植物葉色變異機理的研究進展

李逸心 朱桂才

(長江大學園藝園林學院，湖北 荊州 434020)

引言

葉色是植物的表型特征之一，其變異通常伴隨著生理生化過程和分子水平的調控，如質體發育與轉化、光合作用系統組裝與運行、色素代謝等，不同的變異機制形成了多種多樣的變異表型。葉色變異植物對于豐富園林景觀色彩，提升景觀多樣性具有非常重要的作用，在淡花季能提供以葉代花的觀賞效果，同時也優化提升了多種鄉土樹種的經濟效益。到目前為止，前人已在茶樹、銀杏、黃楊、女貞等數種植物中發現葉色變異現象，在色素組成、葉片結構、光合特性、分子機制等方面取得了一些研究進展[1]。本文從葉色變異植物的色素組成、葉綠體結構特征、分子機制方面對植物葉色變異機理的研究現狀進行綜述，為今后研究其它尚未明晰葉色變異機理的葉色變異植物提供參考。

1 色素組成

植物的葉色是由葉片中色素的含量、占比以及種類決定的。一般有3類色素存在于高等植物的葉片內，分別是葉綠素類、類胡蘿卜素類及類黃酮類。葉綠素類主要有2種，葉綠素a和葉綠素b，兩者在光合過程中處于不同地位，葉綠素a是核心色素，在光合作用中可以將光能經過一些步驟轉化為化學能，且存在大多數綠葉植物中，葉綠素b含量是葉綠素a含量的1/3左右，也就是說，植物光合能力的強弱幾乎由葉綠素a的相對含量決定；類胡蘿卜素類主要有2種，類胡蘿卜素和葉黃素，類胡蘿卜素不僅可以吸收和傳輸光能，在活體狀態下還可以避免葉綠素光降解，因此類胡蘿卜素的含量與所占比例也是葉片呈色的重要因素之一；類黃酮也指花色素苷[2]。色素的顏色存在差異，葉綠素a和葉綠素b分別是藍綠色和黃綠色，類胡蘿卜素和葉黃素分別是橙黃色和黃色，花色素苷的顏色主要由pH值大小決定，在酸性土壤中為紅色，在堿性土壤中為藍色。高等植物葉片中含量占比較高的為葉綠素和類胡蘿卜素，而大多數綠葉植物的葉綠素總含量是類胡蘿卜素含量的3倍左右，使得對應植物葉片呈現為綠色，因此植物葉色形成差異的直接內因就是葉片中色素的含量、占比和種類間的差異[3]。

許慶全等通過測定墨蘭品種“達摩”綠葉材料及4個葉色變異品種的葉片光合色素含量，發現4個葉色變異品種黃色部分的總葉綠素含量和類胡蘿卜素含量均小于綠色部分[4]。任杰等通過測定紅花槭中的紅色葉、綠色葉及黃色葉的葉片色素含量，發現紅花槭葉色變紅與花色素苷含量增多有緊密聯系[5]。毛行簡等通過測定花葉假連翹2種葉色變異體和正常綠葉材料的光合色素含量，發現這3種材料的光合色素含量均表現為全綠葉含量最高，花葉含量次之，全白葉含量最低[6]。王彩霞等通過測定文心蘭黃綠條紋變異體和正常材料的光合色素含量，發現相較正常植株，黃綠條紋變異體的總葉綠素含量及類胡蘿卜素含量都顯著減少[7]。蘇佳露等通過測定2個葉色分區中的6個竹種的光合色素含量，發現白色區域和綠色區域中含量最高的色素分別是類胡蘿卜素和葉綠素a，而白色區域中2類光合色素含量均遠遠低于綠色區域[8]。

