紫葉紫薇新品系葉色變化理化因素研究

王 瑩， 李 敏， 談 峰， 馬祥建， 郭 聰， 李玉娟

(江蘇沿江地區農業科學研究所，江蘇如皋 226541)

紫薇(LagerstroemiaindicaL.)以其豐富的花色、良好的抗逆性在世界范圍內受到越來越多的重視，很多國家都已經深入開展了紫薇的育種工作，并取得了一定的成果。黃建民等利用多子代花粉自然雜交產生的遺傳變異，選育出一批性狀穩定、觀賞價值高、抗逆性強、適生性廣的新品種[1]。湖南省林業科學研究院從美國引進和選育了一批彩葉紫薇新品種，集觀花、觀葉于一體，其觀賞價值較高[2]。美國和日本開展了以抗病、矮化為主要目標的紫薇種間雜交育種[3-4]，其中美國的Pounders等培育出一批紫紅色葉的黑鉆石系列紫薇品種，這些品種除了具有多彩的花色，葉色期統一呈現出絢麗的紫色[5]。黑鉆石紫薇品種的出現，使得葉色成為紫薇繼干皮、花色、株型之后的另一個重要觀賞性狀。

為了更好地滿足彩葉苗木市場與社會發展的需求，筆者所在項目組從美國引進紫葉紫薇“Black Diamond”系列種質資源，2014年開始通過實生選種，篩選出了一批觀賞性狀優良的紫葉紫薇新品系，其中紫晶1號紫薇與親本相比，全株葉片在春季呈現更加明艷的紫紅色，色葉期比親本長15～20 d，初夏開始返青，上位葉呈紫紅色，中位葉呈紫色與綠色相雜的花葉色，下位葉呈綠色(圖1)，具有非常好的葉色觀賞性。關于彩葉植物葉片的生理生化呈色機制，目前已經有很多相關研究報道。張敏等指出，秋季櫸樹葉色變化最直接的原因是色素的成分和比例發生改變，而溫度、糖分、礦質元素等是葉片呈色的重要內外因子[6]。王亞蕓等通過測定金葉榆不同葉位葉片的色素含量和光合生理參數來研究葉片的呈色生理機制[7]。姜雪茹等研究指出，麗城小葉黃楊冬季葉片類胡蘿卜素含量顯著增加，另外H2O2的增加可能使紅色葉片免受氧化傷害[8]。但是由于彩葉紫薇屬新的色葉樹種，對其葉色變異機制的研究非常匱乏。因此，若能進一步解析紫葉紫薇葉色成因及其調控機制，可以有針對性地培育出一批色葉型紫薇新品種，以滿足巨大的市場需求與城市園林綠化的需要。

本研究以紫葉紫薇新品系紫晶1號轉色期葉色表型為紫葉(上位葉)、花葉(中位葉)、綠葉(下位葉)的紫薇葉片為試材，從生理生化角度探尋影響該品系紫薇葉片呈色的關鍵因素，旨在探明葉片的呈色機制，為進一步提高新品系觀賞特性、延長色葉觀賞期提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

以江蘇沿江地區農業科學研究所紫薇種質圃內新選育的紫葉紫薇紫晶1號為試材。選取葉色性狀穩定、生長健壯、長勢一致的植株，采集上位葉(紫葉、嫩葉)、中位葉(花葉)和下位葉(綠色)3個葉位的功能葉片(圖1)，帶回實驗室立即測定葉綠素、花青素等相關理化指標。

1.2 方法

1.2.1 葉綠素含量的測定 取紫葉紫薇紫晶1號鮮葉，擦干，去中脈，剪碎并稱取0.2 g放入缽體，加入少許石英砂和CaCO3，再加入少許95%乙醇研磨成勻漿，靜置10 min；用漏斗濾去殘渣，再用95%乙醇反復沖洗研缽、殘渣至無色，用有刻度的帶塞試管定容至20 mL。以95%乙醇為空白對照，在波長665、649、470 nm下測定溶液的吸光度。試驗設3個重復。

1.2.2 花色素苷含量的測定 取材與處理方法同“1.2.1”節，加入少許2%鹽酸-甲醇溶液，經反復研磨、清洗殘渣，以定性濾紙過濾，用有刻度的帶塞試管定容至20 mL，搖勻，立即取濾液，用2%鹽酸-甲醇溶液作空白，于紫外-可見分光光度計在波長530 nm處進行分析。試驗設3個重復。

1.2.3 類黃酮含量的測定 取材與處理方法同“1.2.1”節，取濾液，用2%鹽酸-甲醇溶液作空白，于紫外-可見分光光度計在波長320 nm處進行分析。試驗設3個重復。

1.2.4 總酚含量的測定 取材與處理方法同“1.2.1”節，取濾液，用2%鹽酸-甲醇溶液作空白，于紫外-可見分光光度計在波長280 nm處進行分析。試驗設3個重復。

