南天竹和火焰南天竹叶色表型与色素含量变化研究

蔡鸿宇，刘国华，邱国金，郭聪聪，高宇，顾恒，王良桂*

（1.江苏农林职业技术学院，江苏 句容 212400；2.南京林业大学 林学院，江苏 南京 210037；3.国有金湖县林场，江苏 淮安 211616）

南天竹（Nandina domesticaThunb.）为小檗科南天竹属常绿灌木，原产于中国，是一种集观赏、药用、生态等多种价值于一身的树种［1-2］。其根、茎、叶、果均可入药，具有清热除湿、通经活络等功效［3］。南天竹植株优美，果实鲜艳，尤其是其叶片，幼叶及秋冬呈鲜红色，并且对环境有着很强的适应性。经过多年的栽培驯化，已经形成许多栽培品种，其中最常见的是火焰南天竹。火焰南天竹（N.domestica‘Firepower’）属于园艺新品种，其叶片椭圆且长［4］。在江苏地区4月中旬开始萌芽，新叶嫩红，气温30℃以上逐渐转绿。在12月份温度下降到5℃以下，并且昼夜温差在10℃以上，其叶片开始变红。目前，南天竹和火焰南天竹已广泛应用于园林绿化中。

近年来，相关学者对南天竹属的不同品种进行了大量研究，主要集中在播种育苗、扦插繁殖、组培快繁等方面［5］。王生等［6］在南天竹种子催芽方式的研究中发现，经过低温沙藏处理后的种子，其发芽率最高，可达83%，且种子萌发快而整齐。任雪玲［7］对美国‘白果’南天竹多年生硬枝及当年生嫩枝进行了扦插试验，结果发现嫩枝扦插生根率高于硬枝扦插，且接穗蘸一定浓度的ABT生根粉生根率更佳。付欢欢等［8］研究了不同培养基和植物激素组合对火焰南天竹再生能力影响，以及不同蔗糖浓度配比和不同生长素浓度对火焰南天竹生根的影响。截至目前，还未见有关于南天竹叶色变化相关的研究。

植物叶色变化是一个十分复杂的过程。对多种彩叶植物进行研究发现，植物叶片颜色的变化是由其体内色素的种类和含量引起的［9］。叶绿素、类胡萝卜素、花青素这三种色素是导致叶色变化的主要色素［10］。当叶片中三类色素的含量发生显著变化时，各色素的比例也会随之改变，进而决定叶片的颜色［11-12］。基于前期对南天竹和火焰南天竹物候观测的结果，本研究通过对一年内每个月的叶片进行采集进行叶色表型和相关色素（叶绿素、类胡萝卜素和花青素）含量的测定，分析了叶色变化的原因，为南天竹和火焰南天竹叶色变异机理提供了参考，也为今后南天竹和火焰南天竹叶色的遗传改良研究提供了方向。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为生长在江苏农林职业技术学院彩叶苗木良种科研基地内（32°01′N， 119°24′E）的2年生的南天竹和火焰南天竹。2018年5月至2019年4月期间，分别于每月15日上午10点采集生长良好的嫩叶，每次取样部位一致。用纯水将附着在叶片上的灰尘清洗干净，去掉中脉，装入无菌无酶的离心管内，立即放入液氮中速冻10 min，随后转移到-80℃冰箱内保存。

1.2 相关指标测定

1.2.1 叶色测定

分别对不同时期的叶片使用英国皇家园艺学会比色卡和分光测色仪测定叶色变化［13-14］。使用分光测色仪时，将叶片外部远离中脉的部分对上通光孔，通过仪器测定数据并记录。

1.2.2 叶绿素、类胡萝卜素以及花青素含量的测定

色素含量采用张和陈的方法进行测定［15-16］。用95%的乙醇对研磨好的叶片进行浸泡，浸泡时间为24 h，黑暗中进行，使用分光光度计在470 mm、649 mm和665 nm波长下定量，进行叶绿素和类胡萝卜素的测定。而花青素采用试剂盒进行测定（植物花青素试剂盒，南京建成生物工程研究所有限公司）。

1.3 数据分析

叶色测定及相关色素含量测定均进行3次生物学重复。使用Microsoft Excel 2010进行实验数据的统计。使用IBM SPSS Statistics 26进行方差分析。

2 方法结果与分析

2.1 不同时期叶色表型变化

使用比色卡分别测定了南天竹和火焰南天竹的叶色。由表1可知，不同月份的南天竹和火焰南天竹叶片呈现不同的叶色。其中，南天竹在3～9月均呈现绿色，在10月至翌年2月则呈现不同深度的红色，尤其是11月至翌年1月的颜色最鲜艳。而火焰南天竹1年内几乎保持在黄绿色，在11月至翌年2月叶色发生变化，叶色变红且色泽比南天竹更加明丽。

