遮光及复光处理对紫叶狼尾草叶色及生理变化的影响

朱 婷， 章陆杨， 许志敏， 郝 亮， 陈 琳， 刘燕珍， 丁国昌

(福建农林大学艺术园林学院， 福建 福州 350000)

紫叶狼尾草(Pennisetumsetaceum‘Rubrum’)是禾本科狼尾草的栽培变种[1]，暖季型观赏草，喜温。簇生株型状尽显飘逸，圆锥花序轻盈精致，尤其整株紫红色给人带来视觉的冲击，其自然质朴的气质为园林景观带来独特的美感和趣味。颜色作为感官品质的重要影响因子，对观赏价值的影响较为明显[2]。光照强度是影响彩叶植物叶色变化最关键的外部环境因素[3]，不同光强条件下，使植物叶片光合色素和花色素苷的含量发生变化，从而影响叶片呈色[4]。光照也是植物进行光合作用的基础[5]，同时影响植物生长、存活和分布的重要生态因子，它以环境信号的形式作用于植物，通过光敏色素等作用途径调节植物生长、发育和形态建成，使植物更好地适应外界环境[6-8]。

目前，我国在彩叶植物的叶色研究中，研究对象多集中于乔木、灌木等非草本植物[9]的生理研究。在彩叶观赏草的叶色报道中，有前人基于Lab模型对叶色进行研究[10]，但总体关于彩叶观赏草的叶色报道较少。因此，本研究以紫叶狼尾草为研究对象，通过遮光及复光处理，测定处理后的叶色参数及关键生理指标的变化动态，研究各指标的变化规律及之间的相关性。从生理学角度探讨光照对紫叶狼尾草叶色的影响，揭示引起紫叶狼尾草叶色变化的直接原因，最终为紫叶狼尾草的栽培管理和推广奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

实验地位于福建省福州市福建农林大学中华园试验基地。福州市位于福建省东部沿海闽江下游，地理位置为25°15' N～26°39' N，118°08' E～120°31' E。年平均日照数为1 700～1 980 h，年降水量为1 400～2 000 mm，年平均气温为17～22℃[11]。

1.2 试验材料

对紫叶狼尾草露天盆栽，于2018年6月上旬进行预实验，6月下旬夏季正式试验。用遮阳网搭建遮阴棚，用照度计测得遮光率为10%(遮光率=棚内照度/露天照度)，对植株进行遮光处理，待新叶成熟后完全变绿时撤去遮阳网进行复光处理，直至叶色恢复到紫色。根据预实验的叶色变化情况，共选择5个时间点采样，进行色差及生理指标的测定。T0表示未经处理的状态；T1表示经过12 d遮光处理后新叶完全变绿；T2表示复光处理1 d后；T3表示复光处理3 d后；T4表示复光处理6 d后叶色完全变返紫。试验共18株供试材料，分3组，每组6盆，混合采样。取样于每天早9:00时左右，采样叶片为植株自上而下第3或第4片叶。

1.3 测定项目与方法

叶色参数测定参照丁廷发[12]的方法，叶色取点参照朱婷[10]的方法。其中，L表示光泽明亮度，L值越大，亮度越高；a值表示红/绿，a值越大，红色越深，a值越小，绿色越深；b值表示黄/蓝，b值越大，黄色越深，b值越小，蓝色越深[13]。叶片颜色指数(color index)计算[14]和等级划分[15]参照J Carreno对葡萄果实颜色的研究方法。

叶绿素含量的测定参照张秀君[16]的方法略有改动，计算参照李合生[17]的方法。花色素苷的测定参照Pirie等[18]的方法，计算参照徐金瑞[19]的方法。类黄酮、可溶性糖、苯丙氨酸解氨酶(phenylalnine ammonialyase，PAL)的检测均采用南京建成生物工程研究所研制的试剂盒进行测定。查尔酮异构酶(chalcone isomerase，CHI)的提取参照王惠聪[20]的方法，测定参照Lister[21]的方法。多酚氧化酶(polyphenol oxidase，PPO)和过氧化物酶(peroxidase，POD)的检测均采用上海仁捷生物科技有限公司研制的试剂盒进行测定。测定每种指标样品均重复3次。

1.4 数据处理

采用Excel 2013软件进行数据整理和绘图。采用SPSS22. 0软件进数据分析。

2 结果与分析

2.1 遮光及复光处理对叶色参数的影响

叶片颜色状态记录如图1，叶色变化的L值为24.38～34.10，a值为-7.60～5.48，b值为1.59～15.74，颜色指数为1.37～4.17。结果表明，遮光及复光处理对紫叶狼尾草的叶色表达有显著影响(表1)，T0到T1阶段，T1的明度和变黄度显著增加(P<0.05)，而变红度和颜色指数显著降低(P<0.05)，叶色达到黄绿级别。随着复光处理时间的增加，叶色明度和变黄度显著降低(P<0.05)，叶色变红度和颜色指数显著增大(P<0.05)。参照葡萄果实颜色指数的方法，T0和T4阶段均达到红色级别，T1和T2阶段均达到黄绿级别，T3阶段达到粉红级别。复光处理6 d后T4阶段与未遮光的T0阶段所有指标均无显著性差异。可见，光照对紫叶狼尾草叶色的影响极为明显，经过遮光处理的新叶均为绿色，在恢复自然光后，绿色叶色又迅速转紫直至恢复到原来的状态。

