一个特种有色稻在乐山地区的色素沉积及生长规律探析

廖 敏， 张雪意， 廖金花， 梁 梓， 范 晶

（乐山师范学院 生命科学学院，四川 乐山 614000）

稻田景观艺术采用不同颜色的观赏水稻在稻田进行字体或图画设计，目前在中国、日本和韩国等国家非常盛行，已成为乡村旅游的新看点[1]。2016年国家旅游局等12个部门共同制定了《乡村旅游扶贫工程行动方案》，确定了实施乡村旅游促进贫困地区精准脱贫的战略路线。党的十九大报告再一次明确提出实施乡村振兴战略，通过大力发展休闲农业，吸引城乡居民前去参观旅游并进一步提高乡村生态环境和让农民受益[2]。四川是农业和旅游大省，目前正在大力发展乡村旅游和打造农村特色村镇，并将其作为服务三农和建设新农村的主抓手。截至2017年，四川省已有1000多个村庄被列为全国乡村旅游扶贫重点村，发展休闲观光农业可进一步调整农业产业结构、丰富农村旅游资源。

特种稻是具有特殊用途或遗传性状的水稻，主要包含有色稻、香稻及其他专用稻等类型[3]。有色水稻色泽鲜艳、株型特异而具有较强的观赏价值，近年来广泛应用于休闲观光农业稻田景观，如海南省三亚市用彩色水稻在稻田绘制了三亚旅游口号“美丽三亚”的字体图案[4]。辽宁省沈阳市用不同颜色水稻在稻田栽种出《中国梦幸福起航》《锡伯骑射》和《影星梦露》等精美图案[5-6]。影响稻田景观效果的主要因素有水稻的色素和株高，水稻颜色差异影响稻田景观的视觉对比度，而株高差异与稻田艺术图案整齐度有关，因此对水稻的色素沉积特性和生长规律进行研究，对于筛选适合稻田景观应用的水稻资源具有重要意义。李春龙等人比较了8份叶色均为绿色但穗色不同水稻的农艺性状，确认了2个品种适用于田园风光的布置[7]。花青素是使植物显示鲜艳颜色的水溶性色素，彩色植物因富含花青素而受到众多研究人员的关注[8-10]。范晶等人对一种紫色水稻和2种绿色水稻的生物学特性进行比较并评估出具有观赏组合潜力的水稻资源[11]。三亚市热带设施农业科技示范园在筛选稻田景观水稻资源时发现其他地区水稻引种到三亚种植后生长性状可发生较大变异，甚至出现黄色和白色叶片水稻自然死亡的现象[4]。观赏紫叶稻沪紫2号为特色彩稻品种，然而，该水稻在四川乐山地区是否具有适应性生长能力以及是否具有可用于观光农业稻田景观打造的应用潜力相关的工作还没有开展，制约了其在该地区休闲农业稻田景观中的应用。本研究以普通水稻GLR1501为对照，重点对紫叶稻沪紫2号的色素积累特征、色素成份以及生长发育规律进行研究，旨在丰富紫叶稻沪紫2号引种过程中的生物学知识，为其在休闲观光农业中的更广泛应用提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 实验材料

供试材料由本实验室收集并保存，其中紫叶水稻沪紫2号引自上海市农科院，对照组普通水稻购自乐山市内农贸市场 (材料编号为Green Leaf Rice 1501，GLR1501)，上述材料种植地点位于乐山师范学院校内水稻试验基地，栽培和日常管理按常规化方式进行，实验期间选取生长健壮的幼苗、成熟植株、花和稻穗等材料用于实验分析。

1.2 实验方法

1.2.1 水稻色素分布研究与色素含量测定

采用数码相机（型号DSC-H200，索尼中国有限公司）分别记录分蘖期、稻穗发育早期、中期和成熟期的水稻植株以及处于发育早期、中期和成熟期稻穗的紫色色素积累和分布状态。采用全自由度超景深显微数码成像系统（型号LY-WNYH，成都励扬精密机电有限公司）对花器官部位的紫色色素积累状态进行拍摄。采用盐酸甲醇法提取水稻花青素，具体操作为将0.5 g的水稻叶片磨碎，转入装有5 mL浓度为1%盐酸-甲醇溶液的干净离心管中，充分萃取后4000 rpm/min离心5 min，吸取离心所得上清液后加入等体积的水和氯仿，混匀后再次离心并收集上清液，上清液稀释十倍后采用全自动双光束紫外可见分光光度计（型号TU-1901，北京普析通用仪器有限公司）进行波长扫描测定，波长范围选择为190～700 nm，记录OD 530 nm处花青素的光密度值。叶绿素提取时称取0.5 g叶片放置研钵中进行研磨，研磨时添加适量碳酸钙、石英砂以及5 mL纯丙酮，将匀浆液倒入干净离心管中，吸取5 mL 80%丙酮清洗研钵后并入上一步所得匀浆液中，定容至终体积10 mL后离心，所得上清通过分光光度计测定其OD645 nm和OD663 nm的光密度值，叶绿素含量根据公式 8.02× OD663+OD645×20.21进行计算，采用SPSS19.0软件的独立样品t检验算法对实验数据进行显著性差异分析。

