蔷薇属月季组花色变化与花香相关性分析

周利君，于 超，程璧瑄，罗 乐，潘会堂，张启翔

(花卉种质创新与分子育种北京市重点实验室，国家花卉工程技术研究中心，城乡生态环境北京实验室，园林环境教育部工程研究中心，林木花卉遗传育种教育部重点实验室，北京林业大学 园林学院，北京 100083)

月季（Rosaspp.）为蔷薇科（Rosaceae）蔷薇属（RosaL.）多年生藤本或花灌木. 经过近200 多年的选育，现代月季已有35 000 多个品种，具有馥郁的花香和绚丽的花色，在切花、盆花以及园林中广泛应用[1]. 许多中国古老月季品种在现代月季育种史上发挥了重要作用，现代月季的15 个重要亲本有10 个来源于中国[2]. 月季组种质资源在现代月季品种的培育过程中发挥了重要作用，其中月月粉（R.chinensis‘Old Blush’）提供了四季开花特性，香水月季（R. odorata）提供了茶香（甜香）特性[3]. 中国是蔷薇属资源重要的分布中心之一，共有95 种（其中65 种为特有种），其原种资源约占全世界的三分之二[4]. 蔷薇属野生分布由东北至西南逐渐增多，云南、四川为其分布中心[5]，其中月季花主要分布在四川，香水月季主要分布在云南. 香水月季是云南特有的国家Ⅲ级濒危保护植物[6]，其姿态优美、香气浓郁且适应性较强. 《中国植物志》[7]中对月季组中一些种的表型描述较为宽泛，例如实际考察发现香水月季各变种间存在很多过渡类型，民间将其通称为“香水月季”，并不能将其简单地归为已知的4 个变种，导致目前香水月季的研究中，材料来源各异，研究结论也有所差异. 因此，开展月季组的资源调查收集与研究，促进这些野生资源的开发应用意义重大.

花色和花香作为植物重要的观赏性状，是鉴定和区分不同品种的主要指标，影响植物的观赏价值和经济价值[8]. 同时，花色和花香是昆虫授粉的重要线索，某些颜色或香味的改变会影响授粉者的访问、觅食和着陆行为，对物种进化产生重要作用[9].已有大量研究发现，花香和花色物质合成代谢存在共享生化途径，一是花青素的合成与挥发物苯环型/苯丙素化合物的产生都在莽草酸路径上共用同一个前体物质—苯丙氨酸[10]. 二是植物中MEP 生物合成路径能够同时产生类胡萝卜素和挥发性的萜类物质. 因此，有研究者推测，生物合成路径的多效交互可能提前适应植物产生特定的色-香组合模式，色素的产生或缺失能够决定花组织中挥发物合成的类型和含量[10]. 研究者发现月季花中的花青素合成可能与某些挥发性化合物的产生有关，并推测这种共同调节可能阻碍月季杂交种中色素沉着和特定气味的结合[11].

目前广泛使用CIELab 系统进行花色表型数量化描述[12-13]. 课题组对前期在西南地区收集的10份月季组材料（3 份香水月季、3 份月季花以及4份在云南省野外新发现的月季组材料）进行花香成分和释放规律测定和分析时，发现某些花香化合物的释放与花色呈现一定规律，通过本试验进行这10 份材料的花色描述和变化研究，并进行花香释放与花色变化的相关性初步探索.

1 材料与方法

1.1 试验材料以10 份蔷薇属月季组材料为研究对象，持续多年对其进行花部、叶部等基本性状进行观测（表1）. 分别取其3 个开花阶段（a：花蕾期；b：初开期；c：盛开期）进行相关测定，分级标准参照Zhou 等[14]的研究. 材料栽植于云南省玉溪市澄江市的阳宗镇南国山花种植基地（102.98°E，24.86°N，海拔1 800 m），生长状态良好.

