6个紫薇品种叶片色彩变化及其与色素含量的相关性

邵雯雯，何 钢，乔中全，曾慧杰，蔡 能，石炳霖

(1.中南林业科技大学 生命科学与技术学院，湖南 长沙 410004；2.湖南省林业科学院 林木无性系育种湖南省重点实验室，湖南 长沙 410004；3.长沙市木本花卉工程技术研究中心，湖南 长沙 410004)

紫薇(Lagerstroemiaindica)是千屈菜科(Lythraceae)紫薇属(Lagerstroemia)落叶小乔木[1]，具有花繁色艳、花色多变、花期长等特点，紫薇花开在夏季少花的季节,具有树姿优美、花色艳丽、花期长、抗污染等优点,集形态美、色彩美和风格美于一身,在园林绿化中应用广泛[2]，研究表明,紫薇叶片色素的种类、比值及分布决定了叶片的呈色[3]。当前，国内外关于紫薇的研究主要集中在育种、抗病性、药用价值等方面，对叶色变化少有深入研究[4-6]，仅查阅到王淑安等[7]和王莹等[8]关于紫薇叶色的变异机制相关研究报道，宋倩等[9]对3种美国紫薇的叶色变化研究以及乔东亚等[10]光照对紫薇叶片的影响，为紫薇优良彩叶品种选育及其园林栽培配置提供理论依据[11]，针对紫薇叶片在生长中的叶色变化规律特征，以及色彩参数与色素含量相关性研究并不多见。因此，本研究通过‘紫精灵’(L.indica‘Zi Jingling’)、 ‘红火箭’(L.indica‘Red Rocket’)、‘紫莹’ (L.indica‘Zi Ying’)、‘赤红’ (L.indica‘Ebony Fire’)、‘丹红’ (L.indica‘Ebony Embers’)、‘玲珑红’ (L.indica‘Ling Longhong’)6个湖南省试验林场的紫薇品种作为试验材料，对其嫩芽、幼叶、新叶时期的叶片，进行了色彩参数明度(L*)、红度(a*)、黄度(b*)的测定和分析；并测定每个时期叶片中叶绿素、类胡萝卜素和花色素苷的含量，与其色彩参数进行相关性分析，揭示色素含量对紫薇叶色变化的影响，为提升紫薇景观价值的研究利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料为湖南省林业科学院试验林场紫薇种质资源圃内(28°07′5.83″N,113°03′31.36″E)的6个紫薇品种，分别为 ‘紫精灵’‘红火箭’‘紫莹’‘赤红’‘丹红’‘玲珑红’，选取生长健壮、无虫害、长势相同、苗高50 cm左右的1年生扦插苗。

1.2 试验方法

采集新鲜的紫薇叶片，3月20日首次采样测定，以后每隔20 d测定一次，采样时间为9:00，随机选择树冠南向的健康叶片，采后立即放入冰盒内带回实验室测定各指标，每个指标的测定3次重复。

1.3 叶片颜色观测

擦净叶片表面，在室内自然光下与RHSCC(royal horticultural society colour chart,英国皇家园艺学会比色卡)进行颜色对比[12]，待测样品对准色卡圆孔[13]，记录与叶色相对应的色卡颜色。

1.4 仪器和试剂

主要仪器：可见-紫外分光光度计(型号：TU-1800SPC) ;pH计(型号：Mettler Toledo FE20Five Easy)；匀浆机；3nh分光测色仪NS800,试验所涉分析纯采购于Sigma公司。

1.5 测定指标

1.5.1 叶色参数测定 用3nh分光测色仪NS800测定叶色。测量孔径分别为4 mm和8 mm，室内操作以排除外界光源的干扰。测定叶片与叶脉上的4个点，分别记录色彩参数明度(L*)、红度(a*)、黄度(b*)。

