紫花含笑开花进程中花被生理生化与色素变化1)

余秋岫 刘彩贤 金晓玲 谭殷殷

(中南林业科技大学，长沙，410004)

花衰老是植物花发育的最终阶段，直接影响植物的观赏和经济价值，目前对观赏植物花衰老生理生化研究多有报道，但多集中于鲜切花采后保鲜生理研究，而对鲜花尤其是木兰科植物自然衰老研究较少。萱草[1]、牡丹[2]、荷花[3]花瓣自然衰老生理机制研究表明，活性氧大量积累，膜脂过氧化加剧引起细胞膜损伤是导致植物花期短的主要原因；而醉香含笑[4]花被衰老早期的细胞抗氧化系统在抵御细胞过氧化方面起重要作用，细胞内含物的积累和降解直接或间接影响细胞衰老进程；Dar et al.[5]认为，蛋白质降解是调控石竹花衰老的关键因素；糖质量分数的降低和蛋白酶活性的提高是飞燕草[6]、桂花[7]衰老的主要变化。所以，花衰老是由一系列高度协调且复杂的生理生化变化所介导的[8]。

紫花含笑(Micheliacrassipes)是木兰科(Magnoliaceae)含笑属(Michelia)常绿灌木或小乔木，花色艳丽、花香浓郁，是含笑属中唯一开紫花的植物，常用作杂交亲本进行木兰科植物花色改良，具有较高的观赏价值和科研价值。目前关于紫花含笑的研究主要在孢粉学[9]、开花生物学[10]、杂交育种[11-12]以及繁育技术[13-14]等方面，缺乏关于紫花含笑花衰老的研究。本研究通过对紫花含笑不同花期过程花被片各项生理指标和花色素进行测定，筛选出花被片生理衰老的主要影响因子，从生理生化变化与色素变化的综合角度探讨紫花含笑开花进程中花被片衰老的相关机理，为调控紫花含笑花色观赏，延长自然花期提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料来源于湖南省林业厅木兰科资源圃，选取圃中生境一致的紫花含笑，随机标记5株为一个样本重复。按照花被颜色、形态分为初蕾期、硬蕾期、初开期、盛开期和衰败期5个时期(图1)，各时期试验材料采用3次重复随机取样、平行样测定，测定结果取平均值。

1.2 生理指标测定

各项生理指标测定参照李瑞雪等[15]的方法，花色素质量分数测定参照于娜[16]的方法。花被颜色使用英国皇家园林RHS植物比色卡鉴定。

1.3 数据分析

通过SPSS17.0数据处理实现各花器官的主成分分析方法，将花被12个属性变量降维，用少量主成分来表示，通过计算主成分得分，分析花期衰老过程紫花含笑花被生理生化指标变化的主要影响因子，以及将通过筛选反映衰老的主要因子简洁化[17]。

为探讨花期衰老过程中花被片各生理指标与花色变化的关系，对花青素在花被片衰老过程中与其他10项生理指标进行灰色关联分析，将10项生理指标视为一个灰色系统，以花青素为参考数列(母序列)，10项生理指标为比较数列(子序列)，计算各生理指标与衰老过程中花色变化的关联系数[18]。

2 结果与分析

2.1 紫花含笑花期划分及颜色变化

按照初蕾期、硬蕾期、初开期、盛开期及衰败期5个时期划分(图1)。

初蕾期：花蕾被苞片包裹，内外轮花被片着墨紫色(RHS N79C)，偶有最外一片花被有浅绿纵纹(图1A)；

硬蕾期：花被片突破苞片显露，内外轮花被片均有不同程度着绿色，尤其是外层花被片(RHS N74A)(图1B)；

初开期：外层花被出现松动，花被片均着紫色(色号为RHS N71A)，出现泛白，白点分布于花被片中间位置(图1C)；

盛开期：内外轮花被均展开，花被片深紫(RHS N79C)，偶有外层花被背面有浅白纵纹，雄蕊开裂传粉(图1D)；

衰败期：花被片轻触出现脱落。花被片轮廓有白边围绕(图1E)，花紫色暗淡(RHS N42B)，雄蕊枯萎。

A．初蕾期；B.硬蕾期；C.初开期；D.盛开期；E.衰败期。

2.2 开花进程中花被片细胞膜透性变化

相对电导率从初蕾期到初开期显著下降，盛开期相比初开期显著上升而后衰败期下降，盛开期和衰败期变化不显著(表1)。

相对含水量从初蕾期到初开期没有显著变化，在盛开期明显下降后在衰败期上升(表1)。

2.3 开花进程中花被片渗透调节物质质量分数的变化

可溶性蛋白质量分数随花的开放总体呈上升趋势，在初蕾期质量分数最低，硬蕾期明显上升，初开期无明显变化，盛开期明显上升后至衰败期质量分数再次上升但变化不显著(表1)。

