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中红杨(Populus dehoides ’Zhonghoog’)和全红杨(Populus deltoids ’Ouanhong’)是杨属植物中新兴的两种红叶品种,因其较高的观赏价值而备受关注。目前人们对红叶杨叶色形成的机理的研究还相当匮乏,极大的限制了以红叶杨为代表的彩叶植物的进一步开发和利用。高等植物叶片的最终呈色是由细胞内的叶绿素、类胡萝卜素和花青素三大类色素之间的比例及其在叶片中的分布决定的。本研究以红叶杨品种全红杨和中红杨为研究对象,以常色叶树种2025杨(Populustremuloides× Populus deltoids)为对照,通过对3种杨树色素含量的变化、花色素苷代谢途径中相关结构基因的表达、叶绿素合成相关前体物的相对含量、叶绿素降解代谢过程中叶绿素酶的基因表达以及叶绿体超微结构的分析研究,从分子和生理两个水平对红叶杨叶片呈色机理进行了初步的探讨。主要研究成果如下:1.三个品种色素含量的变化中红杨和全红杨叶片中花青素含量远远高于2025杨,叶绿素和类胡萝卜素含量均低于2025,花色素苷/叶绿素的比值明显高于2025。可以认为红叶杨叶片中较多的花色素苷和较低的叶绿素是红叶杨叶片呈现红色的直接原因之一。2.花色素苷合成相关基因的定量表达根据已发表的毛果杨花色素苷代谢过程中关键结构基因的保守序列设计了特异引物,并克隆得到了 CHS(GenBank Accession:JQ065897)、CHI(GenBank Accession:JQ315243)、F3H(GenBank Accession:JQ315246)、F3’H(GenBank Accession:JQ315245)、F3’5’H(GenBank Accession:JQ315244)、DFR(GenBank Accession:JQ065898)、ANS(GenBank Accession:JQ065896)和 UFGT(GenBank Accession:JQ315247)等8个结构基因的部分序列。荧光定量PCR分析结果显示,8个结构基因在全红杨中的表达量都显著高于2025杨,其中增长幅度最大的是F3H.ANS和DFR,可能对全红杨中花色素苷的合成起到了更为重要的作用;而相较而言,中红杨与2025杨叶片花青素合成相关基因的表达水平没有出现明显的差异,且只有F3H.F3’H、DFR和ANS四个结构基因的表达量高于对照。3.叶绿素代谢途径分析高等植物体内的叶绿素处于不断合成和降解的动态变化中。对叶绿素合成的7种主要前体物的相对含量测定结果表明,两种红叶杨叶片中叶绿素合成前体物ALA、PBG、UrogenIII、CoprogenIII含量均显著大于对照,但 ProtoⅨ、Mg-ProtoⅨ和 Pchlide的含量较其对照降低或与对照相等,这说明红叶杨叶片中叶绿素合成在这几步受阻,从而导致叶绿素含量降低,叶片呈现红色。叶绿素酶是植物体叶绿素降解的关键限速酶,实时定量PCR结果发现,全红杨叶片中叶绿素酶基因表达量是2025杨的2.7倍。由此推断,全红杨中叶绿素酶基因表达增强,可能加速了叶绿素的降解,进而对全红杨叶片的红色表型性状的显现起到了促进作用。但中红杨叶绿素酶基因表达量低于对照,只有对照的1/3,叶绿素降解途径是否对中红杨叶片呈色起作用还需要进一步验证。4.叶绿体超微结构变化电镜观察结果显示,红叶杨品种与正常绿色型杨树叶绿体结构有较大的差异,最为显著的变化是叶绿体基粒片层数减少,结构变得松散,甚至解体;淀粉粒减少;嗜锇颗粒增多。这些现象表明红叶杨中叶绿体功能的衰退影响了叶绿素的最终生成。