不同色彩珙桐苞片与叶片的生理特性研究

梁 玲 江洁蓓 张腾驹 吕佳瑶 陈小红,2*

(1.四川农业大学林学院，成都 611130；2.长江上游生态安全协同创新中心，成都 611130)

植物器官的颜色受遗传因素和外部环境共同影响，由生理生化代谢水平调控，通过改变各种色素的种类、含量以及分布形成了丰富的色彩[1]，学者普遍认为花色苷是影响植物花色和叶色呈现的关键因素[2～3]。糖作为花色苷合成的前体和信号物质，可溶性蛋白和脯氨酸作为植物体内重要渗透调节物质，苯丙氨酸解氨酶(PAL)和查尔酮异构酶(CHI)是花色苷合成的相关酶，过氧化物酶(POD)是花色苷降解相关酶，它们都与花色苷的生物合成和降解密切相关，决定着植物的色彩表型变化[2,4～5]。目前植物呈色研究多集中在不同生长阶段的花色变化或叶色变化上[6～7]，而对同一时期花和叶的色彩变化规律的一致性研究甚少。研究花和叶的呈色生理特性，对于研究花和叶的进化关系、植物色彩品种改良和提高植物观赏特性有着重要意义。

珙桐(DavidiainvolucrataBaill.)为珙桐科(Nyssaceae)珙桐属(Davidia)落叶乔木，属国家I级重点保护野生植物[8]，具有很高的学术地位和科研价值。珙桐因其棕紫色头状花序外的一对由叶片进化而来的白色心形大苞片而被称为“鸽子树”，其苞片承担着吸引昆虫传粉的作用，同时能保护花序中的花粉，使之不会遇水失活，在呈色上与叶片有一定的同源性[9]。2016年4月，在四川省珙县王家镇珙桐林区内发现18株苞片为粉红色、叶片呈猩红色的野生珙桐。该“粉红珙桐”为世界首次发现，研究价值极高，可为珙桐园林观赏品种的选育提供重要材料。本研究选取同一生境下的粉红珙桐和普通珙桐植株为试材，探寻影响珙桐苞片和叶片色彩转粉红的生理因素，以期为珙桐的园林应用、品种选育和栽培管理提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料采集与预处理

本试验选取苞片、叶片均呈粉红色的珙桐植株(粉红珙桐)为试材，苞片呈白色、叶片呈绿色的珙桐植株(普通珙桐)为对照，其苞片和叶片的着色情况见图1。两种珙桐来源于四川省宜宾市珙县王家镇四里坡原始林区的同一野生珙桐群落，地理位置为27°54′20.351″N，104°50′24.287″E，海拔1 505 m，现有普通珙桐上千株，混生有粉红珙桐18株。该区属于亚热带湿润性季风气候，年平均气温18.2℃，年平均降水量1 143.6 mm；土壤类型为黄棕壤，pH5.0～6.7，土壤厚度40～50 cm。珙桐为该群落的乔木层优势树种，伴生有灯台树(Bothrocaryumcontroversum(Hemsl.) Pojark.)、樟(Cinnamomumcamphora(L.) Presl.)、杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.)、野桐(Mallotusjaponicus(Thunb.) Muell. Arg. var.floccosusS.M.Hwang)等少量乔木树种，林分郁闭度为0.6。林下主要有川莓(RubussetchuenensisBureau et Franch.)、乌泡子(RubusparkeriHance)、筇竹(QiongzhueatumidinodaHsueh et Yi)、西南绣球(HydrangeadavidiiFranch.)及一些禾草等植物。

于2017年4月25日和2018年4月28日两次取样，当日上午9:00时在该珙桐林区的同一生境内(坡向、坡位一致)随机选取长势良好、一致的粉红和普通珙桐植株各6株(树龄约30年)，即6次重复。在东、西、南、北、中五个方位采集树冠外围中部的当年生枝条上处于苞片Ⅳ期[10]的苞片、顶部第2～4片叶，洗净擦干后，用液氮速冻，置于-80℃条件保存。

1.2 生理指标的测定

类黄酮(FC)、花色苷(AC)、叶绿素(Chl)、类胡萝卜素(Car)、可溶性糖(SS)、可溶性蛋白(SP)、脯氨酸含量(Pro)、过氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)活性的测定参照李合生[11]的方法；苯丙氨酸解氨酶(PAL)和查尔酮异构酶(CHI)活性的测定参照Lister[12]的方法。所有指标的测定均为3次重复，取平均值。试验所得的各呈色参数为两次取样的平均值。

