環境因子對莧菜試管苗色素累積的影響

劉生財，楊文文，賴鐘雄

（福建農林大學園藝植物生物工程研究所，福州 350002）

莧菜是莧科莧屬，一年生草本植物，在我國具有悠久的栽培歷史。近年來隨著天然色素研究的加深，莧菜以其較好的營養價值和藥用價值已經得到廣泛的開發利用，在生產上得到切實的發展[1]。早在1989年就證實天然莧菜紅色素是一種符合要求的食品添加劑[2]，不僅可用于給食品和飲料著色[3]，而且著色效果好；同時它還是一種無毒無害的天然保健品，一種良好的自由基清除劑，對羥基自由基和超氧陰離子均有清除作用[4]。因此，天然莧菜色素擁有良好的市場開發前景。

植物體內不同色素的累積含量比例決定植物的顏色，葉片各種色素的相對含量是導致葉色不同的主要原因[5]，基本上植物的葉片顏色由其基因型決定，但同時受到光照、溫度等外界環境因子的調控。本試驗即是研究了環境因子對莧菜試管苗色素累積的影響，又探索了莧菜色素累積的規律性，為將來更加深入地研究莧菜色素的利用價值奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗選用福州產特選紅圓葉莧菜無菌苗為試驗材料，由福建農林大學園藝植物生物工程研究所提供。

1.2 方法

從長勢大小一致的實生苗中切取子葉下胚軸分為四組，接種于培養基 MS+6－BA 3.0 mg·L－1+NAA 0.2 mg·L－1中。第一組進行不同單色光處理；第二組進行不同光周期處理；第三組進行不同溫度處理；第四組進行不同pH處理，每5 d觀察1次，記錄其生長情況。初代培養3周后，轉接入增殖培養基 MS+6－BA 3.0 mg·L－1+IAA 1.0 mg·L－1中，繼續放置于原單色光、原光周期、原溫度和原pH條件下培養，10 d后觀察記錄各處理生長情況，并測定其光合色素、莧菜紅色素、花色素苷的含量。

1.2.1 單色光處理

第一組分別在紅光(R)、藍光(B)、綠光(G)條件下培養試管苗，以白熾燈光照射為對照(CK)。

1.2.2 光周期處理

第二組分別控制其光照時數每天為0、6、12、18和 24 h。

1.2.3 溫度處理

第三組分別于（20±1）、（24±1）、（28±1）、（32±1）℃溫度條件下培養試管苗。

1.2.4 pH處理

第四組分別置于pH為5.4、5.8、6.2、6.4、6.7的培養基上培養試管苗。

1.2.5 色素含量測定

葉綠素含量的測定方法參照劉生財[6]；花色素苷的測定方法參照宋長銑[7]；莧菜紅色素含量的測定方法參照王懷宗等[8]。

所有測定均3次重復。

1.3 培養條件

培養基中，糖含量為3%，瓊脂含量為0.7%，pH除試驗特別設計外均為5.8，光照強度1 500 lx，光照時間除試驗特別設計外均為12 h·d－1，培養溫度除試驗設計要求外均為（25±1）℃。

1.4 數據處理與分析

試驗數據采用Excel和DPS等軟件進行處理與分析。

2 結果與分析

2.1 環境因子對莧菜試管苗光合色素含量的影響

2.1.1 不同單色光處理對莧菜光合色素含量的影響

光質是影響植物色素累積的關鍵因素之一，不同植物對不同顏色光譜的吸收不同。

由表1可知，白熾燈光照射時葉綠素含量較高，綠光處理葉綠素含量最低；白熾燈光與紅光、藍光處理之間差異不顯著，但與綠光處理之間差異顯著。Chla/Chlb在對照處理與藍光處理之間差異不顯著，而與紅光、綠光處理之間差異顯著；但藍光與綠光、紅光差異不顯著。Car/Chl在綠光與紅光處理之間差異不顯著，但與對照和藍光處理之間差異顯著；但紅光與藍光和對照之間差異不顯著。

表1 單色光對莧菜試管苗光合色素含量的影響Table 1 Effect of monochromatic light on photosynthetic pigments content of in vitro amaranth plantlets

