遮荫对4种鸭跖草科植物叶色和生理特性的影响

肖 冰，王 宁，邓 磊，孙延军，郭 微，丁明艳

（仲恺农业工程学院园艺园林学院，广州 510225）

彩叶植物因观赏价值较高日益受到关注。其叶片色彩形成与叶绿素、类胡萝卜素和花青素等天然色素含量变化直接相关。花色素苷对叶片呈紫红色贡献最大[1]。花青素作为花色素苷前体物质极不稳定，易受光照、温度、水分等环境因子影响，常与糖基结合生成花色素苷，属于类黄酮次生代谢物[2]。此外，花色素苷在植物抵抗低温、干旱、盐胁迫和低氮等非生物胁迫下增强植物抗逆能力发挥重要作用[3]。

光照在植物生长发育过程中发挥重要作用，是影响植物叶片变色主要因素[4]。肖婷婷等发现美国红枫幼苗叶片在100%自然光条件下呈鲜红色，但75%光照下叶色变化缓慢，观赏性不佳[5]；“红叶”南天竹叶色变化研究中发现，遮荫对“红叶”南天竹叶片色素含量及比例影响明显，花色素苷/叶绿素是决定“红叶”南天竹叶色变化直接因素[6]；崔晓静等发现全光照条件有利于红叶石楠叶片可溶性糖、花色素苷积累和苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性提高[7]。

鸭跖草科植物具有叶色丰富，植株低矮，抗逆性强等优势，目前在华南地区地被花卉园林景观中应用广泛。其中假紫万年青、细竹蒿草、牛轭草和铺地锦竹草等鸭跖草科植物因观赏性高，生长迅速，耐粗放管理等特点成为当前潜在可开发应用的新型屋顶绿化植物[8]。

在引种驯化过程中发现，部分鸭跖草科植物种类在高光、干旱环境下叶色变成紫红色或深红色，在遮荫条件下叶片呈绿色。表明不同鸭跖草科植物在响应不同环境因子条件下叶色生理变化特征存在差异。本试验选择假紫万年青、细竹蒿草、牛轭草和铺地锦竹草4种鸭跖草科植物作为试验材料，设置不同梯度遮荫处理，测定包括光合色素含量、花色素苷含量、相关酶活性及其他相关逆境生理指标，探讨4种鸭跖草科植物对不同光环境适应机制及其叶片呈色差异与机理，为鸭跖草科植物在园林植物配置应用中提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取假紫万年青、细竹篙草、牛轭草、铺地锦竹草4种鸭跖草科植物作为试验材料，在相同环境下栽培与养护。

1.2 试验场所

试验地点为仲恺农业工程学院海珠校区科学楼试验大棚（23°06′32.54″N，113°16′37.61″E），棚内温度为27~29℃，湿度保持80%~90%，通风良好，透光不透雨。

1.3 试验设计

供试植物材料来源于仲恺农业工程学院科研引种试验区。将假紫万年青、细竹篙草、牛轭草、铺地锦竹草剪取5~7 cm且至少含2个茎节插穗，将其扦插于18 cm×22 cm塑料花盆中，每3个插穗为1盆，均匀种植，采用泥炭土：珍珠岩为2：1的混合基质。

该试验选择3针遮阴网对植物材料作遮盖处理，高度为植株上方10 cm处。每种植物设置CK（全光照，透光率100%）、1C（一层遮荫，透光率76.3%）、2C（二层遮荫，透光率35.3%）、3C（三层遮荫，透光率11.8%）共4个处理，每个处理每种植物设置3次重复，4种植物共计种植48盆。插穗种植于盆中，正常养护10 d，待植株扦插成活后将试验植株放置于遮阴网下方，期间每隔2 d浇水1次，每盆浇水量200 mL。放置遮阴网30 d后将植物取出，用于测定相关指标。

1.4 指标测定方法

花色素苷含量采用宋莉英等方法测定[9]；叶绿素和类胡萝卜素含量参考齐睿方法测定[10]；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氯化硝基四氮唑蓝（NBT）光还原法测定，过氧化物酶（POD）活性采用愈创木酚法测定，过氧化氢酶（CAT）活性采用紫外吸收法测定[11]；苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性采用唐前瑞等方法测定[12]，查尔酮异构酶（CHI）活性采用Lister等方法测定[13]；可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定[11]；可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250染色法测定[11]；丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法测定[11]。每个指标重复5次。