图1 两种珙桐苞片和叶片的色彩对比 A.粉红珙桐苞片；B.普通珙桐苞片；C.粉红珙桐叶片；D.普通珙桐叶片Fig.1 Comparison of the color of two D.involucrata bracts and leaves A.The bract of pink D.involucrata; B.The bract of common D.involucrata; C.The leaf of pink D.involucrata; D.The leaf of common D.involucrata

1.3 数据处理

数据分析采用软件Excel 2010和SPSS 20.0，对两种珙桐的各项生理指标进行单因素方差分析和Duncan多重比较，各指标间采用Spearman系数进行双变量相关分析。

2 结果与分析

2.1 色素含量的比较

色素是植物呈色的物质基础，由图2可以看出：两种珙桐苞片的类黄酮含量无明显差异(P>0.05)，但在叶片上表现出极显著差异(P<0.01)，粉红珙桐叶片类黄酮含量高达859.53 U·g-1，是普通珙桐的1.52倍，表明类黄酮虽对珙桐花色变化影响不大，但有助于叶片红色的形成[2,13]。两种珙桐的苞片与叶片的花色苷含量都表现出极显著差异(P<0.01)，粉红珙桐苞片和叶片的花色苷含量分别是普通珙桐的1.68和3.67倍，说明花色苷含量的增加是影响珙桐色彩转红的关键因素。粉色叶片的叶绿素、类胡萝卜素含量均略低于绿色叶片，但差异不显著(P>0.05)，表明光合色素对珙桐叶片转红无直接影响。

图2 两种珙桐色素含量的比较 不同小写字母表示在P<0.05水平上差异显著，不同大写字母表示在P<0.01水平上差异极显著，下同。Fig.2 Comparison of the pigment content of two D.involucrata Different lowercase letters indicate significant differences at the P<0.05 level,and different capital letters indicate significant differences at the P<0.01 level between different treatments,the same as below.

图3 两种珙桐基础代谢物含量的比较Fig.3 Comparison of the basal metabolite content of two D.involucrata

不同器官的色素含量有差异，珙桐叶片的色素含量远远高于苞片(P<0.01)，粉红珙桐叶片的类黄酮、花色苷含量分别是其苞片的5.55、17.25倍，普通珙桐叶片的类黄酮、花色苷含量分别是其苞片的4.25、7.92倍。可见叶色形成所需要的色素含量更高，可能是因为叶片可进行光合作用提供更多的底物和能量以供色素的合成代谢。

2.2 基础代谢物含量的比较

糖作为花色苷的前体物质，对花色和叶色的形成有着重要影响[4]。与普通珙桐相比(见图3)，粉红珙桐苞片和叶片的可溶性糖含量分别增加了23.1%和44.4%，说明可溶性糖利于花色苷的合成，对珙桐色彩变红起着显著调节作用[14]。可溶性蛋白是植物体内重要营养物质，参与大多数生命活动，影响着花色苷的合成[15]。随苞片和叶片色彩转红，可溶性蛋白含量分别下降了39.4%和31.3%，在一定程度上抑制了红色的呈现。脯氨酸是植物体内的渗透调节物质，粉红珙桐苞片和叶片的脯氨酸含量分别是普通珙桐的1.43和1.71倍，可见脯氨酸含量与珙桐的色彩变化有着密切关系。

这3种营养物质在苞片和叶片中的含量也表现出极显著差异(P<0.01)，苞片的可溶性糖含量低于叶片，但可溶性蛋白与脯氨酸含量更高，说明植物不同器官的代谢水平有一定的差异，合成色素所需要的营养物质含量也有所差异。

2.3 酶活性的比较

与普通珙桐相比(见图4)，随珙桐色彩转红，PAL、CHI活性极显著升高(P<0.01)，粉红珙桐苞片和叶片的PAL活性分别为普通珙桐的1.51和1.22倍，CHI活性分别为普通珙桐的1.58和2.77倍。而粉红珙桐与普通珙桐的POD、SOD活性均无显著差异(P>0.05)，对珙桐色彩变化影响并不大。

图4 两种珙桐酶活性的比较Fig.4 Comparison of the enzyme activity of two D.involucrata

PAL在苞片和叶片中的活性差异不显著(P>0.05)，但CHI活性表现出极显著差异(P<0.01)，苞片的CHI活性更高。珙桐苞片的POD、SOD活性远高于叶片(P<0.01)，表明植物不同器官的抗氧化酶系统有差异，苞片具更强的抗氧化能力，以保证花色素的正常合成代谢[16]。

