李逸心 朱桂才

(长江大学园艺园林学院，湖北 荆州 434020)

引言

叶色是植物的表型特征之一，其变异通常伴随着生理生化过程和分子水平的调控，如质体发育与转化、光合作用系统组装与运行、色素代谢等，不同的变异机制形成了多种多样的变异表型。叶色变异植物对于丰富园林景观色彩，提升景观多样性具有非常重要的作用，在淡花季能提供以叶代花的观赏效果，同时也优化提升了多种乡土树种的经济效益。到目前为止，前人已在茶树、银杏、黄杨、女贞等数种植物中发现叶色变异现象，在色素组成、叶片结构、光合特性、分子机制等方面取得了一些研究进展[1]。本文从叶色变异植物的色素组成、叶绿体结构特征、分子机制方面对植物叶色变异机理的研究现状进行综述，为今后研究其它尚未明晰叶色变异机理的叶色变异植物提供参考。

1 色素组成

植物的叶色是由叶片中色素的含量、占比以及种类决定的。一般有3类色素存在于高等植物的叶片内，分别是叶绿素类、类胡萝卜素类及类黄酮类。叶绿素类主要有2种，叶绿素a和叶绿素b，两者在光合过程中处于不同地位，叶绿素a是核心色素，在光合作用中可以将光能经过一些步骤转化为化学能，且存在大多数绿叶植物中，叶绿素b含量是叶绿素a含量的1/3左右，也就是说，植物光合能力的强弱几乎由叶绿素a的相对含量决定；类胡萝卜素类主要有2种，类胡萝卜素和叶黄素，类胡萝卜素不仅可以吸收和传输光能，在活体状态下还可以避免叶绿素光降解，因此类胡萝卜素的含量与所占比例也是叶片呈色的重要因素之一；类黄酮也指花色素苷[2]。色素的颜色存在差异，叶绿素a和叶绿素b分别是蓝绿色和黄绿色，类胡萝卜素和叶黄素分别是橙黄色和黄色，花色素苷的颜色主要由pH值大小决定，在酸性土壤中为红色，在碱性土壤中为蓝色。高等植物叶片中含量占比较高的为叶绿素和类胡萝卜素，而大多数绿叶植物的叶绿素总含量是类胡萝卜素含量的3倍左右，使得对应植物叶片呈现为绿色，因此植物叶色形成差异的直接内因就是叶片中色素的含量、占比和种类间的差异[3]。

许庆全等通过测定墨兰品种“达摩”绿叶材料及4个叶色变异品种的叶片光合色素含量，发现4个叶色变异品种黄色部分的总叶绿素含量和类胡萝卜素含量均小于绿色部分[4]。任杰等通过测定红花槭中的红色叶、绿色叶及黄色叶的叶片色素含量，发现红花槭叶色变红与花色素苷含量增多有紧密联系[5]。毛行简等通过测定花叶假连翘2种叶色变异体和正常绿叶材料的光合色素含量，发现这3种材料的光合色素含量均表现为全绿叶含量最高，花叶含量次之，全白叶含量最低[6]。王彩霞等通过测定文心兰黄绿条纹变异体和正常材料的光合色素含量，发现相较正常植株，黄绿条纹变异体的总叶绿素含量及类胡萝卜素含量都显著减少[7]。苏佳露等通过测定2个叶色分区中的6个竹种的光合色素含量，发现白色区域和绿色区域中含量最高的色素分别是类胡萝卜素和叶绿素a，而白色区域中2类光合色素含量均远远低于绿色区域[8]。

2 叶绿体结构特征

植物叶色变异大多是由叶绿素合成异常引起的，而叶绿体内的类囊体薄膜是大多数植物进行色素代谢的场所，因此当植物叶色变异时，叶片叶绿体本身的内部结构会有相应的变化。正常叶色植物的叶绿体呈椭圆形或近椭圆形，含有丰富、清晰的内膜系统和质地稠密的组织，在内膜系统里有明显的基粒和基粒片层。基粒分为2种，基粒片层紧密平行排列，片层较直而薄；基粒片层排列疏松，片层较厚，有的呈弧形。叶绿体基质中具有微小的核糖核蛋白体颗粒和DNA状的纤丝，且多数含嗜锇球体及淀粉粒[9]。有研究表明，相较于正常绿叶植物，叶色变异植物的叶绿体形态和结构有很大差异，具体表现为叶绿体外膜不清晰不完整，叶绿体中类囊体基质质地稀薄，基粒类囊体数量偏低以及片层垛叠稀疏，甚至很难被分化出来[10]。

陈凌燕等通过研究银丝竹绿色与白色叶片的超微结构，发现在全绿叶片叶肉细胞内，叶绿体数量多且形态结构完善；而在全白叶片叶肉细胞内，叶绿体的膜结构不清晰，边界有缺口，基粒类囊体片层排列杂乱，其中有些呈现空泡状，可见银丝竹叶片叶色变异是叶肉细胞内叶绿体结构不完整或缺少叶绿体造成的[11]。姬语潞等通过观察铁皮石斛白绿杂色变异体和绿黄杂色变异体的叶片叶绿体超微结构，发现在这2种叶色变异材料中，叶肉细胞内的叶绿体数量均偏少，叶绿体结构不完整，分布状态杂乱且不均匀，基粒片层相较正常铁皮石斛植株颜色偏浅且结构排列状态松散，基质中少见嗜锇体及淀粉粒[12]。