图1 不同阶段紫叶狼尾草的叶色变化动态图Fig.1 Dynamic changes of leaf color of P.setaceum ‘Rubrum’ in different stages

表1 不同阶段紫叶狼尾草的叶色参数变化Tab.1 Changes of leaf color parameters of Pennisetum setaceum ‘Rubrum’ in different stages

处理阶段Processing Phase明度L变红度a变黄度b颜色指数Color index叶色ColorT024.38±0.22c5.48±0.43a1.77±0.19d4.17±0.22a红T134.10±0.62a-7.60±0.54c15.74±0.75a1.37±0.13d黄绿T228.59±0.49b2.84±0.52b7.05±0.94b1.99±0.19c黄绿T325.74±0.38c3.88±0.57b4.15±0.17c3.12±0.14b粉红T424.67±0.39c5.14±0.05a1.59±0.13d4.17±0.13a红

注:表中同列间不同字母表示差异显著(P<0.05)，下同

Note:Different letters in same column indicate significant difference at the 0.05 level,the same as below

2.2 遮光及复光处理对光合色素的影响

叶片中叶绿素的含量是维持苗木正常光合作用以及叶片色泽、彩化度的主要指标[22]，其中叶绿素包括叶绿素a和叶绿素b。遮光及复光处理对紫叶狼尾草的叶绿素含量有显著影响(图2)。从T0到T1阶段，叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量显著增加。去除遮阳网后，随着复光处理时间的增加，叶绿素a含量逐渐降低，且各阶段间达差异显著水平(P<0.05)；叶绿素b含量无明显变化；总叶绿素含量降低，且T1到T4各阶段间差异显著(P<0.05)，与叶绿素a含量变化一致。可见总叶绿素下降是由于叶绿素a含量的下降而引起的。

图2 不同阶段紫叶狼尾草的叶绿素含量Fig.2 Changes of leaf chlorophyll content of P.setaceum ‘Rubrum’ in different stages

2.3 遮光及复光处理对花色素苷和类黄酮含量的影响

花色素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，是叶片的重要呈色物质[23]；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[24]。结果表明，遮光及复光处理对紫叶狼尾草的花色素苷和类黄酮含量均影响显著，且两者变化趋势一致(图3)。遮光处理后，从T0到T1阶段花色素苷和类黄酮含量快速下降且差异显著。去除遮阳网后，两种指标逐渐增加。最终，花色素苷含量T4与T0阶段无显著差异，类黄酮含量T4与T0阶段差异显著(P<0.05)且小于T0阶段。可见，随着花色素苷与类黄酮含量的增加，叶色逐渐变紫。

图3 不同阶段紫叶狼尾草的花色素苷和类黄酮含量Fig.3 Changes of leaf anthocyanin and flavonoid content of P.setaceum ‘Rubrum’ in different stages

2.4 遮光及复光处理对可溶性糖含量的影响

由方差分析可得，从T0到T1阶段，紫叶狼尾草的可溶性糖含量急剧下降(图4)。复光处理后，随着时间的增加，可溶性糖含量逐步增加，且各阶段间达到显著差异水平(P<0.05)，最终T4阶段的含量与未处理前T0阶段的含量无显著性差异。可溶性糖与花色素苷和类黄酮含量变化趋势一致，说明可溶性糖可能对花色素苷的合成有一定的促进作用。可见可溶性糖含量会影响紫叶狼尾草的呈色。

图4 不同阶段紫叶狼尾草的可溶性糖含量Fig.4 Changes of leaf soluble sugar content content of P. setaceum ‘Rubrum’ in different stages

2.5 遮光及复光处理对PAL,CHI,PPO,POD活性的影响

叶色表现的关键酶活性与处理阶段的方差结果如表2。PAL是催化苯丙烷类代谢途径(花色素苷)的代谢途径反应的第一酶，其活性高低决定花色素苷含量高低，间接决定植物叶色的呈现[25]，从T0到T1阶段，PAL活性显著降低，T1到T4阶段，PAL活性逐步增加，且各阶段达到显著差异水平(P<0.05)，最终T4与T0阶段的酶活性无显著性差异，其变化趋势与花色素苷一致。CHI是花色素苷合成的关键酶[26]，T0阶段的CHI活性最高，T1到T4阶段的CHI活性逐渐增加。PPO具有催化酚类物质氧化的作用，与花色素苷的降解有关[27]，但本试验结果显示T0到T4阶段的PPO活性间均无显著性差异。POD与植物的抗氧化系统有关，与次生代谢密切相关[28]，本试验结果显示T2阶段POD活性最高且与T0和T3阶段差异显著(P<0.05)；T3阶段POD活性最低；5个阶段的POD活性变化无明显规律。

