叶晓霞,周兴文,刘雪琴,刘 欣,符慧文,吴有栋,赵仕花
(1.玉林师范学院地产药用资源开发与生物工程中心,广西 玉林 537000;2.福建工程学院,福州 350000;3.玉林师范学院,广西 玉林 537000)
【研究意义】花色是观赏植物最重要的品质性状之一,决定着花卉植物的经济价值。花瓣是花色的呈现部位,其组织的内部结构类似于植物叶片,通常由上表皮、栅栏组织、海绵组织和下表皮等组成[1-4]。崇左金花茶(Camellianitidissima)、黄花夹竹桃(Thevetiaperuviana)、蟛蜞菊(Wedeliachinensis)、黄槿(Hibiscustiliaceus)、黄蝉(Allemandaneriifolia)、黄花美人蕉(Cannaindicavar.flava)、黄槐(Cassiasurattensis)和黄花菜(Hemerocalliscitrina)均能开出黄色花朵,但其花瓣所呈现的黄色各不相同,原因至今尚不明确。因此,分析8种黄色花植物花瓣表皮细胞形态、色素种类、分布及有色体形状等特征,探究不同因素对其花色形成的影响,对深入探讨黄花观赏植物花色的呈色机理具有重要意义。【前人研究进展】花色形成取决于花瓣色素的种类和含量分布、花瓣内部的物理特性和表皮构造等因素[5-6]。植物花色的色素种类主要有类黄酮、类胡萝卜素和生物碱三大类[7-8],其中类黄酮化合物(包括黄酮、黄酮醇、查尔酮和花青素等)对花色的形成具有决定性作用,控制花的红、粉、蓝、紫和黄等颜色[9-10]。除花青素呈红色系外,其他类黄酮化合物均为黄色系。类胡萝卜素分布在植物的花、叶、根和其他部位,呈现黄色、橙色和红色[11-12]。生物碱在黄色、橙色和红色3种色素中含量最少,与黄色、橙色和红色花瓣的形成有关[13-14]。有些黄色花花瓣中还含有大量有色体,有色体是植物合成和积累类胡萝卜素的主要细胞器,不同植物的有色体内所积累的类胡萝卜素成分也有所不同[15-17]。已有研究表明,花瓣色素的种类和含量、表皮细胞性状、有色体的性状及含量对花色形成和呈现均具有一定影响[18-20]。陈建[21]解剖发现,非洲菊(Gerberajamesonii)花瓣的色素主要集中在表皮细胞和栅栏组织,其表皮细胞形状与色素分布是影响花色的主要因子。岳娟[22]开展单子叶植物蓝色花花瓣表型观察和解剖结构研究,结果表明,花色素在花瓣中的分布位置和花瓣表皮细胞的形状对蓝花的形成和呈现具有一定影响。雷霆[23]对彩色马蹄莲(Zantedeschiahybrida)佛焰苞的呈色物质分布特征进行分析,发现表皮细胞呈扁平状,但不同色系品种的佛焰苞中色素物质分布情况有所不同,色素分布层数越多,佛焰苞颜色越深。【本研究切入点】黄色花具有极高的科研、生态、观赏和文化价值[24-25],但由于黄色花色素结构和呈现机理具有复杂性和独特性,目前关于黄色花形成机理的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】以8种植物的黄色花花瓣为试验材料,观察其花瓣内部色素分布情况和细胞形态特征,以期为黄色花呈色机理研究提供理论依据。
1.1 试验材料
试验于2021年3月至2022年3月在广西玉林师范学院植物学实验室进行。供试8种黄色花植物分别为崇左金花茶、黄花夹竹桃、蟛蜞菊、黄槿、黄蝉、黄花美人蕉、黄槐和黄花菜,取其盛开期具有代表性且健康完整的花瓣为试验材料,洗净擦干后保存于-20 ℃冰箱备用。
1.2 试验方法
