李 楠 田小霞 毛培春 鄭明利 孟 林 云 嵐
(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院,呼和浩特 010000; 2.北京市農(nóng)林科學(xué)院草業(yè)花卉與景觀生態(tài)研究所,北京 100097)
馬藺(Iris lacteavar.chinensis)為鳶尾科(Iridaceae)鳶尾屬(Iris)多年生宿根草本植物,廣泛分布于我國西北、華北、東北等地區(qū)[1-2],因其適應(yīng)性強,花色艷麗,花期較長,株型美觀等優(yōu)良特性,已成為重要的城市園林綠化觀賞植物。目前國內(nèi)外對馬藺的研究主要集中在生態(tài)修復(fù)、土壤改良和藥用價值等方面[3-5],但關(guān)于馬藺花色的研究較少,僅對馬藺花青素合成途徑的DFR基因生物信息學(xué)特征進行分析[6],關(guān)于馬藺花色分類和色素組成卻未見深入的研究。花色是觀賞植物最重要的觀賞性狀之一,也是品種分類的重要依據(jù)[7],因此研究馬藺花瓣呈色機理,對其優(yōu)良種質(zhì)資源挖掘、品種鑒定及新奇花色品種培育具有重要意義。
目前植物花色的研究主要集中在色素成分含量測定、花瓣呈色機理和花色分子育種等方面,如菊 花(Chrysanthemum morifolium)[8]、月 季(Rosachinchinensis)[9]、麗格海 棠(Rieger begonias)[10]和黃牡丹(Paeonia delavayivar.lutea)[11]等植物都有相關(guān)研究報道。植物花色的形成受到色素種類和含量、花瓣表皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)、液泡pH、金屬離子螯合作用等內(nèi)部因素[12-13]及光照溫度等外部環(huán)境因素[14]的影響,其中最重要的是色素種類和含量,如類黃酮、類胡蘿卜素和花色苷等[15-16]。
以往研究將馬藺花色區(qū)分為淡藍(lán)色、藍(lán)紫色或深藍(lán)紫色[17-18],但有關(guān)馬藺花色素組分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)的研究鮮見報道。故本研究通過系統(tǒng)聚類和相關(guān)性分析等方法,對中國6個省市不同生境條件下22 份馬藺種質(zhì)材料的花色、垂瓣花斑和花葶等表型性狀進行測定描述,結(jié)合色素比較分析,揭示馬藺花色與色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)間相關(guān)關(guān)系,明確影響花色形成的主要物質(zhì),以期為闡明馬藺花色呈色機理奠定基礎(chǔ),為馬藺新種質(zhì)創(chuàng)制提供科學(xué)依據(jù)。
將收集到的中國6 個省市不同生境條件下22 份馬藺種質(zhì)資源種子(見表1),于2018 年室內(nèi)育苗后單株定植移栽到位于北京市昌平區(qū)小湯山鎮(zhèn)的國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究示范園草種質(zhì)資源圃(40°9′16″N,116°24′32″E),生長環(huán)境養(yǎng)護管理一致。

表1 馬藺種質(zhì)材料種源及原生境信息Table 1 Provenance and original habitat information of I. lactea germplasm resources
1.2.1 花部性狀的觀測
試驗于2022年4月20日—5月20日在國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究示范園草種質(zhì)資源圃進行,選擇晴天上午對供試的22份馬藺種質(zhì)材料(見表1)5年生的健康生長植株于初花期測定花葶高度,盛花期測定花的其他表型性狀(見表2)。重復(fù)3次,取平均值。

表2 馬藺花部表型性狀及描述Table 2 Phenotypic traits and description of I. lactea flower
在室內(nèi)自然光照下(無陽光直射),分別將旗瓣和垂瓣置于白色A4 紙上,用英國皇家園藝比色卡(RHS Color Chart)與其正面對比,用比色卡上最接近花色的代碼表示其顏色,確定所屬色系范圍和編號,初步確定旗瓣和垂瓣的花色;然后再用分光色差儀(NF555,日本)在C/2°光源下按CIE Lab表色系統(tǒng)測定垂瓣和旗瓣顯色位置(見圖1)的明度(L*)、紅度(a*)和藍(lán)度(b*),計算彩度(c*)和色相角(h)。重復(fù)3 次,取平均值。計算公式:c*=(a*2+b*2)1/2;h=arctan(b*/a*)。