游离脯氨酸质量分数呈先上升后下降的趋势，即初蕾到硬蕾期明显上升，在硬蕾期达到最大值，初开期明显下降，在盛开期无明显变化，衰败期明显下降，质量分数达到最低(表1)。

可溶性糖质量分数在花被中呈总体下降趋势，初蕾期质量分数最高，硬蕾期和初开期均有明显下降，盛开期略有上升但变化不显著，衰败期再次明显下降，质量分数达到最低(表1)。

丙二醛质量摩尔浓度(MDA)总体呈下降趋势，初蕾期质量摩尔浓度最高，硬蕾期和初开期均有显著下降，初开期质量摩尔浓度达到最低，盛开期上升后衰败期下降(表1)。

2.4 开花进程中花被片抗氧化酶活性的变化

超氧化物歧化酶(SOD)活性呈先上升后下降趋势，初蕾期活性最低，硬蕾期显著上升达到最大，初开期显著下降，盛开期和衰败期无显著变化(表1)。

过氧化物酶(POD)活性总体呈下降趋势，初蕾期活性最高，硬蕾期虽有降低但变化不显著，花的开放过程中活性明显下降，衰败期活性最低(表1)。

2.5 开花进程中不同花器官色素质量分数的变化

花色作为观赏植物的主要性状之一，在整个开花过程中色素的逐步降解是植物衰老的最明显特征之一[4，19]，在本试验中也观察到花色的变化，故此进行色素质量分数分析。

花青素质量分数总体呈下降趋势，初蕾期质量分数最高，硬蕾期明显下降，初开期质量分数达到最低，之后变化不显著(表1)。

叶绿素质量分数总体呈下降趋势，与初蕾期相比，硬蕾期质量分数有上升但不显著，初开期明显下降后至衰败期质量分数变化不显著(表1)。

类胡萝卜素质量分数随花的开放呈总体下降趋势，初蕾期和硬蕾期变化不显著，初开期显著下降，盛开期小幅上升，衰败期无明显变化(表1)。

表1 紫花含笑开花进程中花被生理指标及色素质量分数变化

花期超氧化物歧化酶活性/U·g-1过氧化物酶活性/U·g-1·min-1花青素质量分数/mg·g-1叶绿素质量分数/mg·g-1类胡萝卜素质量分数/mg·g-1花青素质量分数/叶绿素质量分数初蕾期(151.25±14.50)c(1668.46±37.37)a (7.76±0.82)a (0.43±0.01)a(0.13±0)a 18.04硬蕾期(857.14±20.42)a(1551.80±54.47)a(5.70±0.31)b(0.51±0.02)a(0.12±0.01)ab11.14初开期(571.97±59.24)b(1094.94±68.83)b(4.06±0.08)c(0.08±0.01)b(0.06±0)c49.51盛开期(661.03±30.21)b(923.33±43.71)bc(4.33±0.01)c(0.05±0.01)b(0.09±0.01)bc78.79衰败期(545.14±46.55)b(758.10±45.84)c(4.58±0.11)bc(0.04±0.01)b(0.09±0.01)bc111.79

花青素质量分数/叶绿素质量分数与叶绿素质量分数变化趋势相反，随着衰败期花青素质量分数的小幅上升以及叶绿素质量分数骤降，比值急剧上升，达到111.79(表1)。花期观察中，花被片从初开期亮紫色至衰败期暗紫色，着色逐渐加深。可见，花青素质量分数/叶绿素质量分数对紫花含笑花色影响显著。

2.6 开花进程中花被片生理衰老相关指标筛选

对紫花含笑花被片在整个花期中各生理指标进行主成分分析，结果见表2。紫花含笑花被片衰老生理指标主成分分析提取了3个主成分。前3个主成分的贡献率分别为56.354%、17.796%和12.603%，累计贡献率已达86.752%，即3个主成分代表了开花进程中11个生理指标86.752%的信息量。

MDA质量摩尔浓度、POD活性、叶绿素质量分数、可溶性糖质量分数、花青素质量分数、类胡萝卜素质量分数和游离脯氨酸质量分数在第1主成分上有较高的载荷，说明第1主成分主要反映了MDA等7个指标的信息；SOD活性和游离脯氨酸质量分数在第2主成分上有较高的载荷，说明第2主成分主要反映了二者的信息；类胡萝卜素质量分数在第3主成分上有较高的载荷，说明第3主成分主要反映了类胡萝卜素质量分数的信息。根据各指标在不同因子上的载荷，可确定丙二醛质量摩尔浓度、POD活性、叶绿素质量分数、可溶性糖质量分数、花青素质量分数、类胡萝卜素质量分数、游离脯氨酸质量分数和SOD活性等8个生理指标为紫花含笑花被片花期衰老生理的主要影响因子。

