光照和土壤对乌桕秋季叶片色素及可溶性糖的影响

吴飞洋 柳新红 董峰平 董海日 叶 明 李因刚

( 1. 浙江农林大学林业与生物技术学院，浙江 杭州 311300；2. 浙江省林业科学研究院，浙江 杭州 310023；3. 建德市林业局，浙江 杭州 311600)

乌桕（Sapium sebiferum）为大戟科（Euphorbiaceae）乌桕属（Sapium）落叶乔木，别名蜡子树、桕子树，喜生于旷野、塘边或疏林中，广泛分布于我国黄河以南各省区，北达陕西和甘肃[1]。乌桕是集油用、材用、药用和观赏等多种价值于一身的多用树种，种子总出油率可达40%，榨取的桕脂和青油被广泛用于油漆和制皂等[2]，木材是建筑、家具和模具生产的良材[3]。乌桕叶、根、皮可入药，具有清热解毒、消肿、利水通便和抗炎降压等功效[4]，同时还含有抑制钉螺的活性物质[5]。乌桕作为重要的木本油料树种，在品种选育、苗木繁育和高产栽培[6-8]，耐旱、耐涝和耐盐等抗逆性及分子遗传学和病虫害等方面的研究取得了一定的进展[9-14]。

乌桕秋叶深红、紫红或杏黄，具有极高的观赏价值，是亚热带地区重要的彩叶树种，已广泛应用于彩色森林、通道彩化等景观工程中。彩叶植物叶片颜色的季相变化除了受基因型的控制之外，光照、温度、水分和营养等环境因子也对叶色呈现有重要的影响。通过环境因子的改变，让彩叶植物呈现更佳的叶色效果对于其广泛的应用有重要意义。红花檵木（Loropetalum chinense）[15]、金森女贞（Ligustrum japonicum）[16]和紫背天葵（Begonia fimbristipula）[17]中的研究表明，光照主要通过调节叶片中各种色素含量影响叶色变化，遮荫不利于乌桕的叶色表达[18]。土壤主要通过水分、pH值、有机质含量等因素而间接影响植物的叶色呈现[19-20]，梓树（Catalpa ovata）随着干旱胁迫程度加大叶片内色素含量先升后降[21]。本试验对乌桕彩叶无性系进行不同光照和土壤的组合处理，系统研究叶片内叶绿素及其各组分、花色素苷和可溶性糖含量的变化，探讨叶色变化与光照、土壤间的关系，以期为提高乌桕的观赏价值提供理论基础，为其在园林植物造景中的应用提供参考依据。

1 材料与方法

试验地位于浙江省林业科学研究院内的试验苗圃（30°13′9″N、120°01′44″E）。该地区属亚热带季风气候区，具有四季分明，冬季易冷，夏季易热和雨热同季等气候特点[22]。

1.1 试验材料

以优良无性系商城16（秋季叶呈红色）和商城17（秋季叶呈黄色）的当年生嫁接苗为试验材料，砧木为1年生实生苗，地径5 mm，高度80 cm，嫁接时间为2018年4月2日。整个试验期间，苗木在2加仑塑料盆内培育。

1.2 试验设计

于2018年4—8月，商城16、商城17所有苗木均在全光照下生长，9月1日开始设置2种不同的光照处理。试验采用随机区组设计，每个无性系设4个处理，3次重复，每个处理为5株（如表1）。试验土壤为乌桕野外种质资源调查常见的山地红壤和稻田土。

表1 试验设计Table 1 Test design

1.3 样品采集与指标测定

于2018年10月25日、11月3日和11月10日取样，每次取样均为9：00—10：00。采集当年生新枝从顶端往下数的第3至4轮叶片，每株采3至4片叶作为供试材料，分别放入自封袋后立即带回实验室。

将新鲜叶片洗净擦干，去叶柄及中脉后剪碎混匀，用于叶绿素、花色素苷和可溶性糖的测定，每个处理重复3次。叶绿素含量测定采用丙酮浸提法[23]；花色素苷含量测定采用盐酸浸提法[24]，以每克鲜质量在10 mL提取液中吸光度值为1个色素单位（U）；可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法[25]。

1.4 数据处理

所得数据均用Excel 2010进行数据处理，SPSS 22.0进行方差分析，置信区间为95%，并用Origin 2017进行制图，图表数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 叶片色素与可溶性糖含量随时间的变化