2.4 各生理指标间的相关性分析

色素是引起色彩变化的主要原因，但从表1～2看出，苞片的类黄酮含量与所有指标均不存在相关性，而叶片的类黄酮含量与大多指标都存在相关性；苞片与叶片的花色苷含量都表现为与可溶性糖、脯氨酸含量、PAL、CHI活性呈显著正相关，与可溶性蛋白含量呈显著负相关；叶片的光合色素间存在显著正相关关系，但与其他指标不存在相关关系。可见，类黄酮可在一定程度上影响珙桐叶色的呈现，而对苞片着色影响不大；花色苷在类黄酮中虽仅占0.2%左右，却对珙桐花色和叶色的形成都起到决定性作用；光合色素对叶色变化无显著影响。

基础代谢物影响着植物器官的色彩呈现，可溶性糖与脯氨酸含量间存在显著正相关关系，且两者都与类黄酮、花色苷含量、PAL、CHI活性等呈显著正相关，而可溶性蛋白含量与这些指标呈显著负相关，表明可溶性糖和脯氨酸的积累、可溶性蛋白含量的减少利于类黄酮、花色苷的合成。

酶活性方面，PAL与CHI活性之间存在显著正相关关系，且两者都与类黄酮、花色苷含量等呈正相关。苞片的POD活性及SOD活性与所有指标均不存在相关性，但叶片的POD活性与类黄酮含量、PAL活性呈显著负相关。可见，PAL、CHI促进类黄酮、花色苷的合成；POD对苞片着色无显著影响，但可调节叶片类黄酮的降解速率[17]；SOD对苞片和叶片呈色的影响都不大。

3 讨论

植物的呈色是多种因素协同作用的结果，但根本上是由于特定色素在植物细胞中的存在[18～19]。类黄酮在植物体中以黄酮苷或黄酮苷元的形式存在，苷元的糖基化对植物花色及叶色有不同程度的影响[20]。其中花色苷是一类主要的类黄酮色素，广泛存在于植物细胞的液泡中,是植物花瓣、叶片的重要呈色物质[15]。有研究表明，类黄酮决定着白色系非洲菊(GerberajamesoniiBolus)的花色[21]，影响着金银花(LonicerajaponicaThunb.)由白到黄的转变[22]，但在月季花(RosachinensisJacq.)[23]、鸳鸯茉莉(BrunfelsiaacuminataBenth.)[2]的研究中认为类黄酮对花色变化无明显影响。本研究中，两种色彩珙桐苞片的类黄酮含量都较低，无显著差异，不是珙桐苞片色彩转粉红的决定性色素。两种珙桐叶片的类黄酮含量具有显著性差异，随珙桐叶色转红，类黄酮含量呈上升趋势，与北美红枫(AcerrubrumL.)[24]、香山黄栌(CotinuscoggygriaScop.)[13]秋季叶色变红表现出一致规律，表明类黄酮可促进叶片红色的形成，起到辅助呈色的作用[13]。花色苷在类黄酮中含量虽极少，仅占0.2%左右，却是植物色彩变化的决定性代谢产物[2]，其含量增加可显著促进花朵红色加深[14]。秋季叶色变红也是由于花色苷大量合成，往往还伴随着叶绿素的下降，可为花色苷显色创造条件[25～26]。本研究中，粉红珙桐苞片和叶片的花色苷含量均极显著高于普通珙桐，但光合色素并无显著差异，表明花色苷是影响珙桐花色及叶色形成的关键因素，其含量的增加使珙桐的色调转红，而光合色素对其影响不大。

表1 珙桐苞片各指标间的相关系数

注：*和**分别表示在0.05和0.01水平上相关性显著，下同。

Note:*indicates significant correlation at the 0.05 level,**indicates significant correlation at the 0.01 level,the same al below.

表2 珙桐叶片各指标间的相关系数

注：Chl a.叶绿素a含量；Chl b.叶绿素b含量；Chl.总叶绿素含量；Car.类胡萝卜素含量

Note:Chl a.Chlorophyll a content; Chl b.Chlorophyll b content; Chl.Chlorophyll content; Car.Carotenoid content