1.3 數據處理

采用SPSS 12.0統計軟件進行相關分析，用Excel 2003作圖。

2 結果與分析

2.1 不同葉位葉片葉綠素、類胡蘿卜素含量分析

在初夏葉片轉色期，紫晶1號葉片中葉綠素、類胡蘿卜素含量變化見圖2。隨著葉位的降低，葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素和類胡蘿卜素含量均表現出逐漸升高的趨勢，其中綠葉中總葉綠素含量最高，達到2.89 mg/g。3種葉位的葉片進行葉綠素與類胡蘿卜素含量對比，葉綠素a含量最高，類胡蘿卜素含量最低，嫩葉中葉綠素、類胡蘿卜素含量明顯低于綠葉。方差分析表明，下位葉中葉綠素a含量與上位葉、中位葉差異達到極顯著水平；上位葉葉綠素b含量與中位葉、下位葉差異達到顯著水平；中位葉類胡蘿卜素含量與上位葉差異達到顯著水平，與下位葉差異達到極顯著水平。

2.2 不同葉位葉片花色素苷、類黃酮、總酚含量分析

由圖3可知，隨著葉位的降低，花色素苷含量也會逐漸減少，其含量在嫩葉中相對最高，為綠葉中的4.37倍，這與葉綠素與類胡蘿卜素在不同葉位葉片中的變化趨勢相反。與花色素苷、總酚含量相比，類黃酮含量在葉片中最高，僅在綠葉中平均值就已達 13.68 mg/g?？偡雍磕廴~中最高，為 5.11 mg/g，花葉中最低，為3.24 mg/g。方差分析得出，3個葉位葉片中花色素苷含量差異達到極顯著水平；上位葉中類黃酮、總酚含量與中位葉、下位葉的差異達極顯著水平。

2.3 色素比值分析

2.3.1 不同葉位葉片中色素、總酚含量比例分析 色素含量的比例直接影響著植物葉片呈現的顏色，圖4為紫晶1號在轉色期時不同葉位葉片中色素及總酚含量比例。從結果可以看出，轉色期嫩葉中花色素苷所占比例最大，隨著葉位降低，其比例逐漸減小，與中、下葉位差異明顯?？側~綠素含量比例在不同葉位葉片中的變化規律與花色素苷相反，在綠葉中的相對含量最高。類胡蘿卜素含量比例變化雖與總葉綠素含量的變化趨勢一致，但因其分布量最少，尤其在嫩葉中僅為0.56%，推測其對葉片的呈色影響不明顯?？偡雍吭诓煌~位葉片中的含量分布僅次于花色素苷含量，與花色素苷含量在不同葉位葉片中的變化基本規律相反。由此推測，紫晶1號葉片呈色主要受花色素苷、總葉綠素及總酚含量的比例所影響。

2.3.2 不同葉位葉片中相關色素及總酚含量與葉綠素含量的比值分析 從圖5可以看出，花色素苷在嫩葉中的積累量最多，花色素苷/葉綠素(ant/chl)值為在花葉和綠葉中的3.18、9.17倍，差異達極顯著水平(P<0.01)，葉片呈現紫紅色；隨著葉位的降低，葉綠素含量呈升高趨勢，葉片變紅的程度也相對較低，在綠葉中ant/chl值很低，僅為0.85。類胡蘿卜素/葉綠素(car/chl)在紫晶1號不同葉位葉片中的變化趨勢與ant/chl相反， 但變化幅度較不明顯。與car/chl、ant/chl相比，總酚/葉綠素在不同葉片中的變化略有不同，隨葉位降低，總酚/葉綠素呈先升后降的趨勢。

2.3.3 色素比值與測定指標的相關性分析 由表1可知，3種表型紫葉紫薇葉片中，色素比值與葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量均呈負相關，與類胡蘿卜素、總酚含量均呈正相關，其中綠葉中花色素苷/葉綠素、類黃酮/葉綠素與葉綠素b含量呈顯著負相關，說明葉綠素b含量的相對穩定在綠色單株呈色過程中起重要作用；花葉中類黃酮/葉綠素與葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量呈顯著負相關，花色素苷/葉綠素與總酚含量相關度最高(0.950)，表明葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素以及總酚的含量和比例是影響花葉呈色的主要原因；嫩葉中花色素苷/葉綠素與葉綠素b含量呈顯著負相關，與花色素苷含量呈極顯著正相關，表明花色素苷含量的提高和葉綠素b含量的降低是紫葉單株葉色變紫的主要原因。

表1 色素比值與測定指標的相關性分析

3 討論與結論

3.1 色素含量及比例對紫薇葉片呈色的影響

色素種類、比例、含量是導致彩葉植物葉色變化的直接原因。相關研究表明， 紅(紫)葉植物的葉色取決于葉片花色素苷和葉綠素含量的比例(ant/chl)，ant/chl的值越大，葉色越紅[9]。從結果可以看出，不同表型紫薇葉片中ant/chl值存在明顯差異。轉色期嫩葉中花色素苷所占比例最大，與花葉和綠葉中的差異達顯著水平，葉片呈現紫紅色，隨著葉位的降低，葉綠素含量呈升高趨勢，葉片變紅的程度也相對較低。