1.2.1 花瓣解剖结构观察 取盛开期黄色花花瓣,用镊子从花瓣中心撕去表皮,置于光学显微镜下观察色素和有色体的分布状况及花瓣表皮细胞的形态特征。用刀片横切花瓣,将切片置于显微镜下观察其各部位细胞形态特征、组织结构特征及有色体和色素的分布情况(对花瓣薄不易于操作的可采取双刀片夹切法,取两刀片之间残留的薄片)。
1.2.2 类胡萝卜素含量测定 称量8种黄色花植物的新鲜花瓣各0.3 g,加适量95%乙醇、少量碳酸钙和石英砂,研磨成匀浆后转入30 mL离心管,再加入95%乙醇用于洗涤研钵,将洗涤液一并转入离心管,放置30 min后取上清液定容至15 mL。取上述提取液用分光光度计分别在470、665和649 nm波长下测定类胡萝卜素、叶绿素a和叶绿素b的吸光值(D值)。重复3次,取平均值。参考高俊凤[26]的方法计算类胡萝卜素含量。
Ca=13.95D665-6.88D649
Cb=24.96D649-7.32D665
Cx=(1000×D470-2.05×Ca-114.8×Cb)/245
CT=(C×V×N)/(M×1000)
式中,Ca、Cb和Cx分别表示叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素浓度(mg/L),CT表示类胡萝卜素含量(mg/g),V为提取液总体积(mL),N为稀释倍数,M为样品质量(g)。
1.2.3 类黄酮含量测定 (1)类黄酮提取:参考吴倩[27]的方法并作适当改动。分别称取0.2 g花瓣粉末于离心管中,加入5 mL的70%乙醇,置于超声波清洗器振荡20 min后离心机离心20 min,取上清液。沉淀用同样方法重复提取2次,最后得到提取液10 mL。
(2)D值测定:取上述提取液1 mL,加入0.3 mL 5%NaNO2溶液,摇匀,放置6 min;再加入0.3 mL 10%Al(NO3)3溶液,摇匀,放置6 min;最后加入4 mL 4%NaOH溶液,摇匀,用70%乙醇定容至10 mL,放置10 min后在分光光度计及波长510 nm条件下测定D值。
(3)黄酮含量计算:以芦丁为标准品,测定其在波长510 nm的D值并得出标准曲线方程为Y=0.0135X+0.0139(R2=0.9974),其中,X为芦丁浓度(μg/mL),Y为510 nm波长下的D510。将上述测得每种花的D值(取平均值)代入芦丁标准曲线即求出其提取液的体积(μL),以V3表示测定时的加样总体积(mL),M表示称取的样品总质量(g)。
1.3 统计分析
试验数据采用Excel 2020进行整理,以SPSS 19.0进行差异显著性分析。
2.1 8种黄色花植物花瓣中色素的分布特征
从图1可看出,8种黄色花植物花瓣的横切面主要由上表皮、下表皮、栅栏组织和海绵组织构成。显微观察花瓣的微形态,发现崇左金花茶(图1-A)、黄槐(图1-B)、黄槿(图1-F)和黄花美人蕉(图1-H)的色素主要分布在上、下表皮,且色素分布较集中,而靠近上、下表皮的栅栏组织细胞层无色透明或仅有少量色素分布,中间海绵组织无色素分布;黄花夹竹桃(图1-C)和黄蝉(图1-E)的上、下表皮和栅栏组织均有色素分布,且分布层数较多,上表皮及靠近上表皮的栅栏组织中色素积累较集中,中间的海绵组织几乎透明;蟛蜞菊(图1-D)的色素主要集中在上表皮及靠近上表皮的栅栏组织,下表皮色素分布较少;黄花菜(图1-G)的色素基本集中分布在栅栏组织,海绵组织可见有少量色素,上、下表皮几乎无色素分布或仅有极少量色素分布。
花瓣表型(A-1～H-1);花瓣横切(A-2～H-2);花瓣上表皮(A-3～H-3);花瓣下表皮(A-4～H-4)。
