紫叶李叶片春季成熟过程中花青素含量和光合功能变化研究

2018-09-10汪娟张华张杰

林业科技 2018年3期

汪娟　张华　张杰

摘要：以紫叶李幼叶为试验材料，于2017年3～5月系统地观测了其发育过程。从叶片大小（以叶面积表示）来看，紫叶李叶片的生长趋势呈明显的“抛物线形”曲线，在5月中旬叶面积达到最大。新生叶展开过程中，叶绿素和花青素含量均逐渐升高，其中叶绿素含量增加较快，5月初即达到最大值；花青素含量则一直呈上升趋势，5月下旬花青素含量仍在升高；蛋白质含量增加趋势与叶绿素一致。随着叶面积的增大，紫叶李叶片的质体醌库大小（Area）和反应中心数目（RCs/CSo）在5月中旬逐渐增大至最大值，PSII最大光化学效率（Fv/Fm）、光能吸收和传递效率（ABS/CSo、TRo/CSo、ETo/CSo）、热能耗散比率（DIo/CSo）等也在5月底逐渐趋于稳定，说明此时叶片的光合功能已经发育完善。

关键词：紫叶李；叶片；发育；花青素；光合功能

中图分类号： S 687. 9， Q 948. 1 文献标识码： A

紫叶李（Prunus cerasifera），蔷薇科李属落叶小乔木，在整个生长季节内叶片均呈现紫红色，极具观赏价值，是我国著名的绿化树种之一。其红色叶片中含有高浓度紫红色物质——花青素，花青素的含量影响着紫叶李的生长状况、光合能力和美观效果，前人对光照、温度、叶位等不同环境下紫叶李叶片的花青素含量进行了观测，系统分析了不同环境条件下花青素含量的变化规律[ 1 -2 ]。但对紫叶李叶片在春季发育过程中花青素含量及光合功能变化的相关研究还未见报道。

初步研究发现，紫叶李夏季的花青素含量和光合能力显著高于春季，花青素含量升高可以提高紫叶李对夏季高温和强光的适应能力[ 3 ]，但这一结果不能提供详细的紫叶李叶片发育信息。叶绿素荧光技术可以探测叶片光合功能，检测到叶片对光能的吸收、传递及光化学效率[ 4 ]，有助于了解叶片光合电子传递过程、光合结构和光合效率等多方面的信息，是用来检测植物叶片发育状态的理想工具[ 5 ]。本文利用叶绿素荧光技术，结合叶绿素、花青素、蛋白质等生理参数，系统分析紫叶李叶片在春季的生长发育规律。其中，叶绿素荧光参数可以反映紫叶李叶片的功能特征，花青素则是紫叶李叶片的表型特征，从这两个方面了解紫叶李叶片的生长发育规律，对紫叶李的栽培、育种及其花青素的开发利用具有重要的参考价值。

1 试验材料与方法

1. 1 材料

以曲阜师范大学内生长健壮、树龄在15年左右的紫叶李为研究材料，摘取枝条上见光良好、生长一致的叶片进行测定。自2017年3月24日幼叶初展开时开始取样，每隔3～7天取样1次，至5月27日止共取样12次。每次均在傍晚取样，覆盖湿纱布，迅速带回实验室测定叶面积、叶绿素含量、花青素含量、蛋白质含量等指标。叶绿素荧光指标于当日晚在树体上进行活体测定。

1. 2 方法

1. 2. 1 叶面积的测定

使用Li-3000A叶面积仪（美国LI-COR）测定每叶片的叶面积，共测定10片，计算单叶面积平均值。

1. 2. 2 叶绿素含量测定

取紫叶李叶片2片，用直径为1.5 cm的打孔器在叶片中部各打取1个叶圆片，剪成宽1 mm左右的细丝，用两步快速提取法精密测定叶片的叶绿素含量。上述试验重复5次，取平均值[ 6 ]。

1. 2. 3 花青素含量的测定

称取1 g叶片，剪成宽1 mm左右的细丝，并置于50 mL锥形瓶中，加入10 mL、0.1 mol/L的HCl置于32℃恒温下浸泡提取4 h，至叶片无色。提取液6 000 rpm离心10 min后，上清液用0.1 mol/L HCl稀释10倍，UV8500型分光光度计测定530 nm处的吸光度，以0.1 mol/L HCl作对照[ 7 ]。以每克鲜叶片在10 mL、0.1 mol/L HCl浸提液中的吸光度A=0.1为一个花青素单位（U）。上述试验重复5次，取平均值。

1. 2. 4 可溶性蛋白质含量测定

称取0.1 g叶片，用冷蒸馏水提取可溶性蛋白质，采用考马斯亮蓝G-250染色法测定可溶性蛋白质含量，以牛血清白蛋白作为标准蛋白质，具体操作步骤参照马宗琪等人的方法[ 8 ]。上述试验重复5次，取平均值。

1. 2. 5 叶绿素荧光动力学参数测定

晚上9点，待叶片充分暗适应后，用Handy PEA植物效率分析仪，直接活体测定每个紫叶李叶片的叶绿素荧光动力学参数。测定条件参见杨翠翠等人的方法[ 5 ]，荧光参数的生理意义参见李鹏民等人的综述[ 9 ]。荧光参数测定20个叶片，取平均值。

