观赏海棠叶色动态变化及色彩分类研究

赵圃圃，张全全，江 皓，李 娜，张往祥,2

（1.南京林业大学林学院，江苏 南京 210037；2.扬州小苹果园艺有限公司，江苏 扬州 225200）

0 引言

【研究意义】观赏海棠（Malusspp.）属蔷薇科（Rosaceae）苹果属（Malus）落叶小乔木或灌木，果实直径小于等于5 cm[1-2]。观赏海棠在园林景观应用中常被用作观花植物[3-4]，针对观赏海棠花色的研究也相对成熟，包括对花色变化的研究[5-8]、花期的研究、针对花性状种质的优选、花香的研究等等。近年来，随着育种工作的发展和园林应用的需求增加，观赏海棠的彩叶品种在园林景观应用中受到更多关注[9-10]，应用前景广阔。【前人研究进展】目前国内针对观叶海棠新品种的研究逐渐增多。有研究发现，观叶海棠成熟过程中色彩变化分为稳定型和易变型两种[11]，且不同叶位色彩变化程度不一[12]。尽管已经培育出一些兼具叶片观赏价值的海棠新品种，如幼叶呈黄色的‘多娇’[13]、叶片由红色转浓绿落叶前呈红褐色的‘大棠婷美’[14]，但仍然存在叶片变色期不稳定且短、彩叶品种数量少的问题。【本研究切入点】前人对观赏海棠的研究多集中在花器官上，而对叶片色彩的研究仍然处于初级阶段。【拟解决的关键问题】本研究以42 个不同种质材料的观赏海棠为试验材料，从叶色参数入手结合叶片色素的相对含量，对处于成熟期的叶色变化进行分析评价，通过研究不同观赏海棠材料间的叶色差异，期望能够扩展观叶型海棠的种质资源，并明确最佳观赏期，为园林景观应用提供更多更好的选择，同时也可以为观叶品种的定向培育提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与试验材料

试验地位于江苏省扬州市江都区仙女镇（119°55′E、32°42′N），属北亚热带季风气候，四季分明，年平均温度为14.9℃，年降雨量为1 000 mm，全年约320 d无霜期。试验地为砂壤土，地势平坦，土层深厚，有良好的灌溉排水条件。试验材料为42 个观赏海棠实生苗优株的嫁接子代样本，生活力强，生长健壮，适于测定叶色。

1.2 采样方法

试验于2019 年7 月20 日进行，每隔27 d 测定1 次，在早上6：00～7：00 进行样本采集，取苗干顶部能直观表现该株植物叶片色彩的上位叶，每个品种取10 片，采摘后放入样品密封袋中，置于冰盒带回室内备用。

1.3 指标测定

叶色测定使用美国爱丽色CI 64 色差仪，选用D 65 为光源，设置测色斑的直径为8 mm，观测角度为10°，测定叶片正面色彩，每个叶片测3 个点，每个品种重复30 次。亮度值（L*）、色相值（a*、b*）、饱和度（C*）、色调角（h *）均由色差仪测量直接获得。

使用Unispec-SC 光谱分析仪（美国，PP Systems）进行叶绿素（Chl）、花青素（Anth）、类胡萝卜素（Car）相对含量的测定。每个叶片测5 个点，重复15 次，得到的数据用Multispec 5.1.5 软件进行处理后，代入公式计算。叶绿素（Chl）：（R750-R445）/（R 705-R445）；花青素（Anth）:R800（1/R550-1/R700）；类胡萝卜素（Car）：R800（1/R520-1/R700）[15-16]。

1.4 数据处理

利用Origin 9.0 构建CIELCH 色空间三维图，EXCEL 2010 绘制叶色频率分布图，利用SPSS 22 对叶色参数进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 观赏海棠叶色变化规律

基于42 个观赏海棠样本的叶色参数绘制了CIELCH 色空间分布图和频率分布图，如图1、图2 所示。

对于L*值的3 次测量值都较为分散，大致范围为25～38。处于低亮度范围（L*值在24～28）的材料分布较少，占比约为7%；处于中亮度范围（L*值在28～34）的材料极多，占比约为88%；处于高亮度范围（L*值在34～38）的材料极少数，占比约为5%。其中，7、8 月份叶片亮度趋势基本一致，没有较大区别；但9 月份变化较大，处于中高亮度和高亮度的品种锐减，说明多数样本的叶片亮度会随着时间变化逐渐减低。

C*值的分布范围为8～20，3 次测量值整体趋势由分散到集中。7 月份叶片饱和度整体偏低，到8 月份时叶片饱和度由低到高分布均匀，而9 月份时数值整体右移，饱和度提高。整体来说，随时间推移供试样本的叶色饱和度逐渐增高，低饱和度样本逐渐减少，而高饱和度样本越来越多。

h*值的分布范围为108°～123°，有85.71%的样本分布在117°～121°范围内；8 月份分布范围是115°～121°，分散均匀，小于115°的材料占33.34%，大于120°的材料占33.33%，处于中间层次的材料占33.33%；9 月份超过85%的样本均匀分布在112°～122°。整体来看，从7 月到9 月，色调角整体有降低的趋势。

图1 不同月份叶色CIELCH 空间变化Fig.1 Changes on CIELCH color space of crabapple leaves from July to September

图2 不同月份叶色参数频率分布Fig.2 Frequency distribution of leaf color from July to September

2.2 观赏海棠叶色聚类分析

鉴于7 月份色彩参数分布最分散且色彩表达最为丰富，因此选择7 月份的叶色参数：亮度、饱和度、色调角进行聚类分析，结果如图3 和表1，42 个样本可分为3 个类群。