表1 试验材料基本性状及采集地点Tab. 1 The basic characters and the collection places of the ten tested roses

1.2 花色参数测定采集新鲜花朵后，放置于同一桌面按材料顺序摆放，单瓣花随机取完整花瓣，重瓣花取中层完整花瓣，正面（内面）朝上，依次用色差仪（NF555，Nippon Denshoku Industries Co. Ltd.，Japan）按CIELab 表色体系测定参数L*（明度，从黑到白，0～100）、a*（色相，由绿到红，数值由负数到正数）和b*（色相，由蓝到黄，数值由负数到正数），C*（饱和度C* = (a*2+b*2)1/2）和h（色调角h= tan-1(b*/a*)），使花色参数量化. 测量时将花瓣正面朝上，平放于干净的白纸上，再将集光口对准分别对准花瓣上表皮中央位置进行测量，重复测定3 次，最终计算平均值代表该样品的花色量化值[16]. 同时，通过顶空-固相微萃取联合气相色谱-质谱法对中国植物志上有明确记载的前6 份材料（OO、OG、OE、CSW、CSR、COB）分别对花蕾期、初开期、盛开期的花朵进行花香成分测定，并采用外标曲线法定量，具体测定步骤以及花香挥发物的种类与含量参照文献[14].

1.3 数据分析利用Excel 2016 计算参数均值及标准差，通过IBM SPSS Statistics 24 软件计算花色参数与花香化合物相关性系数，使用Origin 2018软件制图.

2 结果与分析

2.1 10 种月季花色比较分析将试验材料3 个开花阶段的花色参数取平均值，代表该材料花朵主要颜色特征. 结果表明，10 份月季材料的花色表型参数分布广泛，在以L*、C*、h值构成的CIELCh 空间分布如图1 所示.L*表示亮度，数值变化范围为0～100，值越高颜色就越浅. 10 份研究材料中，野生单瓣白月季花（CSW）颜色最浅（L*=59.15），而另一个变种野生单瓣红月季花（CSR）颜色最深（L*=91.13）.C*值表示颜色的饱和度，数值大于0，其值越大表明颜色越鲜艳. 10 份材料的花色饱和度范围为14.84～49.53，野生单瓣白月季花饱和度最低，月月粉（COB）最鲜艳.h是色调角，也是颜色在色系中定位的方式，取值范围从0～360°.h值越靠近0°（360°），颜色越红；靠近90°，颜色越黄；靠近180°，颜色越绿；靠近270°，颜色越蓝. 这些材料的颜色较为丰富，h值变化范围从8.03°～315.81°，其中靠近0°（360°）和90°的红黄两色的频率较高.

图1 被试材料在CIELCh 空间的分布Fig. 1 Distribution of ten tested roses in CIELCh space

王峰等[17]利用CIELab 测色体系将227 个月季种质资源的花色分为7 个色系，并对其在a*、b*二维图上进行分布研究，各类花色只有第Ⅲ象限没有分布. 本研究的10 份材料在a*、b*色相坐标系中（图2），也分布在Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ象限，分别代表了不同颜色类型. 第Ⅰ象限（a*＞0，b*＞0）的5 份材料为红色系（第①组），当a*越高红色更深，a*值较低的单瓣粉晕大花香水月季（RC1，a*=4.22）和单瓣香水月季（OO，a*=11.54）为浅粉红色，粉红香水月季（OE，a*=23.32）为纯正的粉红色，野生单瓣红月季花（a*=45.97）为深红色. 其中佛见笑（RC2）的b*值（28.54）较高，表现为橙红色. 第Ⅱ象限（a*＜0，b*＞0）为黄白色（第②组），黄色随b*值升高而加深. 其中野生单瓣白月季花几乎为纯白色带粉晕，重瓣淡黄香水月季（RC3）花朵为淡黄色，大花香水月季（OG）为亮黄色. 第Ⅳ象限（a*＞0，b*＜0）为紫红色系（第③组），月月粉和玫红香水月季（RC4）的花朵均为相近的紫红色.