3 分子机制

植物的叶色由叶片中色素的含量、占比以及种类决定，因此对植物叶色变异分子机制的研究重点集中在叶绿素代谢途径、类胡萝卜素合成途径、花色素苷合成途径等方面。

3.1 叶绿素代谢途径

叶绿素在植物中广泛存在，通过非共价键与类囊体膜上的各种光合蛋白联系。叶绿素合成的早期阶段发生在叶绿体基质中，而后续的合成则是通过膜结合或者与膜相关的一些酶所催化而产生，也就是说这些代谢的中间产物必须在质体膜及基质、类囊体膜之间输送，三者一定处于复杂的代谢调控网络之内[13]。

3.1.1 叶绿素合成途径

很多报道显示，叶色变异植物叶绿素含量偏低的原因是叶绿素合成途径中某个位点受阻。高等植物叶绿素的生物合成过程共包含15步酶促反应，这中间无论哪一个节点合成受阻，都有可能造成该步之前的合成产物积聚，该步之后的合成产物含量降低，从而引起叶绿素含量及比例变化，进而使叶色发生变异。有研究表明，在叶绿素合成的过程中，变异产生的节点越靠前，叶色产生的变异越显著，一般表现为黄化或白化，而变异产生的节点较为靠后时，一般表现出斑叶、条纹等表型性状[14]。

高等植物叶绿素的生物合成可以分成2个阶段，第1个阶段是从L-谷氨酰-tRNA到原卟啉Ⅸ的生物合成，起始关键步骤是L-谷氨酰-tRNA合成δ-氨基乙酰丙酸，这是合成过程中的限速步骤，同时也是叶绿素原材料调控的关键位点，此过程受到谷氨酰-tRNA还原酶的活性调控，后由δ-氨基乙酰丙酸在缩合反应下生成胆色素原，由胆色素原异构化为环状的尿卟啉原Ⅲ，再由其脱掉羧基生成粪卟啉原Ⅲ，然后在形成环状骨架的条件下氧化为原卟啉Ⅸ[15]；第2个阶段是原卟啉Ⅸ逐渐转化为叶绿素的生物合成，在四吡咯化合物的合成路径中以原卟啉Ⅸ为底物的合成通路主要有2条，以亚铁螯合酶为催化物，合成亚铁血红素和光敏色素等；以镁螯合酶为催化物，生成Mg-原卟啉Ⅸ，之后再经过6种酶的催化，最终合成为叶绿素[16]。

朱雪云等通过分析金心、金边黄杨叶片内不同颜色组织的叶绿素合成途径，发现由粪卟啉原Ⅲ转化为原卟啉Ⅸ的过程受阻，由此导致黄色组织内叶绿素含量相比绿色组织内叶绿素含量降低[17]。苏金等对黄金枸骨幼苗进行遮荫处理，通过分析遮荫过程中弱光条件下叶片叶绿素生物合成的途径，发现叶绿素的累积源于尿卟啉原Ⅲ的增多，尤其是尿卟啉原Ⅲ合酶活性的增加，使黄金枸骨叶片由金黄色转变为绿色[18]。

3.1.2 叶绿素降解途径

叶绿素的降解可分成2个阶段，即叶绿素在4个酶学步骤后被降解为初级荧光代谢物pFCC；反应场所转移至液泡，在酸性液泡的催化作用下发生非酶学异构反应，生成非荧光叶绿素代谢产物NCCs，这些产物经转化后生成吡咯降解产物。在叶绿素a/b蛋白复合物的降解过程中，叶绿素b还原酶(NOL和NYC1)是关键酶[19]。

3.2 类胡萝卜素合成途径

在高等植物中，类胡萝卜素的合成路径是以乙酰辅酶和甘油醛-3-磷酸作为底物，经过多步酶促反应合成中间产物IPP和DMAPP，再在多种化合物的催化下合成类胡萝卜素前体。研究发现，八氢番茄红素合酶(PSY)是类胡萝卜素合成过程中最关键的酶，在烟草作物中2个PSY基因的过量表达，就会造成转基因植物矮化，植物叶片形态发生变化及植物体内色素沉淀。该酶的基因表达受到如PIFs及HY5等转录因子的影响，前者通过与酶上基因启动子的指定序列相结合，从而抑制该酶的基因表达，减少类胡萝卜素的积累量，后者通过促进该酶的转录，在光和温度等因素的作用下提升类胡萝卜素的积累量。

除此之外，番茄红素β-环化酶也是类胡萝卜素代谢路径上的关键物质，若相关转录因子对该酶的表达产生激发作用，则能够增加植物体内类胡萝卜素的积累量[20]。

3.3 花色素苷合成途径

花色素苷属于一种次生代谢生成的类黄酮类物质，其合成通路是类黄酮代谢途径的重要组成部分，包括2个催化阶段和1个酶促反应阶段，在整个合成途径中，结构基因直接对参与过程中的酶进行编码调控。

4 展望

近年来，由于叶色变异植物色彩鲜艳丰富、可观赏期长等优点，在城乡绿化中备受欢迎，不断得到大力推广。另外，对植物叶色变异机理的研究在观赏园艺方面有很大价值，如定向诱导培育一些新奇的叶色变异品种，可以极大地提高各类观赏植物的景观效果及经济价值；同时，在通过嫁接等无性繁殖方式，使叶色变异植物对各地乡土树种进行彩叶化改良，从而规模化、优化利用乡土树种等方面，植物叶色变异机理的研究都有重要的理论价值。本文综述了叶色变异植物的色素组成、叶绿体结构特征及分子机制，为研究其它尚未明晰叶色变异机理的叶色变异植物提供参考依据。

目前叶色变异植物仍面临一些亟需解决的问题,如一些叶色变异品种抗逆性较差、树势衰弱，影响产量，或在长期栽培后出现叶色复绿或叶色退化现象，影响景观效果及经济效益。如何提升叶色变异稳定性，及在维持叶色变异的同时保证生物量等一系列问题有待进一步研究。