从图1可看出,花瓣呈现的颜色与内部细胞中的色素或色素团所呈现的颜色基本相符;根据花瓣内部细胞的色素或色素团颜色可将8种黄色花植物的花瓣颜色划分为橙黄色和黄色两大类。其中,崇左金花茶、黄槐、黄花夹竹桃和蟛蜞菊的花瓣呈橙黄色,且色素颜色较深;黄蝉、黄槿、黄花菜和黄花美人蕉的花瓣呈黄色,色素的颜色相对较浅,尤其黄花菜呈现的颜色最浅,在其上、下表皮几乎观察不到黄色色素分布。
通过观察比较和分析可知,花瓣表皮细胞中色素积累较集中的植物为黄槐、黄花夹竹桃、崇左金花茶和蟛蜞菊,表皮细胞色素积累相对疏散的植物为黄槿、黄花菜、黄蝉和黄花美人蕉,前者呈现鲜艳的橙黄色,后者多呈现淡黄色或黄色。可见,黄色花植物花瓣表皮细胞中色素的分布对花色形成及呈现具有一定影响。
2.2 8种黄色花植物花瓣中有色体的分布特征
经光学显微镜观察(图1),除黄槿和黄花菜外,其他6种黄色花植物花瓣中均观察到有色体分布。其中,崇左金花茶(图1-A)花瓣的主要色素类胡萝卜素以有色体的形式大量存在于花瓣中,上、下表皮均有有色体分布,上表皮细胞中的有色体多呈球状,下表皮细胞中的有色体出现球状和结晶状两种类型,靠近花瓣上表皮的一两层栅栏组织细胞中也含有少量有色体;黄槐(图1-B)花瓣的有色体分布较多,集中分布在上、下表皮,呈球状和结晶状两种类型,且分布在气孔器的有色体颜色较深,体积较大;黄花夹竹桃(图1-C)和黄蝉(图1-E)花瓣的有色体密集分布于上、下表皮及栅栏组织,呈球状和结晶状两种类型,且在靠近上表皮栅栏组织中的有色体颜色较深;蟛蜞菊(图1-D)花瓣的有色体仅分布于上表皮和部分栅栏组织,颜色较深且呈球状,下表皮中未观察到有色体分布;黄花美人蕉(图1-H)花瓣的上、下表皮有色体的分布基本一致,呈球状,但上表皮中的有色体颜色深于下表皮。
综上所述,8种黄色花植物花瓣中的有色体形状主要为球状和结晶状两种类型,其颜色在花瓣呈色较深的崇左金花茶、黄槐、蟛蜞菊和黄花夹竹桃中接近橙黄色-橙色;花瓣呈色较浅的黄蝉和黄花美人蕉中有色体的颜色多为淡黄色-黄色。可见,8种黄色花植物花瓣的呈色存在较大差异。
2.3 8种黄色花植物花瓣的表皮细胞形态特征
从图1和表1可看出,8种黄色花植物的花瓣上、下表皮细胞形态较一致,主要分为不规则形和多边形(包括长多边形),细胞间的排列较紧密,垂周壁样式主要表现为浅波形、深波形、平直形或弓形。其中,黄花夹竹桃(图1-C)和黄蝉(图1-E)花瓣上、下表皮细胞的垂周壁样式不同,上表皮表现为浅波状,下表皮表现为深波状;蟛蜞菊(图1-D)和黄槿(图1-F)上、下表皮细胞的形状和垂周壁存在较大差异,二者上表皮细胞形状相似,但蟛蜞菊的下表皮细胞形状和垂周壁样式为两种不同形状,有不规则形和多边形两种类型,垂周壁为浅波形、平直形或弓形;而黄槿的下表皮细胞形状为不规则形,垂周壁为浅波形;黄槐(图1-B)花瓣下表皮细胞中靠近气孔器的表皮细胞均有纹理分布,这一特征区别于其余7种黄色花植物的花瓣表皮特征。
表1 8种黄色花植物花瓣表皮细胞的形态特征
2.4 8种黄色花植物花瓣的花色素成分及含量分析
由表2可知,崇左金花茶、黄槐、黄花夹竹桃、蟛蜞菊和黄蝉花瓣的类胡萝卜素含量较高,黄槿、黄花菜和黄花美人蕉的类胡萝卜含量相对较低。其中,黄花夹竹桃的类胡萝卜素含量最高,且显著高于黄槿、黄花菜和黄花美人蕉(P<0.05,下同);黄槿的类胡萝卜素含量最低,且显著低于黄花夹竹桃、崇左金花茶、黄槐、蟛蜞菊和黄蝉,这与花瓣中花色呈现的颜色深浅相符。此外,黄槐的类黄酮含量最高,且显著高于黄花菜、黄蝉、黄花夹竹桃、黄花美人蕉和黄槿;而黄蝉和黄花菜的类黄酮含量较低,且显著低于崇左金花茶、黄槐、黄花夹竹桃、蟛蜞菊和黄槿。结合图1和表2结果可知,黄花夹竹桃和黄槐花瓣的有色体分布数量较多,二者的类胡萝卜素含量也较高;而黄槿和黄花菜花瓣中几乎看不到有色体分布,二者的类胡萝卜素含量也较低,说明有色体是植物合成和积累类胡萝卜素的主要细胞器,花瓣中有色体的分布与类胡萝卜素含量间存在密切关系。此外,类黄酮对黄色的形成和呈色也发挥一定作用,黄蝉和黄花菜的类黄酮含量较低,二者花瓣呈现的黄色也较浅。
