一個特種有色稻在樂山地區的色素沉積及生長規律探析

廖 敏， 張雪意， 廖金花， 梁 梓， 范 晶

（樂山師范學院 生命科學學院，四川 樂山 614000）

稻田景觀藝術采用不同顏色的觀賞水稻在稻田進行字體或圖畫設計，目前在中國、日本和韓國等國家非常盛行，已成為鄉村旅游的新看點[1]。2016年國家旅游局等12個部門共同制定了《鄉村旅游扶貧工程行動方案》，確定了實施鄉村旅游促進貧困地區精準脫貧的戰略路線。黨的十九大報告再一次明確提出實施鄉村振興戰略，通過大力發展休閑農業，吸引城鄉居民前去參觀旅游并進一步提高鄉村生態環境和讓農民受益[2]。四川是農業和旅游大省，目前正在大力發展鄉村旅游和打造農村特色村鎮，并將其作為服務三農和建設新農村的主抓手。截至2017年，四川省已有1000多個村莊被列為全國鄉村旅游扶貧重點村，發展休閑觀光農業可進一步調整農業產業結構、豐富農村旅游資源。

特種稻是具有特殊用途或遺傳性狀的水稻，主要包含有色稻、香稻及其他專用稻等類型[3]。有色水稻色澤鮮艷、株型特異而具有較強的觀賞價值，近年來廣泛應用于休閑觀光農業稻田景觀，如海南省三亞市用彩色水稻在稻田繪制了三亞旅游口號“美麗三亞”的字體圖案[4]。遼寧省沈陽市用不同顏色水稻在稻田栽種出《中國夢幸福起航》《錫伯騎射》和《影星夢露》等精美圖案[5-6]。影響稻田景觀效果的主要因素有水稻的色素和株高，水稻顏色差異影響稻田景觀的視覺對比度，而株高差異與稻田藝術圖案整齊度有關，因此對水稻的色素沉積特性和生長規律進行研究，對于篩選適合稻田景觀應用的水稻資源具有重要意義。李春龍等人比較了8份葉色均為綠色但穗色不同水稻的農藝性狀，確認了2個品種適用于田園風光的布置[7]。花青素是使植物顯示鮮艷顏色的水溶性色素，彩色植物因富含花青素而受到眾多研究人員的關注[8-10]。范晶等人對一種紫色水稻和2種綠色水稻的生物學特性進行比較并評估出具有觀賞組合潛力的水稻資源[11]。三亞市熱帶設施農業科技示范園在篩選稻田景觀水稻資源時發現其他地區水稻引種到三亞種植后生長性狀可發生較大變異，甚至出現黃色和白色葉片水稻自然死亡的現象[4]。觀賞紫葉稻滬紫2號為特色彩稻品種，然而，該水稻在四川樂山地區是否具有適應性生長能力以及是否具有可用于觀光農業稻田景觀打造的應用潛力相關的工作還沒有開展，制約了其在該地區休閑農業稻田景觀中的應用。本研究以普通水稻GLR1501為對照，重點對紫葉稻滬紫2號的色素積累特征、色素成份以及生長發育規律進行研究，旨在豐富紫葉稻滬紫2號引種過程中的生物學知識，為其在休閑觀光農業中的更廣泛應用提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

供試材料由本實驗室收集并保存，其中紫葉水稻滬紫2號引自上海市農科院，對照組普通水稻購自樂山市內農貿市場 (材料編號為Green Leaf Rice 1501，GLR1501)，上述材料種植地點位于樂山師范學院校內水稻試驗基地，栽培和日常管理按常規化方式進行，實驗期間選取生長健壯的幼苗、成熟植株、花和稻穗等材料用于實驗分析。