表2 花被各指标主成分的特征向量及其贡献率

2.7 开花进程中各生理指标与色素变化的关联度

本研究将花被片花青素质量分数与其余10项生理指标设定为一个灰色系统，以花青素质量分数作为参考数列，10项生理指标作为比较数列，分析获得各生理指标与花青素质量分数在花衰老过程中的关联度(表3)。根据关联度分析，生理指标与花青素质量分数变化关联系数排序见表3。

表3 花青素质量分数与其他生理指标的关联度

3 结论与讨论

花瓣衰老的外在表现通常包括花色变化，卷曲，萎蔫和脱落等[20-21]，根据花瓣衰老形态类型分类[22]，紫花含笑衰败期花被花色变浅，脱落但萎蔫不明显，属于初始脱落型，可能与花衰老过程中相对电导率下降和相对含水量比较稳定有关。基于主成分分析方法，结果筛选出丙二醛质量摩尔浓度、POD活性、叶绿素质量分数、可溶性糖质量分数、花青素质量分数、类胡萝卜素质量分数、游离脯氨酸质量分数和SOD活性8个生理指标为紫花含笑花衰老生理变化主要因子。

植物衰老机制有基因的时空调控、营养亏缺理论、植物激素调控理论和氧自由基学说，学界普遍认为，自由基的产生是植物衰老的主要原因[1]，花衰老生理研究表明，可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸等细胞内含物可直接或间接影响开花进程[3-6，23]。MDA质量摩尔浓度、相对电导率、相对含水量是体现植物活性氧自由基引起细胞膜过氧化程度的重要指标[1-2，4]。一些植物花衰老，鲜质量几乎或根本没有损失[5]，与文中含水量几乎不变的结果相似。本试验中，MDA质量摩尔浓度与相对电导率2个指标花期总体均低于蕾期；MDA质量摩尔浓度盛开期高于初开期、衰败期，说明蕾期活性氧自由基积累，膜脂过氧化程度加重，膜透性增大，与之相比花期膜脂过氧化作用出现了缓解，盛开期时有所加重，结果与醉香含笑[4]相反，与保鲜剂作用菊花切花[24]缓解膜脂过氧化结果一致。所以，推测紫花含笑是否含有某种物质与保鲜剂作用相似，在植物花期内起到缓解膜脂过氧化作用。研究表明，细胞内含物的积累和降解直接或间接影响细胞衰老进程[4]，可溶性糖为植物开花提供足够的能量[25]，其质量分数的下降标志着细胞代谢水平的下降[4]；植物衰老时游离脯氨酸质量分数通过积累调节渗透势而维持细胞膜完整[4]，但紫花含笑花期游离脯氨酸质量分数反而下降；SOD活性和POD活性是膜脂过氧化过程中的重要保护酶[18]，在花期呈下降趋势，与醉香含笑[4]相似，说明可溶性糖质量分数、游离脯氨酸质量分数、SOD活性和POD活性对紫花含笑花衰老反映敏感但并不是延缓其花期膜脂过氧化的主要原因。可溶性蛋白质量分数呈上升趋势，有利于调节细胞渗透势和提供能量，与蝴蝶兰[26]、桂花[7]结果相反，而与皱叶烟草[23]开花伴随着可溶性蛋白质量分数的增长，‘青菱红莲’荷花衰败可溶性蛋白质量分数则骤升[3]结果相似；另一方面猜测蛋白质量分数的上升说明植物的开放过程中有新的蛋白合成，这与月季的研究相似[27]，可能与植物抗御衰老的机制有关。

通过试验观察发现，紫花含笑在开花进程中花青素质量分数/叶绿素质量分数在花期开始增大，达到111.79，花色出现明显变化。色素降解在许多植物的花衰老研究中都有报道[21，28-29]，研究显示，花青素果汁模型在贮藏过程中抗氧化能力有较高的稳定性[30]，花青素与类胡萝卜素均具有抗氧化性和清除活性氧的能力[4，31-32]。在紫花含笑花衰老过程中，类胡萝卜素质量分数少，基于灰色关联法发现，花青素质量分数与MDA质量摩尔浓度关联系数最大，达0.967。MDA质量摩尔浓度与花青素质量分数同增共减，且花期花青素质量分数/叶绿素质量分数逐渐增大，可能通过清除活性氧缓解花被衰老。生理活动是高度协调的过程，POD活性介导花青素的合成[33]有所报道，探讨其他生理指标对花青素合成的影响对花衰老研究也极具意义。与醉香含笑花衰老发生的生理机制相似，焦廷伟[4]认为，细胞内含物直接或间接影响衰老。本研究推测，紫花含笑花衰老主要是活性氧自由基增加引起，可溶性蛋白与花青素是影响衰老进程的主要生理因子。

综上所述，紫花含笑花衰老主要表现为花被脱落不萎蔫，活性氧自由基积累是紫花含笑发生花衰老生理的重要原因，可溶性蛋白质量分数增加与花青素降解可能是紫花含笑调控自然花期的主要生理因子，但二者对开花进程具体抗氧化能力有待深入研究，其他生理因子对花青素合成中的作用也有待揭示。