秋色叶植物叶片着色与酶活性关系的研究

王彩娟，蔺银鼎，王 凯，贾清芳

(1.闻喜县林业局，山西 闻喜 043800;2.山西农业大学，山西 太谷 030801;3.山西省吕梁山国有林管理局，山西 临汾 041000)

秋色叶植物叶片着色与酶活性关系的研究

王彩娟1，蔺银鼎2，王 凯1，贾清芳3

(1.闻喜县林业局，山西 闻喜 043800;2.山西农业大学，山西 太谷 030801;3.山西省吕梁山国有林管理局，山西 临汾 041000)

以元宝枫、火炬、爬山虎3种秋色叶植物为试材，研究了秋叶变色时期叶片花青苷的含量与超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)及多酚氧化酶(PPO)活性的动态变化及相关关系。结果表明:3种秋色叶植物花青苷的含量决定叶片的着色程度。3种秋色叶植物花青苷含量随叶片着色呈上升趋势，火炬和爬山虎花青苷的上升速率比元宝枫快。SOD活性随着叶片着色逐渐下降，与花青苷含量呈极显著负相关，说明其在一定程度上不利于秋色叶植物叶片着色。POD活性表现出先升后降的趋势，3种植物中POD活性与花青苷相关性不一。PPO活性随叶片着色而逐渐上升，与花青苷含量呈极显著的正相关关系，说明PPO是秋色叶植物叶片变色过程中的关键酶之一。

秋色叶植物;叶片着色;花青苷;超氧化物歧化酶;过氧化物酶;多酚氧化酶

彩叶植物具有一般绿色植物所不具备的绚丽多彩的叶色，近年来，在园林绿化中备受重视，应用广泛。笔者以元宝枫、火炬和爬山虎3种红色类秋色叶植物为试材，通过比较3种植物叶片呈色的差异，研究了秋叶变色期间叶片中花青苷、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、多酚氧化酶(PPO)的活性变化规律及其相互关系，以期找出控制叶色表达的关键酶，为秋色叶植物改良叶色提供广阔的前景和全新的思路。

1 材料与方法

1.1 材料

试验地选在山西农业大学林学院园林植物资源圃内，年均温9.5℃，年均降水量450 mm．以苗圃内元宝枫(Acer truncatumBunge．)、火炬(Rhus typhinaL．)和爬山虎［Parthenocissus tricuspidata(Sieb．et Zucc．)Planch．］3种秋色叶植物为供试植物。于2008年9月至11月，每6 d采集1次植物叶片测定其花青苷含量、超氧化物歧化酶活性、过氧化物酶活性以及多酚氧化酶活性。此外，观察并记录3种植物样株中叶片变色时间及变色数量(用红叶数量所占全株叶片数量的百分比来表示)。

1.2 方法

1.2.1 花青苷的提取与测定

称取0.2 g新鲜叶片，加入1%盐酸乙醇提取液置于 32℃恒温箱中提取 4 h，10 000×g离心10 min，以1%盐酸乙醇提取液为对照。用分光光度计测定520 nm的吸光度值(OD)。

1.2.2 超氧化物歧化酶(SOD)活性测定

称取0.1 g新鲜叶片，加入1 mL 50 mmol磷酸缓冲液(pH 7.8)，冰上研磨后转入1.5 mL离心管，12 000 rpm冷冻离心15 min，取上清液供酶活性测定。取50 μL酶液加入6 mL氮蓝四唑(NBT)反应液，在25℃下光照20 min，以保存于暗处的NBT反应液为对照，在560 nm波长下比色，以抑制NBT光化还原的50%为1个酶活力单位。

1.2.3 过氧化物酶(POD)活性测定

称取0.3 g新鲜叶片加入1.5 mL 0.1 mol Tris-HCl缓冲液(pH 8.5)，研磨成匀浆，以4 000 rpm离心15 min，上清液即为酶提取液。取200 μL酶液加入0.1 mol磷酸缓冲液(pH 6.0)3 mL，并以0.1 mol磷酸缓冲液为参比，准确计时，在470 nm处测定吸光度值。反应3 min后，再在470 nm处测定吸光度值。以每分钟内470 nm的吸光度值变化0.01为1个过氧化物酶活力单位。

1.2.4 多酚氧化酶(PPO)活性测定

取0.2 g新鲜叶片，加3 mL 0.03 mol的磷酸缓冲液(pH 5.5)，冰浴研磨，10 000×g离心10 min，上清液即为酶提取液。取0.5 mL酶液，加入2 mL磷酸缓冲液和1 mL 0.1 mol儿茶酚溶液(新配)，35℃保温15 min，在525 nm下测定OD值，以吸光度值改变0.01为1个酶活力单位。

1.2.5 数据分析方法

用Microsoft Office Excel和Spss 11.5软件对试验数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 3种植物叶片变色观测结果分析