1.2.2 农艺性状统计和数据分析

在水稻不同生长发育时期各选取20株进行形态指标观察，选择观赏性能有关的株高、分蘖数、叶长和叶宽共四项农艺性状进行测量和统计，计算其平均值并采用Microsoft Excel 2007分析软件进行作图，图中柱高以平均值±标准差表示，组间数据的显著性差异分析采用统计软件SPSS19.0进行，模式为单因子变异数分析（One-Way ANOVA）的Student-Newman-Keuls算法，bootstrapping技术参数的重复抽样次数为1000次。

2 结果与分析

2.1 色素的沉积与分布特征

为了揭示紫叶稻沪紫2号紫色色素的积累特征，本研究比较了紫叶稻沪紫2号及对照组普通水稻GLR1501在不同生长阶段及不同组织部位的紫色色素呈现状态。结果发现整个生长周期内对照组普通水稻GLR1501的茎和叶均呈现常规绿色，花器官和稻穗中同样无紫色色素积累，而紫叶稻沪紫2号从幼苗期开始一直持续到成熟期其茎和叶始终有紫色色素呈现。开花期的花器官显微结果显示紫叶稻沪紫2号的雌蕊柱头特异性积累紫色色素，稻穗发育早期有少量稻穗有紫色色素沉积，在发育中期和成熟期有紫色色素沉积的稻穗逐渐增多，上述结果表明紫叶稻沪紫2号紫色色素的积累与分布具有表型多样性和时空特异性特点（图1）。

图1 水稻紫色色素的积累与分布比较

2.2 色素特征分析

为了分析紫叶稻沪紫 2号和普通水稻GLR1501这2种水稻的色素组成特征，采用全自动双光束紫外可见分光光度计对所提取的2种水稻的花青素进行波长范围为190～700 nm的扫描测定，结果发现紫叶稻沪紫2号在波长530 nm处有一个明显的花青素特征吸收峰，而对照组普通水稻GLR1501在该波段无吸收峰，花青素含量检测结果发现对照组普通水稻GLR1501叶子基本无花青素合成，紫叶稻沪紫2号花青素含量较高，是普通水稻GLR1501花青素含量的508倍，两者之间存在极显著差异（P＜0.01）。叶绿素含量检测结果显示普通水稻GLR1501和紫叶稻沪紫2号都含有叶绿素，沪紫2号叶绿素含量是普通水稻GLR1501叶绿素含量的2.08倍，达到极显著差异（P＜0.01），进一步深入比较发现紫叶稻沪紫2号花青素与叶绿素的比值是普通水稻GLR1501对应比值的244倍（图2）。

图2 水稻花青素和叶绿素含量分析

2.3 农艺性状比较

为了探析紫叶稻沪紫 2号和普通水稻GLR1501的生长发育规律，本研究分析了分蘖期至成熟期2种水稻的株高、分蘖和叶子形态，结果发现紫叶稻沪紫2号和普通水稻GLR1501播种后73天至143天期间的株高呈明显增高趋势，但紫叶稻沪紫2号的株高在播种108天后增速放缓，在统计的第143天，普通水稻GLR1501平均株高为93.98 cm，紫叶稻沪紫2号平均株高为60.71 cm，独立样品t检验表明两者之间具有极显著差异（P＜0.01），说明紫叶稻沪紫2号植株偏矮。分蘖结果显示紫叶稻沪紫2号和普通水稻GLR1501在播种后73～102天这一阶段内保持连续的分蘖状态，之后基本保持稳定，说明播种后73～102天这一阶段为2种水稻的主要分蘖发生期，在统计的播种后第143天，普通水稻GLR1501单株平均分蘖数为3.95，紫叶稻沪紫2号单株平均分蘖数为3.4，独立样品t检验结果显示两者不存在显著差异（P＞0.05）。对紫叶稻沪紫2号和普通水稻GLR1501的叶型进行分析，发现紫叶稻沪紫2号在播种后108～143天时的叶长和叶宽基本定型，该阶段叶长保持在34 cm左右，叶宽保持在1.1 cm左右，而在相同时期，普通水稻GLR1501叶长持续稳定在42 cm左右，但叶宽由初始的1.26 cm增至1.61 cm。对143天的紫叶稻沪紫2号和普通水稻GLR1501的叶长和叶宽进行独立样品t检验，发现两种水稻在叶长和叶宽方面均存在显著性差异（P＜0.01）（图3）。

