不同苎麻品种叶片色素含量与叶色参数的关系
冯新康，喻春明，朱爱国，陈继康，陈坤梅，高钢，牟攀，邵德义，陈平*
(中国农业科学院麻类研究所，湖南长沙410205)
摘 要：研究以中国农业科学院麻类研究所国家种质资源库长沙苎麻圃的17个苎麻品种为对象，对其叶片的叶绿素、花色素苷、类胡萝卜素、可溶性糖及叶色参数(a*、b*、c*、L*)进行测定和分析。结果表明：苎麻叶片中的红色素为花色素苷，而非甜菜红素；不同苎麻品种叶片的叶绿素、花色素苷、类胡萝卜素和可溶性糖的含量及比例不同，其中，花色素苷含量与不同苎麻品种的叶色参数a*值(红/绿)呈正相关，叶绿素总含量(a、b)与a*呈负相关，且相关系数均达到极显著水平(p＜0．01)，类胡萝卜素含量与叶色参数b*(黄/蓝)呈极显著正相关；a*值是叶片呈红色的代表性参数，叶色参数(a*、b*)可以在一定程度上反映出17个苎麻品种叶片中花色苷和叶绿素含量的高低。色差仪的应用实现了叶色和各色素含量之间量化的关系。该研究揭示了不同苎麻品种叶片呈色与叶片色素含量的内在关联，为后续苎麻叶片颜色差异的机理及红色叶片形成的机制等研究奠定了基础，研究结果可为多用途苎麻优良品种的选育和开发利用提供理论和实践参考。
关键词：苎麻；红色素鉴定；色素；叶色参数；相关性
苎麻(Boehmeria nivea L.)是荨麻科(Urticaces)苎麻属(Boehmeria Jacq.)多年生草本植物，又名中国草，是中国特色的优良天然韧皮纤维作物[1]。同时，苎麻叶片蛋白质含量高，营养丰富，被广泛用作优质草食动物饲料[1,2]。苎麻种质资源中叶片颜色丰富，有深绿、淡绿、黄绿、淡红等不同颜色。目前关于苎麻叶色的研究较少，叶片红色呈色机理未见报道，红色色素的物质组成尚不清楚。
植物的叶色是不同色素综合作用的结果，色素的种类、含量及比例决定最终呈现的颜色[3,4,5]。呈现红色的色素主要为花色苷和甜菜红素，花色苷分布范围广泛，而甜菜红素多存在于部分石竹目植物中。目前尚未发现这两种红色素同时存在于一种植物中，他们之间可能存在相互排斥作用。叶色的变化可采用感官鉴别和比色卡测色，但准确性欠佳，也无法实现与色素含量之间关系的数据化分析[6]。利用色差计测得的叶色参数可用来定量表征叶片颜色及亮度的变化[7,8]。李属彩叶植物[4]、黄连木[5]、银杏[9,10]等观赏植物叶色研究中发现，色素含量与叶色参数密切相关。
本研究拟以17个不同叶色的苎麻品种为材料，比较各品种叶片中叶绿素、花色素苷、类胡萝卜素、可溶性糖含量和叶色参数(L*、a*、b*、c*)的差异，并分析各性状之间的相关性，旨在探明苎麻叶片中红色素的种类，以及各色素含量与叶色参数的关系，以期为多用途苎麻品种的选育和开发利用提供理论依据。
1材料和方法
1.1试验材料
研究选取中国农业科学院麻类研究所国家种质资源库长沙苎麻圃的17个苎麻品种为材料。于2019年7月15日选取长势一致，由顶部自上而下第4～5片苎麻叶片。采集叶片表型信息，液氮速冻后-80℃冰箱保存，用于色素及可溶性糖含量测定。
图1 两种不同颜色的苎麻表型
1.2测定指标与方法
1.2.1红色色素鉴定
红色色素快速鉴定参考王长泉[11]的方法略有修改：采集植物组织，称取2.5g剪碎并研磨成粉末，分别加入15mL石油醚、甲醇、重蒸水，6000r/min离心15min后观察浸提液颜色。
可见光谱鉴定方法：取生长健壮的HX_1叶片，液氮研磨捣碎，加入甲醇预提30min,4℃下10000r/min离心10min,观察上清颜色，保留上清液，将沉淀取出用干净甲醇清洗，沥净甲醇后加入纯水，震荡摇匀并浸提30min,4℃下10000r/min离心10min后取上清，用紫外-可见光分光光度计(UV-2600i,Shimadzu)在200～1100nm处扫描，根据吸收光谱判断甜菜红素的有无[12,13]。