1.2 實驗方法

1.2.1 水稻色素分布研究與色素含量測定

采用數碼相機（型號DSC-H200，索尼中國有限公司）分別記錄分蘗期、稻穗發育早期、中期和成熟期的水稻植株以及處于發育早期、中期和成熟期稻穗的紫色色素積累和分布狀態。采用全自由度超景深顯微數碼成像系統（型號LY-WNYH，成都勵揚精密機電有限公司）對花器官部位的紫色色素積累狀態進行拍攝。采用鹽酸甲醇法提取水稻花青素，具體操作為將0.5 g的水稻葉片磨碎，轉入裝有5 mL濃度為1%鹽酸-甲醇溶液的干凈離心管中，充分萃取后4000 rpm/min離心5 min，吸取離心所得上清液后加入等體積的水和氯仿，混勻后再次離心并收集上清液，上清液稀釋十倍后采用全自動雙光束紫外可見分光光度計（型號TU-1901，北京普析通用儀器有限公司）進行波長掃描測定，波長范圍選擇為190～700 nm，記錄OD 530 nm處花青素的光密度值。葉綠素提取時稱取0.5 g葉片放置研缽中進行研磨，研磨時添加適量碳酸鈣、石英砂以及5 mL純丙酮，將勻漿液倒入干凈離心管中，吸取5 mL 80%丙酮清洗研缽后并入上一步所得勻漿液中，定容至終體積10 mL后離心，所得上清通過分光光度計測定其OD645 nm和OD663 nm的光密度值，葉綠素含量根據公式 8.02× OD663+OD645×20.21進行計算，采用SPSS19.0軟件的獨立樣品t檢驗算法對實驗數據進行顯著性差異分析。

1.2.2 農藝性狀統計和數據分析

在水稻不同生長發育時期各選取20株進行形態指標觀察，選擇觀賞性能有關的株高、分蘗數、葉長和葉寬共四項農藝性狀進行測量和統計，計算其平均值并采用Microsoft Excel 2007分析軟件進行作圖，圖中柱高以平均值±標準差表示，組間數據的顯著性差異分析采用統計軟件SPSS19.0進行，模式為單因子變異數分析（One-Way ANOVA）的Student-Newman-Keuls算法，bootstrapping技術參數的重復抽樣次數為1000次。

2 結果與分析

2.1 色素的沉積與分布特征

為了揭示紫葉稻滬紫2號紫色色素的積累特征，本研究比較了紫葉稻滬紫2號及對照組普通水稻GLR1501在不同生長階段及不同組織部位的紫色色素呈現狀態。結果發現整個生長周期內對照組普通水稻GLR1501的莖和葉均呈現常規綠色，花器官和稻穗中同樣無紫色色素積累，而紫葉稻滬紫2號從幼苗期開始一直持續到成熟期其莖和葉始終有紫色色素呈現。開花期的花器官顯微結果顯示紫葉稻滬紫2號的雌蕊柱頭特異性積累紫色色素，稻穗發育早期有少量稻穗有紫色色素沉積，在發育中期和成熟期有紫色色素沉積的稻穗逐漸增多，上述結果表明紫葉稻滬紫2號紫色色素的積累與分布具有表型多樣性和時空特異性特點（圖1）。

圖1 水稻紫色色素的積累與分布比較

2.2 色素特征分析

為了分析紫葉稻滬紫 2號和普通水稻GLR1501這2種水稻的色素組成特征，采用全自動雙光束紫外可見分光光度計對所提取的2種水稻的花青素進行波長范圍為190～700 nm的掃描測定，結果發現紫葉稻滬紫2號在波長530 nm處有一個明顯的花青素特征吸收峰，而對照組普通水稻GLR1501在該波段無吸收峰，花青素含量檢測結果發現對照組普通水稻GLR1501葉子基本無花青素合成，紫葉稻滬紫2號花青素含量較高，是普通水稻GLR1501花青素含量的508倍，兩者之間存在極顯著差異（P＜0.01）。葉綠素含量檢測結果顯示普通水稻GLR1501和紫葉稻滬紫2號都含有葉綠素，滬紫2號葉綠素含量是普通水稻GLR1501葉綠素含量的2.08倍，達到極顯著差異（P＜0.01），進一步深入比較發現紫葉稻滬紫2號花青素與葉綠素的比值是普通水稻GLR1501對應比值的244倍（圖2）。

