两种观赏槭树秋季叶片色素和可溶性糖含量的变化

赵东辉， 高玉福， 刘继生， 周 燕， 荣立苹

(延边大学农学院，吉林 延吉 133002)

近年来，随着城乡建设的快速发展和人们对生活环境质量追求的不断提高，彩色园林植物在园林绿化中得到越来越广泛的应用[1]。槭树(Acer)是著名的秋叶树种，在我国园林绿化中应用较为广泛[2-4]。研究其秋季叶片转色过程中色素含量及可溶性糖含量变化，探寻影响叶片呈色的关键因素，可以为延长其秋季观赏期及与其他植物的配置提供理论依据。目前已有学者对红花槭(A．rubrum)[5]、茶条槭 (A．ginnala)[6]、鸡爪槭(A．palmatum)及其品种[7]等秋季叶色变化进行了深入研究。

紫花槭(A.pseudo-sieboldianum)和五角枫(A.mono)均为槭树科槭属落叶乔木，树姿潇洒、叶形优美、秋叶艳丽，是我国优良的绿化树种和庭院观赏树种[8]。目前关于两种槭树的研究多集中于种子休眠[9]、引种驯化[10]、繁殖育苗[11]等方面，也有学者对叶色变化及调控进行了广泛研究[12]，但实验地点在黑龙江省哈尔滨市，关于两种观赏槭树在吉林延边地区的叶色变化研究尚未见报道。而同一植物在不同地区叶色表达会有所差异，因此，本研究以延边大学亿利广场和延吉居住区天池首府的紫花槭和五角枫为试验材料，研究其叶片在秋季变色期不同时段叶绿素总含量、类胡萝卜素含量以及花青素含量的变化情况，分析各色素在不同时期的变化动态，为进一步完善槭属植物秋季叶色变化的生理机制奠定理论基础，同时为其他彩叶植物的景观配置提供经验和科学理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料及地点

试验于2016年9月21日—2016年10月11日进行，取样地点为延边大学亿利广场(简称YL)与延吉居住小区天池首府(简称TC)。延边大学亿利广场位于朝南的斜坡上，周围无高大乔木遮蔽，日照充足。天池首府居住区内高楼林立，树木参天，因此具有较好的小气候条件。2个地点各选生长势良好、景观效果较好、树龄5年左右的植株为试验材料。

1.2 试验设计

从2016年9月21日—10月11日, 每5 d取样1次。根据延边气象局的观测数据，试验期间延吉市的最高温度和最低温度如图1。每次于下午16:00左右取样，选择树冠高1.5 m处、且于树冠外围东西南北均匀取样，每次约取50张叶片。叶片放入自封袋后迅速带回实验室，洗净，擦干，去掉主脉后剪碎，混匀，用于叶绿素、花色素苷和可溶性糖的测定，每处理设3次重复。

图1 不同生长时期温度变化Fig.1 The temperature during the experiment in Yanji

1.3 测定指标与方法

1.3.1 叶绿素、类胡萝卜素含量的测定

采用丙酮浸提法：取0.1 g样品于25 mL 80%的丙酮中暗处浸提4.5 h，期间不断摇动。离心，取上清液，用UV-2550型分光光度计测定645、652 和663 nm处的吸光度,分别计算叶绿素和类胡萝卜素的含量。

1.3.2 花色素苷含量的测定

采用盐酸乙醇浸提法:取0.2 g样品于20 mL 1%的盐酸乙醇提取液中浸提4.5 h，离心，取上清液测535 nm处吸光度。以每克鲜重在10 mL提取液中0.1 OD为1个色素单位，计算花色素苷的相对含量。

1.3.3 可溶性糖的测定

采用蒽酮比色法[13]。

1.4 数据处理与分析

采用Excel软件处理数据，制作图表，采用Spss17.0软件进行方差和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 紫花槭秋季叶色变化过程

试验初期，紫花槭叶片为绿色，之后边缘开始逐渐变红并缓慢向叶中心扩散，至10月1日前后，叶片1/2变为暗红色；10月中旬，整片叶色转为橙红色。五角枫叶片在试验初期为绿色，之后逐渐变为黄绿色，至10月1日，叶片为黄色，上镶嵌绿色斑块，10月中旬之后，整片叶色为黄色，最后枯黄脱落。不同地点的槭树叶色变化趋势基本一致，但天池首府居住区的紫花槭叶片转色时间比亿利广场稍晚3～4 d。

