两种海棠秋季叶色变化的生理机制研究

郑恬静+王克凤+桑瀚旭

摘要：以王族海棠（Malus ‘Royalty）和光辉海棠（Malus ‘Guanghui）秋季（8～10月）成熟叶片为试验材料，观察其叶色变化，并对其叶绿素、花色素苷、可溶性糖含量及苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性进行测定，以期揭示两种海棠叶片色泽、内色素变化与其内源物质的相关关系。结果表明，王族海棠叶片虽生育期呈现紫红色，但秋季却出现“返绿”现象；光辉海棠则随着温度升高，叶片由绿色转变为红色，温度降低，红色退去，叶片呈现绿色。上述指标测定结果显示，两种海棠叶色表现均与叶片内色素的比例密切相关。王族海棠叶片内当花色素苷与叶绿素含量比值降至14时，其叶色由紫红色转变为绿色，其叶色变化主要是由花色素苷降解而叶绿素的积累引起的；光辉海棠成熟叶片的叶色变化则是由花色素苷和类胡萝卜素的含量共同决定的，花色素苷与叶绿素含量比值升至3、类胡萝卜素大量积累时，其叶色由绿色转变为橙红色。可溶性糖为花色素苷的合成提供原料和能源，PAL活性和叶片内色素的合成有必然联系，但不是惟一决定色素合成的调控酶。

关键词：海棠（Malus baccata）；叶色变化；花色素苷

中图分类号：S661.4 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）15-2908-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.15.028

Abstract： The autumn leaves of Malus ‘Royalty and Malus ‘Guanghui were used to study the changes of the leaf color， and the content of chlorophyⅡ， anthocyanin， soluble sugar and PAL activity were measured， in order to explore the relationship between the leaf color change of Malus and endogenous substances in autumn. The results showed that， the leaf color of Malus ‘Royalty rendered purple red in growth stages， but changed to green in autumn. The leaf color of Malus ‘Guanghui turned from green to red as the temperature rised， then changed to green when the temperature decreased. The analysis of these mensuration results showed that， the leaf color of Malus ‘Royalty and Malus ‘Guanghui was closely related to the ratio of pigments. When the ratio of anthocyanin to chlorophyⅡ dropped to 14，the leaf color of Malus ‘Royalty turned from red to green， so the color expression of leaves of Malus ‘Royalty was on account of anthocyanin degradation and chlorophyⅡaccumulation. The color expression of leaves of Malus ‘Guanghui was determined by anthocyanin content and carotenoids content， the leaf color of Malus ‘Guanghui turned from green to red when the ratios of anthocyanin to chlorophyⅡ increased to three and carotenoids accumulated. Soluble sugar offered material and energy for the synthesis of anthocyanin. PAL activity was closely related to the synthesis of pigments， but it might not be the key enzyme.

Key words： Malus baccata； leaf color change； anthocyanin

彩叶树种包括常色叶树种和季节性变色叶树种两类[1]。彩叶植物正是基于其自身优点，已经在世界各城市园林中广泛应用并成为世界园林植物贸易中的重要產业。

王族海棠（Malus ‘Royalty）和光辉海棠（Malus ‘Guanghui）均为蔷薇科苹果属落叶小乔木，其中王族海棠是从美国引进的常色叶海棠新品种，其叶片生育期为紫红色，极具观赏价值，是一种优良的紫红色叶树种[2]，但夏末秋初王族海棠常出现“返绿”现象，之后随着温度的降低，叶色逐渐由浓绿转变为紫红色。光辉海棠系北美洲苹果砧木品种，幼叶暗红，老叶浓绿，秋季由于气温变化新叶叶色由嫩绿色转变为红色，后过渡为浓绿，是典型的季节性变色叶树种，具有很高的观赏价值[3]。目前虽有对彩叶植物色素与叶色的相关报道，但对常色叶树种和季节性变色叶树种各种色素的含量与季节性变化的系统比较鲜见研究。为此，本试验通过对王族海棠和光辉海棠进行叶色变化生理机制的研究，旨在揭示其秋季变色期叶片有关生理指标的变化，探讨叶片色彩变化与部分重要生理指标之间的内在联系，为今后如何科学选择彩叶树种栽植地点、采取有针对性栽培管理措施、最大限度提高该类树木观赏价值提供理论依据。endprint

