件。吳飛洋等［24］研究表明，全光照下花色素苷含量顯著上升更利于烏桕的變色。因此，相對低溫環(huán)境的作用并非單一因素，光照也是其充分必要條件。

彩葉楊樹栽植容易，屬彩葉高大喬木，同時又是速生樹種，可迅速提供工程彩葉用樹，因此在行道綠化中有較強的發(fā)展?jié)摿Γ瞧渌麡浞N無法比擬的。本研究通過低溫和光照處理，從生理生化變化機制角度對彩葉楊樹葉片中花色素苷的影響進行分析，為今后提高彩葉楊樹的引種適用性和觀賞性應用提供理論依據(jù)。