爬山虎衰老过程中不同颜色叶片光合性能比较

孙宏蕾， 姜泽东， 计舒文， 王艺斐， 王 琼， 张顺云， 张 敖， 朱延姝

(沈阳农业大学生物科学技术学院，辽宁沈阳 110866)

叶片是植物进行光合作用的重要器官，其主要功能为提供植物生长发育的有机营养。叶片若发生衰老，将导致光合作用降低和停止[1]。叶片衰老受秋季低温和短日照诱导[2]，在该阶段，强光和干旱等环境胁迫促进衰老[1，3]。然而，对于多年生植物，适时和适当速率的衰老有利于叶片中的营养物质转运到其他延存器官中，为它们顺利越冬和来年延存器官生长提供能量和营养物质。活性氧的产生和清除之间的平衡是控制叶片衰老速率的关键因子之一。活性氧产生将诱发和促进叶片的衰老[4]，而活性氧的清除机制将减轻或减缓活性氧的这种作用[5-6]。叶片衰老过程伴随着叶片颜色的变化[7]，叶绿素、类胡萝卜素、花色素的含量和比值发生变化[8]。当叶片对CO2的同化能力降低时，叶绿素会将利用所吸收的光能产生活性氧[9]。与之相反，类胡萝卜素和花色素则具有清除活性氧的作用[10-12]。因此，叶片的吸收光谱和叶绿素与类胡萝卜素和花青素的比值将影响植物体内活性氧的动态平衡，进而影响叶片的衰老速率。爬山虎(ParthenocissustricuspidataPlach.)属葡萄科多年生落叶藤本植物，其叶片颜色在秋季发生显著变化[13-14]，是研究色素与叶片衰老之间关系的理想材料。本研究测定秋季爬山虎不同颜色叶片的叶绿素、类胡萝卜素、花色素含量，以及同一阶段的叶片荧光动力学参数和吸收光谱，分析叶片衰老过程中叶绿素与类胡萝卜素和花色素比值变化与叶片荧光动力学参数和吸收光谱的关系，以期为植物秋季叶片衰老速率调控机制提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料为沈阳农业大学校园内(41°49′N，123°34′E)生长的爬山虎。于2016年10月上旬晴天的上午，选取不同枝条上生长一致的绿色、黄色、红色叶片测定吸收光谱、叶绿素荧光动力学曲线，以及叶绿素、胡萝卜素、叶黄素、花色素含量。

1.2 方法

吸收光谱测定：3种颜色的爬山虎叶片各5片，用英国汉莎公司的Unispec-SC单通道便携式光谱仪(PP-Systems)测定吸收光谱。

叶绿素荧光动力学曲线测定：测定吸收光谱后，用叶夹夹住叶片中部暗适应30 min，用英国汉莎公司的植物效率仪(Handy PEA)测定叶绿素荧光参数。饱和脉冲光的光强为 3 000 μmol/(m2·s)，持续时间为1 s。荧光参数Fo为初始荧光，Fm为最大荧光，Fv为可变荧光，Fv/Fm为PSⅡ最大光化学效率，Wk为PSⅡ供体侧伤害指数，ETo/RC为反应中心捕获的用于电子传递的能量，DIo/RC为反应中心的热耗散，RC/CSm为单位面积反应中心的数量(t=Fm)。

光合色素含量测定：将测定吸收光谱和叶绿素荧光参数后的叶片剪下，参考黄秋婵等方法[15-16]，用95%乙醇浸提，测定474、485、645、663 nm下的吸光度，计算叶绿素a、叶绿素b、胡萝卜素、叶黄素含量。花色素含量测定参照桂克印等的方法[17]，用1%的盐酸甲醇浸提，测定530 nm下的吸光度，计算花色素的含量。

1.3 数据分析

荧光参数和吸收光谱使用Microsoft Office Excel与SPSS 17.0进行作图分析。

2 结果与分析

2.1 不同颜色叶片的色素含量比较

从表1可以看出爬山虎3种不同颜色叶片色素含量的差异。绿色叶、红色叶、黄色叶的叶绿素(a+b)含量依次降低，绿色叶与红色叶和黄色叶的含量差异极显著；叶绿素a、叶绿素b含量变化趋势与叶绿素(a+b)含量变化趋势一致，3种叶片间的差异水平也一致。3种叶片中的类胡萝卜素含量依次降低，绿色叶与红色叶和黄色叶的含量差异极显著。3种不同颜色叶片胡萝卜素含量变化与类胡萝卜素含量变化一致，且3种颜色叶片之间差异极显著。绿色叶的叶黄素含量高于黄色叶，三者差异极显著，红色叶的叶黄素含量没有测出。花色素在红色叶中含量最高，绿色叶次之，黄色叶最少，红色叶与绿色叶和黄色叶差异极显著。叶绿素a/叶绿素b、叶绿素(a+b)/类胡萝卜素、叶绿素(a+b)/花色素的比值从大到小分别是绿色叶、红色叶、黄色叶。