2.6 各指标间相关性分析

通过分析叶色参数与生理指标之间的相关性，可推断出各生理指标对紫叶狼尾草的叶色影响程度。表3显示，a值与叶绿素a、叶绿素b呈显著或极显著负相关性，与花色素苷、类黄酮、可溶性糖、PAL和CHI活性呈极显著正相关。L值、b值与叶绿素a、叶绿素b呈极显著正相关性，与花色素苷、类黄酮、可溶性糖、PAL和CHI活性呈极显著负相关。PPO、POD活性与叶色参数无显著相关性。花色素苷、类黄酮、可溶性糖与叶绿素a、叶绿素b呈极显著负相关，与PAL和CHI活性呈极显著正相关。由此可推断，叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、花色素苷、类黄酮、可溶性糖、PAL和CHI活性是影响紫叶狼尾草叶色的重要生理指标，PPO、POD活性对紫叶狼尾草的叶色无直接影响。

3 结论与讨论

植物叶色是由内部与外部环境共同作用的结果[4]，光照条件是影响植物生长发育最重要的环境因子[3]，光照强弱直接影响植物叶片各色素的含量及比例，从而影响彩叶植物的呈色[4]。研究各色素含量可充分掌握叶色表现的变化动态。本试验结果显示：5个阶段的叶色变化都是以花色素苷和叶绿素的含量不同而导致的结果。遮光后的紫叶狼尾草新叶为绿色，总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b含量均上升，花色素苷含量下降，可能是由于紫叶狼尾草在低光强的环境中通过增加叶绿素以提高叶片的捕光能力，为了更好地吸收利用光能进行光合作用；复光后叶色由绿逐渐转紫，色素含量与遮阴处理后变化相反。这与崔晓静等对红叶石楠(Photinia×fraseri‘Red Robin’)[29]、肖婷婷等对美国红枫(Acer×freemanii‘Autumn Blaze’)[30]等的研究结果相一致。

表2 不同阶段紫叶狼尾草的PAL,CHI,PPO,POD酶活性变化Tab.2 Changes of PAL,CHI,PPO,POD activities of P. setaceum ‘Rubrum’ in different stages

表3 不同阶段紫叶狼尾草的叶色参数及各生理指标相关性系数Tab.3 The correlation coefficient between leaf color parameters and the physiological indexes of P. setaceum ‘Rubrum’ in different stages

注：*表示在α=0.05水平下相关性显著；**表示在α=0.01水平下相关性显著

Note：*Correlation is significant at the 0.05 level;**Correlation is significant at the 0.01 level

有研究发现，可溶性糖和类黄酮均是花色素苷合成过程中的能源物质，促进花色素苷的合成[31]。本试验结果显示，遮光后使得紫叶狼尾草花色素苷、类黄酮和可溶性糖含量下降，而复光后含量逐渐上升，三者变化趋势一致并呈极显著正相关。这可能是由于遮光使得紫叶狼尾草代谢能力减弱，影响碳水化合物的积累，降低了可溶性糖的含量，进一步影响花色素苷的合成，复光后则相反。这表明遮光及复光处理对紫叶狼尾草叶色转变的影响过程中，全光照条件较有利于可溶性糖和花色素苷的积累。这与王永格对丽红元宝枫(Acertrunceatum‘Lihong’)[32]的研究结果一致。

花色素苷的合成是在一系列酶的催化下形成的，而PAL活性是花色素苷合成的第一个关键酶[25]。本试验中发现遮光后PAL活性降低，随着复光时间增加PAL活性逐渐升高，这与卓启苗等对欧洲卫矛(Euonymuseuropaea)[33]的研究结果一致。可见PAL活性的升高有利于紫叶狼尾草叶色变紫。有研究表明，CHI广泛参与类黄酮代谢过程，对植物器官颜色的形成中起作用[34]。本研究结果发现遮光处理可显著降低CHI活性，随着复光处理时间增加，CHI活性逐渐升高且与类黄酮呈极显著正相关，这与Kim等对洋葱(Alliumcepa)[35]的研究结果一致，在紫叶狼尾草叶色变化的5个阶段中PAL和CHI活性变化一致。PPO，POD活性与花色素苷的降解有关，两种酶首先催化氧化其他酚类物质转变成相应的醌类物质，醌类物质进一步氧化花色素苷，导致花色素苷含量降低[27]。本研究结果表明，PPO和POD活性与光照时间之间变化规律不明显，与花色素苷呈负相关但不显著，POD活性与类黄酮呈显著负相关。在Zhang对荔枝(LitchichinensisSonn.)[36]的报道中，POD活性与花色苷含量呈负相关，这可能因为花色素苷是一类主要的类黄酮色素[23]，所以两者间存在显著负相关。由此可知在紫叶狼尾草中PPO、POD活性对于花色素苷合成的调控较为复杂，今后有待进一步的探究。