2.1.2 不同光周期處理對莧菜試管苗光合色素含量的影響

莧菜試管苗培養在不同的光周期條件下，其光合色素含量變化如表2所示。

由表2可知，不同光周期處理莧菜試管苗葉綠素含量順序為 24 h·d－1＞6 h·d－1＞18 h·d－1＞12 h·d－1＞0，光周期為24 h·d－1時類胡蘿卜素含量最高，并且Chla/Chlb也與最大值之間差異不顯著，而Car/Chl最小；6和18 h·d－1兩個光周期處理下莧菜試管苗的光合色素含量之間差異不顯著。

表2 光周期對莧菜試管苗光合色素含量的影響Table 2 Effect of photoperiod on photosynthetic pigments content of in vitro amaranth plantlets

2.1.3 不同pH處理對莧菜試管苗光合色素含量的影響

利用不同pH培養基培養莧菜試管苗，比較pH變化對莧菜試管苗光合色素含量的影響。

由表3可知，pH 5.4時葉綠素含量最高，為0.4410 mg·g-1，但是與pH 6.2、6.7差異不顯著；pH 5.4時類胡蘿卜素含量也達到最高水平，為0.0683 mg·g-1，與其他處理差異顯著；pH 5.4、5.8、6.2時Chla/Chlb差異不顯著；Car/Chl在pH 5.8時最高，為0.19。

表3 pH對莧菜試管苗光合色素含量的影響Table 3 Effect of pH on photosynthetic pigments content of in vitro amaranth plantlets

2.1.4 不同溫度處理對莧菜試管苗光合色素含量的影響

溫度是影響植物生長發育的重要因子之一，試驗比較不同溫度處理對莧菜試管苗光合色素含量變化的影響。

由表4可知，莧菜試管苗在不同溫度條件下生長，葉綠素和類胡蘿卜素含量存在明顯差異。類胡蘿卜素可以為Chla捕獲光能，并且在強光下可避免葉綠素的光氧化，從表4分析亦可知，葉綠素含量在（32±1）℃條件下顯著低于其他溫度處理，并且類胡蘿卜素含量、Chla/b比值、Car/Chl均顯著小于其他溫度處理；（20±1）、（24±1）、（28±1）℃處理的莧菜試管苗之間葉綠素含量、Chla/b、Car/Chl差異不顯著，但均顯著高于（32±1）℃處理。不同溫度處理下的類胡蘿卜素含量存在不同差異，（20±1）、（24±1）、（28±1）℃處理均顯著高于（32±1）℃處理；但（20±1）℃處理顯著高于（24±1）℃處理時類胡蘿卜素含量與（28±1）℃處理差異不顯著；而（28±1）℃處理又與（24±1）℃處理差異不顯著。

2.2 環境因子對莧菜試管苗花色素苷含量的影響

2.2.1 不同單色光處理對莧菜試管苗花色素苷含量的影響

花色素苷是一類非光合色素類物質，試驗研究不同單色光對花色素苷含量變化的影響，結果見表5。

由表5可知，不同單色光處理間莧菜試管苗花色素苷含量存在極顯著差異，白光照射莧菜花色素苷含量最高，紅光照射、綠光照射、藍光照射莧菜紅素含量依次遞減，藍光照射時莧菜試管苗花色素苷含量最低。莧菜試管苗花色素苷含量最高可達到0.40個色素單位，最低只有0.05個色素單位。

表4 溫度對莧菜試管苗光合色素含量的影響Table 4 Effect of temperature on photosynthetic pigments content of in vitro amaranth plantlets

表5 單色光對莧菜試管苗花色素苷含量的影響Table 5 Effect of monochromatic light on anthocyanin content of in vitro amaranth plantlets

2.2.2 不同光周期處理對莧菜試管苗花色素苷含量的比較

不同光周期處理對莧菜試管苗花色素苷含量的影響，結果見表6。

表6 光周期對對莧菜試管苗花色素苷含量的影響Table 6 Effect of photoperiod on anthocyanin content of in vitro amaranth plantlets

由表6可知，不同光周期處理間對莧菜試管苗花色素苷含量的影響差異顯著，且達到極顯著水平，光周期12和18 h·d-1時莧菜試管苗花色素苷含量均最高，極顯著高于其他3個光周期處理。

2.2.3 不同pH處理對莧菜試管苗花色素苷含量的影響

試驗比較培養基不同pH條件對莧菜試管苗花色素苷含量的影響，結果見表7。

表7 pH處理對莧菜試管苗花色素苷含量的影響Table 7 Effect of pH on anthocyanin content of in vitro amaranth plantlets