圖1 花瓣測色部位A.垂瓣;B.旗瓣。Fig.1 Measuring parts for petal color A.Fall;B.Standard.
1.2.2 色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定
每份馬藺種質(zhì)材料選擇10 個單株,每個單株采集10 朵花,隨后立即放入冰盒。每份去除雄蕊后,選擇前2/3 部位混合稱取0.1 g,置于2 mL離心管,經(jīng)液氮速凍后,放入冰箱-80 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>
花瓣類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定參考高俊鳳[19]的方法。取花瓣0.1 g,置于10 mL 95%乙醇(NR-分析純)的溶液中,避光浸提48 h 直到花瓣變白,取浸提液,用分光光度計分別測定波長為665、649、470 nm 的吸光值(A665,A649,A470),按如下公式計算:
式中:Ca、Cb、C分別為葉綠素a、葉綠素b 和類胡蘿卜素的質(zhì)量濃度(mg·L-1),V為提取液體積(mL),m為樣品鮮質(zhì)量(g)。
類黃酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用亞硝酸鈉-硝酸鋁顯色法[20]測定,取花瓣0.1 g,加入2 mL 60%乙醇溶液充分研磨,60 ℃振蕩提取2 h,于10 000g常溫離心10 min,取上清液;分別吸取540 μL 上清液和蒸餾水置于2 個2 mL 離心管,各加30 μL 5% NaNO2溶液混勻;靜置6 min 后分別加30 μL 10% AlNO3溶液,5 min 后再加400 μL 5% NaOH 溶液,室溫靜置15 min 后用分光光度計測定510 nm 處的吸光值,按如下公式計算:
式中:ΔA類黃酮、A測定、A空白分別為類黃酮、測定組和空白組的吸光值,V樣總為加入提取液體積(mL),m為樣品鮮質(zhì)量(g)。
花色苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用pH 示差法[21]測定。取花瓣0.1 g,加入1 mL 含1% HCl 的甲醇溶液充分研磨,使用金屬震蕩儀震蕩4 h 后,于8 000g常溫離心10 min,取上清液;每個樣品各取100 μL上清液于2 mL 離心管中,分別加入pH=1.0 的KCl-HCl緩沖液和pH=4.5的醋酸鈉-醋酸緩沖液900 μL,充分搖勻,40 ℃水浴20 min,用分光光度計分別測定波長為530 nm 和700 nm 處的吸光值(A530,A700),按如下公式計算:
式中:ΔA花色苷為花色苷吸光值,V為提取液體積(mL),M為花色苷的相對分子質(zhì)量(g·mol-1),F(xiàn)為稀釋倍數(shù),ε為花色苷的摩爾消光系數(shù)(L·mol-1·cm-1),d為比色皿光徑(cm),m為樣品鮮質(zhì)量(g)。
各指標(biāo)測定時每份材料3次生物學(xué)重復(fù),取平均值。
使用Microsoft Excel、IBM SPSS Statistics、Origin 2021 軟件進行數(shù)據(jù)處理和作圖。采用組間聯(lián)接法對測得的垂旗瓣測色參數(shù)L*、a*和b*值進行系統(tǒng)聚類分析,采用皮爾遜系數(shù)對垂旗瓣顏色參數(shù)和色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)進行相關(guān)性分析,采用Duncan’s新復(fù)極差法對各指標(biāo)數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析。
利用CIE Lab 測色體系,測得22 份馬藺種質(zhì)材料的旗瓣和垂瓣測色參數(shù)L*、a*和b*值并對其標(biāo)準(zhǔn)化處理,組間聯(lián)接法的系統(tǒng)聚類分析結(jié)果表明,當(dāng)歐式距離為5.5 時,可將22 份馬藺種質(zhì)材料花色劃分為4 大色系(見圖2),即淺藍(lán)色、淺藍(lán)紫色、深藍(lán)紫色和紫羅蘭色。其中深藍(lán)紫色的種質(zhì)材料有8份,占比達(dá)36.26%,淺藍(lán)紫色有7份,占比31.82%,紫羅蘭色有5 份,占比22.73%;數(shù)量最少的是淺藍(lán)色系,僅有2份。