1.2.2叶绿素、类胡萝卜素、花色苷、可溶性糖含量测定
叶绿素、类胡萝卜素含量的测定和计算参照Parsons等[14]的方法；花色素苷含量测定采用消光系数法，计算参照guo等[15]的方法；可溶性糖含量采用蒽酮比色法[16],每样品均重复3次。
1.2.3叶色参数测定
叶色参数的测定参考Arias等[17]的方法，采用3nhNR60CP高品质电脑色差仪(深圳市三恩时科技有限公司),以D65为光源4mm口径进行测定，每个样本重复3次。分别记录L*、a*、b*、c*值，其中L*值表示明亮程度；a*值表示红绿浓度，a*为正值主调颜色为红色，数值越大红色越深，a*为负值主调颜色为绿色，数值越小绿色越深；b*值表示黄蓝浓度；c*值表示彩度，即色彩饱和程度。
1.3数据分析
采用SAS9.4软件对试验数据进行方差分析和相关性分析，采用Duncan’s多重比较法进行显著性分析(p≤0.05),并通过R语言(ggpubr、tidyverse、hmisc、corrplot、stringi等packages)绘制Corrplot图，采用Excel及GraphPadPrism8进行数据处理及绘图。
2结果与分析
2.1苎麻叶片红色色素的鉴定
以红选1号为材料进行红色色素的鉴定，如图2A所示，HX_1的石油醚浸提液(A1)为无色，甲醇提取液(A2)为青绿色，重蒸水提取液(A3)为褐色。依据王长泉[11]甜菜红素鉴定法得知，苎麻中不含甜菜红素。图2B进一步说明此结论：B1为苋菜(富含甜菜红素)的重蒸水浸提液，颜色为血红色；B2为中苎1号(叶片颜色翠绿，无红色)的重蒸水浸提液，颜色与HX_1(A3)无差异，这说明褐色可能是叶片破碎后酚类物质氧化所致；B3、B4分别为HX_1和ZZ_1花色苷浸提液(黑暗12h),两者颜色有明显差别，HX_1为淡红色，ZZ_1为浅绿色。综上提取液表型观察表明，苎麻中的红色色素可能是花色苷类物质，而不是甜菜红素。
进一步对提取液进行可见光谱鉴定，甲醇提取液和甲醇预提后的纯水提取液的紫外可见光扫描波谱有明显不同，甲醇提取液可见光谱扫描图中可见到叶绿素a(664nm)、类胡萝卜素(475nm)、叶绿素b(435nm)等色素的特征吸收峰，而在甜菜红素(λmax538)的特征波长下几乎为0(图2C)；甲醇预提后的纯水提取液在538nm的可见光区没有吸收峰(图2D)。国标法鉴定和可见光谱鉴定的结果表明苎麻中不含甜菜红素。
2.2不同苎麻品种色素、可溶性糖含量及叶色参数特征
由表1可知，红选1号品种花色苷含量最高，为4.72mg/g,FW,其对应的a*最高。榕江青麻的叶绿素含量最高，为3.12mg/g,花色苷含量最低，为2.43mg/g,FW,其对应的a*也较低。红骨筋品种的可溶性糖含量最高，榕江青麻品种的可溶性糖含量最低。L*变化范围不大，其值在22.18和36.08之间。在数值上a*与b*呈负相关。
2.3色素及可溶性糖含量与叶色参数的相关性分析
由图3的散点分布图和相关性系数可知：花色苷与叶绿素之间呈0.05水平的负相关，与a*呈显著正相关(p<0.05)；总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b之间的相关性最强，且都呈正相关，其中总叶绿素与叶绿素a、b以及叶绿素a与叶绿素b之间为极显著相关(p<0.001)；叶绿素与类胡萝卜素之间也存在正相关(p<0.05)；a*值与总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b均呈极显著负相关(p<0.01)；类胡萝卜素与b*呈极显著正相关；c*值与花色苷之间无相关性，与其他色素参数均为正相关。可溶性糖含量、L*值与其他各参数之间无相关性，说明苎麻叶片花色素苷和叶绿素含量的多少决定着a*值，而类胡萝卜素含量的多少对b*值有一定影响，可溶性糖含量与花色苷含量无关联，不影响叶色参数。