表1 爬山虎3种不同颜色叶片的色素含量比较

注：同行数据后不同小写、大写字母分别表示不同颜色叶片差异显著(P<0.05)、极显著(P<0.01)，表2同。

2.2 爬山虎不同颜色叶片的吸收光谱比较

从图1可以看出，爬山虎3种不同颜色叶片吸收光谱存在明显差异。在310～410 nm、710～1 110 nm范围内，爬山虎3种颜色叶片的吸收光谱几乎重合；在410～710 nm范围内，绿色叶吸收光谱的趋势先小幅降低，然后在680 nm处出现峰值，出现峰值后迅速降低；红色叶、绿色叶的吸收光谱趋势基本一致，但在680 nm峰值处，红色叶吸收光谱低于绿色叶；黄色叶的吸收光谱明显低于红色叶和绿色叶。每种色素吸收光的能力不同，其中叶绿素是吸收光能的主要色素，黄色叶明显低于绿色叶和红色叶，说明黄色叶中的叶绿素含量较少。

2.3 不同颜色叶片的叶绿素荧光动力学曲线和参数比较

从图2可以看出，爬山虎3种不同颜色叶片叶绿素荧光动力学曲线存在明显差异。绿色叶片的叶绿素荧光动力学曲线均呈现该曲线的典型特征，O-J-I-P各点非常明显；红色叶片的荧光动力学曲线特征不够明显，除O点比较清晰外，其他各点难以辨认；黄色叶片的荧光动力学曲线特征不够明显，O-J-I-P各点均难以辨认。

从表2可以看出，爬山虎3种不同颜色叶片叶绿素荧光参数存在明显差异。爬山虎叶片的初始荧光(Fo)从红色叶到黄色叶再到绿色叶依次减小，说明PSⅡ反应中心的结构发生变化，色素吸收光能传递给反应中心的效率降低，PSⅡ反应中心活性降低。从绿色叶到红色叶再到黄色叶最大荧光产量(Fm)大幅降低，PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)也呈现依次降低的趋势，且黄色叶与绿色叶和红色叶存在极显著差异，说明随着植物叶片的衰老，光合作用的能量利用效率降低，PSⅡ 活性受到了抑制，与Fo相一致。反应中心的热耗散(DIo/RC)依次升高，说明在叶片衰老过程中单位反应中心有越来越多的能量不用于光反应，而是以其他方式被耗散掉。爬山虎绿色叶片光反应中心用于电子传递的能量(ETo/RC)高于红色叶而低于黄色叶，说明从绿色叶到红色叶光反应中心用于电子传递的能量减少，从绿色叶到黄色叶光反应中心用于电子传递的能量增加，ETo/RC与反应中心的数量有关。单位面积的反应中心数量(RC/CSm)表现为绿色叶最多，红色叶次之，黄色叶最少，表明与绿色叶相比，红色叶的反应中心受伤害程度更深，与红色叶相比，黄色叶的反应中心受伤害程度更深。PSⅡ供体侧伤害指数(Wk)的变化表现为黄色叶最大，红色叶次之，绿色叶最小，表明黄色叶的PSⅡ供体侧伤害程度最深。

表2 爬山虎3种不同颜色叶片的荧光参数比较

3 讨论与结论

由于秋季气温降低，植物光合器和光合酶活性下降[18]，但是此时往往光照充足[19]，使光反应速率与暗反应速率不匹配，结果导致光合器内产生过剩激发能，促进活性氧的产生[20]。在树木等多年生植物秋季叶片中，活性氧的产生一方面启动衰老[21-22]，开始叶片内含物质的分解和向越冬器官的转移[23-24]；另一方面，活性氧产生过多也会导致叶片衰老过快，引起其过早脱落而来不及将可以转移的内含物质全部转移出去[5]，造成光合同化产物质的浪费。因此，调节树木秋季叶片的活性氧数量是控制叶片内含物质转移的关键过程，而且不同颜色的叶片可能具有不同的机制。

在秋季，导致植物叶片颜色变化的主要原因是叶绿素、类胡萝卜素和花色素含量之间的相对变化。本研究中，爬山虎黄色叶片的叶绿素含量在3种颜色叶片中最低，叶绿素与类胡萝卜素的比值约为1，含量最高的色素是花色素，叶绿素与花色素的比值约为0.05。叶片中活性氧主要由叶绿素吸收的过剩光能产生[25-26]，而类胡萝卜素和花色素具有清除活性氧的功能[27-30]。在秋季，黄色叶片的叶绿素含量降低，可见光吸收显著降低，失去荧光动力学曲线的典型特征，活性反应中心数量减少，光化学活性显著降低，表明黄色叶片降低了活性氧的产生能力。相反，类胡萝卜素和花色素含量的相对增加则加强了叶片清除活性氧的能力，从而有利于叶片缓慢有序衰老。本研究结果表明，尽管爬山虎黄色叶片显示为黄色，但清除活性氧的主要色素可能是花色素。

爬山虎红色叶片的叶绿素含量也在非常低的水平上，花色素含量大大超过叶绿素含量，也含有超过黄色叶片的类胡萝卜素，但叶黄素未检出，可见光吸收光谱正常，荧光动力学曲线除O点比较清晰外，其他各点很难辨认，基本上失去其典型特征，尽管光化学活性较高和活性反应中心数量较大，但可能是花色素干扰的结果。表明红色叶片与黄色叶片同样降低了活性氧的产生能力，而且清除活性氧的主要色素是花色素。

爬山虎绿色叶片的叶绿素含量水平较高，类胡萝卜素含量也较高，远大于黄色叶片，花色素含量也高于黄色叶片，可见光吸收光谱与红色叶片相似，荧光动力学曲线O-J-I-P各点非常明显，具有其典型特征，光化学活性较高和活性反应中心数量较大。表明绿色叶片还具有较强的产生活性氧的能力，过多活性氧的清除依赖类胡萝卜素和花色素的共同作用。