馮漢宇，仇天雷，魏建華，張殿朋，陳剛

（1.北京市農(nóng)林科學院北京農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中心，北京 100097；2.北京市農(nóng)林科學院植物保護環(huán)境保護研究所，北京 100097；3.北京市農(nóng)林科學院玉米研究中心，北京 100097）

植物不同器官呈現(xiàn)紅、紫、藍等色是植物體內(nèi)花青素種類、輔色劑和液胞中H+相互作用的結(jié)果。在植物生長過程中這些因素變化及彼此相互作用受植物體基因調(diào)控[1]。花色苷屬于酚類色素，賦予植物鮮艷的顏色以利于授粉和種子傳播等[2]。

玉米是單子葉植物，最普通是黃玉米，主要含類胡蘿卜素，而黑玉米主要是花色苷和黑色素?；ㄇ嗨仡愇镔|(zhì)在不同pH環(huán)境下其結(jié)構(gòu)能發(fā)生互變異構(gòu)現(xiàn)象，對光的吸收特征改變而使顏色發(fā)生變化，酸性條件下呈紅色，中性、近中性條件下無色，堿性條件下呈藍色[3]。主要含天竺葵素、矢車菊素糖苷提取物會呈現(xiàn)橙到紅色，含有甲基花青素糖苷為深紅，含飛燕草素、矮牽牛苷配基和錦葵素糖苷則會顯出紅色，而糖苷基團?；赡軙幸环N藍化效果[4-5]?；诖?，文中以前期選育的花青素基因C1穩(wěn)定表達的F5代株系及不同雜色玉米F2代、京501自交系、HiⅡ×京501雜種為材料，對其農(nóng)藝性狀、籽?；ㄉ仗匦缘冗M行研究，旨在為進一步開發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

京501玉米自交系由北京農(nóng)林科學院玉米中心陳剛研究員選育，京501×HiⅡ雜種來自北京農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中心，含花青素基因的F5代株系參照馮漢宇（2018）[6]，雜交F1代種子來自北京海淀區(qū)的商店，代號編為 QHX1-3，MLM1-3，HL1-3，QHDY11-3，QHDY21-3，QHDY31-3。

1.2 播種與管理

在北京市房山基地發(fā)現(xiàn)一些各種顏色的穗子（F4代），由于轉(zhuǎn)基因存在下一代是否還是不同色問題，即用小袋分裝種子在海南三亞市崖城玉米研究中心基地播種，并以京501為對照；此外，為了明確非轉(zhuǎn)基因彩色玉米在田間自然授粉或人工授粉是否具有同等效果，從不同商家收集雜色玉米6穗（F1代），脫粒后按照紅色、紅黑和紅花三色分類，每色6袋，3個重復(fù)18袋并編號，在同一基地播種。

2017年10月20號整地，同時施用750 kg/hm2靑上化工有限公司生產(chǎn)的復(fù)混肥料，然后用起壟機起壟，22號播種，播前用清水浸泡24 h，密度為67 500株/hm2，大小行種植，大行距80 cm，小行距40 cm，株距25 cm。播種后防治鼠害，授粉期間澆水、施肥和除草，并進行人工授粉。數(shù)據(jù)調(diào)查，記錄散粉、抽絲期，用尺子測量株高、穗位，2月初收獲5穗考種，裸眼觀察穗粒色，用天平稱單穗重、粒重和100粒鮮重，計算均值，從中取些代表性的樣品進行花青素檢測。

1.3 籽?；ㄇ嗨胤止夤舛葍x檢測

材料為雜色玉米F2代、F5代籽粒顏色純合穗，于2017年11月和2018年3月測定。取自然授粉籽粒50粒測花青素。測前將籽粒用清水浸泡1 h，用剪刀和鑷子把果皮和籽粒分開，晾干，用粉碎儀器粉碎，用天平稱取籽粒樣品1 g左右，果皮樣品0.5 g左右，用0.1 mol/L鹽酸與95%乙醇體積比1∶1比例混合液4 mL提取，提取液pH 2.568，50℃水浴提取30 min，提取后pH均值4.264，取上清，10 000 rpm離心2 min，在530和335 nm條件下用分光光度儀測定花青素和類黃酮，參考賈士芳（2011）[7]方法并略微修改。