图3 不同时期水稻的农艺性状分析

3 讨论

营造特色乡土景观是发展乡村旅游的重要思路，然而当前乡村生态景观面临“原真性”渐失、乡土文化褪色等一系列危机。稻田景观艺术将色彩鲜艳的有色稻和传统绿色水稻搭配种植在一起形成精美的创意文字或图案，把传统农耕行为打造成独特的靓丽景观，对于乡村旅游品牌的建立和发展具有重要实践意义[12-13]。色彩是稻田景观设计中一个的关键因素，叶色又是彩色水稻观赏价值的核心部分，然而植物着色可受遗传背景或环境及气候因素影响，导致色素积累与分布不稳定[14-15]。本研究发现紫叶稻沪紫2号在试种过程中从幼苗期到成熟期其植株着色稳定、持续表现为紫色，尤以叶和茎部位的紫色色素积累最为明显，其与普通绿叶水稻GLR1501呈明显色差，说明紫叶稻沪紫2号的紫色色素在叶和茎中为组成型表达模式，适宜在四川乐山地区种植（图1A-I）。花色是植物进化过程中形成的最具可塑性的表型性状，是植物最重要的品质指标之一，花青素是影响植物花色差异的重要色素之一[16]。本研究发现对照组普通水稻GLR1501整个花器官无紫色色素分布，而紫叶稻沪紫2号花器官在柱头部位呈现紫色，但其他部位无紫色色素分布，说明紫叶稻沪紫2号花部位紫色色素的积累具有组织区域特异性（图1J-K）。稻穗发育早期仅有少量稻穗外壳显示紫色，随着发育过程的推进紫色外壳逐渐增多，说明紫叶稻沪紫2号稻穗的紫色表型具有时空特异性（图1O-Q）。植物颜色的形成与体内色素的种类、相对含量及分布状态有关，王庆菊等分析紫叶稠李叶片呈色相关性因素发现花青苷与总叶绿素比值接近1∶2.84时，叶片开始显示为淡紫色，当该比值超过1∶1.14时，叶片颜色表现为紫红色，说明花青苷与叶绿素的比值增高导致花青素的呈色效应占主导地位[17]。本研究中紫外光谱吸收曲线扫描结果表明紫叶稻沪紫2号具有明显的花青素特征吸收峰，含量测定结果同样表明花青素含量较高（图2A，2C），而对照组结果表明普通水稻GLR1501不含花青素（图2B，2D），本研究还发现紫叶稻沪紫2号花青素与叶绿素的比值是对照水稻相应比值的244倍，这是紫叶稻沪紫2号呈现紫色表型的直接原因。矮秆是最重要的水稻育种农艺性状之一，成功选育和推广矮秆水稻是20世纪我国水稻育种工作所取得的辉煌成就[18]。本研究发现紫叶稻沪紫2号在播种后108～122天之间生长速度变缓，完全成熟期时株高约为60.71 cm，对照组普通水稻GLR1501平均株高约为93.98 cm，两者有显著差异（P＜0.01），说明紫叶稻沪紫2号为矮杆型水稻（图3A）。本研究建议紫叶稻沪紫2号在稻田景观应用时尽量选择与其他矮杆绿色水稻一起使用，如果与高杆绿色水稻搭配，则尽量作为背景材料使用，此外紫叶稻沪紫2号还适合用于制作干花、稻草工艺品以及观赏水稻盆栽等。分蘖是水稻营养生长阶段的侧生器官，是植物株型评价及改良的一个重要参数，国际水稻研究所认为构建的水稻单株理想株型应分蘖数较少，通常结实约3～4个穗[19]。分蘖动态规律研究发现紫叶稻沪紫2号分蘖高峰期为播种后94～102天左右，分蘖末期时平均分蘖数约为3.4个，独立样品t检验统计显示与对照组普通水稻GLR1501的分蘖数不存在显著性差异（P＞0.05）（图3B）。适地适种是指植物在栽种过程中应尽量使其生物学特性与栽种土壤和气候等条件相适应，观赏植物在受到不同生态环境条件的影响时，其特定生物学性状可能会发生变化，因此在引种种植前应尽可能地对其生物及生理特性的适应性进行研究[20]。本研究证实了紫叶稻沪紫2号在乐山地区栽种时紫色色素合成性能稳定，可获得较好的观赏价值，同时也进一步丰富了该水稻的紫色色素沉积和生长发育动态规律，为其今后在该地区乡村旅游稻田景观的应用提供理论指导依据。