2.2 叶绿素含量变化

研究表明，两种槭树叶片叶绿素含量的变化趋势一致，均呈下降趋势(图2)。

试验初期，总叶绿素含量较高；随着时间推移叶片总叶绿素含量逐渐降低，9月30日之前，降低趋势较缓；9月30日—10月6日之间，叶绿素含量下

降幅度最大，降幅超过50%；10月6日之后，总叶绿素含量仍继续下降，但下降趋势逐渐变缓，至10月12日达到最低值。

图2 叶色变化过程中两种槭树叶片总叶绿素含量变化趋势Fig.2 The changes trend of total cholrophyll content of leaves during the color-changing period

以延边大学亿利广场数据分析叶绿素a和叶绿素b的变化情况(表1)，结果表明，叶绿素a和叶绿素b含量均呈下降趋势，其中紫花槭叶片中叶绿素a含量的下降幅度为93.0%，叶绿素b含量的下降幅度为90.8%；五角枫叶片中叶绿素a含量的下降幅度为91.5%，叶绿素b含量的下降幅度为84.9%。

表1 叶色变化过程中叶绿素a和叶绿素b含量Table 1 The changes of chlorophyll a and chlorophyll b during the color-changing period

注：表中数据为平均值±标准差。

2.3 类胡萝卜素含量的变化

研究表明，两种槭树叶片类胡萝卜素含量变化趋势有所不同。紫花槭类胡萝卜素含量呈先上升后下降的趋势。试验初期，紫花槭叶片内含少量的类胡萝卜素，随着时间推移，类胡萝卜素含量逐渐增

加，至10月6日达到最大值，分别为1.67和1.63，之后又开始迅速降低(图3)；而五角枫叶片类胡萝卜素含量随着时间变化逐渐增加，试验初期类胡萝卜素含量增加缓慢，从9月30日—10月6日，增加幅度变大，随后增幅减缓(图3)。

图3 叶色变化过程中叶片类胡萝卜素含量变化趋Fig.3 The changes trend of carotenoid content of leaves during the color-changing period

2.4 花色素苷含量的变化

研究表明，紫花槭和五角枫秋季转色期叶片花色素苷含量总体呈上升趋势，但差异明显。9月30日之前，紫花槭叶片花色素苷随着时间变化缓慢上升，9月30日以后，花色素苷含量开始迅速上升，至10月12日，花色素苷含量达到顶峰，分别达到4.88和4.71 μmol/g，与9月30号相比，上升幅度达到15倍之多(图4)。而五角枫叶片花色素苷含量在整个试验阶段，虽然也呈上升趋势，但上升速度缓慢。

图4 叶色变化过程中叶片花色素苷含量变化Fig.4 The changes trend of anthocyanin content of leaves during the color-changing period

2.5 不同色素之间的比值变化

试验期间两种槭树叶片叶绿素与花色素苷的比值、叶绿素与类胡萝卜素比值呈明显的下降趋势(图5，6)，而花色素苷和类胡萝卜素含量比值在紫花槭叶片呈明显的上升趋势，在五角枫叶片中呈先上升后下降的趋势，且变化较为缓慢(图7)。结合2.3和2.4不同色素变化趋势说明五角枫秋季呈色的主要色素是类胡萝卜素，而紫花槭秋季呈色是花色素苷和类胡萝卜素共同作用的结果。

图5 叶色变化过程中叶绿素与花色素苷比值变化Fig.5 The changes trend of total chlorophyll to anth ocyanin of leaves during the color-changing period

图6 叶色变化过程中叶绿素与类胡萝卜素比值变化趋Fig.6 The changes trend of total chlorophyll to carotenoid of leaves during the color-changing period

图7 叶色变化过程中花色素苷与类胡萝卜素比值变化趋Fig.7 The changes trend of anthocyanin to carotenoid of leaves during the color-changing period

2.6 可溶性糖含量的变化

研究结果表明，整个试验过程中，两种槭树叶片可溶性糖含量变化呈稳步上升趋势(图8)，而且五角枫叶片的可溶性糖含量在试验的后半阶段明显高于紫花槭叶片。这可能是由于试验后期紫花槭叶片部分可溶性糖用于合成花色素苷所致。