A 类群，共有14 个样本。在色彩参数中，亮度L*分布在28.95～32.63，饱和度C* 分布在12.32～14.60，色调角h*分布在115.23°～120.08°。该类群亮度和饱和度高于B 类群而低于C 类群。该类群包括9X-1、17X-2、16X-2、G19X-1、15-7、13-5 黄果、16-1、24-1、G23-9、15-13 等。

B 类群，共有19 个样本。在色彩参数中，亮度L*分布在26.98～32.11，饱和度C*分布在9.09～13.39，色调角h*分布在119.65°～122.73°。该类群亮度和饱和度在三大类群中处于最低水平。该类群包括24-5、G7X-2、G23-11、G23-5、G23-4、19-9、25-10、G20X-1、25-3、15-3 等。

C 类群，共有9 个样本。在色彩参数中，亮度L*分布在32.10～35.22，饱和度C*分布在14.33～18.01，色调角h*分布在115.85°～119.39°。该类群亮度和饱和度在三大类群中处于最高水平，色彩明亮饱满，为亮绿色系。该类群包括19-7、29X-2、G23-2、26-4、17-2、23-1、22-2、15-4、14X-2。

2.3 观赏海棠色素相对含量分析

图3 观赏海棠7 月叶色参数聚类分析Fig.3 Cluster analysis on crabapple leaf color in July

基于7 月份植株的色彩参数聚类分析结果对其色素相对含量进行分析，结果见表2。从整体趋势上看，叶绿素的占比约为花青素的10 倍，为类胡萝卜素的2 倍。说明叶绿素占比多，从而主导了叶片的绿色效果。就叶绿素相对含量而言，B 类群明显高于A 类群和C 类群，说明B 类群叶绿素含量多，叶片更绿。

表1 各类群色彩参数统计与分析Table 1 Statistics and analysis on leaf color in classified groups

结合色彩参数的聚类分析结果，B 类群叶绿素相对含量最高，叶片颜色最绿，但亮度值和饱和度较低，为深绿色系；C 类群叶片亮度和饱和度均显著高于其他类群，故为亮绿色系；A 类群叶片呈绿色，色彩亮度和饱和度在3 个类群中居中，为绿色系。

表2 各色系色素相对含量Table 2 Relative pigment contents in classified groups

3 讨论与结论

3.1 色彩评价方法

色彩是观赏植物器官的重要评价因素，常用的植物色彩测定方法有目测法、英国皇家园艺学会色谱标准（RHSCC）比色和仪器测定[17]。目测法只能依靠肉眼粗略判断其颜色，严谨性不足，不能作为色彩研究的依据；比色卡能够准确地对色彩进行标准定位，但样本量大时不易于对样本色彩进行量化分析；而仪器测定虽然受环境限制，但其直观性、稳定性、操作便捷性可为色彩测定和分析工作提供许多便利，如：国艳梅等利用色差仪估测番茄红素[18]，张圆圆等利用色差仪对向日葵花色多样性进行研究[19]。本文的色彩研究以仪器测定为基础，对叶色进行量化研究，通过色差仪测得数值，在CIELCH 色空间中利用三维图展现，既能准确便捷地测取数据，又能直观地体现测量结果，能达到较好的测量效果。

3.2 观赏海棠叶片色彩评价

色彩参数是叶片色彩的量化指标，从亮度、饱和度、色调角、色度值等方面将叶片色彩进行定量描述。在姜文龙等[20]的研究中将57 个观赏海棠种质划分为2 个色系：绿色系、红色系；绿色系又划分为褐绿色子系和深绿色子系；张晶等[21]的研究中将样本划分为绿色系和红色系，绿色系又进一步划分为褐绿色系、深绿色系和亮绿色系。而本研究主要依据亮度和饱和度将42 个绿色系群体样本分为绿色系、亮绿色系、深绿色系。前人多利用红绿色度值a*和b*进行颜色差别大的色彩研究，如红色和绿色，而此次研究则是在色度值相差小的基础上，利用亮度值L*和饱和度值C*来细化色彩分类，从而可以看出亮度值和饱和度值也能反映色彩的多样性。

叶片中主要色素为叶绿素、花青素、类胡萝卜素，色素含量高低和色素占比多少均影响叶色的表达[22]。彩叶植物色彩表达主要受花青素影响，而绿叶植物则主要受叶绿素影响[23]。在本试验中叶绿素相对含量是花青素的10 倍左右，是类胡萝卜素的2 倍左右，主导了叶片的绿色效果。其中B 类群的叶绿素相对含量显著高于A 类群和C 类群，与前文色差计所得B 类群的色度值最大，绿色更深的结果一致。

随着林木育种技术的进步及园林应用市场的扩大，彩叶植物备受关注。近年来通过自由授粉、组织培养、杂交育种等手段[24-25]培育出了许多优良的观叶新品种，尤其是红叶品种。而本试验结果显示，参试样本材料中除绿色之外并未发现其他颜色的海棠植株，因而仅是对绿色类群进行进一步分类。究其原因：一是可能由于观测期短，未完全观测到色变期；二是观测期偏晚，由于随着植物生长期的推移，叶绿素增加而花青素降解致使观测到的叶色均为绿色[26]；三是参试样本的颜色分化不丰富。本试验结果表明，仍有亮绿色系的9 个样本值得关注，并有望从中选出观赏性更加优异的种质或作为今后育种的亲本。后续研究将通过延长观测期、扩大样本量弥补此不足，并进一步探究叶色变化与物候期的关系，以及色素对叶色表达的重要性，从而选育出优质彩叶种质，为更多观叶海棠品种选育种奠定基础。