另外，Saure指出，類黃酮中的花色素苷在彩葉樹種生長發育過程中與葉綠素等其他色素物質同時存在[10]。只有伴隨葉綠素的降解，花色素苷才有可能形成。本試驗發現，隨著葉位的降低，葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素和類胡蘿卜素含量均逐步升高，而花色素苷含量逐漸減少(嫩葉為綠葉中的 4.37 倍)，3個表型葉片中花色素苷含量差異達到極顯著水平。色素比值與測定指標的相關性分析顯示，嫩葉中花色素苷/葉綠素與葉綠素b含量呈顯著負相關，與花色素苷含量呈極顯著正相關，說明花色素苷含量的提高和葉綠素b含量的降低是紫葉單株葉色變紫的主要原因。由此可以推測，葉綠素在花色素苷形成前的降解與花色素苷的迅速合成有關，葉綠素降解物可能對于花色素苷的形成起到活化作用。

3.2 光照對紫薇葉片呈色的影響

葉片的著色是一個非常復雜的過程，花色素苷合成不僅受到遺傳特異性調控，還受到許多環境因子的調節，其中光照對花色素苷合成與積累的影響不盡相同[11-12]。花色素苷可以由光誘導產生，具有光保護作用[13]。本試驗中，上位葉花色素苷含量較高，可能與上位葉葉片接受光照較中位葉、下位葉多有關。有不少研究表明，光可能通過光合作用影響葉片的生長和著色，花色素苷的產生需要由光合作用提供足夠的可溶性糖，不同波長的光可誘導各種生長激素在植物體內含量的變化，進而影響類黃酮色素的積累[14-15]。于偉等的試驗結果指出，隨著遮陰度增加，紅葉南天竹葉綠素、類胡蘿卜素含量增加，花色素苷相對含量減少[16]，本試驗結果與之相似。因此光照是影響花色素苷合成的重要因素。

3.3 葉片發育階段對紫薇葉片呈色的影響

發育階段對葉色形成也有一定的影響，幼齡植物由于組織構造尚不成熟，其葉片中葉綠素含量較低，對光能利用能力較弱，更容易遭受光抑制脅迫。Zhou等研究不同時期紅葉桃葉片花色素苷含量以及相關合成基因表達量時發現，夏季幼葉的基因表達水平總是高于成熟葉，猜測新葉與老葉顏色差異可能與不同時期花色素苷合成能力有關[17]。紫葉紫薇新品系紫晶1號葉片由紫轉綠的過程中，葉片細胞逐漸發育成熟，干物質累積增多，葉片革質化，纖維增加，這通過在試驗中研磨靜置時試管底部沉積物逐漸增多可證明。上位葉為始發的嫩葉，葉片處于快速生長期，色素的合成最為旺盛，大量的花色素苷被積累到液泡中，葉片呈現紫紅色；隨著葉位的降低，葉片成熟度逐漸升高，細胞生長速度逐漸減慢，細胞數量和葉片內部結構可能發生相應的變化，花色素苷合成或累積速度減緩，與此同時，葉綠素合成酶的活性升高，葉色向綠色過程轉變，孔祥海等也得到了相似的研究成果[18-19]。

3.4 總酚含量及比例對紫薇葉片呈色的影響

葉綠素、類胡蘿卜素和花色素苷等色素都屬于次生代謝物質，使植物具有一定的色彩[20-21]，總酚等其他色素類產物也會影響其呈色的最終表現。本研究與陳芳等的研究結果[22-23]相似。在本試驗中，總酚在不同葉位中的含量分布僅次于花色素苷含量，并且隨著葉位降低，總酚含量百分比呈升高趨勢，初步推測總酚含量的比例對紫晶1號葉片呈色產生了一定影響；從色素比值與測定指標的相關性分析結果看出，嫩葉中色素比值與總酚含量相關性未達到顯著水平，花葉中類胡蘿卜素/葉綠素、花色素苷/葉綠素與總酚含量呈正相關，綠葉中類胡蘿卜素/葉綠素與總酚含量呈正相關，由此推測上位葉葉片處于生長旺盛期，各色素合成速度加快，總酚的合成也同時加快，但花色素苷占主要優勢，故葉片呈現紫紅色；在中位葉中，因接受的光照減少，類胡蘿卜素、花色素苷合成開始減弱，總酚含量比例相對提高，葉片呈現花紫色；綠葉中，由于葉片成熟度升高，葉綠素、類胡蘿卜素含量顯著提高，總酚的合成速度也同時加快，因而葉片呈現綠色。

綜上所述，紫葉紫薇葉色變化是在多種因素的綜合作用下完成的，最直接的原因是色素的成分和比例發生改變。而光照、溫度、糖分、礦質元素等是葉片呈色重要的內外因子。Shaked-Sachray等研究發現，溫度在影響紫薇花瓣中花色素苷合成的同時也影響花色素苷的穩定性[24]；楚愛香等研究表明，花色素苷的合成與碳水化合物的代謝有關[25]；李夢靈等研究發現，光質對菊花花色素苷合成與呈色的影響顯著，藍光使舌狀花顏色加深，而紅光使花色變淺[26]。如何通過改變外界環境因子達到調節相關色素的含量和比例的目的，進而控制紫葉紫薇葉片的呈色，還需要做進一步研究。