花瓣中的色素分布及含量对花色形成具有重要影响,而花瓣是光的直接受体,其结构尤其是表皮细胞的性状对花色形成非常重要。本研究中,8种黄色花植物花瓣表皮细胞的形状均为不规则形和多边形(包括长多边形),垂周壁样式为浅波形、深波形、平直形或弓形,其中,除蟛蜞菊花瓣的上表皮细胞在横切面上可见呈尖锥形凸起状外,其他6种植物花瓣的上表皮细胞均呈不规则凸起或无凸起,下表皮细胞凸起较小或无凸起而表现为扁平状细胞,与岳娟[22]对蓝色花瓣解剖结构的研究结果一致。当光线照射到表皮细胞时,凸起状的细胞可使入射光的比例增加从而使花瓣颜色加深,扁平状的细胞则致使较多入射光反射导致花瓣颜色变浅[22]。本研究结果表明,色素在8种黄色花植物花瓣中分布主要分为3类:①色素主要集中在上、下表皮且通常上表皮色素比下表皮多,如蟛蜞菊和黄槐等;②色素主要分布于栅栏组织中,如黄花菜;③上、下表皮和栅栏组织中都有色素分布,如黄花夹竹桃。其中,花瓣上、下表皮和栅栏组织中色素含量较高且色素积累较集中,其花瓣的花色就较深,如蟛蜞菊和黄花夹竹桃;花瓣花色素含量不高且主要分布在栅栏组织,其表皮细胞中含有极少量色素或不含色素,其花瓣的呈色就欠鲜艳,如黄花菜。说明花瓣是呈现花色的最终载体,花瓣的内部结构和色素物质分布均对花色发挥着直接影响,与白新祥[28]对菊花花色形成的表型分析结果相似。
有色体的分布和类胡萝卜素含量均对花色形成具有一定影响[1]。本研究中,黄花夹竹桃和黄槐花瓣的有色体分布较多,含量较高,颜色较深,类胡萝卜素含量较高;黄蝉花瓣的有色体数量次之,类胡萝卜色素含量也次之,其颜色的深浅次于黄槐和黄花夹竹桃;崇左金花茶和蟛蜞菊花瓣上表皮的有色体含量较少但颜色较深,类胡萝卜素含量也较低,呈色较浅;黄花美人蕉的花瓣有色体数量较多,但其颜色较浅,其类胡萝卜色素含量也较低,呈色较浅;而在黄槿和黄花菜的花瓣中无有色体分布,二者的类胡萝卜素含量也较低,显色更浅。说明有色体分布越多及含量越高,颜色越深,类胡萝卜素含量就越高,花瓣的呈色效果就越明显,与曾云流[17]、王春艳[29]对柑橘果肉、红肉脐橙和普通脐橙研究获得果肉色泽与其有色体和类胡萝卜素合成密切相关的结论相符。
花瓣中类胡萝卜素和类黄酮含量也与花瓣呈色密切相关[7]。本研究结果表明,在崇左金花茶、黄槐、黄花夹竹桃、蟛蜞菊、黄槿和黄花美人蕉的花瓣中,使其呈黄色的主要色素为类黄酮,而在黄蝉和黄花菜的花瓣中,呈现黄色的主要色素为类胡萝卜素和类黄酮;在8种黄色花植物的花瓣中,类胡萝卜素和类黄酮含量均存在差异,黄色花花瓣显色程度也有所不同,即类胡萝卜素和类黄酮含量越高,其花瓣的颜色越鲜艳,呈色效果越明显,表明花瓣中色素含量与花瓣的花色形成密切相关,与苏焕然[30]、Tanaka等[31]探讨花瓣色素种类和含量对花色形成影响获得的结论相似。
黄色花植物花瓣中色素的种类、分布和含量及有色体的形状、花瓣表皮细胞的形态对花色形成和呈色均具有一定影响。其中,类胡萝卜素和类黄酮含量越高,有色体在黄色花花瓣表皮细胞中的分布越集中,则花瓣颜色越深,呈色效果就越明显。因此,开展黄色花呈色机理研究过程中需着重分析色素的种类、含量及有色体形成和表皮细胞的形态特征。
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