圖2 基于L*、a*和b*值的22份馬藺種質(zhì)花瓣花色表型聚類分析Fig.2 Cluster analysis of petal color phenotypes of 22 I. lactea germplasm resources based on L*,a* and b* values
通過CIEL*、a*和b*顏色體系得到22 份馬藺種質(zhì)資源(4 大色系)花色參數(shù)分布范圍(見圖3)。馬藺種質(zhì)垂瓣和旗瓣顏色的L*值和b*值隨花色加深而逐漸下降,而a*值隨花色加深呈上升趨勢。各色系的垂瓣和旗瓣L*值均在20~70,a*值在0~50,b*值在-5~-55波動。

圖3 馬藺種質(zhì)4大色系的花色L*、a*和b*值箱式圖A.旗瓣L*值;B.垂瓣L*值;C.旗瓣a*值;D.垂瓣a*值;E.旗瓣b*值;F.垂瓣b*值。Fig.3 The box plot of L*,a* and b* values of four color lines I. lactea germplasm resources A.Standard L* value;B.Fall L* value;C.Standard a* value;D.Fall a* value;E.Standard b* value;F.Fall b* value.
馬藺種質(zhì)資源4 大色系中,淺藍(lán)色系花色L*最高,其次為淺藍(lán)紫色系和深藍(lán)紫色系,明度最低的是紫羅蘭色系,說明馬藺花色越淺,L*值越高,4 大色系間無重疊。a*值從高到低依次為紫羅蘭色系、深藍(lán)紫色系、淺藍(lán)紫色系和淺藍(lán)色系,說明馬藺花色越深紅度越大,其中淺藍(lán)色系和淺藍(lán)紫色系分布集中,深藍(lán)紫色系和紫羅蘭色系分布范圍大;而b*值最高的是淺藍(lán)色系,從高到低依次為淺藍(lán)色系、淺藍(lán)紫色系、深藍(lán)紫色系和紫羅蘭色系,說明藍(lán)度隨馬藺花色加深而增加,其中紫羅蘭色系分布最集中,4大色系均分布在負(fù)值范圍內(nèi)。
由圖4可知,馬藺旗瓣和垂瓣花色均集中分布在第Ⅳ象限,在第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ象限沒有分布,4 大色系的分布規(guī)律大致呈條帶狀。其中,旗瓣淺藍(lán)紫色系和深藍(lán)紫色系存在部分重疊。a*和L*呈負(fù)相關(guān),即隨紅度的增加,淺藍(lán)色、淺藍(lán)紫色、深藍(lán)紫色和紫羅蘭色的明度逐漸減小。4 大色系的b*和L*間呈正相關(guān),即隨b*值增加,L*值逐漸增加。4 大色系的c*值與L*值間呈負(fù)相關(guān)。旗瓣和垂瓣的L*值均隨c*值增大而減小。其中,旗瓣L*值隨c*值增大而變小,且斜率較大,擬合線性方程為:L*=-0.80c*+78.60(R2=0.83);垂瓣的趨勢類似于旗瓣,但c*和L*斜率更小,擬合線性方程:L*=-0.59c*+69.78(R2=0.76)。

圖4 馬藺種質(zhì)資源花色表型分布A.旗瓣a*與旗瓣b*分布;B.垂瓣a*與垂瓣b*分布;C.旗瓣a*與旗瓣L*分布;D.垂瓣a*與垂瓣L*分布;E.旗瓣b*與旗瓣L*分布;F.垂瓣b*與垂瓣L*分布;G.旗瓣c*與旗瓣L*分布;H.垂瓣c*與垂瓣L*分布。Fig.4 Flower color phenotype distribution of I. lactea germplasm resources A.The distribution of standard a* and standard b*;B.The distribution of fall a* and fall b*;C.The distribution of standard a* and standard L*;D.The distribution of fall a* and fall L*;E.The distribution of standard b* and standard L*;F.The distribution of fall b* and fall L*;G.The distribution of standard c* and standard L*;H.The distribution of fall c* and fall L*.
馬藺種質(zhì)資源花器官表型性狀的分析結(jié)果表明,4大色系的馬藺種質(zhì)資源花器官表型性狀存在顯著差異(P<0.05)(見表3)。馬藺種質(zhì)資源花色越深,花瓣越大。紫羅蘭色系和深藍(lán)紫色的垂瓣長度和寬度均顯著高于藍(lán)紫色系和淺藍(lán)色系,紫羅蘭色系的垂瓣長度和寬度的平均值分別為5.98、1.27 cm,較淺藍(lán)色系顯著增加了30.00%和44.32%(P<0.05);紫羅蘭色系和深藍(lán)紫色的旗瓣長度顯著高于藍(lán)紫色系和淺藍(lán)色系;淺藍(lán)紫色系的旗瓣寬度顯著低于其他色系,其中紫羅蘭色系的旗瓣長度和寬度最大,分別為5.68 和0.97 cm,較淺藍(lán)色系的增加了17.11%和21.25%;紫羅蘭色系平均花徑(5.09 cm)與淺藍(lán)色系的花莖呈顯著差異(P<0.05),為淺藍(lán)色系的1.17倍。