2 葉綠體結構特征

植物葉色變異大多是由葉綠素合成異常引起的，而葉綠體內的類囊體薄膜是大多數植物進行色素代謝的場所，因此當植物葉色變異時，葉片葉綠體本身的內部結構會有相應的變化。正常葉色植物的葉綠體呈橢圓形或近橢圓形，含有豐富、清晰的內膜系統和質地稠密的組織，在內膜系統里有明顯的基粒和基粒片層。基粒分為2種，基粒片層緊密平行排列，片層較直而薄；基粒片層排列疏松，片層較厚，有的呈弧形。葉綠體基質中具有微小的核糖核蛋白體顆粒和DNA狀的纖絲，且多數含嗜鋨球體及淀粉粒[9]。有研究表明，相較于正常綠葉植物，葉色變異植物的葉綠體形態和結構有很大差異，具體表現為葉綠體外膜不清晰不完整，葉綠體中類囊體基質質地稀薄，基粒類囊體數量偏低以及片層垛疊稀疏，甚至很難被分化出來[10]。

陳凌燕等通過研究銀絲竹綠色與白色葉片的超微結構，發現在全綠葉片葉肉細胞內，葉綠體數量多且形態結構完善；而在全白葉片葉肉細胞內，葉綠體的膜結構不清晰，邊界有缺口，基粒類囊體片層排列雜亂，其中有些呈現空泡狀，可見銀絲竹葉片葉色變異是葉肉細胞內葉綠體結構不完整或缺少葉綠體造成的[11]。姬語潞等通過觀察鐵皮石斛白綠雜色變異體和綠黃雜色變異體的葉片葉綠體超微結構，發現在這2種葉色變異材料中，葉肉細胞內的葉綠體數量均偏少，葉綠體結構不完整，分布狀態雜亂且不均勻，基粒片層相較正常鐵皮石斛植株顏色偏淺且結構排列狀態松散，基質中少見嗜鋨體及淀粉粒[12]。

3 分子機制

植物的葉色由葉片中色素的含量、占比以及種類決定，因此對植物葉色變異分子機制的研究重點集中在葉綠素代謝途徑、類胡蘿卜素合成途徑、花色素苷合成途徑等方面。

3.1 葉綠素代謝途徑

葉綠素在植物中廣泛存在，通過非共價鍵與類囊體膜上的各種光合蛋白聯系。葉綠素合成的早期階段發生在葉綠體基質中，而后續的合成則是通過膜結合或者與膜相關的一些酶所催化而產生，也就是說這些代謝的中間產物必須在質體膜及基質、類囊體膜之間輸送，三者一定處于復雜的代謝調控網絡之內[13]。

3.1.1 葉綠素合成途徑

很多報道顯示，葉色變異植物葉綠素含量偏低的原因是葉綠素合成途徑中某個位點受阻。高等植物葉綠素的生物合成過程共包含15步酶促反應，這中間無論哪一個節點合成受阻，都有可能造成該步之前的合成產物積聚，該步之后的合成產物含量降低，從而引起葉綠素含量及比例變化，進而使葉色發生變異。有研究表明，在葉綠素合成的過程中，變異產生的節點越靠前，葉色產生的變異越顯著，一般表現為黃化或白化，而變異產生的節點較為靠后時，一般表現出斑葉、條紋等表型性狀[14]。

高等植物葉綠素的生物合成可以分成2個階段，第1個階段是從L-谷氨酰-tRNA到原卟啉Ⅸ的生物合成，起始關鍵步驟是L-谷氨酰-tRNA合成δ-氨基乙酰丙酸，這是合成過程中的限速步驟，同時也是葉綠素原材料調控的關鍵位點，此過程受到谷氨酰-tRNA還原酶的活性調控，后由δ-氨基乙酰丙酸在縮合反應下生成膽色素原，由膽色素原異構化為環狀的尿卟啉原Ⅲ，再由其脫掉羧基生成糞卟啉原Ⅲ，然后在形成環狀骨架的條件下氧化為原卟啉Ⅸ[15]；第2個階段是原卟啉Ⅸ逐漸轉化為葉綠素的生物合成，在四吡咯化合物的合成路徑中以原卟啉Ⅸ為底物的合成通路主要有2條，以亞鐵螯合酶為催化物，合成亞鐵血紅素和光敏色素等；以鎂螯合酶為催化物，生成Mg-原卟啉Ⅸ，之后再經過6種酶的催化，最終合成為葉綠素[16]。

