首页 > 分享 > 观赏海棠花色与花瓣pH、表皮细胞形态特征的关系

观赏海棠花色与花瓣pH、表皮细胞形态特征的关系

花匠小妙招
2024-11-16 09:31

0. 引言

【研究意义】花色是观赏植物重要的观赏性状之一，影响着花卉作物的商业价值[1]，通过研究花色与其相关因素的关系，可以进一步探索观赏植物花色变化的原理和方法，以提高生产中植物的观赏性能，增加其社会及商业价值。【前人研究进展】花色表型性状受花瓣色素种类及含量、细胞液pH、金属元素以及花瓣内外物理结构等多种因素的影响，其中花瓣色素种类及含量是最为重要的因素。花色素苷主要储存在液泡、细胞壁等部位，因此细胞内pH值的变化对花色的表现有重要影响[2]。pH值在不同的植物间差异很大，即使在同一植物中，由于组织特性或发育时期不同，也会有很大差异[3-4]。一般情况下，花色素苷在pH值处于低值的强酸环境中性质稳定，呈红色；在pH值处于高值的碱性环境中性质不稳定，颜色偏蓝[5-7]。另外花瓣表皮细胞形状直接关系着花瓣吸收和反射光的方式，使得花瓣产生较深的色泽或产生明亮的外观，从而影响植物花色。一般认为，圆锥型突起的表皮细胞利于吸收较多的光线，而使花瓣色泽变深，饱和度增加。相反，扁平状细胞则会使花瓣呈现较浅的颜色[8]。【本研究切入点】观赏海棠（Malus spp.）为蔷薇科苹果属中具观赏专用价值的种群。近200年来通过杂交与选种，花色的深浅变化得到了极大丰富[9]。目前已有学者对海棠花瓣色素组分构成及内源基因对花色苷生物合成的调控进行了深入研究[10-11]，但对于花瓣细胞pH值及表皮细胞特征与花色的关系尚不清楚。【拟解决的关键问题】本研究以不同色系及不同发育时期的海棠品种为研究对象，通过花色表型差异分析、花瓣pH值的测定分析及表皮细胞形状的观察，探讨上述因素与花瓣色彩之间的关系，以期从不同角度丰富和完善海棠花色形成及淡化机理，为海棠花色定向育种提供理论参考。

1. 材料与方法

1.1 试验地概况和试验材料

试验地位于江苏省江都仙女镇国家海棠种质资源圃，属北亚热带季风气候，四季分明，年平均气温14.9 ℃，年平均降雨量1000 mm，无霜期约320 d。试验地土壤为沙壤土，土层深厚肥沃，地势平坦，灌排条件良好。

于2016年4月进行采样，共采集观赏海棠品种14个，不同色系研究品种11个（表1），均在盛花期进行采集。选取3个花瓣褪色现象明显的品种（表2）作为不同开花进程研究对象，按照大蕾期（S1，蕾膨大、雌雄蕊即将显露）、盛花期（S2，花朵完全开放且柱头和花药新鲜，色彩明艳）和末花期（S3，柱头和花药干萎，色彩隐晦）3个阶段分别采集。

表 1 不同色系海棠品种花瓣色彩评价及相应参数

Table 1. Measurements and descriptions of flower color of different crabapple varieties

表 2 3个品种不同花期花瓣色彩评价及相应参数

Table 2. Measurements and descriptions of flower color of 3 crabapple cultivars at different florescence stages

1.2 色彩测定

取生长良好发育正常的花朵置于白纸上，在散射光源下将花瓣与英国皇家园艺学会比色卡（RHSCC）进行观察比对并记录对应的编号。同时采用美国产X-Rite色差计测色，选用内置D65标准光源，窗口直径8 mm，观测角度10°。测定部位为花瓣的外表面，重复数为15。亮度值（L*）、红绿色相值（a*）和黄蓝色相值（b*）直接由色差计测得，饱和度值C*=（a*2+ b*2）1/2[12]。

1.3 花瓣pH值测定

取新鲜花样液氮研磨后快速称取0.5 g置于离心管中，加去离子水至10 mL，在4 ℃、12000 r·min−1条件下离心15 r·min−1，用pH计测定上清液pH值[12-15]。

1.4 花瓣表皮细胞观察

新鲜花样用戊二醛磷酸缓冲液（pH 7.2，0.2 mol·L−1）固定20 h后，取出切成小方块，加入磷酸缓冲液（pH 7.2，0.1 mol·L−1）漂洗3遍，每次20 min。然后进行酒精梯度（30%、50%、70%、90%）脱水，每个浓度处理1次，时间为15 min，最后用100%的酒精再反复处理3次，每次15 min。之后进行CO2临界点干燥，喷镀仪喷金后用于扫描电镜观察[16-17]。