表3 馬藺種質(zhì)各色系花器官表型性狀Table 3 Phenotypic traits of floral organ of different color lines of I. lactea germplasm resources
隨花色的加深,花葶高度呈上升趨勢,紫羅蘭色系花葶高度達(dá)29.10 cm,較淺藍(lán)色系的增加了8 cm,且與淺藍(lán)色系的花葶高度呈顯著差異(P<0.05)。垂瓣花斑隨顏色的增加而減小,其中,紫羅蘭色系的平均垂瓣花斑大小(0.26)顯著低于其他色系,為淺藍(lán)色系花瓣的81.25%。
馬藺種質(zhì)資源盛花期花瓣的類胡蘿卜素、類黃酮及花色苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分析結(jié)果如圖5 所示,類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體處于較低水平,小于0.006 5 mg·g-1,且從高到低依次為淺藍(lán)色、淺藍(lán)紫色、深藍(lán)紫色、紫羅蘭色,其中淺藍(lán)色系類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,達(dá)0.004 9 mg·g-1,其他3 大色系的類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于0.001 5 mg·g-1。特別是紫羅蘭色系中沒有檢測到類胡蘿卜素(見圖5A)。類黃酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.513 3~1.343 8 mg·g-1,其中紫羅蘭色系類黃酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高且與淺藍(lán)紫色系和淺藍(lán)色系類黃酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著差異(P<0.05),與深藍(lán)紫色系類黃酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不顯著(P>0.05)。淺藍(lán)色系類黃酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.660 5 mg·g-1,較紫羅蘭色系類黃酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了44.59%(見圖5B)。花色苷作為一類重要的類黃酮物質(zhì),對花色呈現(xiàn)非常重要。馬藺花瓣花色苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢與類黃酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢相似(見圖5C),花色苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)從大到小依次為紫羅蘭色、深藍(lán)紫色、淺藍(lán)紫色、淺藍(lán)色,其中紫羅蘭色系花色苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.433 3 mg·g-1)顯著高于其他色系(P<0.05),其次是深藍(lán)紫色系和淺藍(lán)紫色系,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.223 5~0.326 7 mg·g-1,而淺藍(lán)色系花色苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.173 7 mg·g-1。

圖5 各色系馬藺花瓣色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)A.類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù);B.類黃酮質(zhì)量分?jǐn)?shù);C.花色苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)。Fig.5 Pigment mass fraction of petals of different color lines of I. lactea A.Mass fraction of carotenoid;B.Mass fraction of flavonoid;C.Mass fraction of anthocyanin.
由表4可知,馬藺種質(zhì)資源垂旗瓣顏色參數(shù)與花瓣中的色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系密切,隨著類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低,類黃酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)特別是其中的花色苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸升高,垂旗瓣的明度L*降低、紅度a*升高、藍(lán)度b*降低、彩度c*升高和色相角h升高。垂旗瓣L*與類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)(P<0.05)、與類黃酮和花色苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01);垂旗瓣a*與類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著負(fù)相關(guān)、與類黃酮和花色苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01);垂旗瓣b*與類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)、與類黃酮和花色苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān);垂旗瓣c*與類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)、與類黃酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)(P<0.05)、與花色苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01);垂旗瓣h與類胡蘿卜素呈負(fù)相關(guān)、與類黃酮和花色苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)。

