土壤酸化对红枫叶片呈色生理的影响

靳慧琴，梁俊林，贾诗雨，肖 欢，唐实玉，冯云超，刘 洋*

（1.四川农业大学林学院生态林业研究所/长江上游林业生态工程四川省重点实验室，成都 611130；2.北京林业大学林学院，北京100083；3.四川省阿坝藏族羌族自治州理县林业和草原局，四川理县 623102）

彩叶植物是以叶色为主要观赏对象的植物[1]，其色彩丰富，观赏期较长，容易形成大片色块、色带等园林景观[2]，不仅可以美化和丰富景观，亮丽的色彩还可以提高人们的视觉享受。彩叶植物的叶色表现是遗传因素和外部环境共同作用的结果，通过改变叶片中各种色素的种类、含量及分布形成多彩的叶色[3]。决定植物叶色的色素主要有叶绿素类、类胡萝卜素类和类黄酮类，不同色素表现不同的颜色，普通叶片呈现绿色是由于叶绿素占主导地位，彩叶植物秋季叶色变红是由于叶片大量合成花色素苷的结果[4-5]。色素含量的变化与植物叶片的酶活性密切相关，如叶绿素酶是参与叶绿素降解的重要组成酶之一，在叶绿素酶促降解代谢的最初步骤中起作用[6]，苯丙氨酸解氨酶是花青素合成途径的第一个酶，催化苯丙烷类代谢第一步反应的酶，苯丙烷类途径可生成一系列中间产物，经过黄酮途径可生成花色素苷[7]。可溶性糖和脯氨酸是植物体内重要的渗透调节物质，可溶性糖既可通过调节植物细胞的渗透势来促进花色素苷的合成，也可作为花色素苷代谢过程中的前体物质[5]，脯氨酸可调节氧化还原反应影响花色素苷含量[8]。光照、温度和土壤条件等环境因子也通过影响色素的合成与积累影响植物叶色[5]，目前有关光照、金属元素等环境因子对彩叶植物呈色生理的研究已有报道[7，9-11]，对在土壤酸碱度方面的研究相对较少，因此，研究土壤酸化对彩叶植物呈色机理的影响具有重要意义。

红枫（Acer palmatum‘Atropurpureum’）为槭树科槭树属鸡爪槭的变种，叶色红艳，树姿优美，是重要的彩叶植物。红枫叶色具有季节变化，早春嫩叶呈鲜红色或紫红色，夏季略转青，秋季又转回紫红色[12-13]，具有较高的观赏价值，广泛应用于园林景观建设及引种栽培。土壤酸碱度是影响红枫引种栽培及叶片呈色的重要环境因子，研究表明微酸性或中性土壤利于彩叶植物叶片呈色，而碱性土壤抑制呈色[3]。植物体内的主要显色物质花色素苷对pH值比较敏感[5]，土壤酸碱度会影响花色素苷的合成与结构，酸性条件可促进花色素苷的形成，且不同的花色素苷种类和数量会表现不同的颜色[14]。对假色槭（Acer pseudosieboldianum）的研究发现土壤酸化处理会影响花青素的合成，引起叶色饱和度和明度的响应从而促进假色槭叶片呈色[15]。但过酸及过碱的土壤环境反而会降低光合色素含量，使生物膜受到伤害，同时保护酶的活性和花色苷含量增加，与自由基反应减轻伤害，渗透调节物质也相应发生改变[16]。亚高山彩叶林是我国西南地区特有的关键生态系统类型之一，是区域特色生态旅游经济的重要基础，但由于工程建设、地质灾害等因素导致彩叶林生态系统严重退化，彩叶植物的引种栽培对其生态恢复和景观重建有重要意义。因此，本研究通过探讨土壤酸化对红枫叶片变色期相关色素含量、酶活性及内含物质等生理指标的影响，为彩叶林的引种栽培及环境因子调控提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

本试验于四川省阿坝藏族羌族自治州理县薛城林场开展。该研究区地处北纬 31°34′271，东经 103°20′401，海拔1 550 m。全年平均气温9℃，最低气温-4℃，最高气温29℃，1月最冷，8月最热。干湿季节分明，年降水量635 mm，在5—10月集中降水，占全年降水量的80%。受西伯利亚西风气流、印度洋暖流和太平洋东南季风3个环流的影响形成季风气候，冬季干燥寒冷，昼夜温差较大。土壤类型为山地灰褐土，呈碱性，植被覆盖率较低[7，9]。

1.2 试验材料及方案设计

选择生长一致，健壮无病虫害的3～4 a生红枫苗木进行盆栽试验，一株一盆，盆土为当地土壤，于大棚养护成活后将盆栽移到林场无遮挡的平整地并进行常规管理。参照高宏梅[17]的盆土酸碱度处理方法，使用pH4柠檬酸缓冲液和pH6柠檬酸缓冲液进行土壤酸化处理，并以清水处理作为对照，每个处理30株红枫。于2018年8月开始进行第1次酸化处理，之后每月定期处理一次，并在每次处理前测量土壤pH值并做记录，酸化处理一直持续至2019年11月，酸化处理前后的土壤pH值变化见表1。分别于2018年9月、10月及2019年10月、11月在红枫叶色明显变化的时候采集叶片进行生理指标的测定，每个处理3个重复。