由表2可知，各处理叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b含量随时间变化均呈明显下降趋势，但存在一定差异。T1～T4在11月3日的叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b含量均显著低于10月25日（P＜0.05）；11月10日的含量虽又有所下降，但与11月3日时的差异多不显著。而T5～T8的叶绿素含量在3次取样间均表现出显著差异（P＜0.05）。其中T1～T4的叶绿素a+b含量降幅分别为 0.77、0.54、0.53、0.44 mg/g，T5～T8分别为 1.19、1.05、1.06、0.95 mg/g，T1～T4处理的降解幅度均比T5～T8小。

表2 不同处理的叶片色素和可溶性糖含量变化Table 2 Changes of pigment and soluble sugar contents in leaves of different treatments

各处理的花色素苷含量随时间变化均显著升高（P＜0.05），T1～T4的升幅分别为 33.60、12.16、28.32和4.54倍，T5～T8分别为4.90、2.25、3.06和1.80倍，T1～T4的合成幅度均比T5～T8大。叶片中可溶性糖含量在整体上都呈现先缓慢上升后下降的趋势，其中T1～T4在11月10日的可溶性糖含量均显著低于前2次取样（P＜0.05），而T5～T8的可溶性糖含量在3次取样间的差异多不明显。

2.2 叶绿素含量及其组成在处理间的差异

由图1a～1c可知，10月 25日时叶绿素 a、叶绿素b和叶绿素a+b含量在T1～T4间差异均不显著，但随着试验进行逐渐显示出差异。到11月10日，T1的叶绿素a、a+b含量显著低于其他3个处理（P＜0.05），叶绿素b含量仅显著低于T4（P＜0.05）。叶绿素a、b与a+b含量均在逐步递减的同时，叶绿素a/b一直稳定在3.0左右，且处理间差异不显著，表明在叶色变化期间它们的降解速度一致（图1d）。叶绿素a、b和a+b含量在T5～T8处理间的差异情况与其在T1～T4间的相似（图2a～2c），从11月3日开始含量下降并逐渐在处理间显示出差异，到11月10日，三者的含量均为 T5＜T6＜T7＜T8，除 T8外其余 3 个处理的叶绿素a、b含量都已低于0.1 mg/g。叶绿素a/b也呈下降趋势，从2.75降到了1.0左右，这表明叶绿素a的降解速度大于叶绿素b（图2d）。

图1 叶绿素含量及组成在T1～T4间的差异Fig. 1 Differences in chlorophyll content and composition between T1 and T4 in treatment

2.3 花色素苷与可溶性糖含量在处理间的差异

由图3a可知，T1～T4处理的花色素苷含量在10月25日均处于较低水平，但已表现出显著性差异，T3和 T4显著低于 T1（P＜0.05），3个处理又显著低于T2（P＜0.05）。随着试验进行至11月3日和10日，各处理的花色素苷含量升高后，4个处理彼此间的差异均达显著性水平（P＜0.05），其含量大小依次为 T1＞T3＞T2＞T4。花色素苷含量在T5～T8处理间的差异情况与其在T1～T4间的相似，在叶色变化后表现为T5＞T7＞T6＞T8，但其含量整体低于 T1～T4（图3b）。

在10月25日和11月3日，T4的可溶性糖含量显著低于其他3个处理（P＜0.05），到11月10日则表现为T2和T4的含量显著低于T1和T3（P＜0.05）（图4a）；在 10月25日和11月3日，T5～T8处理的可溶性糖含量之间存在显著差异（P＜0.05），而到11月10日处理间又处于同一水平，无显著差异（图4b）。

图1 叶绿素含量及组成在T5～T8间的差异Fig. 2 Differences in chlorophyll content and composition between T5 and T8 in treatment

图3 花色素苷含量在各处理间的差异Fig. 3 Differences in anthocyanin content among treatments

图4 可溶性糖含量在各处理间的差异Fig. 4 Difference in soluble sugar content among treatments

2.4 叶片色素与可溶性糖含量的方差分析

由表3可知，10月 25日时商城16、商城17的叶绿素a+b含量在土壤、光照及土壤与光照互作效应间均不存在显著差异；但随着时间变化，逐渐表现出显著（P＜0.05）或极显著差异（P＜0.01）。花色素苷含量，商城16在整个试验过程中均在土壤、光照及其互作效应间表现出显著（P＜0.05）或极显著差异（P＜0.01）；而商城17在10月25日，光照、土壤与光照互作效应的差异达极显著（P＜0.01），之后则在土壤、光照间差异极显著（P＜0.01）。可溶性糖含量，商城16在整个试验过程中多在土壤、光照及其互作效应间表现出显著（P＜0.05）或极显著差异（P＜0.01）；而商城17仅是在11月3日时表现出显著（P＜0.05）或极显著差异（P＜0.01）。