以3种植物样株中红叶数量占叶片总数量的百分比来表示植物叶片的变色情况，结果见图1．

图1 3种秋色叶植物变色情况比较

从图1中可以看出，元宝枫的变色时间明显晚于爬山虎和火炬。爬山虎和火炬在9月23日左右开始变色，变色比例分别达到20%和10%．而元宝枫在10月6日才开始变色，变色比例达到10%．随着时间的推移，3种植物的变色比例逐渐增大，爬山虎和火炬在10月13日基本达到全部变色，而元宝枫到10月19日才全部变色。其中元宝枫的变化速率最快，说明其呈色时间最短。另外，据田间观测得知，元宝枫叶片变色时间晚于火炬和爬山虎，落叶却早于二者，说明元宝枫秋叶观赏期较短。

2.2 3种植物叶片中花青苷含量的变化

3种秋色叶植物叶片中花青苷含量的变化如图2所示。

图2 3种秋色叶植物叶片中花青苷含量的比较

由图2可以看出，在变色过程中3种秋色叶植物叶片的花青苷含量均呈逐渐上升趋势。在整个过程中元宝枫叶片的花青苷含量低于其它二者，且花青苷合成时间晚于火炬和爬山虎。火炬和爬山虎叶片的花青苷含量从9月17日开始上升，到10月6日达到高峰，花青苷含量的增幅分别达到172.38%和228.41%．元宝枫叶片的花青苷含量从9月30日开始上升，到10月13日达到最大值，增幅为141.74%．3种植物花青苷含量的变化趋势与田间观测结果一致。

2.3 3种植物超氧化物歧化酶活性的变化

超氧化物歧化酶与花青苷的合成关系密切，花青苷也具有很强的抗氧化功能。3种秋色叶植物在叶色变化过程中SOD活性的变化如图3.

图3 3种秋色叶植物叶片SOD活性的比较

由图3分析可知，3种秋色叶植物变色过程中叶片的SOD活性变化趋势基本相同，均呈下降趋势。前期下降幅度明显大于后期，且火炬的SOD活性最低，元宝枫的SOD活性最高。在9月上旬，树体营养相对均衡，各方面代谢调整到了较好状态。因此，树体内的自由基含量比较少且稳定，自由基及其衍生物对树体不能构成伤害或伤害很小，此时SOD活性变化不大。而到9月中旬，叶片逐渐变色，自由基含量明显增加，再加上外界自然环境的影响，使树体自身调节系统的平衡逐渐被打破。所以，SOD活性在这一时期下降。9月下旬到10月上旬，SOD活性比较稳定，之后又急剧下降。这是由于在变色末期(10月中、下旬)叶片衰老的不可逆性，体内自由基及其衍生物大量积累，超过了自身防御系统的清除能力，并且积累的自由基及其衍生物能够导致酶结构损伤，从而使植物体内的酶活性降低。整个过程中，火炬 SOD活性下降幅度最大，达84.14%，元宝枫和爬山虎的下降幅度分别为65.11%和72.76%．

2.4 3种植物过氧化物酶活性的变化

3种秋色叶植物叶片中POD活性的变化如图4．

图4 3种秋色叶植物叶片POD活性的比较

由图4可知，3种秋色叶植物叶片POD活性变化在整个过程中呈现先升后降的趋势，POD活性在10月上旬(10月6日左右)达到最高值。其中，元宝枫的POD活性上升最快，且活性大于火炬和爬山虎。

从变化趋势分析，SOD与POD在树体内具有协同作用。变色前期植物体内的自由基含量少，POD活性较小，但SOD活性较高，说明各变色时期对消除自由基起主要作用的酶不同，这是植物自身调节的结果。在变色期，体内自由基及其衍生物的含量不断增加，需要大量的POD来分解H2O2，随着叶片逐渐衰老，POD活性又减小;另一方面，变色期POD活性的增加也可能是用来分解叶绿素和生长素，使树体尽早停止生长，减少营养消耗，从而增强树体抵抗自由基及其衍生物和外界自然环境造成伤害的能力。

2.5 3种植物多酚氧化酶活性的变化

多酚氧化酶广泛存在于植物叶片和果实中，是以铜元素作为辅基的一种蛋白，是引起植物叶片、果实发生酶促褐变的主要酶。3种秋色叶植物叶片PPO活性的变化如图5.

图5 3种秋色叶植物叶片PPO活性的比较

由图5可以看出，3种秋色叶植物叶片的PPO活性变化随着叶色转变均呈上升趋势。其中，爬山虎和火炬的叶片PPO活性较高，元宝枫较低。这与田间观测结果相对应，即火炬和爬山虎叶片呈色要好于元宝枫，表明PPO活性可促进叶片着色。PPO活性变化在不同树种间差异较大，且在整个过程中持续变化，说明PPO活性对叶片的着色起到重要作用。

2.6 3种植物叶片花青苷含量与酶活性的相关性

3种秋色叶植物叶片花青苷含量与SOD，POD及PPO活性的相关关系见表1.