圖2 水稻花青素和葉綠素含量分析

2.3 農藝性狀比較

為了探析紫葉稻滬紫 2號和普通水稻GLR1501的生長發育規律，本研究分析了分蘗期至成熟期2種水稻的株高、分蘗和葉子形態，結果發現紫葉稻滬紫2號和普通水稻GLR1501播種后73天至143天期間的株高呈明顯增高趨勢，但紫葉稻滬紫2號的株高在播種108天后增速放緩，在統計的第143天，普通水稻GLR1501平均株高為93.98 cm，紫葉稻滬紫2號平均株高為60.71 cm，獨立樣品t檢驗表明兩者之間具有極顯著差異（P＜0.01），說明紫葉稻滬紫2號植株偏矮。分蘗結果顯示紫葉稻滬紫2號和普通水稻GLR1501在播種后73～102天這一階段內保持連續的分蘗狀態，之后基本保持穩定，說明播種后73～102天這一階段為2種水稻的主要分蘗發生期，在統計的播種后第143天，普通水稻GLR1501單株平均分蘗數為3.95，紫葉稻滬紫2號單株平均分蘗數為3.4，獨立樣品t檢驗結果顯示兩者不存在顯著差異（P＞0.05）。對紫葉稻滬紫2號和普通水稻GLR1501的葉型進行分析，發現紫葉稻滬紫2號在播種后108～143天時的葉長和葉寬基本定型，該階段葉長保持在34 cm左右，葉寬保持在1.1 cm左右，而在相同時期，普通水稻GLR1501葉長持續穩定在42 cm左右，但葉寬由初始的1.26 cm增至1.61 cm。對143天的紫葉稻滬紫2號和普通水稻GLR1501的葉長和葉寬進行獨立樣品t檢驗，發現兩種水稻在葉長和葉寬方面均存在顯著性差異（P＜0.01）（圖3）。

圖3 不同時期水稻的農藝性狀分析

3 討論

營造特色鄉土景觀是發展鄉村旅游的重要思路，然而當前鄉村生態景觀面臨“原真性”漸失、鄉土文化褪色等一系列危機。稻田景觀藝術將色彩鮮艷的有色稻和傳統綠色水稻搭配種植在一起形成精美的創意文字或圖案，把傳統農耕行為打造成獨特的靚麗景觀，對于鄉村旅游品牌的建立和發展具有重要實踐意義[12-13]。色彩是稻田景觀設計中一個的關鍵因素，葉色又是彩色水稻觀賞價值的核心部分，然而植物著色可受遺傳背景或環境及氣候因素影響，導致色素積累與分布不穩定[14-15]。本研究發現紫葉稻滬紫2號在試種過程中從幼苗期到成熟期其植株著色穩定、持續表現為紫色，尤以葉和莖部位的紫色色素積累最為明顯，其與普通綠葉水稻GLR1501呈明顯色差，說明紫葉稻滬紫2號的紫色色素在葉和莖中為組成型表達模式，適宜在四川樂山地區種植（圖1A-I）。花色是植物進化過程中形成的最具可塑性的表型性狀，是植物最重要的品質指標之一，花青素是影響植物花色差異的重要色素之一[16]。本研究發現對照組普通水稻GLR1501整個花器官無紫色色素分布，而紫葉稻滬紫2號花器官在柱頭部位呈現紫色，但其他部位無紫色色素分布，說明紫葉稻滬紫2號花部位紫色色素的積累具有組織區域特異性（圖1J-K）。稻穗發育早期僅有少量稻穗外殼顯示紫色，隨著發育過程的推進紫色外殼逐漸增多，說明紫葉稻滬紫2號稻穗的紫色表型具有時空特異性（圖1O-Q）。植物顏色的形成與體內色素的種類、相對含量及分布狀態有關，王慶菊等分析紫葉稠李葉片呈色相關性因素發現花青苷與總葉綠素比值接近1∶2.84時，葉片開始顯示為淡紫色，當該比值超過1∶1.14時，葉片顏色表現為紫紅色，說明花青苷與葉綠素的比值增高導致花青素的呈色效應占主導地位[17]。本研究中紫外光譜吸收曲線掃描結果表明紫葉稻滬紫2號具有明顯的花青素特征吸收峰，含量測定結果同樣表明花青素含量較高（圖2A，2C），而對照組結果表明普通水稻GLR1501不含花青素（圖2B，2D），本研究還發現紫葉稻滬紫2號花青素與葉綠素的比值是對照水稻相應比值的244倍，這是紫葉稻滬紫2號呈現紫色表型的直接原因。矮稈是最重要的水稻育種農藝性狀之一，成功選育和推廣矮稈水稻是20世紀我國水稻育種工作所取得的輝煌成就[18]。本研究發現紫葉稻滬紫2號在播種后108～122天之間生長速度變緩，完全成熟期時株高約為60.71 cm，對照組普通水稻GLR1501平均株高約為93.98 cm，兩者有顯著差異（P＜0.01），說明紫葉稻滬紫2號為矮桿型水稻（圖3A）。本研究建議紫葉稻滬紫2號在稻田景觀應用時盡量選擇與其他矮桿綠色水稻一起使用，如果與高桿綠色水稻搭配，則盡量作為背景材料使用，此外紫葉稻滬紫2號還適合用于制作干花、稻草工藝品以及觀賞水稻盆栽等。分蘗是水稻營養生長階段的側生器官，是植物株型評價及改良的一個重要參數，國際水稻研究所認為構建的水稻單株理想株型應分蘗數較少，通常結實約3～4個穗[19]。分蘗動態規律研究發現紫葉稻滬紫2號分蘗高峰期為播種后94～102天左右，分蘗末期時平均分蘗數約為3.4個，獨立樣品t檢驗統計顯示與對照組普通水稻GLR1501的分蘗數不存在顯著性差異（P＞0.05）（圖3B）。適地適種是指植物在栽種過程中應盡量使其生物學特性與栽種土壤和氣候等條件相適應，觀賞植物在受到不同生態環境條件的影響時，其特定生物學性狀可能會發生變化，因此在引種種植前應盡可能地對其生物及生理特性的適應性進行研究[20]。本研究證實了紫葉稻滬紫2號在樂山地區栽種時紫色色素合成性能穩定，可獲得較好的觀賞價值，同時也進一步豐富了該水稻的紫色色素沉積和生長發育動態規律，為其今后在該地區鄉村旅游稻田景觀的應用提供理論指導依據。