糖是花色苷合成的必需底物，作为能源物质维持植物的正常发育，也可通过特异的信号转导途径调节花色苷合成酶基因的表达，其含量与花色苷合成密切相关[4]。本研究中，粉红珙桐的可溶性糖含量显著高于普通珙桐，且与花色苷含量呈显著正相关，表明可溶性糖的增加促进花色苷的积累，与前人[6,14,27]研究结果一致。植物体内莽草酸代谢是蛋白质和花色苷合成的共同途径，苯丙氨酸阶段是两个途径的分支点，随植物体内外环境的改变，此阶段适合蛋白质合成的条件不利于花色苷的生成，从而使蛋白质与花色苷含量之间的相关性处于不断变化之中[28]。贺窑青[14]发现红花玉兰(MagnoliawufengensisL.Y.Ma et L.R.Wang)的可溶性蛋白与花色苷含量呈显著负相关。聂庆娟[15]在红栌(Cotinuscoggygria‘Royal Purple’)叶片的研究上发现两者呈正相关，而孟祥春[28]对矮牵牛(PetuniahybridaVilm.)的研究显示两者之间没有显著规律，不同色彩的植物表现出很大的差异性。在珙桐色彩转红的过程中，可溶性蛋白含量显著下降，在一定程度上抑制了花色苷的合成。脯氨酸是植物蛋白质的组分之一，具有稳定细胞内部pH、解除氨毒，作为能量库调节细胞氧化还原势，稳定膜的结构和保护酶，清除活性氧等功能，以保持稳定的内环境供花色苷合成代谢[29～31]。本研究中，脯氨酸含量随珙桐色彩转红而显著升高，且与花色苷含量呈显著正相关，表明脯氨酸可清除活性氧以保证花色苷的正常代谢，利于珙桐红色的呈现[29,32]。

花色苷是在一系列酶的催化下形成的次生代谢产物，其中PAL是苯丙烷类代谢途径中的第一个酶，CHI是催化花色苷前体黄烷酮合成的酶，两者都在花色苷合成代谢中起着重要作用[14]。但PAL和CHI与花色苷合成的关系一直存在争议，李玲[5]、张超[6]认为PAL、CHI显著影响着花色苷的代谢，但王慧聪[33]、Lister[34]等人则认为PAL、CHI与花色苷的积累并无密切关系。本研究通过对两种珙桐的PAL和CHI活性进行分析发现，随珙桐色彩转红，PAL、CHI活性显著升高，与花色苷含量呈正相关，且PAL活性还与可溶性蛋白含量呈负相关。说明PAL能阻止戊糖代谢中形成的苯丙酮酸不与氨结合生成苯丙氨酸向形成可溶性蛋白方向发展，而是朝着合成花色素的方向进行[35]，与CHI作为花色苷合成的关键酶，共同调控着花色和叶色的形成，酶活性越高，色彩越偏向红色。

POD和SOD是植物体内清除自由基的主要保护酶，其活性对植物色彩变化有着重要影响[2]。POD活性可影响叶片的多酚含量，有利于叶片呈现红色[15,36]，但卓启苗[7]认为POD对叶色变化影响不大，陈小红[2]认为POD影响着花瓣中花色苷的降解速率。曹盼盼[37]研究发现花色苷可通过激活酶活性来达到抗氧化的作用，对SOD活性有明显促进作用。而本研究中，两种珙桐的POD、SOD活性均无显著差异，叶片的POD活性与类黄酮含量、PAL活性呈显著负相关。表明POD可能影响了叶片中类黄酮物质的降解[17]，但POD和SOD均不是影响珙桐色彩转红的主要因素，与在欧洲卫矛(Euonymuseuropeaus)[7]、北美红枫(AcerrubrumL.)[24]上的研究结果一致。

苞片是花序内不能促进植物生长的变态叶状物，由叶进化而来，两者在色彩呈现上具有一定的同源性[38]。珙桐苞片和叶片的色彩变化都主要由花色苷决定，类黄酮虽对花色影响不大，但可增加叶色的艳丽程度，起到辅助呈色的作用[13]。珙桐叶片的色素、可溶性糖含量远高于苞片，说明叶片合成色素的能力更强，可能是由于叶片可进行光合作用提供更多的糖类和能量以供色素的合成代谢。珙桐苞片的可溶性蛋白、脯氨酸含量、POD、SOD、CHI活性均高于叶片，可溶性蛋白、脯氨酸在渗透调节中起着重要作用，POD和SOD是植物体内重要的保护酶，可见苞片为了保证花色素的正常合成代谢，形成了相应的保护机制。

综上所述，花色苷是珙桐苞片色彩转粉红的直接因素，而叶片呈现红色是类黄酮和花色苷共同作用的结果，可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸、PAL、CHI通过一定生理代谢调节花色苷的形成，进而影响珙桐苞片和叶片的着色。植物呈色由遗传因素和外界环境共同决定[1]，而本研究试验材料均取自同一生境，立地及管理条件一致，可排除外界条件的影响，今后需要在细胞及分子遗传等方面对珙桐色彩变化机制进行深入研究。