图8 叶色变化过程中叶片可溶性糖含量变化趋Fig.8 The changes trend of soluble sugar content of leaves during the color-changing period

2.7 各指标与温度的相关性分析

对测定的延边大学亿利广场数据进行相关性分析(表2)，结果表明，秋季转色期间紫花槭和五角枫叶片叶绿素含量均与温度呈显著正相关；两种槭树叶片类胡萝卜素与气温存在相关性，但不显著；紫花槭叶片花色素苷和可溶性糖含量与温度呈显著负相关，而五角枫叶片中花色素苷和可溶性糖含量均与温度存在相关性，但相关性不显著。

表2 叶绿素、类胡萝卜素、花色素苷及 可溶性糖与温度的相关性分析Table 2 Correlation analysis of chlorophyll, carotenoid, anthocyanin soluble sugar and temperature

注:*表示相关性在0.05水平上显著。

3 讨论与结论

秋季植物叶片呈现彩色的直接原因是叶片中的色素种类和比例发生了变化。本研究结果表明，秋季叶色变化过程中，2个地点的紫花槭叶片色素变化趋势一致，即叶绿素含量降低，花色素苷含量逐渐升高，类胡萝卜素含量先升高再降低，这与陈继卫等对不同地点鸡爪槭在转色期叶色变化生理研究一致[5]。但是，对哈尔滨地区引种驯化的紫花槭秋季叶色表现研究表明，类胡萝卜素含量总体呈下降趋势[12]，与本研究发现的试验整个阶段紫花槭叶片类胡萝卜素含量呈先上升后下降的趋势有所不同，这可能是由于植物栽培地点不同，生长环境差异较大而导致的，引种到哈尔滨地区的紫花槭秋季变色阶段叶片类胡萝卜素在不断降解，而生长于延吉地区的紫花槭叶片类胡萝卜素前期处于合成阶段而后才开始降解。本研究还发现，10月6日之前紫花槭类胡萝卜素含量和花青苷含量均逐渐上升，而二者的比值也呈上升趋势，说明花青苷的上升速度快，叶片中控制红色成分的色素较多；10月6日之后叶绿素和类胡萝卜素含量均呈下降趋势，而二者之间比值也呈下降趋势，说明叶绿素含量下降比类胡萝卜素快，这与前人研究一致[6]。试验结果表明，紫花槭秋季叶色表达是叶绿素、花色素苷和类胡萝卜素等共同作用的结果，且花色素苷占主导地位，这与紫花槭叶片在秋季呈橙红色相一致。

糖类为植物花色素苷合成提供底物和能量，也作为信号分子参与调节花色素苷相关酶活性或诱导相关酶基因的表达。研究表明，花色素苷的合成与碳水化合物的代谢有密切关系[14]，特别是与可溶性糖呈显著正相关[15]。本研究中可溶性糖的变化与花色素苷含量呈显著的正相关，说明可溶性糖和叶片呈色有紧密联系，可为花色素苷的合成提供原料，这与郑恬静[16]等对王族海棠的研究结果一致，但与张敏等[17]对榉树的研究有所差异，具体原因还有待于进一步研究。

温度是影响叶片中叶绿素与花色素苷含量的显著因子之一，秋季叶片变红需要一定的低温与温差[18-20]。本试验发现当10月1日后，最低温度降至10 ℃左右时，紫花槭叶片花色素苷含量显著增加，印证了这一结论。 此外，昼夜温差对彩叶植物叶色表达有显著影响，研究表明，当昼夜温差从5 ℃上升到10 ℃时，中华金叶榆叶片类胡萝卜素含量逐渐增大，而温差在15 ℃时，类胡萝卜素含量开始有所降低[21]，本研究试验阶段昼夜温差从15 ℃降至10 ℃左右时，五角枫叶片类胡萝卜素含量逐渐增加，与黄印冉等研究一致，表明昼夜温差10 ℃可能是黄色叶植物呈色的关键节点。

彩叶植物的呈色机理比较复杂，除了与叶片细胞内色素的种类、含量及在叶片中的分布有关，而且与营养元素和环境条件有关。因此，除了研究植物色素与叶片呈色的关系，还应深入探索环境因子对植物叶色表达的影响，从而更精准的进行叶色调控。此外，研究者应充分运用现代分子生物学的研究手段，加强对彩叶植物叶片呈色的机制研究，从而使叶色基因工程有目的地开展。