1.5.2 叶片光合色素测定 叶绿素含量的测定参照王莹等[14]的方法。

1.5.3 花色素苷含量等测定 花色素苷含量的提取参照崔舜等[11]方法制备和测定。

1.6 数据分析

用Excel 2007对原始数据进行初步整理后用统计软件SPSS 21.0进行相关性和显著性分析。

2 结果与分析

2.1 紫薇叶片颜色变化

观察图1可知，‘紫精灵’和‘玲珑红’嫩芽时期分别呈现为黄绿色、灰绿色，‘红火箭’在幼叶时期是由红色逐渐转变为绿色，幼叶期为转色期，3个紫叶品种在整个周期内大都呈现出暗灰紫色和深紫色。结合图表可知，在同一生长周期内，不同的紫薇品种间色彩参数差异显著。对6个紫薇品种叶片的色彩特性进行对比分析，发现在生长周期内，紫薇品种叶片明度L*变化不明显，故对a*和b*进行分析比较。在嫩芽时期，紫叶品种和绿叶品种的紫薇表现出差异性，‘紫精灵’‘玲珑红’皆呈现出绿色，而‘红火箭’为红色，其a*最大为8.7，‘紫精灵’a*仅次于‘红火箭’为8.43，而‘玲珑红’在此时期的a*最小，为-2.37，表明不同紫薇品种在同一时期具有个体差异性，其中紫叶品种‘赤红’的a*最小，‘丹红’的b*最小，表明a*可作为紫薇叶色呈现的主要值，b*是紫薇叶色变化的辅助值。在幼叶时期，‘紫精灵’‘红火箭’‘玲珑红’3个品种叶片a*在-4.91～0.51，b*在7.02～9.81，且随着试验阶段的变化，b*远远大于a*，即叶片的红色渐退，呈现黄绿色。‘紫莹’‘丹红’‘赤红’3个品种的a*在0.79～3.1，b*在2.01～4.37，表明紫叶品种的a*和b*小于绿叶品种，则其叶片色彩鲜艳程度较低，其叶片以深紫色为主。在新叶时期，‘紫精灵’‘红火箭’‘玲珑红’3个品种红绿色相a*在-6.76～-3.75，黄绿色相b*在8.24～21.24，即a*较低，b*较高，叶片呈现绿色。‘紫莹’‘丹红’‘赤红’3个品种a*在0.47～1,b*在0.43～1.28，即a*和b*越低，叶片色彩鲜艳程度越低。

图1 6个紫薇品种叶片发育过程中叶片颜色的变化

表1 6个紫薇品种的RHSCC色卡测量值

2.2 不同时期叶色参数规律变化

从图2A中可以看出，随着试验阶段的变化，不同紫薇叶片的明度变化幅度不大，表现较为稳定，其中‘紫精灵’‘红火箭’明度变化幅度较小，稳定性较好，而‘紫莹’‘丹红’‘赤红’3个品种均表现为幼叶时期明度增加，新叶时期明度呈显著降低趋势，‘玲珑红’明度显著增加。

注：图2A表示L*变化，图2B表示a*变化，图2C表示b*变化。短栅上不同小写字母表示同一品种于不同发育时期在P<0.05水平差异有统计学意义，下同。

由图2B可知，6个紫薇品种叶片的a*差异明显，且在各自的生长周期中，红绿色相a*均呈现下降的趋势，其中在幼芽时期‘紫精灵’‘红火箭’‘玲珑红’3个绿叶品种的a*均比紫叶品种紫薇高，而随着叶片的生长，紫精灵’‘红火箭’的a*随着试验阶段的变化大幅度降低，并于新叶时期表现为负值，即叶片的红色程度大幅度下降，绿色程度显著增强，表明在生长过程中由嫩芽时期的红色转变为新叶时期的绿色，‘紫莹’‘丹红’‘赤红’3个紫叶品种的a*变化幅度不明显，且a*均为正值，说明其红色程度强于绿叶品种由图2C可以看出，6个紫薇品种除了‘紫莹’和‘赤红’以外其余皆表现为显著性差异，不同品种的b*差异变化各不相同，‘紫精灵’‘红火箭’‘玲珑红’b*3个时期内均为正值，且远远高于紫叶品种，表明其绿色程度强于紫叶品种。

2.3 6个紫薇光合色素含量(质量分数，下同)规律变化分析

不同紫薇品种的叶片不同生长时期的叶绿素含量不同。6个品种在嫩芽和幼叶时期色素含量变化明显，新叶时期呈现大幅度的增加，其中3个绿叶品种的叶绿素含量上升幅度最大。由图3看出叶绿素含量与生长时期呈现显著正相关。叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素色素含量变化总体呈上升趋势。

注：图3A为叶绿素a含量变化，图3B为叶绿素b含量变化，图3C为叶绿素总含量变化，图3D为类胡萝卜素含量变化,图3E为类胡萝卜素与叶绿素含量比值，图3F为叶绿素a与叶绿素b含量比值。

不同的紫薇叶片中叶绿素和类胡萝卜素含量均逐步上升，受试单株叶绿素含量和类胡萝卜素含量均表现为紫叶品种>绿叶品种。

幼叶时期，绿叶品种‘紫精灵’叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总含量和类胡萝卜素含量分别上升了0.17%、-20.61%、-4.67%和2.37%，紫叶品种丹红叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总含量和类胡萝卜素含量分别上升了33.67%、24.23%、31.31%和34.42%。在新叶时期，绿叶品种 ‘紫精灵’叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总含量和类胡萝卜素含量分别上升了46.39%、54.77%、49.87%和44.12%，紫叶品种‘丹红’叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总含量和类胡萝卜素含量分别上升了14.8%、24.6%、17.5%和7.26%。