图2 被试材料在a＊、b＊色相坐标系的分布Fig. 2 Distribution of ten tested roses in a*，b* coordinate system

2.2 不同阶段花色变化分析同一品种不同发育时期的花朵颜色在CIELCh 空间分布也呈现较大差异和不同的变化趋势. 从其L*、a*、b*值变化情况看（图3），单瓣香水月季、粉红香水月季、月月粉、和玫红香水月季的a*值整体呈现下降趋势，L*值反之呈上升趋势，这些品种的粉色或红色花都随着花朵开放慢慢变浅. 野生单瓣白月季花和佛见笑的a*值先上升后降低，野生单瓣白月季花的粉色随花朵绽放先变深再变浅为近白色，而佛见笑则是橙色逐渐加深再变浅. 另一种情况是整体红色明显随花朵开放也增强的材料，即a*值整体呈现明显上升趋势的野生单瓣红月季花和单瓣粉晕大花香水月季，其中单瓣粉晕大花香水月季的花蕊也随花色变化明显地由粉白变成深红色. 黄色系的大花香水月季和重瓣淡黄香水月季的a*值在不同发育期基本保持稳定，但b*值明显下降，说明黄色花随花朵开放逐渐变浅，其中大花香水月季褪色更加明显.

图3 被试材料的花色参数L＊、a＊、b＊值在3 个开花阶段的变化Fig. 3 The variation of flower color parameters L*，a* and b* of ten tested roses in three flowering stages

2.3 花色与花香释放相关性分析蔷薇属植物花瓣的红色主要来自于花青苷，黄色主要由类胡萝卜素形成，两种色素共同形成橙色，所有颜色的花瓣中均存在黄酮醇. Schmitzer 等[18]发现现代月季KORcrisett 花瓣中花青苷总含量和主要花青苷物质各自的含量与花色参数a*、b*、h极显著正相关，与L*极显著负相关. 万会花[19]发现月季花色中类胡萝卜素中（9Z）-紫黄质是影响色相b*的关键色素，具有极显著的正效应，对月季黄色形成起关键作用. 本研究以6 种月季材料各自3 个开花时期释放的花香化合物总量，其在3 个代谢途径上（萜烯类、苯环类和脂肪酸衍生物类）的花香组分含量以及与其对应的花色参数L*、a*、b*、C*、h共9 个指标，进行双因素相关性检验，计算各个指标间的皮尔森相关系数（表2）. 从各代谢途径的花香化合物总量看，与红色相关的a*值并未与和花青素共用一个前体物质的苯环类化合物呈现明显的负相关关系，萜烯类化合物总量也未与同在MEP 生物合成路径上的类胡萝卜素影响的黄色参数（b*值）呈现显著相关性. 苯环类代谢途径上的花香化合物总量与花瓣的b*值呈现极显著正相关关系（P＜ 0.01），呈现花色越黄，苯环类花香化合物含量越高的规律，由此推测月季苯环类花香化合物代谢途径与黄色物质例如黄酮醇、类胡萝卜素等代谢途径可能存在一定相关性.

表2 花色参数与不同代谢途径上化合物含量的相关性Tab. 2 Correlation between flower color parameters and compound content in different metabolic pathways

