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(xué)林學(xué)院，鄭州 450000）

楊樹作為世界上分布最廣、適應(yīng)性最強(qiáng)的樹種，生長迅速，干形通直，成材快，輪伐期短，經(jīng)濟(jì)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(yīng)運(yùn)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(bǔ)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(jìn)一步探討研究不同品種彩葉楊樹花色苷合成機(jī)制及其在不同環(huán)境脅迫下對葉片保護(hù)作用的調(diào)控機(jī)理，對進(jìn)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(jìn)一步突破提供理論指導(dǎo)。研究表明，適當(dāng)?shù)牡蜏啬軌虼龠M(jìn)植物組織花色素苷的積累［1，2］。本試驗對5種彩葉楊樹進(jìn)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(jìn)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(jī)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(jìn)行扦插培養(yǎng)（每個品種每株重復(fù)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(jìn)行重復(fù)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(xiàn)［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(jìn)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(jìn)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(dāng)試驗條件變化為相同低溫狀態(tài)進(jìn)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(jìn)行低溫脅迫時的狀態(tài)，這表明光照是低溫促進(jìn)彩葉楊樹中花色素苷含量的關(guān)鍵條件，當(dāng)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(jìn)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(jìn)行低溫脅迫持平，其中全紅楊與翡翠楊的可溶性糖含量達(dá)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(yuǎn)高于分解速度，進(jìn)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(jìn)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(dāng)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(jìn)而加強(qiáng)花色素苷對于葉片處于脅迫狀態(tài)時的保護(hù)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(jìn)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(jìn)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(dāng)進(jìn)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(jìn)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(yuǎn)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(biāo)，環(huán)境因子的改變會引起葉綠體色素含量的變化，進(jìn)而引起光合性能的改變［12］。Erdal［13］研究表明，低溫導(dǎo)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(dǎo)致葉綠素的合成酶活性降低，從而導(dǎo)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(qiáng)花色素苷的相關(guān)基因表達(dá)，當(dāng)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(jìn)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(jìn)而對糖類有機(jī)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(dá)。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(qiáng)的品種枝條中花色素苷含量較高。在本試驗中，當(dāng)進(jìn)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(dǎo)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(jìn)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(qiáng)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(jī)制角度對彩葉楊樹葉片中花色素苷的影響進(jìn)行分析，為今后提高彩葉楊樹的引種適用性和觀賞性應(yīng)用提供理論依據(jù)。