表4 馬藺種質(zhì)資源CIE Lab參數(shù)與色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的皮爾遜相關(guān)性Table 4 Pearson correlation analysis between CIE Lab parameters and the mass fraction of pigment in I. lactea germplasm resources
花色是園林植物最重要的觀賞性狀,關(guān)于花色測定方法主要有目測法、比色卡比色法和色差儀測色法[22-23]。目測法因顏色分類標(biāo)準(zhǔn)的不同和測色人員的視覺差異,很難對花色特別是交叉色系進行準(zhǔn)確判定[24]。比色卡比色法是園林植物測色研究應(yīng)用最廣泛的方法,但測色環(huán)境的背景顏色和光照要求相對比較嚴(yán)格[25-26]。色差儀測色法具有精度高、環(huán)境因素影響小、顏色數(shù)據(jù)化等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于觀賞植物花色測定[27-29]。因此,本研究采用了比色卡比色法結(jié)合色差儀測色法對22份馬藺種質(zhì)材料的花旗瓣和垂瓣色彩參數(shù)進行測量分析,并依據(jù)色彩參數(shù)的聚類結(jié)果將供試的22 份馬藺種質(zhì)材料花瓣分為4 大色系,即淺藍(lán)色、淺藍(lán)紫色、深藍(lán)紫色和紫羅蘭色。這與王育青[18]對馬藺花器官表型的研究結(jié)果基本一致。
花色差異與花瓣色素成分和比例密切相關(guān)。植物花色素主要有類胡蘿卜素、類黃酮和甜菜色素[30-31]。類胡蘿卜素是一類脂溶性的天然色素,絕大多數(shù)呈黃色、橙色和紅色[32]。類黃酮即黃酮類化合物,包括黃酮、異黃酮、黃酮醇、查爾酮、花色苷和黃烷酮類6大類,使植物呈藍(lán)色、紅色、紫色等顏色[33]。其中,類黃酮中的花色苷對植物花色表達(dá)發(fā)揮著重要作用[34]。Conner 等[34]研究發(fā)現(xiàn)青銅色和粉色漿果中花色苷含量低于100 mg·g-1,而高度色素化的黑漿果中花色苷含量超過5500 mg·g-1,且花色苷含量隨花色加深而增加。本研究結(jié)果表明,22 份馬藺種質(zhì)花瓣中只有少量種質(zhì)含有類胡蘿卜素,且隨花色加深呈下降趨勢,可見類胡蘿卜素對馬藺花瓣呈色的影響較小;類黃酮和花色苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨花色加深而逐漸增加,表明類黃酮和花色苷是決定馬藺花瓣顏色的主要呈色物質(zhì),且垂瓣和旗瓣中花色苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同是引起馬藺花色表型特征變化的重要因素。
花色苷含量不同會影響植物花色明度(L*)、紅度(a*)、藍(lán)度(b*)和彩度(c*)的變化[35]。本研究22 份馬藺種質(zhì)垂旗瓣的L*值由低到高依次為紫羅蘭色、深藍(lán)紫色、淺藍(lán)紫色和淺藍(lán)色,且L*值與花色苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著負(fù)相關(guān),即隨著花色苷的積累明度下降,這與Lu 等[36]對盆栽多花菊(Chrysanthemum×morifolium)、Li 等[37]對草莓屬(Fragaria)植物花色苷含量對花色明度影響的研究結(jié)果一致,說明花色苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化是影響馬藺花色明暗變化的重要因素之一。花色苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與馬藺垂旗瓣的紅度、藍(lán)度及彩度值相關(guān)性分析結(jié)果表明,隨著花色苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,垂旗瓣紅度和藍(lán)度值增加,這與Junka等[38]報道萬代蘭屬(Vanda)植物花瓣a*和b*值與花色苷含量呈極顯著正相關(guān)的結(jié)論相符。隨著花色苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,馬藺垂旗瓣的彩度值增加,這與Zhu 等[39]報道睡蓮屬(Nymphaea)植物c*值與花色苷含量呈顯著正相關(guān)的結(jié)論一致,即花色苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與彩度值呈顯著正相關(guān)。
綜上所述,通過對中國6個省區(qū)不同生境條件22份馬藺種質(zhì)花器官表型特征及色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分析結(jié)果表明,不同色系馬藺花器官表型特征和色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在差異,即花瓣顏色越深,花瓣越大,垂瓣花斑越小;隨著馬藺花色越紫,類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低,類黃酮和花色苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)則逐漸上升,并與測色參數(shù)L*、a*和b*值間存在一定相關(guān)性,結(jié)果可為馬藺種質(zhì)資源花色形成機制的研究及新種質(zhì)的創(chuàng)制奠定重要基礎(chǔ)。