图2 苎麻红色素鉴定
表1 不同苎麻品种色素和可溶性糖含量及叶色参数数据统计
由此我们将相关性较高的3组数据作散点分布图，并将远离直线的点去除，得到总叶绿素(y)与a*(x)之间的函数关系为y=-9.33x+1.21(p<0.001；R2=0.69)；花色苷(y)与a*(x)之间的函数关系为y=7.19x-43.96(p<0.000 1；R2=0.86)；花色苷/总叶绿素(y)与a*(x)之间的函数关系为y=6.34x-30.15(p=0.000 1；R2=0.54)。
图3 苎麻色素含量与叶色参数间的相关性分析
3讨论与结论
植物叶片颜色是重要的表观特征之一，而决定叶片颜色的是植物中的色素，不同的色素呈现不同的颜色，如类胡萝卜素呈橙黄色；叶绿素呈不同程度的绿色；花色苷以红色为主，从橙到红到紫均有分布；甜菜红素呈血红色。使苋菜[18]、盐地碱蓬[12]、火龙果[19]呈红色的色素为甜菜红素，而使苎麻叶片及茎秆、猕猴桃和茶树等呈红色的色素为花色苷。色素的种类、含量、比例和分布直接影响着植物叶片的颜色。本研究发现，不同苎麻品种叶片叶绿素、红色素、类胡萝卜素及可溶性糖的含量和比例均有差异，因此叶片呈现出不同颜色，这与其他植物的研究结果一致[17,20,21,22]。本研究中，HX_1的花色苷含量最为丰富，其叶片颜色较其他品种更深，其a*值也最大。这表明色素的比例决定着植物的最终呈色基调。对于苎麻来说，花色苷和叶绿素是决定其颜色(红/绿)的主要色素，其叶片虽有不同程度的红色，但呈现的主要是绿色。
颜色是一个渐进变化的标量，一般凭感官定性描述存在一定的误差。色差仪可以实现叶片色泽的数量化评价，使叶片色泽特性由以往依靠感官审评的定性描述过渡到用色度值数据进行定量表征[4]。许多学者利用色差仪研究了植物叶片呈色与色素含量间的关系。潘丽芹等[23]研究发现，花青苷含量及其各种色素含量的比例变化是导致红叶山茶叶色变化的主要原因。不同品种彩叶草花色苷含量高的颜色最为艳丽，并且叶绿素/花色苷与叶色参数b*呈极显著负相关[24]。黄连木秋季色素变化研究也得出类似的结果[5]。本研究中苎麻叶片花色素苷含量与叶色参数a*值(红/绿)呈显著正相关；叶绿素总含量(a、b)与a*呈极显著负相关，与上述研究结果一致。因此苎麻叶色参数(a*、b*)值可以在一定程度上反映苎麻叶片中花色苷和叶绿素含量的高低。
综上所述，通过对17个不同苎麻品种叶色参数与色素含量的比较分析发现，苎麻叶片中的红色素为花色素苷。花色素苷含量与叶色参数a*值(红/绿)呈显著正相关，叶绿素含量与其a*值呈极显著负相关，叶色参数(a*、b*)值可以反映花色苷和叶绿素含量的高低。此外，本试验采用色差仪实测不同苎麻品种叶片的L*、a*、b*、c*参数值，对品种叶片颜色定量表征，使量化分析叶色和各色素含量间的关系成为可能。
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文章摘自：冯新康,喻春明,朱爱国,陈继康,陈坤梅,高钢,牟攀,邵德义,陈平.不同苎麻品种叶片色素含量与叶色参数的关系[J].中国麻业科学,2021,43(06):310-315a.