表1 比色卡测定南天竹和火焰南天竹叶色表型变化Tab. 1 The change of leaf color of N.domestica Thunb. and N.domestica ‘Firepower’ was determined by colorimetric card

使用分光测色仪分别测定了南天竹和火焰南天竹的叶色。由表2可知，南天竹和火焰南天竹叶片在不同月份表现出不同的叶色。其中，南天竹在3～9月叶片亮度几乎保持一致，10月至翌年2月亮度下降，同期叶色变红。根据比色卡测试的结果（表1）与分光测色仪测定的结果（表2），南天竹与火焰南天竹的叶色变化期基本上保持一致，但南天竹的叶色变化更加丰富，火焰南天竹的叶色变化更鲜艳。

表2 分光测色仪测定南天竹和火焰南天竹叶色表型变化Tab.2 The change of leaf color phenotype of N.domestica Thunb. and N.domestica ‘Firepower’ were determined by spectrophotometer

2.2 不同时期叶片色素含量变化

2.2.1 叶绿素含量变化

由表3和图1可知，6月份南天竹叶片中叶绿素含量最高，达到5.5229 mg/g，12月份的南天竹叶片中叶绿素含量最低，为2.0849 mg/g。而火焰南天竹叶片中叶绿素含量在3月份最高，为3.4159 mg/g，2月份含量最低，为0.8237 mg/g。同时，南天竹和火焰南天竹在5月至翌年3月叶片中叶绿素的含量变化呈现相同的趋势。此外，在3～5月期间，南天竹叶片呈现一直上升的趋势，而火焰南天竹则是先下降再上升。

图1 南天竹和火焰南天竹叶片叶绿素含量Fig. 1 Content of chlorophyll in leaves of N.domestica Thunb. and N.domestica ‘Firepower’

2.2.2 类胡萝卜素含量变化

由表4和图2可知，1月份南天竹叶片中类胡萝卜素含量最高，达到1.7772 mg/g，5月份的南天竹叶片中类胡萝卜素含量最低，为0.982 mg/g。而火焰南天竹叶片中类胡萝卜素含量在3月份最高，为1.4074 mg/g，7月份含量最低，为0.5591 mg/g。同时，南天竹和火焰南天竹叶片在三个时间段内类胡萝卜素的含量变化呈现相同的变化趋势，分别为5～11月、1～2月以及3～4月。此外，在另外三个时间段则表现出不同的变化趋势，2～3月和3～5月，南天竹叶片类胡萝卜素含量呈向下降的趋势，而火焰南天竹则呈现上升的趋势；2～3月则正好相反，南天竹叶片类胡萝卜素含量呈向上升的趋势，而火焰南天竹则呈现下降的趋势。

表4 不同时期南天竹和火焰南天竹叶片类胡萝卜素含量Tab. 4 Contents of carotenoids in leaves of N.domestica Thunb. and N.domestica ‘Firepower’ at different periods

2.2.3 花青素含量变化

由表5和图3可知，11月份南天竹叶片中花青素含量最高，达到1.1870 mg/g，5月份的南天竹叶片中花青素含量最低，为0.1570 mg/g。而火焰南天竹叶片中花青素含量在2月份最高，为1.6103 mg/g，4月份含量最低，为0.1100 mg/g。同时，南天竹和火焰南天竹在8月至翌年4月叶片中花青素的含量变化呈现相同的趋势。此外，在4～8月期间，南天竹叶片呈现先上升后下降的趋势，而火焰南天竹叶片中花青素含量变化不大且差异不显著。

图3 南天竹和火焰南天竹叶片花青素含量Fig. 3 Anthocyanin content in leaves of N.domestica Thunb.and N.domestica ‘Firepower’

表5 不同时期南天竹和火焰南天竹叶片花青素含量Tab. 5 Anthocyanin content in leaves of N.domestica Thunb.and N.domestica ‘Firepower’ in different periods

3 讨论与结论

彩叶植物广泛存在于自然界中，具有独特的观赏价值，可以提高城市绿化的观赏性［17-18］。对于南天竹和火焰南天竹而言，叶片颜色是其最重要的观赏性状。根据观察可知，南天竹叶片在10月-翌年2月表现出不同程度的红色，其余时间则呈现绿色。而火焰南天竹叶片大部分时间保持在黄绿色，只是在11月-翌年2月叶色发生变化，但其叶色变红且色泽比南天竹更加明丽。