1 材料与方法

1.1 试验材料

2015年8～10月，以吉林农业大学校园广场内8年生、处在最佳观赏时期的王族海棠和光辉海棠为材料，选择其树冠外围处于全光照的一年生枝条中部功能叶片，早上8：00～10：00取样，样品材料用蒸馏水洗净并擦干，遮光保存于4 ℃冰箱中。

1.2 测定方法

叶绿素、类胡萝卜素的提取与测定依据李合生等[4]的测定方法，采用丙酮∶乙醇=1∶1浸提液浸提法；花色素苷的提取与测定采用盐酸浸提法[5]；可溶性糖的提取与测定、苯丙氨酸解氨酶活性的测定参照张治安等[6]的方法。试验结果均以鲜重计。

2 结果与分析

2.1 两种海棠秋季叶色表现

通过叶色观测可知，8月7日王族海棠叶片呈现紫红色，随着时间推移，8月21日王族海棠叶色开始向绿色过渡，9月4日其叶片全部呈现深绿色，而后绿色退去，9月18日呈现紫红色；10月2日王族海棠进入衰老期，叶色转变为紫红色和橙红色的混合色，此时出现枯叶落叶现象。光辉海棠在8月7日到9月4日一直呈现鲜绿色，9月18日观测到光辉海棠叶片边缘呈现橙红色；10月2日，橙红色退去，叶片全部呈现鲜绿色，此时光辉海棠呈现正常生长状态，其生育期比王族海棠延长15 d左右。综上，王族海棠在8月21日至9月4日表现“返绿”现象，光辉海棠在9月18日叶片呈现出橙红色。

2.2 两种海棠秋季不同色素含量的变化规律

2.2.1 叶绿素含量变化规律 随着秋季外界环境温度的变化，两种海棠叶片内的叶绿素呈现出不同的变化趋势（图1）。从图1可以看出，8月7日到9月4日期间，王族海棠、光辉海棠叶片叶绿素总量均呈上升趋势，上升幅度分别达25%、20%；王族海棠叶片在8月21日开始出现“返绿”现象，9月4日叶片全部呈现深绿色，此时叶片内叶绿素含量达到峰值1.87 mg/g，叶绿素a值同时处在最高值。9月4日之后，王族海棠叶片叶绿素含量呈下降趋势，9月18日叶色表现为紫红色，10月2日叶绿素含量处在谷值，此时王族海棠处在衰老期，叶片内叶绿素大量分解。光辉海棠叶片内叶绿素含量在9月4日后开始下降，于9月18日出现谷值1.24 mg/g，叶绿素a含量同时处在谷值，此时光辉海棠叶片叶缘呈橙红色，之后叶绿素积累，10月2日光辉海棠叶片再次呈现绿色且无衰老迹象。由图1可看出，叶绿素a的变化趋势与总叶绿素含量的变化趋势一致，且含量高于叶绿素b，而叶绿素b的变化较为平稳。这可能是由在植物叶片中，叶绿色a是叶绿素的主要组成成分，也是植物呈现绿色的主要因素，而叶绿素b含量较少且相对不稳定决定的。

2.2.2 花色素苷含量变化规律 由图2可以看出，王族海棠叶片花色素苷呈现先下降后上升再下降的趋势。其中8月21日到9月4日王族海棠花色素苷含量相对较低，为24.83～25.38△A/g，此时王族海棠进入“返绿”期，这说明花色素苷含量在一定程度上决定了王族海棠叶色的呈现；9月4日到9月18日，花色素苷呈显著上升趋势，上升幅度达55%，于9月18日达到峰值39.30△A/g，此时叶色表现为紫红色；随后花色素苷开始降解，降幅为43%，叶片进入衰老期。秋季光辉海棠叶片花色素苷含量呈现上升趋势，8月7日花色素苷含量为1.50△A/g，10月2日花色素苷含量增加至4.12△A/g，增幅为180%，其中8月7日到8月21日上升幅度较大，为88%；随后上升幅度较为平稳。相比较而言，王族海棠叶片内花色素苷含量远高于光辉海棠叶片内花色素苷含量，这是王族海棠叶色较光辉海棠深的直接原因。对应于叶色表现，光辉海棠在秋季变色期表现为叶缘橙红色，而王族海棠在这个时期表现为紫红色，故其叶片内花色素苷含量呈现出较大差异。