1.5 数据处理

试验数据基于Excel及SPSS软件进行处理与分析。

2. 结果与分析

2.1 观赏海棠花瓣色彩测定2.1.1 不同色系海棠品种花瓣色彩评价

不同色系海棠板图如图1所示，相同色系不同品种盛花期海棠花瓣颜色具有差异。测色结果及相关花色参数方差分析如表1所示，可以看出，相同色系内花瓣色彩参数差异不明显，而4个色系间花瓣色彩参数差异极显著（P＜0.01），亮度L*值依次为白色系（90.78～92.34）＞粉色系（70.69～72.22）＞紫红色系（47.17～48.12）＞暗紫红色系（31.39～31.82），而红绿色度a*值及饱和度C*值依次为紫红色系（a*值：43.21～43.63，C*值：43.15～44.64）＞暗紫红色系（a*值：29.43～30.31，C*值：30.82～30.83）＞粉色系（a*值17.62～19.01，C*值：21.38～23.74）＞白色系（a*值：−2.05～−1.9，C*值：2.96～3.28）。

图 1 14种海棠品种盛花期的花瓣

Figure 1. Petals of 14 crabapple varieties at full-bloom stage

2.1.2 不同时期花瓣色彩淡化节律

3个品种各自的开花进程中，亮度L*值均不断上升，而色度a*值以及色彩饱和度C*值均不断下降。不同时期花色各参数差异极显著（P＜0.01），花色淡化趋势明显。

2.2 海棠花瓣pH值测定及分析2.2.1 不同色系海棠品种花瓣pH值

图2可看出11个海棠品种的花瓣组织液整体偏弱酸性（pH=4.98～6.37），在4个色系中，白色、粉色系品种pH值5.24～6.37，而暗紫红、紫红色系pH值4.98～5.53。从白色系到紫红色系，花瓣pH值整体呈现下降趋势。对不同品种海棠花瓣红绿色度a*值、饱和度C*值、pH值进行相关性分析（表3），结果显示，海棠花瓣pH值与2个色彩参数分别存在一定的负相关关系。即花瓣色彩红度、饱和度越高，pH值就越低。

图 2 11个品种海棠盛花期花瓣pH值

注：A1～A3依次为白色系品种艾琳、金色仙踪、甜蜜时光；B1～B3依次为粉红色系品种高原玫瑰、克莱姆、硕蕾；C1～C3依次为紫红色系品种黛玉、鲁道夫、盛花；D1～D2分别为暗紫红色系品种紫宝石和皇家。

Figure 2. pH of petals of 11 crabapple cultivars at blooming stage

Note: A1-A3: white varieties, M. ‘Eleyi’, M. ‘Fairytail Gold’, and M. ‘Sugar Tyme,’ respectively; B1-B3: pink varieties, M. ‘Prairie Rose’, M. ‘Klehm’s Improved Bechtel’, and M. ‘Big alabstrum,’ respectively; C1-C3: reddish purple varieties, M. ‘Black Jade’, M. ‘Rudolph’, and M. ‘Abundunce,’ respectively; D1-D2: dark-purple varieties, M. ‘purple Gem’ and M.‘Royalty,’ respectively.

表 3 海棠花瓣色度a*、C*、pH值间的相关系数

Table 3. Correlation coefficient between color parameters a*, C* and pH value of crabapple petals

指标
indexpH
a*C* pH1a*−0.651*1C*−0.647*0.998**1 注：*和**分别表示在0.05和0.01水平上相关性显著。
Note: * and * * indicate significant correlation at 0.05 and 0.01 levels, respectively.2.2.2 不同时期花瓣pH值变化

分别以3个品种不同时期花瓣色度a*值、饱和度C*值为横坐标，以pH值为纵坐标绘制图3。可知开花进程中，3个品种均表现出相似的变化趋势，即随着花瓣红度（a*值）及饱和度（C*值）的降低，细胞pH值均不断增大，酸度逐渐减弱。

图 3 3个海棠品种开花进程花瓣pH值及花色参数值a*、C*的变化

注：E、F、G分别代表芭蕾红、红衣主教、马凯米克3个品种。

Figure 3. pH and colorimeter a* and C* of flower petals in florescence of 3 crabapple varieties

Note: E, F, and G stand for M. ‘Ballet Red’, M. ‘Cardinal,’ and M. ‘Makamik’ respectively.

2.3 海棠花瓣表皮细胞特征的电镜观察2.3.1 不同色系海棠品种花瓣表皮细胞特征

11个海棠品种盛花期花瓣表皮细胞形态特征（图4），大致可分为长条形凸起、球形凸起及圆锥形凸起、不规则尖凸等3种类型。

图 4 11个海棠品种盛花期花瓣表皮细胞形状

注：（１）放大倍数为800倍，标尺为50 μm。（２）A1～A3依次为白色系品种艾琳、金色仙踪、甜蜜时光；B1～B3依次为粉红色系品种高原玫瑰、克莱姆、硕蕾；C1～C3依次为紫红色系品种黛玉、鲁道夫、盛花；D1～D2分别为暗紫红色系品种紫宝石和皇家。

Figure 4. Shapes of petal epidermal cells of 11 crabapple cultivars at blooming stage

Note: （1）The magnification is 800 times and the scale is 50 μ m.（2）A1-A3: white varieties, M. ‘Eleyi’, M. ‘Fairytail Gold’, and M. ‘Sugar Tyme, respectively’; B1-B3: pink varieties, M. ‘Prairie Rose’, M. ‘Klehm’s Improved Bechtel’, and M. ‘Big alabstrum,’ respectively; C1-C3: reddish purple varieties, M. ‘Black Jade’, M. ‘Rudolph’, and M. ‘Abundunce,’ respectively; D1-D2: dark-purple varieties, M. ‘purple Gem’ and M. ‘Royalty.’ respectively.