表3 叶片色素与可溶性糖含量的方差分析Table 3 Variance analysis of pigment and soluble sugar contents in leaves

2.5 各指标间的相关性分析

由表4可知，乌桕叶片的叶绿素a含量、叶绿素b含量和叶绿素a+b彼此间均为极显著正相关（P＜0.01），而且均分别与花色素苷含量间呈极显著负相关（P＜0.01），乌桕秋季叶片颜色转变过程中其他色素含量与花色素苷含量呈现此消彼长的过程，但可溶性糖含量与这些色素含量的相关性均不显著。

表4 乌桕叶片色素和可溶性糖含量相关性分析Table 4 Correlation analysis of pigment and soluble sugar contents in leaves of S. sebiferum

3 结论和讨论

叶绿素和花色素苷是影响彩叶植物叶色呈现的主要色素，且叶绿素的降解物对花色素苷的形成有活化作用[26-27]。本研究发现乌桕叶片的花色素苷含量与叶绿素含量相关性达到极显著水平，入秋后随着乌桕叶片中叶绿素含量下降和花色素苷的积累，各处理的叶片由绿开始转色，这与左云[18]的研究结果一致，与其他彩叶植物的叶色转变规律也相符[24]。在叶绿素含量下降过程中发现，虽然叶绿素a、b均与叶绿素a+b规律一致，但T1～T4（商城16）叶绿素a/b的值一直保持稳定即降解速度一致，而T5～T8（商城17）的叶绿素a降解速度明显大于叶绿素b。由于叶绿素a呈蓝绿色，叶绿素b呈黄绿色，这可能也是商城17叶片变黄的原因之一。T1～T4（商城16）的花色素苷含量远高于T5～T8（商城17），这主要是商城16品系是秋季叶色红艳的特性所决定。非结构性碳水化合物是植物新陈代谢过程中重要的供能物质，而可溶性糖是重要的反应指标[28]。糖是植物体内碳水化合物运输的主要形式，也是花色素苷合成的前体物质，在其合成过程中起重要作用，通常认为，秋冬季叶片衰老过程中，可溶性糖含量逐渐增加[29]。但在本研究中发现试验结束时的可溶性糖含量比开始时减小，可能是由于在乌桕变色期间花色素苷的迅速合成消耗了大量可溶性糖，甚至供不应求，从而掩盖了其上升趋势。

叶色的转变主要受遗传因素控制，但同时还与环境因子有着重要关系[30]。光照是影响彩叶植物叶色变化重要因素，它在光强、光质等方面影响植物色素的合成及调节相关酶的活性，能直接引起叶绿素、花色素苷等的含量及比例发生变化，从而影响叶片颜色。而且光能促进花色素苷的生成，遮光时会影响到碳水化合物的积累，继而使其合成受到严重抑制[31-32]。同一植株上外叶位比内叶位变色更快、更明显，正是由于二者接受的光强不同所造成的[33]。土壤也是影响叶色变化的重要因素，土壤中的有机质含量、pH值和保水能力等都会影响叶色，微酸性或中性土壤能够促进彩叶呈色[19-20]。土壤、光照都在不同时期表现出了显著或极显著影响，土壤与光照的互作效应也达到了显著或极显著水平，表明不同的土壤和光照条件都会对叶色产生较大影响，这与其他彩叶植物的研究结果也相符[20,34]，并且土壤与光照的互作效应也会对叶色产生影响。进一步分析2个品系在4个不同处理条件下色素的变化发现，叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b的降解速度均表现为T1和T5最快，T4和T8最慢；花色素苷的合成量均表现为 T1和 T5＞T3和 T7＞T2和 T6＞T4和 T8，11月 3日的 T1高于 T4处理 6.47倍，T5高于T8处理1.34倍。由此可见，T1、T5即全光照和山地红壤组合表现最优，叶片内色素含量变化最快，具体表现在花色素苷含量显著高于其他处理，叶绿素降解幅度也更快，更利于乌桕叶片变色，在一定程度上能促进乌桕秋季的景观观赏效果。其次为T3、T7（全光照和稻田土组合）和T2、T6（50%遮阴和山地红壤组合），最差为T4、T8（50%遮阴和稻田土组合），说明全光照比50%遮阴处理更利于乌桕的变色，这与前人研究得到的规律是一致的[18]；另一方面，2种光照条件下均表现为山地红壤优于稻田土，2种土壤都是乌桕野外资源调查最常见的类型，说明山地红壤相较于稻田土更利于乌桕叶呈色。