菊花花色形成的表型分析

菊花是中国十大传统名花之一，也是世界名花。其丰富的品种群呈现出的变异类型成为现代花卉育种上的奇迹。其多彩的花瓣是花色研究的极好材料。菊花作为被子植物最为进化的类群，对其花色表型性状进行分析也将为进化生物学研究提供参考资料，同时对花色形成的研究为菊花品种分类以及新的花色品种的培育奠定基础。 本研究以不同花色菊花为材料，运用测色法，组织切片法，紫外分光光度法，化学显色法，植物成分分析等方法，从花色表型测定与分析，花瓣组织结构对花色的影响，理化因子对类黄酮呈色的影响，菊花花色素的化学分析等方面对菊花花色的形成进行了研究，得出了以下结论： 1．使用目视测色、RHSCC比色和色差仪测色三种方法对281个菊花品种和5个菊属野生种的花色进行评价，综合分析将菊花花色分成红色（red group）、橙色（orange group）、黄色（yellow group）、绿色（green group）、白色（white group）、粉色（pink group）、紫色（purple group）、灰色（gray group）和复色系九大色系。同时，综合比较了各种花色测量方法，建立了菊花花色的表型分析系统。 2．颜色数量化是进行花色深入研究的前提，本研究运用色差仪对菊花的花色进行了测量。结果发现，菊花不同花色品种的亮度（L*）和红度（a*）表现出极显著的负相关关系，即随着红度的降低，花色的亮度越来越高；而L*与黄度（b*）表现出极显著的正相关关系，这说明随着黄度的提高，花色的亮度也相应地增加。同时根据亮度和黄度的关系可以将这些品种分为两个类群，类群1包括白色、粉色和紫色品种；而类群2包括黄色、红色、橙色和绿色品种。 3．花瓣是承载花色素的载体，花色素种类和含量的不同和在花瓣组织中分布的差异都会对花色形成产生很大的影响。同时花瓣又是光线的直接受体，因此花瓣组织的结构，尤其是花瓣表皮细胞的形状，对花色的形成十分重要。本研究使用徒手切片的方法，不同花色菊花的花瓣组织结构进行了显微观察，结果发现：①白色花的形成是由于花瓣中含有大量的非常小的气泡，入射光线多次折射的结果；②黄色花品种的花色素主要是存在于栅栏组织的类胡萝卜素，透过无色的表皮层而显现黄色；③红色和橙色品种含有花青素和类胡萝卜素，花青素存在于上下表皮细胞，而类胡萝卜素则分布于整个花瓣的细胞中，两种色素复合产生不同色调的红色；④紫色品种色素主要是花青素，分布在花瓣的上下表皮层中，中间组织近无色，由单一的花青素形成紫色。 4．类黄酮是形成菊花花色的主要的次生代谢产物，主要存在于菊花色素细胞的液泡内。由于类黄酮特殊的化学性质，外界的物理因素和细胞内部的化学因素对该类色素的呈色都会产生很大的影响。本试验研究了温度、光照、酸碱性和金属离子对菊花花色素在离体条件下呈色的影响，结果发现：①60℃以下的温度对类黄酮呈色的影响不明显，只有红色、粉紫色品种花青素随温度升高略有降解；②光照可以明显影响红色、粉紫色品种花青素的呈色，花青素在光下容易降解，使颜色变浅，且光照越强降解幅度越大；黄、白色系品种的黄酮类化合物对光照稳定；③pH值对红色系品种和部分粉紫色系品种花青素的呈色影响较大。在pH值3.8缓冲体系中花青素具有最大的吸光度，之后随着溶液pH值的升高颜色变浅、λmax红移，部分品种花青素在pH＞7.0时变绿，说明花青素的结构已经被破坏；pH值对黄、白色系品种影响不大，仅pH＞7.0时产生浑浊，同时白色系品种类黄酮变黄；④Fe3+、Mg2+、Al3+、Ca2+对红色系品种‘龙卷狂飙’花青素有增色作用，金属离子对白色系品种‘圣光白雪姬’黄酮类化合物无明显影响。 5．花色是含有花色素的花瓣和光线协同作用的产物，因此花色素对光线的吸收和反射对花色的形成具有决定性的作用。在本研究中，使用紫外—可见光谱对菊花花瓣中存在的类胡萝卜素、黄酮类化合物和花青素三类色素进行了分析，结果发现：①黄酮类化合物的特征吸收峰在330nm和270nm附近，存在于所有的菊花品种中，由于它的光吸收特性，因此大部分化合物表现为无色或者很淡的黄色；②类胡萝卜素的特征吸收峰是440nm和470nm，属于可见光区，所以大多会表现出黄色到橙黄等花色。类胡萝卜素存在于红色系、橙色系、黄色系和绿色系菊花花瓣中，表现出黄色或者与其他类型花色素共同形成花色；③花青素的特征吸收峰在530和253nm附近，在530nm处的光吸收，使花青素表现出非常鲜艳的花色，花青素存在于红色系、橙色系、紫色系和粉色系花瓣中。 6．用紫外分光光度法分别测量了109个不同花色菊花品种花瓣的总黄酮、花青素和类胡萝卜素的含量。结果发现：不同色素种类和含量的差异是形成花色色系的直接原因，总黄酮、总花青素和总类胡萝卜素的含量与亮度（L*）呈负相关关系；红色和紫色系的主要色素花青素与红度（a*）呈极显著的正相关关系，而黄色系的主要色素类胡萝卜素与黄度（b*）同样也呈极显著的正相关关系。总黄酮和总花青素的含量通常与总类胡萝卜素呈现负相关，而黄酮类化合物作为花青素的前体物质，与花青素的含量呈现极显著的正相关关系。 7．在菊花花色素成分分析试验中，选择了一个红色菊花品种，从色素物质的提取、分离和纯化，到结构鉴定，建立了利用传统植物化学手段分离和鉴定菊花花色素的方法。分别得到了以花青素、黄酮和类胡萝卜素为目标化合物的提取方法：石油醚提取类胡萝卜素；甲醇—丙酮提取黄酮；甲醇—水—甲酸提取花青素；建立了使用传统的薄层层析和柱层析方法分离色素物质的方法：发现聚酰胺薄膜的反相系统（甲醇—水—甲酸）适合花青素的检测；黄酮类化合物使用聚酰胺薄的正相系统（甲醇—乙酸乙酯）；类胡萝卜素是一类极性很小的化合物，同样使用常用的正相硅胶TLC很难控制，使用RP-C18硅胶的丙酮—水系统。花青素的分离主要使用大孔树脂、聚酰胺、反相材料RP-C18和Sephadex LH-20进行反复柱层析；黄酮类化合物使用聚酰胺正相系统进行分离；而类胡萝卜素采用正相硅胶、RP-C18硅胶（丙酮—水）和制备TLC纯化；最后对分离得到的一个对菊花花色形成有重要影响的花青素——菊甙进行了结构鉴定。 通过对菊花花色形成的研究，将会给解释菊花丰富的花色变异提供理论依据，同时为菊花品种的鉴定、保护、分类以及新品种的培育奠定基础。