[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]諸丹，唐建兵.四川省鄉村生態旅游開發探析[J].西南民族大學學報(人文社科版)，2009（7）：163-166.

[3]葉衛軍，胡時開，李媛媛，等.水稻種質資源的分子鑒定和育種利用[J].分子植物育種，2013，11（4）：625-633.

[4]陳雪怡.稻田里種出五彩畫卷[J].小康，2016（8）：86-87.

[5]張文魁.沈陽現巨型“3D稻田畫”[J].農村工作通訊，2015(15)：5.

[6]方浩俊，周錫躍.觀賞稻在園林景觀中的應用分析[J].中國稻米，2015，21（3）：28-30，39.

[7]李春龍，葉少平，賀陽冬，等.8份特色水稻材料在四川地區的農藝性狀比較研究[J].農產品加工(創新版)，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，吳苗苗，廖敏，等.三種水稻的生物學特性與觀賞組合潛力評估[J/OL].分子植物育種，1-7.（2017-08-22）.http://kns.cnki.net/ kcms/detail/46.1068.S.20170822.1611.004.html.

[12]陸嫻羽.稻田景觀藝術在下蜀鎮的實際應用[J].現代園藝，2016（12）：127.

[13]張現偉，李經勇，唐永群，等.觀賞性水稻的研究及應用[J].分子植物育種，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]閆曉煜，許麗穎.11種彩葉園林植物的色素含量的對比研究[J].中國林副特產，2014（4）：29-30.

[16]戴思蘭，洪艷.基于花青素苷合成和呈色機理的觀賞植物花色改良分子育種[J].中國農業科學，2016，49（3）：529-542.

[17]王慶菊，胡艷麗，李曉磊，等.紫葉稠李葉片不同葉序花青苷與化學成分的相關性[J].山東農業大學學報（自然科學版），2007，38（4）：557-560，565.

[18]高奮明，姜勇，孔德偉，等.水稻株高的遺傳控制及其在育種上的應用[J].分子植物育種，2005，3（1）：87-93.

[19]張海波，曾冬冬，金曉麗，等.水稻少蘗直立穗突變體的形態特征和基因定位[J].中國水稻科學，2015，29（4）：350-356.

[20]韓楠，唐茜，賴云松，等.四川引進的茶樹特色品種黃金芽、金光、郁金香的光合特性[J].西南農業學報，2015，28（4）：1600-1605.