2.2.3 类胡萝卜素含量变化规律 由图3可以看出，王族海棠类胡萝卜素含量呈现先下降后上升的趋势；8月7日到9月18日，王族海棠类胡萝卜素含量呈下降趋势，尤其在9月4日到9月18日期间由0.16 mg/g降至0.04 mg/g，降幅达300%，而此时花色素苷大量积累，可见类胡萝卜素的分解和花色素苷的合成有关；9月18日开始上升，至10月2日上升幅度为175%，其原因可能是此时王族海棠叶片进入衰老期，叶绿素大量分解后转化为类胡萝卜素。光辉海棠叶片类胡萝卜素含量在秋季先下降后平稳上升，9月4日到9月18日，光辉海棠叶片类胡萝卜素大量积累，此时叶色转变为橙红色，由此可推断此时间段内光辉海棠叶色变化与类胡萝卜素的积累有关；9月18日之后，随着温度降低，类胡萝卜素均大量积累，由此可推断，气温降低有利于类胡萝卜素的积累。

2.2.4 花色素苷含量与叶绿素含量比值变化规律 花色素苷含量与叶绿素含量比值显著影响叶片的呈色[7]。由图4可知，王族海棠叶片中花色素苷与叶绿素含量的比值呈现先下降后上升再下降的趋势，8月21日到9月4日期间，王族海棠叶片中花色素苷降解，叶绿素大量积累，造成比值处在谷值，此时王族海棠呈现出“返绿”的现象。随后此比值迅速升高，叶色由深绿色转变为紫红色。9月18日到10月2日，王族海棠叶片内花青素、叶绿素含量均下降，但花青素含量降幅大于叶绿素含量降幅，故此时比值迅速下降。由图4可以看出，光辉海棠叶片中花色素苷与叶绿素含量的比值在8月7日到9月18日迅速上升而后开始下降，于9月18日达到最高值，此时光辉海棠叶色为橙红色，而8月7日到9月4日此比值较小，光辉海棠叶片呈现鲜绿。综上可知，花色素苷和叶绿素含量的比值直接决定了王族海棠和光辉海棠秋季叶色变化。

2.2.5 可溶性糖含量变化规律 可溶性糖可调控花色素苷的代谢。由图5可以看出，王族海棠和光辉海棠叶片内可溶性糖含量在秋季的变化趋势基本一致，均呈现先急剧下降然后上升再下降的趋势，分别在9月18日和9月4日呈现第二次峰值，此时两种海棠花色素苷含量均较高。对比图2中两种海棠叶片内花色素苷含量的变化趋势可以看出，当可溶性糖含量升高时，花色素苷积累，且在8月21日至9月4日可溶性糖含量增幅较大，而花色素苷含量在9月4日之后才出现大量积累，可见，可溶性糖在花色素苷合成之前开始大量积累，为花色素苷的合成提供前體物质。endprint

2.2.6 苯丙氨酸解氨酶活性变化规律 苯丙氨酸解氨酶是花色素苷代谢中的一种调控酶，在一定程度上调控花色素苷的合成。由图6可知，王族海棠叶片内秋季苯丙氨酸解氨酶的活性变化幅度较大，8月中旬大量积累，在8月21日达到峰值756 U/g，此时花色素苷含量最低，而后随着花色素苷的积累，PAL的活性降低。光辉海棠叶片内PAL活性在8月7日到9月18日变化幅度较小，随后大幅度上升，此时光辉海棠叶片内花色素苷含量呈现上升趋势。