1.4 提取液pH測定

提取時籽粒和果皮溶液pH小于7，溶液顯示出粉黃到紫紅色一系列顏色，取0.5 g NaOH溶于50 mL去離子水中，配成堿性溶液，取0.1 mL提取液，分別加入0.4 mL堿性溶液和2.0 mL去離子水，觀察溶液顏色，用pH計測定pH。

2 結(jié)果與分析

2.1 F5代及京501植株農(nóng)藝性狀

從種植的F5代株系中，從籽粒顏色的角度選出一些株系，與京501相比，F(xiàn)5株系葉色均為綠色，株高、穗位分別介于65～153 cm和28～62 cm之間，抽絲、散粉期在12月26—31日期間，與京501差異不大。其穗部性狀與京501的不同，有的單穗重、粒重、100粒鮮重均比京501的大，籽粒顏色多樣，有紅、紅黑、黑等色（表1）。

表1 F5代及京501自交系農(nóng)藝性狀

2.2 常規(guī)玉米雜交種和三交授粉穗農(nóng)藝性狀及籽粒色

2.2.1 不同雜色玉米后代農(nóng)藝性狀及籽粒顏色（F2代）。結(jié)合表2和圖1可知，不同雜色玉米后代抽絲、散粉期差異不大，處于12月25—27日之間；株高、穗位分別介于142～162 cm與58～69 cm之間；單穗重和粒重介于140～184 g與91～121 g之間；100粒鮮重介于44～54 g之間。大部分穗籽粒彩色，有紅、紅黑、黑、白或黃色，個別穗上籽粒顏色大體一致有紅、紅黑、白色，糊粉層紅、紅黑、黑和白色，果皮同一色。

表2 雜交F2代植株的農(nóng)藝性狀

圖1 籽粒彩色的玉米穗子

2.2.2 京501×HiⅡ雜交種農(nóng)藝性狀及京501雜交穗籽粒顏色。

通過表3可知，京501×HiⅡ雜交種各重復(fù)間抽絲、散粉期差異不大，株高和穗位介于162～194 cm和50～75 cm之間，單穗重和粒重介于90～165 g與33～42 g之間（表3）。不同籽粒色株系花粉與雜交種（HiⅡ×京501）授粉4穗上籽粒雜色，雜交種自交穗籽粒黃白色，自然授粉穗籽粒黃白色，個別籽粒紫色，不同籽粒顏色株系花粉與京501雜交穗籽粒雜色，自交穗籽粒純黃色。

2.3 籽粒花青素測定

2.3.1 8行自然授粉穗籽粒和果皮花青素、類黃酮測定值（F2代）。按照不同穗籽粒色取8行自然授粉穗籽粒、果皮測花青素和類黃酮。從表4可以看出，紅黑和紅色籽?；ㄇ嗨販y定值比白色高，測定液呈深紅或淺紅色，紅花籽粒花青素測定值與白色的差異不大，可能與雜質(zhì)有關(guān)，類黃酮差異不顯著；紅黑、紅和紅花果皮花青素測定值比白色高，測定液呈黃色可能與雜質(zhì)有關(guān)。

表3 京501×HIⅡ雜交種植株的農(nóng)藝性狀

表4 8行自然授粉穗籽粒和果皮花青素、類黃酮測定值

2.3.2 8個自然授粉穗籽粒和果皮花青素、類黃酮值（F5代）。對8個株系穗籽粒和果皮花青素、類黃酮進行了測定發(fā)現(xiàn)，重量1 g左右，在目前不考慮重量的條件下，所有的株系穗籽?；ㄇ嗨睾烤染?01高，類黃酮含量則差異不大；但是果皮不同，有的果皮花青素含量比京501高，有的則低，類黃酮含量差異不大，測定液呈深紅或淺紅色，個別黃色可能與雜質(zhì)有關(guān)（表5）。

表5 8個自然授粉穗籽粒和果皮花青素、類黃酮值

2.4 不同pH提取液色澤

有研究表明花青素在酸性條件下呈桔紅到紫紅，該次研究結(jié)果表明樣品提取液pH均為4.264的酸性條件下，果皮提取液顏色由桔紅到紅色，籽粒提取液顏色由淺紅到深紅，而且分淺紅色的A-37、桔紅的A-47、紅色的A-43-5，深紅的A-40-3 4種類型；有研究表明花青素在堿性條件下顯藍、褐或黃綠色，該次研究結(jié)果表明在堿性條件下果皮提取液色由淺黃綠到黃綠，籽粒提取液顏色與之不完全相同，如淺粉的A-39，黃綠的A-44，淺黃的A-47等（表6）。