综合比较叶片色素含量变化及其规律，在整个试验阶段，绿叶品种的叶绿素和类胡萝卜含量上升幅度最大，紫叶品种叶绿素和类胡萝卜含量上升幅度最小。因此，对于不同紫薇品种来说，叶色并不是由叶绿素含量决定的，而是由类胡萝卜素、叶绿素a和叶绿素b共同决定。

‘紫精灵’‘丹红’‘赤红’的比值随着时间的推移变化趋势相同，呈现为先升高后降低，Chla/Chlb值除赤红品种表现差异显著以外，其余品种均差异不明显。‘红火箭’和‘玲珑红’的类胡萝卜素和花色素苷含量比值均呈明显的差异变化，在嫩芽时期达到最高值，分别是幼叶时期的1.87倍和1.37倍，具有显著性差异。相对来说，绿叶品种较紫叶品种的比值变化波动明显，紫叶品种相对表现平稳。其中‘紫精灵’‘玲珑红’随着时间的变化，类胡萝卜素与叶绿素比值显著降低。表明随着叶片的生长，叶绿素对叶色的调控起到主要作用，而类胡萝卜素起辅助性作用。

2.4 6个紫薇品种叶片花色素苷含量分析

6个品种紫薇的花色素苷含量随着时间的变化而增加，呈现先下降再上升的趋势，‘紫精灵’‘红火箭’‘玲珑红’的花色素苷含量未发生显著性变化，表明花色素苷在调控紫薇叶色中起重要的作用。紫叶品种的花色素苷含量呈显著性增加，且‘赤红’的花色素苷含量最高，其次是‘丹红’和‘紫莹’。在新叶时期，‘紫莹’‘丹红’‘赤红’分别增加了21.04%、42.37%和63.56%，而‘紫精灵’‘红火箭’‘玲珑红’分别增加了-11.88%、15.68%和27.49%，整体而言紫叶品种的花色素苷含量大幅度高于绿叶品种。

综合分析比较6个品种紫薇的色素苷含量变化，绿叶品种的色素苷增量幅度较高，而紫叶品种的花色素苷含量增长幅度较高，并具有显著性差异，表明花色素苷含量在紫薇叶片颜色变化中产生很大的影响。

2.5 6个紫薇品种色彩参数与色素含量的相关性分析

为研究紫薇叶片色素含量对其叶片颜色的影响，将6个紫薇品种叶片色彩参数和叶绿素含量、花色素苷含量、类胡萝卜素含量进行相关性分析，从表可以看出‘紫精灵’‘红火箭’‘玲珑红’总叶绿素含量与a*负相关，而其余3个紫叶表现相反，‘丹红’叶绿素a含量与a*显著正相关，表明紫薇叶片的叶绿素含量对其红绿色相呈现具有正向作用。叶片的类胡萝卜素与a*在紫叶与绿叶紫薇中表现不同，在绿叶紫薇中，类胡萝卜素含量与a*呈现正相关，而紫叶紫薇中则为负相关，由此表明，叶绿素和类胡萝卜素同时对叶片的颜色产生了影响，并且这两者起到的作用相反。绿叶紫薇花色素苷含量对a*呈显著负相关：其中‘红火箭’的花色素苷含量与a*呈现显著负相关(P<0.05),‘紫精灵’的花色素苷含量与a*呈极显著负相关(P<0.01)，紫叶紫薇的花色素苷含量与a*呈现为正相关：‘丹红’与其为显著正相关，而‘赤红’为极显著相关。由表可以看出，3个绿叶紫薇品种的叶绿素含量和类胡萝卜素含量与其b*呈现显著负相关或极显著负相关：‘紫精灵’的总叶绿素含量与b*为显著负相关，‘红火箭’则为极显著负相关。色彩明亮程度对紫叶紫薇品种影响较大，从表得出，叶绿素含量、类胡萝卜素含量在紫叶紫薇品种均表现为显著正相关。综上所述，6个紫薇品种的叶片颜色受叶绿素、花色素苷、类胡萝卜素共同影响。