2.3 各生理指标间的相关性分析

2.3.1 王族海棠各生理指标间的相关性分析 由表2可知，王族海棠叶绿素a与总叶绿素、类胡萝卜素呈现极显著正相关，与可溶性糖呈现显著正相关，与叶绿素b、花色素苷呈现负相关但不显著；叶绿素b与总叶绿素、PAL呈现极显著正相关，与可溶性糖呈现极显著负相关，与花色素苷呈现显著负相关；总叶绿素与花色素苷呈极显著负相关，与PAL呈极显著正相关，与可溶性糖呈现负相关但不显著；类胡萝卜素和花色素苷呈现极显著负相关，与可溶性糖呈现显著正相关；花色素苷与可溶性糖呈现显著正相关，与PAL呈极显著负相关。以上结果表明，王族海棠叶片内类胡萝卜素、可溶性糖含量随着叶绿素a的积累而增加，相关性显著；总叶绿素和类胡萝卜素含量随着花色素苷的积累而减少；可溶性糖显著促进花色素苷的合成，而PAL活性随着花色素苷含量的增加而降低。

2.3.2 光辉海棠各生理指标间的相关性分析 由表3可知，叶绿素a与总叶绿素呈极显著正相关，与花色素苷呈负相关但不显著；叶绿素b与类胡萝卜素、可溶性糖呈极显著负相关，与花色素苷呈现极显著正相关，与总叶绿素呈正相关但不显著；总叶绿素与类胡萝卜素、可溶性糖呈现负相关但不显著；类胡萝卜素与PAL呈极显著正相关，与花色素苷、可溶性糖呈正相关但不显著；花色素苷和可溶性糖呈极显著负相关，与PAL呈极显著正相关。以上结果表明，可溶性糖和PAL可显著影响光辉海棠叶片花色素苷的合成，进而间接影响其叶色的表达。

3 小结与讨论

王族海棠和光辉海棠是同科属的观赏彩叶树种，但这两种树种在秋冬季的叶色表现却不尽相同。通过对两种海棠叶色的观测发现，王族海棠终年叶色呈现紫红色，夏秋温度升高，出现“返绿”现象，随着气温降低，绿色退去，在落叶期，叶片呈现紫红色和橙红色的混合色。光辉海棠成熟叶片叶色为绿色，高温使其叶片内花色素苷积累，叶缘转变为橙红色，随着气温降低，叶色转变为绿色，落叶期间，叶片呈现橙黄色。

叶绿素是高等植物叶片中的重要组成色素，分为蓝绿色的叶绿素a和黄绿色的叶绿素b，其综合作用使葉片呈绿色[8]。叶绿素在光合作用中参与植物对光能的吸收、传递和转化，叶绿素含量的变化既可直接反映植物叶片光合作用功能的强弱[9]。通过相关性分析可知，两种海棠的叶绿素a含量均与叶绿素含量呈现极显著正相关，由此可知，叶片内叶绿素a的含量决定了其叶绿素的含量；花色素苷是植物叶片中另一种重要呈色色素，它是影响植物叶片呈现紫红色、橙红色等的主要因子；类胡萝卜素在植物叶片光合作用中起到重要的辅助作用，同时也是光氧化作用的保护剂[10]。张敏等[11]对秋季榉树的研究发现叶色变化是在多种因素的综合作用下完成的，最直接的原因是色素的成分和比例发生改变。在本试验中，王族海棠叶片呈现“返绿”现象时，叶绿素积累，花色素苷降解，花色素苷和叶绿素含量的比值较低，由此可见秋季王族海棠叶片呈现紫红色主要是因为叶绿素降解而花色素苷合成，这与姜雪茹等[12]对小叶黄杨的研究结果一致。光辉海棠叶片中花色素苷与叶绿素含量的比值处在最高峰时，叶片边缘转变为橙红色，此时叶片内类胡萝卜素含量同时大量积累，表明光辉海棠叶色的变化受花色素苷和类胡萝卜素的共同调控，黄利斌等[13]通过对金焰彩奕的研究也得出类胡萝卜素含量较高导致金焰彩奕春季叶片呈现黄绿色的结论。