曾祥玲[10]对桂花（Osmanthus fragrans）的花色和香味进行研究，发现橙黄色的丹桂积累类胡萝卜素含量较高，缺乏将类胡萝卜素裂解产生相应α-紫罗酮、β-紫罗酮和二氢-β-紫罗酮衍生香气物质的类胡萝卜素裂解双加氧酶的作用，造成丹桂的花香不及花色较淡的金桂和银桂. 本研究以33 种主要花香化合物释放量与花色参数进行相关性检验（图4），发现β-紫罗酮（β-Ionol）释放量与b*值极显著正相关（rb*=0.817**），与a*值显著负相关（ra*=-0.523*），反而呈现β-紫罗酮在黄色花中释放增多的现象. 此外，与产生黄色的类胡萝卜素同在MEP路径的挥发性萜类反而与b*值呈现显著正相关关系，例如芳樟醇（Linalool，rb*=0.626**）、石竹烯（Caryophyllene，rb*=0.700**），其余萜烯类化合物大部分与b*值呈不显著的负效应. 另外，苯环类代谢途径上的一些物质，表现出和a*值极显著或显著负相关，与b*值极显著正相关，例如3,5 二甲氧基苯（3,5-Dimethoxytoluene，ra*=-0.491*，rb*=0.897**)、一 种 丁 子 香 酚（ 3-Allyl-6-methoxyphenol，ra*=-0.673**，rb*=0.914**） 、 甲 基 丁 香 酚（ Methyl eugenol，ra*=-0.504*，rb*=0.915**）、（E）-异丁香酚（(E)-Isoeugenol，ra*=-0.582*，rb*=0.748**），这可能和产生红色的花青素与挥发物苯环型/苯丙素化合物共用苯丙氨酸合成产物相关.

图4 花色参数与主要花香化合物含量的相关性Fig. 4 Correlation between flower color parameters and content of major volatile compounds

3 结论与讨论

月季花色绚烂多彩，目前拥有除纯正蓝色以外的其他花色，且变色、复色、花斑等品种多样. 本试验的10 种材料，也表现出丰富的花色，随花朵发育绽放发生明显且不同趋势的变化. 月月粉、玫红香水月季、粉红香水月季花色较稳定，只有轻微褪色；佛见笑橙红两色交融形成渐变花纹；大花香水月季和重瓣淡黄香水月季初开为黄逐渐变白；单瓣粉晕大花香水月季初开白中带粉红花纹，随花朵开放粉色逐渐侵占整个花瓣乃至花蕊；两种野生单瓣月季花也表现出明显的差异，初开为白中带粉，但野生单瓣白月季花逐渐变白，而野生单瓣红月季花逐渐变成深红色. 这些材料生长强健，花量大，且茶香（甜香）或果香味浓郁，均值得园林绿化开发利用，也是研究花色物质形成与变化的优良材料.

花色物质与花香之间的关系目前还未得到统一的结论，虽然已有一些研究，但在不同的物种中表现出明显的差异，在相同的物种中情况也十分复杂. 相关研究表明，在龙爪兰（Dactylorhiza ramana）中，红色品种释放大量的芳樟醇，黄色品种却释放大量的苯甲醛和少量的芳樟醇[20]，但是本研究结果呈现出黄色月季比红色月季释放更多的芳樟醇.此外，也有研究表明强壮红门兰（Orchis mascula）的紫花和白花所释放的花香没有差异[21]. 本试验中白色和红色的野生单瓣月季花花色差异极大，但是所释放的花香化合物种类十分相似.

虽然色香关系复杂，但是花色遗传研究表明，花色变异的机制对花香的影响确实很重要. 例如，反义抑制香石竹（Dianthus caryophyllus）中花青素代谢关键酶编码的F3H基因可阻碍花青素合成，使得代谢转移到苯甲酸的产生上，导致苯甲酸甲酯的合成量增加，产生能被人类嗅觉识别的芳香气味[22]；向矮牵牛（Petunia axillaris）中转入拟南芥花青素合成途径调节基因AtPAP1，可以在改变花色的同时增加苯乙醛释放量[23]；将AtPAP1转入月季亦能够使其萜类挥发物含量增加并被人类嗅觉所区分. Raymond 等[11]尝试重构月季次级代谢通路，提出花香和花色相互关联调节的模型. 本试验发现不同花色的月季所释放的花香化合物含量与花色参数呈现一定相关性，推测这些花香化合物的代谢途径可能与月季花色物质相关代谢途径相关联，但是与之相关的花色物质、代谢途径和相互影响的具体情况，尚待检测花色物质成分进一步研究验证. 这些发现可为后期深入解析月季花香和花色形成机制和调控网络奠定基础，从而为月季的花香及花色育种改良提供参考.