表1 3种植物叶片花青苷含量与酶活性的相关性

花青苷是促使3种秋色叶植物叶片显现红色的主要色素，叶片中SOD，POD和PPO 3种酶活性与花青苷的相关性从一定程度上可以反映出其在秋色叶植物叶色转变中的作用机制。由表1可见，3种秋色叶植物叶片中花青苷与PPO活性呈极显著正相关关系，3种植物的相关性差异不大。PPO是催化种皮中多酚类化合物氧化形成花青苷的重要酶，如表1中所示，它也是秋色叶植物叶片变色过程中的关键酶。3种植物花青苷与SOD活性呈极显著负相关关系。爬山虎和元宝枫的花青苷与POD活性呈负相关关系，火炬的花青苷与POD活性呈不显著的正相关关系。试验表明，SOD活性在一定程度上不利于秋色叶植物叶片的着色。

3 结论

1)根据田间观测可知，叶色转变过程中火炬和爬山虎叶片呈色要好于元宝枫。火炬和爬山虎叶片变色开始时间早于元宝枫，而落叶时间晚于元宝枫，说明火炬和爬山虎的秋叶观赏期比元宝枫长。

2)在秋叶变色过程中，3种植物叶片中花青苷含量随叶片着色呈上升趋势。与田间叶色观测相结合可知，秋色叶植物叶片着色程度取决于花青苷的含量。

3)3种秋色叶植物的SOD活性在整个过程中持续下降，POD活性表现出先升后降的趋势。SOD活性与花青苷含量呈极显著负相关关系，说明其在一定程度上阻碍了花青苷的合成，不利于秋色叶植物叶片着色。POD活性与爬山虎、元宝枫的花青苷含量呈负相关关系，与火炬呈不显著的正相关关系。

4)3种秋色叶植物叶片PPO活性随叶色变红而逐渐上升，与花青苷含量呈极显著的正相关关系。PPO活性的高低在不同树种间差异较大，在变色期元宝枫的PPO活性极显著低于火炬和爬山虎。本实验说明PPO是秋色叶植物叶片变色过程中的关键酶之一。

4 讨论

1)PPO活性升高可对植物起到保护作用。试验中PPO活性随花青苷含量升高而逐渐升高，二者呈极显著的正相关关系。说明PPO活性对花青苷合成起到重要作用，PPO是秋色叶植物叶片变色过程中的关键酶。

2)在整个变色期，3种秋色叶植物叶片内的SOD，POD活性变化趋势在品种间无明显差异，随物候期呈现出相同的变化规律。然而3种植物的抗氧化酶活性高低存在差异，说明抗氧化酶活性在一定程度上阻碍了花青苷的合成，这与陈俊意的研究结果一致。从变化趋势分析，SOD与POD在树体内具有协同作用，SOD活性在整个过程中持续下降，POD活性先升后降，这是因为变色前期植物体内的自由基含量少，变色开始后，体内自由基及其衍生物的含量不断增加，需要分解大量的H2O2，而不同酶对消除自由基起的作用不同，这是植物自身调节的结果。花青苷具有很强的抗氧化功能，抗氧化酶和花青苷在植物抗氧化过程中都起到重要作用，可能具有一定的互补关系。

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Study on the Relation between Leaf Coloring and Enzymes Activity in Different Fall-leaf Plants

Wang Caijuan1，Lin Yinding2，Wang Kai1，Jia Qingfang3
(1.Wenxi Forestry Bureau，043800 Wenxi，China;2.Shanxi Agricultural University，030801 Taigu，China;3.Stated Forestry Administrative Bureau of Lüliang Mountains，041000 Linfen，China)

Three kinds of fall-leaf plant Acer truncatum Bunge，Rhus typhina Linn and Parthenocissus quinquefolia Planch were used as the materials，the changes of anthocyanin content and the activities of SOD，POD，PPO were dynamically investigated at leaf coloring stages，and the relationship between them was also studied．The results showed that:the anthocyanin content of three kinds of fall-leaf plant determined the leaves coloring degree．The anthocyanin content in three fall-leaf plants tended upwards in line with the process of leaves coloring，the synthesis rate of anthocyanin in Rhus typhina and Parthenocissus tricuspidata ascended faster than Acer truncatum Bunge．The SOD activity showed a drop tendency in the process of color transformation，and the SOD activity was strongly negatively relative with anthocyanin content，suggesting that the SOD activity is not conducive to leaves coloring of fall-leaf plant．The POD activity showed an increasing at first，then showed a decreased tendency，and the relativity between the POD activity and anthocyanin content is different among three kinds of fall-leaf plant．The PPO activity rises along with the color changes and is strongly positively relative with anthocyanin content，further illustrating that the PPO activity plays an important role in the process of leaves coloring of fall-leaf plant．

Fall-leaf plant;leaf coloring;anthocyanin;superoxide dismutase;peroxidase;polyphenol oxidase

S687

A

1007-726X(2011)04-0006-04

2011-09-11

山西省科技攻关项目(041038)

王彩娟(1984— )，女，山西闻喜人，2009年毕业于山西农业大学，助理工程师。

蔺银鼎(1955— )，男，山西临汾人，主要从事园林植物生理生态研究，教授。