可溶性糖可作为渗透因子调节植物细胞的渗透势，从而促进花色素苷的合成，也可作为能源物质为花色素苷的合成提供碳骨架，作为代谢过程中的前体物质，促进花色素苷的代谢[14]。本研究中，可溶性糖的变化均与叶绿素和花色素苷相关。9月18日王族海棠叶片内花色素苷含量和可溶性糖含量同时达到峰值，其二者呈现极显著正相关，和叶绿素呈现负相关，说明可溶性糖和叶片呈色有紧密的联系，可为花色素苷的合成提供原料，同时作为能源物质调控叶绿素合成，谢志华等[15]对早熟桃的研究得到一致的结论。光辉海棠中可溶性糖和花色素苷呈现极显著负相关，与类胡萝卜素呈现正相关，但相关性不显著，这可能是由于光辉海棠的叶色变化是花色素苷和类胡萝卜素共同作用的结果，且可溶性糖作为能源物质及其在信号转导中具有类似激素的初级信使作用[16，17]，同样被光辉海棠秋季果实大量成熟这一过程利用所导致的。

苯丙氨酸解氨酶（PAL）是花色素苷合成关键酶，诱导酶，同时又是变速酶。王族海棠秋季叶片中PAL和总叶绿素、花色素苷呈现极显著正相关，光辉海棠秋季叶片中花色素苷和苯丙氨酸解氨酶呈现极显著的相关性，而叶绿素和苯丙氨酸解氨酶具有相关性但不显著。由此可见，苯丙氨酸解氨酶（PAL）可以调控叶片内色素的变化，但不是决定色素变化的惟一酶，这和李利霞[18]对鸡爪槭的研究结果一致。苯丙氨酸解氨酶（PAL）与色素的合成存在着必然的联系，但色素的合成应该还受其他酶类的调控，其中的调控机制还有待进一步研究。

参考文献：

[1] 杨红兵.色叶树种在城市园林绿化中的应用[J].当代建设，1999（5）：45.

[2] 李 玲，李厚华，赵 冰，等.红色叶王族海棠成色色素分析[J].北方园艺，2013（8）：71-75.

[3] 唐世勇，邢英丽，王永杰，等.光辉海棠的筛选及在园林绿化中的应用[J].农业科技通讯，2010（7）：115-116.

[4] 李合生，孙 群，赵世杰，等.植物生理生化实验原理和技术[M].北京：高等教育出版社，2004.endprint

[5] 许丽颖，王庆芬，张俊晟，等.九种不同类型彩叶植物色素含量的季节性变化研究[J].北方园艺，2013（6）：59-62.

[6] 张治安，陈展宇.植物生理學实验技术[M].吉林长春：吉林大学出版社，2008.

[7] 李 玲.五种红色叶植物叶片色素分析[D].陕西杨凌：西北农林科技大学，2013.

[8] 几种常见彩叶植物的色素组成与叶色关系的研究[J].山东林业科技，2008（3）：14-16.

[9] 穆 兵，魏 媛，胡 刚.喀斯特山地不同景观树种光合色素含量研究——以贵阳郊区为例[J].湖北农业科学，2012，51（20）：4551-4555.

[10] 黄秋蝉，韦友欢，韦方立，等.常见夹竹桃科植物叶片颜色及类胡萝卜素含量的比较分析[J].安徽农业科学，2011，39（25）：15203-15204，15262.

[11] 张 敏，黄利斌，周 鹏，等.榉树秋季转色期叶色变化的生理生化[J].林业科学，2015，51（8）：44-51.

[12] 姜雪茹，彭金根，郭 翎，等.小叶黄杨冬季叶片呈色与其类胡萝卜素及活性氧关系研究[J].北京林业大学学报，2015，37（6）：93-99.

[13] 黄利斌，施大伟，周 鹏，等.金焰彩栾色素组成与叶片呈色的关系[J].江苏林业科技，2015，42（1）8-10，39.

[14] 郭衍银，徐 坤.矿质营养与植物病虫害机理研究进展[J].甘肃农业大学学报，2003，38（1）：385-393.

[15] 谢志华，姜卫兵，韩 键，等.早熟桃夏季红叶现象的生理机制研究[J].园艺学报，2012，39（7）：1271-1277.

[16] 张学英，张上隆，骆 军，等.果树花色苷合成研究进展[J].果树学报，2004，21（5）：456-460.

[17] NAGIRA Y，OZEKI Y. A system in which anthocyanin synthesis is induced in regererated torenia shoots[J]. J Plant Res，2004，117（5）：377-383.

[18] 李利霞.鸡爪槭叶色变化机制的研究[D].重庆：重庆师范大学，2015.endprint