1.5 数据统计与分析

利用Excel 2013和SPSS 17.0软件对试验数据作相关分析和作图。

2 结果与分析

2.1 遮荫处理对4种植物叶色变化的影响

结果如表1所示。

表1 遮荫处理下4种鸭跖草科植叶片颜色的变化Table 1 Change of leaf color of four species of Commelinaceae under shading treatment

由表1可知，CK处理水平下，假紫万年青、细竹篙草叶表及叶背颜色均为红色，而牛轭草、铺地锦竹草叶表及叶背均为绿色。假紫万年青及细竹篙草随遮荫程度提高，叶片颜色逐渐由红色转为绿色，牛轭草和铺地锦竹草叶色则由绿色逐渐转为黄绿色。

2.2 遮荫处理对4种植物叶片色素含量的影响

由图1A可知，全光照下，假紫万年青和细竹篙草花色素苷含量较高，分别为27.33和35 μmol·g-1，而牛轭草、铺地锦竹草花色素苷含量均在0.67 μmol·g-1左右。随遮荫程度增加，假紫万年青、细竹篙草花色素苷含量显著下降，在3C处理下分别降至1.67和3 μmol·g-1；遮荫条件下，牛轭草、铺地锦竹草花色素苷含量变化小，且在4个处理下均较大幅度低于假紫万年青和细竹蒿草，尤其是CK处理水平。由图1B可知，遮荫条件下，4种鸭跖草科植物叶绿素a+b含量均显著上升，其中假紫万年青、细竹篙草叶片叶绿素a+b含量在3C处理下升至最高，分别为12.09和11.58 mg·g-1。牛轭草、铺地锦竹草在2C处理下叶绿素a+b含量最高，分别为13.03和11.47 mg·g-1。遮荫条件下，假紫万年青、细竹蒿草类胡萝卜素含量未发生显著变化，牛轭草、铺地锦竹草类胡萝卜素含量则呈显著上升趋势（见图1C）。

图1 遮荫处理下4种鸭跖草科植物花色素苷、叶绿素a+b和类胡萝卜素含量变化Fig.1 Change of anthocyanin,chlorophyll a+b and carotenoid content of four species of Commelinaceae under shading treatment

2.3 遮荫处理对4种植物抗氧化酶活性的影响

由图2A可知，遮荫条件下，假紫万年青、细竹篙草POD活性显著下降，3C处理下POD活性最低，与对照相比分别下降59.40%和59.49%。牛轭草、铺地锦竹草POD活性呈先升后降趋势。与对照相比，在3C处理下，牛轭草、铺地锦竹草POD活性分别下降30.41%和10.65%。表明在弱光环境下，4种鸭跖草科植物POD活性可能受到抑制。由图2B可知，遮荫条件下，4种鸭跖草科植物SOD活性均显著下降。假紫万年青、细竹篙草在3C处理下SOD活性最低。牛轭草、铺地锦竹草分别在2C和1C处理下SOD活性最低。之后随遮荫程度增加，SOD活性均呈上升趋势。由图2C可知，随遮荫程度提高，4种鸭跖草科植物CAT活性均显著下降，3C处理下降至最低，与对照相比，假紫万年青、细竹篙草、牛轭草、铺地锦竹草CAT活性降幅分别为65.5%、41.4%、64.5%和55.6%。

图2 遮荫处理下4种鸭跖草科植物过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性变化Fig.2 Change of peroxidase,superoxide dismutase and catalase activities of four species of Commelinaceae under shading treatment

2.4 遮荫处理对4种植物花色素苷相关酶活性的影响

由图3A可知，正常光照条件下，细竹篙草PAL活性最高，为2.83 μg·min-1，假紫万年青PAL活性为2.3 μg·min-1，另外2种植物PAL活性相对较低，约1 μg·min-1。随遮荫程度提高，4种植物PAL活性均显著下降。与对照相比，假紫万年青、细竹篙草、牛轭草、铺地锦竹草PAL活性下降幅度分别为66.7%、65.2%、76.8%和69.8%。由图3B可知，正常光照条件下，细竹篙草和假紫万年青CHI活性较高于另外2种植物。遮荫条件下，4种鸭跖草科植物CHI活性均显著降低。3C处理与CK相比，假紫万年青、细竹篙草、牛轭草、铺地锦竹草CHI活性下降幅度分别为63.34%、58.81%、69.79%和84.33%，表明光强增加可有效诱导CHI活性上升。