表1 持续酸化处理过程中土壤的pH变化Table 1 Changes in soil pH during continuous acidification

1.3 生理指标测定

参照已有的生理指标测定方法[7，18-19]，测定植物叶片色素含量（叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和花色素苷）、叶片酶活性（叶绿素酶和苯丙氨酸解氨酶）；内含物质（可溶性糖和脯氨酸）等指标。

1.4 数据统计分析

使用Excel和SPSS软件对数据进行统计分析。采用单因素方差分析检验各指标在同一时间不同处理间的差异显著性，采用独立样本t检验分析各指标在相同处理不同采样时间上的差异。使用Origin2018作图。

2 结果与分析

2.1 叶片色素含量变化

由图1可知，随着采样时间的推移，两个年份红枫叶片的叶绿素和类胡萝卜素含量均呈现降低的趋势，而花色素苷含量显著增加，除了2018年pH6柠檬酸缓冲液处理和2019年pH4柠檬酸缓冲液处理，其余处理的叶绿素a和类胡萝卜素含量随红枫叶色的转变都显著减少；叶绿素b含量表现为仅2019年的pH4处理没有显著降低；两个年份的花色素苷含量在时间上都显著增加，从而引起红枫叶色的转变。对比各采样时间不同处理间可以发现，2018年10月和2019年11月叶绿素a含量差异显著；叶绿素b含量在2018年10月和2019年均差异显著；2018年的2次采样及2019年10月的类胡萝卜素含量没有显著差异；各处理间的花色素苷含量表现为在2018年的2次采样中没有显著变化，但2019年具有显著差异且pH6柠檬酸缓冲液处理的花色素苷累积量最大。

图1 土壤酸化对红枫叶片色素含量的影响（平均值±标准差）Figure 1 The effects of soil acidification on the pigment contents of Acer palmatum‘Atropurpureum’leaves(mean±SD)

2.2 相关酶活性变化

从图2可以看出，随着红枫叶色的转变，叶绿素酶和苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性整体变化不大，其中PAL活性在时间上均没有显著性差异，2018年叶绿素酶表现为pH6酸化处理在时间上显著降低而对照显著升高。对比同一时间不同试验组间可以发现，2018年9月各酸化处理的叶绿素酶活性显著高于对照，由此看出，适当降低土壤碱性可以增加红枫叶片内叶绿素酶活性，从而加快叶绿素的分解；2018年PAL活性在处理间均没有显著差异，而2019年11月pH6柠檬酸缓冲液处理显著高于对照和pH4柠檬酸缓冲液处理。

图2 土壤酸化对红枫叶片相关酶活性的影响（平均值±标准差）Figure 2 The effect of soil acidification on related enzyme activities of Acer palmatum'Atropurpureum'leaves（mean ± SD）

2.3 内含物质含量变化

由图3可知，两个年份各处理的可溶性糖（SS）含量随着采样时间的变化均呈现下降的趋势，而脯氨酸（Pro）含量随着采样时间的推进逐渐累积。对比同一时间不同处理可知，2018年10月pH6柠檬酸缓冲液处理和pH4柠檬酸缓冲液处理的SS含量显著高于对照，2019年11月pH6柠檬酸缓冲液处理组含量高于对照，表明适当降低土壤碱性有利于红枫叶片中SS含量的积累；2年采样中pH6和pH4柠檬酸缓冲液处理的Pro含量均高于对照，但2018年10月和2019年两次采样处理间的差异均不显著。

图3 土壤酸化对红枫叶片内含物质的影响（平均值±标准差）Figure 3 The effect of soil acidification on the content of Acer palmatum'Atropurpureum'leaves（mean ± SD）

3 讨论

3.1 土壤酸化对色素的影响

植物叶色因叶片细胞内色素的种类、含量、比例及分布等差异而产生不同的效果，叶绿素、类胡萝卜素和花色素苷是影响叶色的主要色素[3，16]。土壤pH是影响彩叶植物叶色转变的重要环境因子之一，在土壤酸化过程中色素含量及比例会相应发生变化。本试验中两个年份红枫叶片转色期的叶绿素和类胡萝卜素含量逐渐降低，花色素苷含量显著增加，使红枫叶色变得红艳，这与其他研究结果一致，叶片转变为红色主要是花色素苷大量合成积累，其含量和比例远大于其它色素[16]。与对照相比，两个年份的pH4柠檬酸缓冲液处理延缓了转色期叶绿素含量和类胡萝卜素含量的减少，降低了叶绿素和类胡萝卜素的降解速度，花色素苷含量的积累也相对较少，表明pH4酸化处理不利于红枫叶色呈现。而2019年pH6酸化处理加速了叶绿素的降解，花色素苷的积累量最多，使红枫转色提前，符合微酸性土壤或中性土壤利于彩叶植物叶片呈色的结论[3]，其他研究表明，酸性环境有利于红叶石楠“红罗宾”（Photinia×fraseri‘Red Robin’）花色素苷的合成[20]，酸性土壤可以促进紫花槭（Acer pseudosieboldianum）秋季叶色发生阶段提前[21]，与本研究结果一致。pH4柠檬酸缓冲液处理的叶绿素含量较高，对多叶羽扇豆（Lupinus polyphyllus Lindl.）的研究也表明随着土壤pH的降低叶绿素含量升高[22]，仅叶绿素b在2019年10月显著低于对照，这可能是因为光照、水分等其他环境因子加速了叶绿素b的降解。酸化处理的类胡萝卜素含量均高于对照，表明较低的土壤酸碱度利于类胡萝卜素的积累。花色素苷对pH值比较敏感，唐前瑞等[23]认为pH值不仅影响花色素苷的合成，还会影响其稳定性，随着pH值的增加，花色素苷降解速率常数增大，张冬梅等[24]发现挪威槭（Acer platanoides）叶片中花色素苷的颜色会随着细胞液pH值的升高颜色加深且花色素苷还会被降解，本研究中pH4柠檬酸缓冲液处理下花色素苷的积累量最低，这可能因为其他因素使其合成受到了抑制。