影响植物叶片颜色变化的色素主要包括叶绿素、类胡萝卜素和花青素［19-20］。叶绿素产生于植物的叶绿体中，是叶片重要的光合色素［21］。植物叶片呈现绿色，主要是由于叶绿素含量高，与叶绿素的合成和降解有关。本研究中，南天竹和火焰南天竹在5月至翌年3月叶片中叶绿素的含量变化呈现相同的趋势，且6月南天竹叶片中叶绿素含量最高，火焰南天竹叶片中叶绿素含量在 3月最高，和叶色表型变化的数据相符。徐展宏等［22］对不同叶色的青钱柳［Cyclocarya paliurus（Batal.） Il jinsk.］色素研究中发现，绿叶的叶绿素含量要显著高于红叶，我们的结果与之相符。

类胡萝卜素是一类重要的脂溶性色素，广泛存在于植物中。作为次生代谢物，类胡萝卜素赋予了植物花、叶及果实鲜艳的色彩［23］。本研究中，南天竹和火焰南天竹叶片类胡萝卜素含量在一年中的变化不大。其中1月南天竹叶片中类胡萝卜素含量最高，5月的南天竹叶片中类胡萝卜素含量最低。而火焰南天竹叶片中类胡萝卜素含量在 3月最高，7月含量最低。值得注意的是，在2～4月之间，南天竹叶片中类胡萝卜素的含量呈现下降趋势，而火焰南天竹则是先上升后下降，而且3～4月急剧下降，可能的原因是类胡萝卜素含量的下降，对火焰南天竹维持叶绿体功能以及叶绿素水平发挥了反向调控作用，间接促使叶片变绿，这与紫叶茶（Camellia sinensisL.）中的研究结果相似［24］。

花青素是植物中常见的一种水溶性色素，具有广泛的功能。由于存在于植物的叶、花及果实中，使得植物呈现出红色、紫色和蓝色等多种多样的颜色［25-27］。叶片颜色不同，其花青素含量有所差异，而红叶和紫叶植物中花青素是主要的呈色物质［28］。本研究发现，11月南天竹叶片中花青素含量最高，而火焰南天竹叶片中花青素含量在2月最高，可能是由于叶片的光合器官尚未发育完全，不能充分利用光能而导致自身产生较多的超氧化物，从而把营养物质转化成一些具有抗氧化能力的化合物，从而使叶片变红［29-30］。

近年来，诸多学者对一些植物叶色变化的分子机制进行了报道。如在菊花（Chrysanthemum morifoliumcultivars ‘Chunxiao’ 和 ‘Green anna’）叶片中短暂过表达的研究中发现，CmNAC73是叶绿素生物合成的正调控因子，它直接与叶绿素合成相关基因HEMA1和CRD1的启动子结合，调控菊花叶色的改变［31］。在对银杏（Ginkgo bilobaL.）突变体的转录组测序中发现，GbZDS和GbLCYE基因的上调促进了叶片中类胡萝卜素的积累［32］。另外一项关于梨（Pyrus bretschneideriRehder）的研究报道称PbWRKY75可通过激活DFR、UFGT或MYB的启动子来调控梨中花青素的积累，使叶色逐渐变深［33］。本研究中2种南天竹叶色变化的过程中可能受到一些关键基因的调控，从而使得其在一年中表现出不同的叶色。

温度是影响植物叶片颜色的外界因素之一。多项研究发现环境温度发生变化时会影响花青素的积累，导致植物叶色也随之改变。通过高效液相色谱法分析白花紫露草（Tradescantia reflexaVell.）突变体和野生型叶片中的花青素含量，发现低温条件下叶片中花青素的含量高［34］。本研究中发现，低温环境下南天竹和火焰南天竹的叶色更红，可能的原因是低温诱导了调控花青素合成途径上关键基因的表达，使叶片中花青素含量上升，从而使叶片变红，而关于其叶片变化的机制是后续研究的方向。目前南天竹和火焰南天竹不同时期的叶片测序工作正在进行，我们期望从分子层面深入解析2种南天竹叶色变化的分子机制。

综上所述，南天竹和火焰南天竹生长发育过程中叶色变化的现象涉及多种色素代谢途径。在南天竹和火焰南天竹叶片发育的初期，由于外界温度低，诱导叶片大量合成花青素，使其呈现红色。随着环境温度的不断升高，叶片中叶绿素和类胡萝卜素的含量慢慢产生并积累到一定程度，从而导致叶片颜色逐渐由红色慢慢转变成绿色。本研究为南天竹和火焰南天竹叶色变化的机理提供了新的见解，也为其在园林应用方面提供了一定的指导。