2 结果与分析

2. 1 紫叶李叶面积在春季发育过程中的变化

3月底随着气温的升高，紫叶李叶片迅速展开，比杨树、银杏等树木叶片发芽稍早[ 10 ]。之后，紫叶李叶面积开始缓慢增大，至5月中旬叶面积达到最大值，单叶面积最大达35 cm2，整个叶片发育呈“缓抛物线形”（图1）；3月24日至4月15日，叶面积呈直线增大趋势，平均每周叶面积增大6 cm2；4月15日至5月10日，叶面积增大速度迅速减慢至第一阶段的50%左右，平均每周叶面积仅增大不足3 cm2；5月15日后，叶片骤然停止生长，叶面积不再增大。

2. 2 叶片发育过程中花青素含量的变化

紫叶李叶芽发芽初期，葉片即呈现一定的红色，此后随着叶片的生长发育，颜色越来越深。本文首次分析了紫叶李叶片整个发育过程中花青素含量的变化。图2结果显示，3月24日，紫叶李嫩叶期叶片虽然以绿色为主，但花青素含量已达31.3 U/gFW；3月24日至4月27日，花青素含量增加较快，平均每周增加10 U/gFW；此后，花青素含量增加幅度减缓，但在5月中下旬仍然呈增大趋势，叶色也越来越红，完全掩盖了叶绿素的颜色。

2. 3 叶片发育过程中叶绿素含量的变化

与花青素不同，叶绿素是植物的光合色素，叶绿素含量的高低直接影响植物叶片的光合功能。图3显示，紫叶李叶片初展开时，就已含有大量的叶绿素，达2.13 mg/dm2；3月24日至4月10日的叶片发育初期，叶绿素含量迅速增大，4月10日时比3月24日增加了54%；此后叶绿素含量呈缓慢增加，5月22日时比4月10日仅增大了7.2%；5月10日，紫叶李叶片的叶绿素含量已基本稳定，不再明显增加。叶绿素含量在叶片发育早期的快速增加，有助于叶片光合系统的形成，为促进叶片的生长发育提供能量。

2. 4 叶片发育过程中蛋白质含量的变化

可溶性蛋白质是细胞进行代谢活动的物质基础，其含量可以反映叶片活力。从图4可以看出，在紫叶李叶片发育早期（3月24日至4月4日），其可溶性蛋白质含量增加迅速，从最初的1.74 mg/gFW增加到3.63 mg/gFW，增加了1.08倍；其后蛋白质含量增加缓慢，5月10日时仅比4月4日增加了13%；5月10日后，叶片蛋白质含量稳定在4.10 mg/gFW左右，达到稳定的最大值。蛋白质含量这一变化规律与叶绿素含量的变化基本一致。

2. 5 叶片发育过程中光合功能的变化

由于早期紫叶李叶片较小，不宜用光合仪测定其净光合速率，故采用叶绿素荧光技术来探测紫叶李叶片发育过程中光合功能的变化。表1显示，紫叶李叶片的PSII （Photosystem II）最大光化学效率（Fv/Fm）在4月初已达到0.830左右，高等维管植物健康叶片的Fv/Fm均在0.832左右[ 11 ]，说明4月初叶片的PSII大部分已完成组装，但其质体醌库大小（Area）和光反应中心的密度（RCs/CSo）在5月中下旬才达到最大值。隨着反应中心密度的增加和质体醌库的增大，叶片单位激发态面积的光能吸收（ABS/CSo）、光能捕获（TRo/CSo）及电子传递效率（ETo/CSo）都逐渐增大，热能耗散比例（DIo/CSo）也相应增大。至5月22日，叶片的光合功能达到稳定的最大值，标志着叶片基本发育成熟。

3 结论及讨论

3. 1 紫叶李叶片发育过程中叶面积及其生理生化参数的测定结果表明，紫叶李叶片从叶芽展开到叶片完全成熟，大约需要2个月的时间，其发芽期较其他树木稍早，但叶片完全成熟期却显著晚于银杏和杨树等，说明紫叶李叶片整个发育周期较长。从叶面积的统计数据看，紫叶李叶片的发育周期呈“缓抛物线形”，于5月中旬叶面积达到最大，这与银杏和杨树叶片的发育规律也略有不同。虽然紫叶李叶片的叶绿素和蛋白质含量在5月初已基本达到最高水平，但其叶片光合结构的发育仍需3周左右的时间，这期间，叶片单位激发态面积反应中心数目继续增多，质体醌库仍在增大，其光能捕获和光合电子传递效率在5月22日基本达到最大值，标志着叶片此时在功能上已完全成熟。不过，紫叶李叶片早期发育较快，呈现早期快、后期慢、发育周期长的特点；紫叶李叶片发育的另一个特点是：叶片从叶芽刚冒出时就具有较强的光合能力。紫叶李叶片大小的发育和光合功能的发育基本同步，叶片面积达到最大时，光合功能也基本达到了最大值。

3. 2 紫叶李叶片最典型的特征是叶片从叶芽开始就含有较高含量的花青素，随着叶片的发育，花青素含量越来越高，叶片颜色越来越红，甚至完全掩盖了叶片的绿色，叶片亮丽鲜艳。即使在叶片完全发育成熟后，紫叶李叶片的花青素含量仍呈增多趋势，推测与夏季光照越来越强有关，光照越强，紫叶李叶片花青素含量就越高[ 12 ]。花青素含量的持续升高，有助于紫叶李抵御夏季的强光，但高浓度的花青素也会对叶片光合功能产生影响，一般彩叶植物的光合速率要低于类似的绿叶植物。

3. 3 通过对紫叶李叶片发育过程的观察，可以初步了解紫叶李叶片的生长发育规律及叶片形态和功能的变化，对紫叶李的栽培、育种及其花青素的开发应用等都具有一定的参考价值。

参考文献

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