表6 堿性條件下pH與提取液顏色

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

3.1.1 穗籽粒色澤。葉綠F5代株系葉綠色，大部分株系單穗重、粒重和100粒鮮重比京501高，籽粒有紅、紅黑和黑等色；不同雜色玉米后代大部分穗子籽粒有紅、紅黑、黑和白等色，個別穗籽粒顏色一致。不同籽粒顏色株系花粉與HiⅡ×京501雜種授粉穗籽粒雜色，雜種自交穗、自然授粉穗籽粒黃白色；與京501授粉穗籽粒雜色。

3.1.2 籽粒花青素值。紅黑和紅色籽粒花青素含量較白色籽粒的高，紅黑、紅和紅花果皮花青素含量比白色的高，可能與雜質(zhì)有關(guān)；8個F5代株系籽粒花青素含量比京501高，果皮花青素含量有的比京501高。

3.1.3 不同pH與提取液色澤。研究表明在酸、堿性條件下，同一個樣品的花青素提取液色澤不一樣。酸性條件下果皮提取液顏色由桔紅到紅色，堿性條件下果皮提取液顏色由淺黃綠到黃綠；酸性條件下籽粒提取液色分淺紅色、橙紅、紅、深紅4種類型，堿性條件下籽粒提取液顏色有淺粉，黃綠，淺黃等。

3.2 討論

3.2.1 玉米籽粒色澤。玉米籽粒外觀呈現(xiàn)的顏色由果皮色和糊粉層色組成，而花青素苷是決定玉米果皮和糊粉層色的重要色素之一，因為普通黃、白玉米品種黃白色產(chǎn)生在胚乳。其他色玉米籽粒產(chǎn)生在糊粉層或果皮，果皮表現(xiàn)出紅、花斑和白色等表現(xiàn)型[8]，一些研究認為果皮表現(xiàn)出紅、花斑與果皮中鞣酐有關(guān)[9-10]，通過觀察和檢測筆者發(fā)現(xiàn)葉綠F5代株系果皮和提取液呈紅色，常規(guī)玉米F2代無紅果皮，提取液不顯紅色；糊粉層在特殊遺傳背景下可形成黑、藍、紫、紅等色[11]，有研究顯示紅、紫和黑玉米中花青素主要是矢車菊素-3-葡萄糖苷[12-15]，粉色玉米中主要是天竺葵素[16]。該次研究發(fā)現(xiàn)葉綠F5代株系和常規(guī)玉米F2代籽粒糊粉層呈紅、紅黑和黑色，提取液中檢測到了花青苷，不同色素種類及含量時空組合可能決定糊粉層呈色，有研究認為色素顏色表現(xiàn)數(shù)量效應(yīng)，花青苷含量低時花粉紅，高時花色由紅變深紅至黑色[17]。該次研究發(fā)現(xiàn)紅黑和紅色籽?；ㄇ嘬諟y定值高，呈現(xiàn)出數(shù)量壘加效應(yīng)，所以糊粉層色是玉米籽粒色澤的主要組成部分。

3.2.2 pH與顯色?；ㄇ嘬胀瓿缮锖铣珊笮柁D(zhuǎn)運到液泡中形成色素體，所以花青苷主要存在于細胞液泡，不同pH條件下呈現(xiàn)五彩繽紛的顏色[18]，液泡pH、金屬離子和助色素等會影響花青素苷最終呈色，液泡pH升高可使花青素苷由紅向藍轉(zhuǎn)變[19]。同種花色素在不同的pH下會顯現(xiàn)出不同顏色[20]，在酸、堿性條件下體外研究同一樣品表明不同pH的花青素提取液色澤不一樣。酸性果皮提取液顏色由桔紅到紅色，堿性果皮提取液色由淺黃綠到黃綠；酸性的籽粒提取液顏色由洋紅到深紅，堿性籽粒提取液色顯現(xiàn)出淺粉到黃綠的顏色變化。有學者認為pH通過影響花色苷與輔色劑共色作用而調(diào)節(jié)花色，花色苷積累于液泡包涵體中導(dǎo)致顏色藍化[21]，筆者以前研究發(fā)現(xiàn)糊粉層顯現(xiàn)不同色可能與pH影響花色苷與輔色劑共色作用有關(guān)。