图3 遮荫处理下4种鸭跖草科植物苯丙氨酸解氨酶（PAL）和查尔酮异构酶（CHI）活性变化Fig.3 Change of phenylalanine ammonia-lyase and chalcone isomerase activities of four species of Commelinaceae under shading treatment

2.5 遮荫处理对4种植物渗透性调节物质含量的影响

由图4A可知，在全光照条件下，4种植物中牛轭草、铺地锦竹草MDA含量最高。遮荫条件下，4种鸭跖草科植物MDA含量均呈下降趋势，除牛轭草在3C处理下MDA含量高于2C处理外，其他3种植物MDA含量均随遮荫程度提高，MDA含量逐渐减小。由图4B可知，假紫万年青和细竹蒿草在全光照条件下其叶片可溶性糖含量高于牛轭草和铺地锦竹草。遮荫条件下，4种植物可溶性糖含量均显著下降。由图4C可知，全光照条件下，4种植物叶片可溶性蛋白含量约75 mg·g-1。遮荫条件下，4种鸭跖草科植物叶片可溶性蛋白含量无显著变化，表明光照强弱对这4种植物可溶性蛋白含量无显著影响。

图4 遮荫处理下4种鸭跖草科植物丙二醛(MDA)、可溶性糖和可溶性蛋白含量变化Fig.4 Change of malondialdehyde，soluble sugar and soluble protein content of four species of Commelinaceae under shading treatment

2.6 遮阴处理下4种植物花色素苷含量与其他生理指标之间相关性分析

相关性分析表明（见表2），假紫万年青花色素苷含量与3种抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性、CHI活性、可溶性糖含量呈显著正相关，与MDA含量呈极显著负相关；与叶绿素含量呈显著负相关；细竹篙草花色素苷含量与POD活性、SOD活性呈极显著正相关，与CAT活性、PAL活性、CHI活性、可溶性糖含量呈显著正相关；与叶绿素含量、MDA含量呈显著负相关。牛轭草及铺地锦竹草花色素苷含量与其他生理指标均无显著相关性。

表2 遮荫处理下4种植物花色素苷含量与其他生理指标之间相关性Table 2 Correlation between anthocyanin content of four plants and other physiological indicators under shading treatment

3 讨论与结论

叶片中色素比例和种类变化是彩叶植物呈现色彩的直接原因[14]。本试验结果表明，随遮荫程度提高，假紫万年青、细竹蒿草花色素苷含量显著下降，叶绿素含量显著上升，类胡萝卜素含量无明显变化，叶片颜色由红色变成绿色，与田野等对紫叶李研究结果一致[15]。遮荫条件下，植物体内花色素苷与叶绿素含量呈负线性相关，通过降解花色素苷含量，促进叶绿素合成，改变叶绿素与花色素苷含量比例与分布，更好捕获光能，以适应弱光环境。牛轭草、铺地锦竹草在遮荫条件下其花色素苷含量无显著变化，叶绿素含量呈先升后降趋势，与遮荫条件下对松叶百合研究结果一致[16]。牛轭草、铺地锦竹草在遮荫条件下类胡萝卜素含量不断上升，叶片颜色由绿色变成黄绿色，与前者对各种光环境的适应机制不同。张琰等试验结果表明，“血红鸡爪槭”随光照减弱，其叶绿素和类胡萝卜素含量逐渐上升，光照过低时，则下降[17]。可能与弱光不利于光合作用导致光合色素下降有关。本试验中，因牛轭草、铺地锦竹草叶片中类胡萝卜素相对稳定，对光照敏感性较弱，类胡萝卜素仍呈上升趋势，且类胡萝卜素既是光合色素，又是内源抗氧化剂，有收集和传递光能作用[18]。在弱光胁迫下，提高类胡萝卜素含量，有利于对可见光吸收，把光能传递给叶绿素，提高光合速率，促进光吸收和光保护作用[19]。牛轭草和铺地锦竹草叶片呈色与花色素苷含量无关，而假紫万年青、细竹蒿草叶片呈色则与花色素苷含量显著相关，在全光照条件下，花色素苷含量处于最高水平，叶片为红色。光照强度增加，可促进花色素苷合成，抵御高光胁迫[19]。