图4 为6个紫薇品种在不同时期下的花色素苷含量动态变化

3 结论与讨论

3.1 结论

研究表明不同品种的紫薇叶色，其色素含量及色彩参数也不相同，杨小鑫[35]等的研究结果表明色素类型和含量是影响植物叶色的最主要和最直接的因子，其中3个绿叶紫薇品种‘紫精灵’‘玲珑红’‘红火箭’叶绿素的合成主要参与调控叶色的变化，类胡萝卜素起辅助作用，而在紫叶品种的紫薇则相反。对紫薇叶色参数与叶片色素含量相关性分析中发现，花色素苷含量和a*呈显著正相关，紫叶紫薇的呈色要受叶绿素和类胡萝卜素、花色素苷大量合成影响，花色素苷含量对紫叶呈色起主导作用。

3.2 讨论

3.2.1 6个紫薇品种的叶片色素含量生长变化特征 我国彩叶植物资源丰富，种类繁多，在园林景观的诸多构成要素中，植物占据着重要地位[15]。彩叶植物具有鲜艳动人的色彩[17]，园林应用最多的是常色叶植物[16]，园林植物的色彩在园林中是第一性的[18]，彩叶植物呈现彩色的直接原因就是叶片中的色素种类和比例发生了变化[19]，叶色变化的直接原因是叶绿素、类胡萝卜素和花色素苷含量的时空分布变化[20]，植物叶片色素组成是决定颜色的重要因素[21]，不同彩叶植物表达机理可能有所不同[22]，本研究采用了3个生长时期6个紫薇品种并测定了叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和花色素苷等色素含量，研究发现其中绿叶品种从幼叶至新叶转变过程中，叶绿素含量显著增加，测定期间6个紫薇品种叶绿素a、叶绿素b与总叶绿素含量的动态变化趋势相似，均呈现上升的趋势，这与崔舜等[11]对紫薇叶色变化研究结果一致。叶片中色素含量的变化是造成植物叶片颜色差异的直接原因[23]，类胡萝卜素在绿叶和紫叶品种中的表达具有显著性差异。叶绿素不能直接决定叶片颜色变化[24]，类胡萝卜素在调控紫薇叶片颜色的变化中也起重要的作用，而在花色素苷含量的分析比较中[25]，紫叶品种和绿叶品种表现出显著性差异，李云飞[26]在彩叶植物组织的解剖研究中发现,花色素苷在植物细胞中的分布也是造成叶片呈色差异的因素之一[27]，叶色是多种因素综合影响的结果[28]，这与冯露等[29]研究结果一致，因此，花色素苷、类胡萝卜素、叶绿素的合成与紫薇叶片颜色变化有重要关系，叶绿素决定紫薇叶片基调色[30]，而类胡萝卜素和花色素苷是调控叶片由绿色转变成紫色的重要因素，彩叶植物的色彩变化受色素含量影响，齐睿等[31]对红叶石楠叶色转变的研究表明叶绿素含量占主导,叶片始终呈现出绿色，如果非绿色色素含量发生变化,引起了色素含量比例的变化,则会呈现出五彩斑斓的叶色，与本研究结果相似。

表2 紫薇叶片色彩参数与色素含量变化的相关性

3.2.2 6个紫薇品种的叶色参数与叶色色素含量相关关系 研究表明，彩色植物叶色参数与色素种类及含量存在相关关系，但不同植物的叶色参数与其含量变化表现不相同。在本研究中，3个绿叶紫薇和3个紫叶紫薇的叶片色素含量变化与L*、a*、b*呈现出一定的相关性。其中紫叶紫薇的a*与花色素苷含量呈正相关，表明花色素苷含量越高，a*越大，与韩文学等[30]对海棠的叶片色彩变化和朱书香等[27]对紫叶李、紫叶矮樱、黑杆樱李和美人梅4种彩叶植物叶色和色素的关系研究结果相似。新叶时期，紫叶紫薇品种的光合色素含量均比其高，a*中的紫叶紫薇品种均比绿叶紫薇品种高，而b*则相反。因此，光合色素含量越高，a*则越高，则叶片色相偏紫，反之b*则越高，叶片色相则偏绿。

3.2.3 6个紫薇品种的色彩变化特征 本研究基于量化的色彩参数对6个紫薇品种叶色进行发现：随着叶片的生长，‘紫精灵’‘玲珑红’从嫩芽时期至新叶时期均为绿色，‘紫莹’‘丹红’‘赤红’嫩芽时期至新叶时期均为紫色[24,32]，‘红火箭’则是嫩芽时期至新叶时期由红变绿的过程，说明不同种紫薇存在差异，这与崔舜等[11]、王珂等[33]研究结果相似，对彩叶植物的良种选育具有重要意义[34]。

西北林学院学报2022,37(5):124-128Journal of Northwest Forestry University