白色系品种中，‘艾琳’（A1）花瓣表皮细胞呈球状，‘甜蜜时光’（A3）表皮细胞形状不规则且可以看出顶部稍尖，属不规则尖凸型。而‘金色仙踪’（A2）的表皮细胞呈长条状，顶部平缓。

粉色系品种‘高原玫瑰’（B1）和‘硕蕾’（B3）表皮细胞均呈稍扁的球状，另一个品种‘克莱姆’（B2）表皮细胞顶部明显尖凸，属锥形凸起。

紫红色系品种‘黛玉’（C1）、‘盛花’（C2）表皮细胞为典型的球形凸起，形状圆润；另一品种‘鲁道夫’（C3）表皮细胞顶部偏尖并呈不规则镶嵌，为不规则尖凸型。

暗紫色系2个品种‘紫宝石’（D1）、‘皇家’（D2）花瓣表皮细胞形状细长，均为长条型。

可以看出，不同色系间存在相同的表皮细胞类型，而除暗紫色系2个品种均表现出相似特征外，其他3个色系内部相同颜色不同品种的海棠花瓣表皮细胞形状均存在不同的表皮细胞类型。

2.3.2 不同时期花瓣表皮细胞特征变化

3个品种不同时期花瓣表皮细胞的扫描电镜图如图5所示（放大倍数为800倍，标尺为50 μm）。‘芭蕾红’大蕾期（E-S1）表皮细胞呈不规则尖凸状，至盛花期（E-S2）细胞明显拉长，呈长条状，进入末花期（E-S3）后，仍为长条状，顶部更加平缓；‘红衣主教’大蕾期（F-S1）表皮细胞虽尖凸不明显，但能观察到其形状较为饱满。至盛花期（F-S2）时，部分细胞开始伸长，并且出现皱缩坍塌的现象。末花期（F-S3）表皮细胞边界模糊，表面趋于平滑；‘马凯米克’大蕾期（G-S1）花瓣表皮细胞呈圆球状，形状十分饱满。盛花期（G-S2）表皮细胞同样拉伸至长条形，末花期（G-S3）细胞进一步伸长，扁平化程度随之进一步提高。

图 5 3个海棠品种不同时期花瓣表皮细胞形状

注：E、F、G分别代表芭蕾红、红衣主教、马凯米克3个品种，S1、S2、S3分别表示大蕾期、盛花期、末花期。

Figure 5. Shapes of petal epidermal cells of 3 crabapple cultivars at different florescence stages

Note: E, F, and G stand for M. ‘Ballet Red’, M. ‘Cardinal,’ and M. ‘Makamik,’ respectively; S1, S2, and S3 stand for Big Bud, full-bloom, and end florescence stages, respectively.

在开花进程中，3个品种花瓣表皮细胞均不断拉伸，表现出逐渐平缓的变化趋势。

3. 讨论与结论

3.1 pH值对海棠花色的影响分析

在许多花色深浅不一的植物中，存在随花色加深pH值降低的变化趋势[18]，本研究也得到了相似的结论，即从白色系到紫红色系，色度a*值及饱和度C*值逐渐增高，海棠花瓣pH值整体呈现下降趋势，并且在不同的开花进程中也表现出相似的变化规律[19]。花色素是花色形成最基本的物质基础，海棠花瓣中花青素含量最高，对花色的影响程度最大[20]。而pH值的变化能够影响花青素苷的合成和共色作用[21-23]，进而改变花青素含量及组分，影响花色的最终呈现。

3.2 花瓣表皮细胞特征对海棠花色的影响分析

有关花瓣表皮细胞对花色影响的研究结果表明，不同品种的植物的表现存在差别。岳娟[24]发现，单子叶植物蓝色花中，表皮细胞凸起尤其是尖锥形凸起的花瓣比平缓的花在更明亮或颜色更深。而在蝴蝶兰的相关研究中，除 2个白色品种的表皮细胞为乳突状外，其他品种的表皮细胞均为穹顶状[25]。本研究中除暗紫色系2个品种外，其他3个色系内部相同颜色不同品种的海棠花瓣表皮细胞形状均存在明显差异，也就是说表皮细胞特征未与花色表型差异构成明显的联系。海棠在开花过程中花色的不断淡化主要源于其所含花青素种类减少、含量下降[20]。研究又通过比较3个品种海棠花瓣表皮细胞发现开花进程中表皮细胞的形状存在逐渐扁平的变化趋势，这与前人对于月季、茉莉等花瓣表面的观察研究结果类似[26-27]。入射光碰到有角度的圆锥形细胞会发射进入表皮细胞，若碰到没有角度的扁平细胞则完全反射回去而使花色变浅[28]。由此推论，海棠在开花进程中的花瓣褪色现象与花瓣表皮细胞逐渐扁平存在一定关系。