[1]KIM C K，SEOL Y J，SHIN Y，et al.Whole-genome resequencing and transcriptomic analysis to identify genes involved in leaf-color diversity in ornamental rice plants[J].Plos ONE，2015，10（04）：e0124071.

[2]诸丹，唐建兵.四川省乡村生态旅游开发探析[J].西南民族大学学报(人文社科版)，2009（7）：163-166.

[3]叶卫军，胡时开，李媛媛，等.水稻种质资源的分子鉴定和育种利用[J].分子植物育种，2013，11（4）：625-633.

[4]陈雪怡.稻田里种出五彩画卷[J].小康，2016（8）：86-87.

[5]张文魁.沈阳现巨型“3D稻田画”[J].农村工作通讯，2015(15)：5.

[6]方浩俊，周锡跃.观赏稻在园林景观中的应用分析[J].中国稻米，2015，21（3）：28-30，39.

[7]李春龙，叶少平，贺阳冬，等.8份特色水稻材料在四川地区的农艺性状比较研究[J].农产品加工(创新版)，2010（4）：43-44，53.

[8]LUO P，NING G，WANG Z，et al.Disequilibrium of flavonol synthase and dihydroflavonol-4-reductase expression associated tightly to white vs.red color flower formation in plants[J].Frontiers in Plant Science，2016，6：1-12.

[9]NISHIHARA M，YAMADA E，SAITO M，et al.Molecular characterization of mutations in white-flowered torenia plants[J].BMC Plant Biology，2014，14（1）：1-12.

[10]OLIVARES D，CONTRERAS C，MUNOZ V，et al.Relationship among color development，anthocyanin and pigment-related gene expression in‘Crimson Seedless’grapes treated with abscisic acid and sucrose[J].Plant Physiol Biochem，2017，115:286-297.

[11]范晶，吴苗苗，廖敏，等.三种水稻的生物学特性与观赏组合潜力评估[J/OL].分子植物育种，1-7.（2017-08-22）.http://kns.cnki.net/ kcms/detail/46.1068.S.20170822.1611.004.html.

[12]陆娴羽.稻田景观艺术在下蜀镇的实际应用[J].现代园艺，2016（12）：127.

[13]张现伟，李经勇，唐永群，等.观赏性水稻的研究及应用[J].分子植物育种，2016，14（3）：760-764.

[14]MIAO L，ZHANG Y，YANG X，et al.Colored light-quality selective plastic films affect anthocyanin content，enzyme activities，and the expression of flavonoid genes in strawberry(Fragaria×ananassa)fruit[J].Food Chemistry，2016，207：93-100.

[15]闫晓煜，许丽颖.11种彩叶园林植物的色素含量的对比研究[J].中国林副特产，2014（4）：29-30.

[16]戴思兰，洪艳.基于花青素苷合成和呈色机理的观赏植物花色改良分子育种[J].中国农业科学，2016，49（3）：529-542.

[17]王庆菊，胡艳丽，李晓磊，等.紫叶稠李叶片不同叶序花青苷与化学成分的相关性[J].山东农业大学学报（自然科学版），2007，38（4）：557-560，565.

[18]高奋明，姜勇，孔德伟，等.水稻株高的遗传控制及其在育种上的应用[J].分子植物育种，2005，3（1）：87-93.

[19]张海波，曾冬冬，金晓丽，等.水稻少蘖直立穗突变体的形态特征和基因定位[J].中国水稻科学，2015，29（4）：350-356.

[20]韩楠，唐茜，赖云松，等.四川引进的茶树特色品种黄金芽、金光、郁金香的光合特性[J].西南农业学报，2015，28（4）：1600-1605.