玉米籽粒呈色机理初探

冯汉宇，仇天雷，魏建华，张殿朋，陈刚

（1.北京市农林科学院北京农业生物技术研究中心，北京 100097；2.北京市农林科学院植物保护环境保护研究所，北京 100097；3.北京市农林科学院玉米研究中心，北京 100097）

植物不同器官呈现红、紫、蓝等色是植物体内花青素种类、辅色剂和液胞中H+相互作用的结果。在植物生长过程中这些因素变化及彼此相互作用受植物体基因调控[1]。花色苷属于酚类色素，赋予植物鲜艳的颜色以利于授粉和种子传播等[2]。

玉米是单子叶植物，最普通是黄玉米，主要含类胡萝卜素，而黑玉米主要是花色苷和黑色素。花青素类物质在不同pH环境下其结构能发生互变异构现象，对光的吸收特征改变而使颜色发生变化，酸性条件下呈红色，中性、近中性条件下无色，碱性条件下呈蓝色[3]。主要含天竺葵素、矢车菊素糖苷提取物会呈现橙到红色，含有甲基花青素糖苷为深红，含飞燕草素、矮牵牛苷配基和锦葵素糖苷则会显出红色，而糖苷基团酰化可能会有一种蓝化效果[4-5]。基于此，文中以前期选育的花青素基因C1稳定表达的F5代株系及不同杂色玉米F2代、京501自交系、HiⅡ×京501杂种为材料，对其农艺性状、籽粒花色苷特性等进行研究，旨在为进一步开发利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

京501玉米自交系由北京农林科学院玉米中心陈刚研究员选育，京501×HiⅡ杂种来自北京农业生物技术研究中心，含花青素基因的F5代株系参照冯汉宇（2018）[6]，杂交F1代种子来自北京海淀区的商店，代号编为 QHX1-3，MLM1-3，HL1-3，QHDY11-3，QHDY21-3，QHDY31-3。

1.2 播种与管理

在北京市房山基地发现一些各种颜色的穗子（F4代），由于转基因存在下一代是否还是不同色问题，即用小袋分装种子在海南三亚市崖城玉米研究中心基地播种，并以京501为对照；此外，为了明确非转基因彩色玉米在田间自然授粉或人工授粉是否具有同等效果，从不同商家收集杂色玉米6穗（F1代），脱粒后按照红色、红黑和红花三色分类，每色6袋，3个重复18袋并编号，在同一基地播种。

2017年10月20号整地，同时施用750 kg/hm2靑上化工有限公司生产的复混肥料，然后用起垄机起垄，22号播种，播前用清水浸泡24 h，密度为67 500株/hm2，大小行种植，大行距80 cm，小行距40 cm，株距25 cm。播种后防治鼠害，授粉期间浇水、施肥和除草，并进行人工授粉。数据调查，记录散粉、抽丝期，用尺子测量株高、穗位，2月初收获5穗考种，裸眼观察穗粒色，用天平称单穗重、粒重和100粒鲜重，计算均值，从中取些代表性的样品进行花青素检测。

1.3 籽粒花青素分光光度仪检测

材料为杂色玉米F2代、F5代籽粒颜色纯合穗，于2017年11月和2018年3月测定。取自然授粉籽粒50粒测花青素。测前将籽粒用清水浸泡1 h，用剪刀和镊子把果皮和籽粒分开，晾干，用粉碎仪器粉碎，用天平称取籽粒样品1 g左右，果皮样品0.5 g左右，用0.1 mol/L盐酸与95%乙醇体积比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离心2 min，在530和335 nm条件下用分光光度仪测定花青素和类黄酮，参考贾士芳（2011）[7]方法并略微修改。

1.4 提取液pH测定

提取时籽粒和果皮溶液pH小于7，溶液显示出粉黄到紫红色一系列颜色，取0.5 g NaOH溶于50 mL去离子水中，配成碱性溶液，取0.1 mL提取液，分别加入0.4 mL碱性溶液和2.0 mL去离子水，观察溶液颜色，用pH计测定pH。

2 结果与分析

2.1 F5代及京501植株农艺性状

从种植的F5代株系中，从籽粒颜色的角度选出一些株系，与京501相比，F5株系叶色均为绿色，株高、穗位分别介于65～153 cm和28～62 cm之间，抽丝、散粉期在12月26—31日期间，与京501差异不大。其穗部性状与京501的不同，有的单穗重、粒重、100粒鲜重均比京501的大，籽粒颜色多样，有红、红黑、黑等色（表1）。

表1 F5代及京501自交系农艺性状

2.2 常规玉米杂交种和三交授粉穗农艺性状及籽粒色

2.2.1 不同杂色玉米后代农艺性状及籽粒颜色（F2代）。结合表2和图1可知，不同杂色玉米后代抽丝、散粉期差异不大，处于12月25—27日之间；株高、穗位分别介于142～162 cm与58～69 cm之间；单穗重和粒重介于140～184 g与91～121 g之间；100粒鲜重介于44～54 g之间。大部分穗籽粒彩色，有红、红黑、黑、白或黄色，个别穗上籽粒颜色大体一致有红、红黑、白色，糊粉层红、红黑、黑和白色，果皮同一色。

表2 杂交F2代植株的农艺性状

图1 籽粒彩色的玉米穗子

2.2.2 京501×HiⅡ杂交种农艺性状及京501杂交穗籽粒颜色。

通过表3可知，京501×HiⅡ杂交种各重复间抽丝、散粉期差异不大，株高和穗位介于162～194 cm和50～75 cm之间，单穗重和粒重介于90～165 g与33～42 g之间（表3）。不同籽粒色株系花粉与杂交种（HiⅡ×京501）授粉4穗上籽粒杂色，杂交种自交穗籽粒黄白色，自然授粉穗籽粒黄白色，个别籽粒紫色，不同籽粒颜色株系花粉与京501杂交穗籽粒杂色，自交穗籽粒纯黄色。