朱雪云等通過分析金心、金邊黃楊葉片內不同顏色組織的葉綠素合成途徑，發現由糞卟啉原Ⅲ轉化為原卟啉Ⅸ的過程受阻，由此導致黃色組織內葉綠素含量相比綠色組織內葉綠素含量降低[17]。蘇金等對黃金枸骨幼苗進行遮蔭處理，通過分析遮蔭過程中弱光條件下葉片葉綠素生物合成的途徑，發現葉綠素的累積源于尿卟啉原Ⅲ的增多，尤其是尿卟啉原Ⅲ合酶活性的增加，使黃金枸骨葉片由金黃色轉變為綠色[18]。

3.1.2 葉綠素降解途徑

葉綠素的降解可分成2個階段，即葉綠素在4個酶學步驟后被降解為初級熒光代謝物pFCC；反應場所轉移至液泡，在酸性液泡的催化作用下發生非酶學異構反應，生成非熒光葉綠素代謝產物NCCs，這些產物經轉化后生成吡咯降解產物。在葉綠素a/b蛋白復合物的降解過程中，葉綠素b還原酶(NOL和NYC1)是關鍵酶[19]。

3.2 類胡蘿卜素合成途徑

在高等植物中，類胡蘿卜素的合成路徑是以乙酰輔酶和甘油醛-3-磷酸作為底物，經過多步酶促反應合成中間產物IPP和DMAPP，再在多種化合物的催化下合成類胡蘿卜素前體。研究發現，八氫番茄紅素合酶(PSY)是類胡蘿卜素合成過程中最關鍵的酶，在煙草作物中2個PSY基因的過量表達，就會造成轉基因植物矮化，植物葉片形態發生變化及植物體內色素沉淀。該酶的基因表達受到如PIFs及HY5等轉錄因子的影響，前者通過與酶上基因啟動子的指定序列相結合，從而抑制該酶的基因表達，減少類胡蘿卜素的積累量，后者通過促進該酶的轉錄，在光和溫度等因素的作用下提升類胡蘿卜素的積累量。

除此之外，番茄紅素β-環化酶也是類胡蘿卜素代謝路徑上的關鍵物質，若相關轉錄因子對該酶的表達產生激發作用，則能夠增加植物體內類胡蘿卜素的積累量[20]。

3.3 花色素苷合成途徑

花色素苷屬于一種次生代謝生成的類黃酮類物質，其合成通路是類黃酮代謝途徑的重要組成部分，包括2個催化階段和1個酶促反應階段，在整個合成途徑中，結構基因直接對參與過程中的酶進行編碼調控。

4 展望

近年來，由于葉色變異植物色彩鮮艷豐富、可觀賞期長等優點，在城鄉綠化中備受歡迎，不斷得到大力推廣。另外，對植物葉色變異機理的研究在觀賞園藝方面有很大價值，如定向誘導培育一些新奇的葉色變異品種，可以極大地提高各類觀賞植物的景觀效果及經濟價值；同時，在通過嫁接等無性繁殖方式，使葉色變異植物對各地鄉土樹種進行彩葉化改良，從而規模化、優化利用鄉土樹種等方面，植物葉色變異機理的研究都有重要的理論價值。本文綜述了葉色變異植物的色素組成、葉綠體結構特征及分子機制，為研究其它尚未明晰葉色變異機理的葉色變異植物提供參考依據。

目前葉色變異植物仍面臨一些亟需解決的問題,如一些葉色變異品種抗逆性較差、樹勢衰弱，影響產量，或在長期栽培后出現葉色復綠或葉色退化現象，影響景觀效果及經濟效益。如何提升葉色變異穩定性，及在維持葉色變異的同時保證生物量等一系列問題有待進一步研究。