在逆境条件下，植物体内产生大量自由基和活性氧，严重损伤细胞结构。保护酶系统包括SOD、POD、CAT等是植物免受伤害或增强抗性的重要原因之一。SOD是第一道防线，主要是催化两个超氧自由基Q2-、OH-发生歧化反应形成O2和H2O2，而POD和CAT具有清除H2O2的作用，三者协调一致，使自由基维持在低水平[20]。本试验中，随遮荫程度加强，假紫万年青、细竹篙草POD、SOD活性受到抑制，均显著降低；牛轭草及铺地锦竹草POD活性先升后降，SOD活性先降后升；而4种植物CAT活性均呈下降趋势，反映出3种抗氧化酶间协调作用。牛轭草、铺地锦竹草SOD活性在遮荫后期略升，可能是发生弱光胁迫，植物体内活性氧上升，激发SOD活性，提高其抗逆能力。与全光照相比，在遮荫条件下，随透光率减小，4种鸭跖草科植物叶片中保护酶活性显著降低，与季本华等研究结果一致[21]。

丙二醛（MDA）是反映膜脂过氧化作用的重要指标，其含量反映膜系统受损伤程度[22]。不同遮荫处理下，假紫万年青、细竹蒿草的MDA含量整体上低于牛轭草和细竹蒿草，呈下降趋势。全光照条件下，牛轭草和铺地锦竹草MDA含量维持在最高水平；在3C处理下（透光率11.8%），牛轭草MDA含量显著上升，为弱光胁迫所致，二者在CK处理下也受强光胁迫。

花色素苷合成途径属于类黄酮代谢途径，是植物重要次生代谢途径，其中苯丙氨酸裂解酶（PAL）和查尔酮异构酶（CHI）在花色素苷合成中起重要作用。本试验表明，假紫万年青、细竹篙草的PAL、CHI活性显著高于牛轭草、铺地锦竹草，与花色素苷含量呈正相关。路买林等认为，CHI对花色素苷合成有一定作用，而PAL对其无显著影响[23]；梁玲等认为CHI和PAL均对花色素苷合成有影响[24]；王惠聪等认为PAL、CHI与花色素苷合成并非直接相关[25]。关于PAL、CHI与花色素苷关系仍存争议。假紫万年青PAL活性在3C处理下略上升，说明其活性与花色素苷含量并非简单线性关系，即花色素苷在降解过程中，PAL在遮荫后期活性增加，但未对其含量产生影响。而在北美豆梨叶色研究中，PAL酶活性在变色初期始终保持较高水平，在变色后期花色素苷大量合成时，呈下降趋势[26]。说明假紫万年青PAL酶可能不是花色素苷合成关键酶。

糖是花色素苷合成前体物质，也是花色素苷分子结构组分之一。崔舜和吴驭帆等均认为可溶性糖与花色素苷合成相关[27-28]。本研究结果与上述发现一致。随遮荫程度加重，假紫万年青、细竹蒿草花色素苷含量不断下降，可溶性糖含量呈下降趋势。可溶性糖是植物光合作用产物，弱光条件下，可溶性糖合成速率降低。遮荫条件下，牛轭草、铺地锦竹草可溶性糖含量呈下降趋势，与青花菜研究结果一致[29]。此外，可溶性蛋白与花色素苷合成有关[30]，但在本试验中，4种鸭跖草科植物可溶性蛋白含量在不同遮荫处理下均无显著变化，与花色素苷含量无显著相关性。

本研究中，假紫万年青、细竹蒿草花色素苷含量与保护酶活性呈显著正相关，与MDA含量呈极显著负相关；牛轭草、铺地锦竹草花色素苷含量则与其他生理指标均无显著相关性。由上述指标可知，花青素植物假紫万年青、细竹蒿草在抗高光和耐荫阴能力均优于牛轭草和铺地锦竹草。