3.2 土壤酸化对相关酶活性的影响

植物体内色素含量的变化与相关酶活性存在联系，叶绿素酶是催化叶绿素分解的第一步酶，使其水解为脱植基叶绿素和叶绿醇的疏水性酶[7]，有研究认为叶片衰老过程中随着叶绿素酶活性的提高叶绿素降解加剧，也有研究发现叶绿素酶活性的提高与叶绿素含量的下降并不完全一致[6]。本研究中2018年pH6和pH4柠檬酸缓冲液处理的红枫叶绿素酶活性较对照高，说明酸化初期对叶绿素酶活性的影响较大，叶绿素降解得更快，进而对叶片红色的显现起到促进作用。随着红枫叶色的转变，两个年份的叶绿素酶活性变化没有明显规律。苯丙氨酸解氨酶是合成花色素苷的关键酶，其活性的降低会影响植物体内花色苷的合成速率和积累，其表达受自身发育和环境因素的双重调控[16]。本试验发现2019年酸化处理的PAL活性随时间逐渐升高，且11月pH6处理的PAL含量显著高于对照，表明适当酸化土壤能促进PAL活性，利于红枫呈色。

3.3 土壤酸化对可溶性糖和脯氨酸的影响

可溶性糖是参与细胞内信号调节和转导过程的重要物质，对植物生长发育的调节以及抵抗能力具有重要作用[25]。SS既可以调节植物细胞的渗透势，促进花色素苷的合成，也可以作为能源物质为花色苷的合成提供碳骨架，促进花色苷的代谢[17]。楚爱香等[26]研究发现SS峰值在花色素苷的峰值前,说明可溶性糖是花色素苷合成的前提物质。吴琰琰等[27]研究表明北美红枫（Acer rubrum L.）整个秋季变色期的可溶性糖质量比呈不断上升趋势，但过量积累可能会抑制花色素苷合成，本试验中两个年份各处理红枫的SS含量随着叶色的转变呈现下降的趋势，这可能是因为糖是花色素苷合成的前体物质，红枫叶色转红时大量合成了花色素苷，消耗了部分可溶性糖[28]，导致SS含量降低。与对照相比，酸化处理的SS含量较高，表明适当降低土壤碱性，更有利于SS含量的积累，对鸡爪槭（Acer palmatum Thunb.）的研究也发现可溶性糖含量在处理过程中基本随酸度的增加而升高[29]，而2019年11月pH4柠檬酸缓冲液处理的SS含量显著降低，不利于花色素苷的合成。Pro能调节细胞的渗透势，防止细胞内相关酶类失活[7]，还可以调节氧化还原反应影响花色苷的含量[8]。研究发现粉红珙桐（Davidia involucrate）叶片中的脯氨酸含量从春季到秋季呈平稳上升趋势[8]，而本试验中两个年份红枫的Pro含量随着红枫叶色的转变逐渐累积，与其研究结果相似。就不同处理间而言，各个采样时期酸化处理的Pro含量高于对照且pH6处理的Pro含量最高，与王一鸣等[30]的土壤酸化促进了叶片中游离脯氨酸增加的研究结果基本一致，可见适当降低土壤碱性可以促进Pro的合成。

4 结论

在本研究中，与对照相比，pH6柠檬酸缓冲液酸化处理加速了红枫叶片叶绿素的降解，增加了花色素苷及可溶性糖含量，提高了叶片的观赏效果，但pH4柠檬酸缓冲液处理不利于叶绿素、类胡萝卜素的降解及花色素苷的合成，从而影响叶片呈色。因此，在当地进行适当的土壤酸化处理利于红枫提前转色，延长观赏期，为红枫的引种栽培及叶色调控提供了理论基础。本盆栽试验在自然环境下进行，光照、温度、水分等其他环境因子会对结果产生影响，且土壤酸碱度会影响植物生长发育和土壤性质，在以后的研究中可以控制相关环境因子，同时测定植物生长特性及土壤理化性质等相关指标，深入对红枫呈色生理的研究。