2.3 籽粒花青素测定

2.3.1 8行自然授粉穗籽粒和果皮花青素、类黄酮测定值（F2代）。按照不同穗籽粒色取8行自然授粉穗籽粒、果皮测花青素和类黄酮。从表4可以看出，红黑和红色籽粒花青素测定值比白色高，测定液呈深红或浅红色，红花籽粒花青素测定值与白色的差异不大，可能与杂质有关，类黄酮差异不显著；红黑、红和红花果皮花青素测定值比白色高，测定液呈黄色可能与杂质有关。

表3 京501×HIⅡ杂交种植株的农艺性状

表4 8行自然授粉穗籽粒和果皮花青素、类黄酮测定值

2.3.2 8个自然授粉穗籽粒和果皮花青素、类黄酮值（F5代）。对8个株系穗籽粒和果皮花青素、类黄酮进行了测定发现，重量1 g左右，在目前不考虑重量的条件下，所有的株系穗籽粒花青素含量均比京501高，类黄酮含量则差异不大；但是果皮不同，有的果皮花青素含量比京501高，有的则低，类黄酮含量差异不大，测定液呈深红或浅红色，个别黄色可能与杂质有关（表5）。

表5 8个自然授粉穗籽粒和果皮花青素、类黄酮值

2.4 不同pH提取液色泽

有研究表明花青素在酸性条件下呈桔红到紫红，该次研究结果表明样品提取液pH均为4.264的酸性条件下，果皮提取液颜色由桔红到红色，籽粒提取液颜色由浅红到深红，而且分浅红色的A-37、桔红的A-47、红色的A-43-5，深红的A-40-3 4种类型；有研究表明花青素在碱性条件下显蓝、褐或黄绿色，该次研究结果表明在碱性条件下果皮提取液色由浅黄绿到黄绿，籽粒提取液颜色与之不完全相同，如浅粉的A-39，黄绿的A-44，浅黄的A-47等（表6）。

表6 碱性条件下pH与提取液颜色

3 结论与讨论

3.1 结论

3.1.1 穗籽粒色泽。叶绿F5代株系叶绿色，大部分株系单穗重、粒重和100粒鲜重比京501高，籽粒有红、红黑和黑等色；不同杂色玉米后代大部分穗子籽粒有红、红黑、黑和白等色，个别穗籽粒颜色一致。不同籽粒颜色株系花粉与HiⅡ×京501杂种授粉穗籽粒杂色，杂种自交穗、自然授粉穗籽粒黄白色；与京501授粉穗籽粒杂色。

3.1.2 籽粒花青素值。红黑和红色籽粒花青素含量较白色籽粒的高，红黑、红和红花果皮花青素含量比白色的高，可能与杂质有关；8个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与提取液色泽。研究表明在酸、碱性条件下，同一个样品的花青素提取液色泽不一样。酸性条件下果皮提取液颜色由桔红到红色，碱性条件下果皮提取液颜色由浅黄绿到黄绿；酸性条件下籽粒提取液色分浅红色、橙红、红、深红4种类型，碱性条件下籽粒提取液颜色有浅粉，黄绿，浅黄等。

3.2 讨论

3.2.1 玉米籽粒色泽。玉米籽粒外观呈现的颜色由果皮色和糊粉层色组成，而花青素苷是决定玉米果皮和糊粉层色的重要色素之一，因为普通黄、白玉米品种黄白色产生在胚乳。其他色玉米籽粒产生在糊粉层或果皮，果皮表现出红、花斑和白色等表现型[8]，一些研究认为果皮表现出红、花斑与果皮中鞣酐有关[9-10]，通过观察和检测笔者发现叶绿F5代株系果皮和提取液呈红色，常规玉米F2代无红果皮，提取液不显红色；糊粉层在特殊遗传背景下可形成黑、蓝、紫、红等色[11]，有研究显示红、紫和黑玉米中花青素主要是矢车菊素-3-葡萄糖苷[12-15]，粉色玉米中主要是天竺葵素[16]。该次研究发现叶绿F5代株系和常规玉米F2代籽粒糊粉层呈红、红黑和黑色，提取液中检测到了花青苷，不同色素种类及含量时空组合可能决定糊粉层呈色，有研究认为色素颜色表现数量效应，花青苷含量低时花粉红，高时花色由红变深红至黑色[17]。该次研究发现红黑和红色籽粒花青苷测定值高，呈现出数量垒加效应，所以糊粉层色是玉米籽粒色泽的主要组成部分。

3.2.2 pH与显色。花青苷完成生物合成后需转运到液泡中形成色素体，所以花青苷主要存在于细胞液泡，不同pH条件下呈现五彩缤纷的颜色[18]，液泡pH、金属离子和助色素等会影响花青素苷最终呈色，液泡pH升高可使花青素苷由红向蓝转变[19]。同种花色素在不同的pH下会显现出不同颜色[20]，在酸、碱性条件下体外研究同一样品表明不同pH的花青素提取液色泽不一样。酸性果皮提取液颜色由桔红到红色，碱性果皮提取液色由浅黄绿到黄绿；酸性的籽粒提取液颜色由洋红到深红，碱性籽粒提取液色显现出浅粉到黄绿的颜色变化。有学者认为pH通过影响花色苷与辅色剂共色作用而调节花色，花色苷积累于液泡包涵体中导致颜色蓝化[21]，笔者以前研究发现糊粉层显现不同色可能与pH影响花色苷与辅色剂共色作用有关。