由表7可知，不同pH處理間對莧菜試管苗花色素苷含量影響差異顯著，達到1%的極顯著水平，pH 5.4和pH 5.8時莧菜試管苗花色素苷含量顯著高于其他pH處理，但二者之間差異不顯著。隨著pH升高，莧菜試管苗花色素苷含量呈顯著降低趨勢，說明pH較高時不利于莧菜試管苗花色素苷含量的累積。

2.2.4 不同溫度處理對莧菜試管苗花色素苷含量的影響

莧菜試管苗分別培養在不同的溫度條件下，比較不同溫度處理對莧菜花色素苷含量的影響，結果表明在20～32℃范圍內，花色素苷含量變化差異不顯著（見表8）。

2.3 環境因子對莧菜試管苗紅色素含量的影響

2.3.1 不同溫度處理對莧菜試管苗紅色素含量的影響

由表9可知，不同溫度處理間對莧菜試管苗紅色素含量的影響差異顯著，且達到極顯著水平，（20±1）℃時莧菜試管苗紅色素含量最高，達到5.25個色素單位，極顯著的高于其他溫度處理。溫度為（28±1）和（32±1）℃時，莧菜試管苗紅色素含量最低，但二者之間差異不顯著。

表8 溫度對莧菜試管苗花色素苷含量的影響Table 8 Effect of temperature on anthocyanin content of in vitro amaranth plantlets

表9 溫度對莧菜試管苗紅色素含量的影響Table 9 Effect of temperature on red pigment content of in vitro amaranth plantlets

2.3.2 不同pH處理對莧菜試管苗紅色素含量的影響

試驗比較培養基不同pH條件對莧菜試管苗紅色素含量的影響，結果見表10。

表10 pH對莧菜試管苗紅色素含量的影響Table 10 Effect of pH on red pigment content of in vitro amaranth plantlets

由表10可知，不同pH處理對莧菜試管苗莧菜紅色素含量的影響差異顯著，pH 5.4和pH 5.8時莧菜紅色素含量均較高，pH 6.2和pH 6.4時莧菜紅色素含量略低于pH 5.4和pH 5.8，但是差異不顯著，在5個不同pH處理中pH 6.7時莧菜紅色素含量較低。

3 討論與結論

3.1 環境因子對莧菜試管苗光合色素含量的影響

光是影響植物光合色素合成的重要條件，不同波長的光與植物體內相應的光受體作用，調控色素合成，光質對葉片葉綠素含量具有重要的影響[9]，并且眾多研究結果表明，植物種類、發育時期以及組織或器官對同一種光質的反應具有差異性，表現出光質生物學反應的復雜性[10]。不同植物對光質的響應不同。有研究發現，葉用萵苣在黃光下葉綠素、Chla/Chlb的含量最高[11]；但紅光可以提高草莓的Chla、Chlb和總葉綠素的含量[12]。但有研究發現，紅光有利于一品紅葉片中葉綠素b的合成，藍光有利于葉綠素a的合成[13]。

本研究結果表明，不同單色光處理對莧菜試管苗光合色素的影響差異顯著，紅光、藍光、白光照射時葉綠素含量均較高，而綠光照射葉綠素含量偏低，與劉媛等的研究結果類似[14]，可能因為在一種色素蛋白復合體上進行從原葉綠素酸酯到葉綠酸酯的轉變過程需要光，紅光、藍光能更好地被其利用，而白光中包含這兩種光質，因此白光下的總葉綠素含量較高，但對黃瓜研究發現，生長在白光下的葉片中葉綠素含量比紅光和藍光下高，在藍光下的含量最低[15]。

光周期條件同樣影響植物的光合作用，光照時間達到一定積累量時，可促進植物的生長，嚴美姣等在對藻類的研究中發現[16]，光周期18 h·d-1時其生長速率最快，并且葉綠素含量最高。本試驗結果發現，在5個光周期處理中，全日照時莧菜試管苗葉綠素含量最高。這可能是因為試驗材料基因型不同，對光照時間的需求也不一致，還需要在其他材料上進一步驗證。

葉綠素的生物合成需要通過一系列的酶促反應，溫度過高和過低都會抑制酶反應，甚至會破壞原有的葉綠素[17]。不同植物都有其不同的最適生長溫度，本試驗研究結果表明，不同溫度處理對莧菜試管苗光合色素含量的影響存在顯著差異，表現在較高溫度（32℃）時，葉綠素含量降低，類胡蘿卜素含量也達到最低水平，高溫抑制莧菜試管苗的生長，抑制其葉綠素的合成。環境pH也會影響葉綠素合成過程中的酶促反應，不同植物對pH的響應不同，對條斑紫菜和孔石莼的光合作用的研究表明，pH越低其光合速率越低，原因可能是較低的pH降低了與光合作用有關的酶的活性或是葉綠素受到破壞而引起的[18]。本試驗結果表明，不同pH處理對莧菜試管苗光合色素的影響差異顯著，在pH 5.4時葉綠素含量最高，有利于莧菜光合作用的進行，可促進莧菜試管苗的生長。

3.2 環境因子對莧菜試管苗花色素苷含量的影響

花色素苷又稱花青素、花素苷、花色苷，屬黃酮類化合物，是植物組織中廣泛存在的一類物質，由于其顏色鮮艷，且對人的健康有益，長期以來一直是人們研究、開發和使用的重要天然色素之一[19]。

花色素苷的形成和植物組織中糖的積累有關，一些有利于某植物組織內含糖量增加的環境因子，往往也有利于花色素苷的合成[20]。影響花色最重要的生態因子是光照[20]，光照可以激活光敏色素，促進酶的合成或活化，提高碳水化合物的含量。PAL、CHS、DFR和UFGT都是光調節酶，光可以誘導這些酶的活性提高，促進花青苷積累和果實著色。光照的作用除與糖的合成有關外，還在于其直接作用于花色素的形成等。本試驗研究結果發現，白熾燈光照射莧菜試管苗花色素苷含量最高。紅光、綠光、藍光照射時花色素苷含量依次遞減，說明單色光處理時，短波光可抑制花色素苷的積累；當光周期為12和18 h·d-1時，花色素苷含量較高，莧菜的葉片比較深紅，小于12 h·d-1和大于18 h·d-1時花色素苷含量降低。而葉綠素、類胡蘿卜素等光合色素含量在光周期為12 h·d-1時較低。這種變化趨勢還需要進一步去探討和研究。

溫度條件也是影響花色素苷累積的重要因子，花青苷合成是一系列酶促反應，溫度過高或過低都影響酶活性可使酶鈍化，從而不利于生化反應的進行[21]。基本上低溫（在一定溫度范圍內）對花青素的累積較為有利。這是因為在冷涼的溫度下PAL活躍[22]，從而加速著色。同時低溫下植物組織呼吸消耗少，有利于糖分的積累。適當低溫不僅有利于提高花青苷合成基因的發育調節，而且是花青苷積累的一種特殊信號[23]。而本試驗中，不同溫度處理對花色素苷積累的影響差異不顯著，這可能是因為試驗設置的低溫程度不夠，最低溫度（20±1）℃還是偏高。

pH影響試管苗的生長，酸性或堿性條件可影響花色素苷合成過程中的酶活性，從而影響花色素苷的累積。不同植物生長的適宜pH條件要求不同，一般認為酸性條件較利于花色素苷的合成，本試驗研究結果符合這一規律，不同pH處理對莧菜試管苗花色素苷含量的影響差異顯著，pH 5.4和5.8時花色素苷含量較高，pH 6.2、6.4和6.7時花色素苷含量較低，說明偏酸性條件可促進花色素苷的累積。

3.3 環境因子對莧菜試管苗紅色素含量的影響

莧菜紅色素屬于花青素類[24]，是一種水溶性色素，對食品和飲料的染色效果良好，對人體具有一定的保健功能。莧菜紅色素的主要成分包括花色素苷類物質，故其含量變化與花色素苷類似，受到環境溫度和pH的影響。本試驗研究結果表明，不同溫度處理對莧菜試管苗莧菜紅色素含量的影響差異顯著，溫度較低可促進莧菜紅色素的合成，但是卻抑制試管苗的生長，這可能是因為低溫促進了植物體內糖苷類物質的合成，但是卻抑制呼吸作用的結果。

本研究結果也證實了酸性條件可促進花色素類物質的累積，不同pH處理對莧菜試管苗莧菜紅色素含量的影響差異不顯著，pH 6.7時莧菜紅色素含量較低，其他pH條件下莧菜紅色素含量差異不顯著，說明偏酸性條件可促進莧菜紅色素累積。

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