植物花色鑒定及新方法

李春楠，傅巧娟，沈國(guó)正，孫瑤

(杭州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院,浙江 杭州 310024)

花色是植物的重要觀賞性狀之一，花色創(chuàng)新歷來(lái)是花卉育種的主要目標(biāo)。在表型性狀考察中，真實(shí)、準(zhǔn)確地描述花色性狀，對(duì)于植物分類、種質(zhì)鑒定、育種后代篩選、分子標(biāo)記開發(fā)、花色基因工程等研究具有重要的意義。評(píng)價(jià)植物花色的方法主要有目視測(cè)色、儀器測(cè)色和化學(xué)測(cè)色等。本文在介紹當(dāng)前花色鑒定的一般方法及其優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出一種基于計(jì)算機(jī)圖像處理的分辨花色深淺的方法[1]，旨在為花色測(cè)定方法作一補(bǔ)充，使其描述方式更加豐富、準(zhǔn)確、量化。

1 花色鑒定一般方法

1.1 目視測(cè)色

目視測(cè)色通過(guò)人的肉眼觀察花部色彩來(lái)辨別顏色種類和深淺程度，是最簡(jiǎn)便、快捷的花色鑒別方式。對(duì)于不同色系可直接進(jìn)行分門別類，對(duì)于同色系花色可根據(jù)深淺程度劃分為若干等級(jí)，再一一歸屬相應(yīng)的色彩級(jí)別。目視測(cè)色簡(jiǎn)單易行，不少研究采用該方法來(lái)鑒定花色[2-8]。過(guò)聰?shù)萚9]通過(guò)目測(cè)現(xiàn)代月季(Rosaspp.)花色并分類編碼來(lái)描述60個(gè)品種的花色表型；羅會(huì)英等[10]在研究30個(gè)辣木(Morangaoleifera)優(yōu)良單株家系的花表型性狀差異時(shí)，采用目視測(cè)色法分辨花冠顏色；李芳等[11]測(cè)定西南紅山茶(Camelliapitardii)的表型性狀，通過(guò)目測(cè)，用中國(guó)傳統(tǒng)色彩表示法標(biāo)注花顏色，并對(duì)所測(cè)得的花瓣顏色進(jìn)行賦值[12]。

比色卡比對(duì)法是目前應(yīng)用較為普遍的目視測(cè)色方法，一般采用英國(guó)皇家園藝學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)比色卡(royal horticultural society color chart, RHSCC)。觀察者通過(guò)視覺(jué)將樣品花色與標(biāo)準(zhǔn)色卡對(duì)比，將待測(cè)樣品“對(duì)號(hào)入座”，記錄色卡上對(duì)應(yīng)的色彩編碼，常設(shè)計(jì)多個(gè)重復(fù)，最終選取出現(xiàn)頻率最高的結(jié)果。徐怡倩等[13]在研究小蒼蘭(Freesiahybrida)花色苷組分時(shí)，采用RHSCC對(duì)6個(gè)小蒼蘭園藝品種進(jìn)行花色描述；吳際洋等[14]利用RHSCC測(cè)定紫薇雜交后代(Lagerstroemiaspeciosa×L.indica)單色與復(fù)色花的主色、副色；林蘭[15]在研究蝴蝶蘭(PhalaenopsisDtps)超群火鳥雜交后代的生物學(xué)特性時(shí)，采用RHSCC比對(duì)子代的花瓣主色，并與父本和母本進(jìn)行比較。目前，色卡比對(duì)法在花色表型測(cè)定中的應(yīng)用較為普遍。

1.2 儀器測(cè)色

利用儀器采集花色信息，用色度參數(shù)對(duì)花色進(jìn)行數(shù)字化描述。測(cè)色儀器主要有掃描儀、色差儀、便攜式光譜儀等[16]。其中，色差儀是較為常用的測(cè)色儀器，一般采用國(guó)際照明委員會(huì)(international commission on illumination, CIE)制定的CIELAB標(biāo)準(zhǔn)色空間，通過(guò)測(cè)量色度參數(shù)將色彩按三維數(shù)據(jù)(明度、飽和度和色調(diào)角)進(jìn)行數(shù)字化描述。在CIEL*a*b*體系中，L*值為色彩的明度，L*值增大表示顏色由暗到亮；色相a*值表示花色的紅綠程度，a*值由負(fù)到正代表綠色減弱、紅色增強(qiáng)；色相b*值表示花色的黃藍(lán)程度，b*值由負(fù)到正代表藍(lán)色減弱、黃色增強(qiáng)；C*值為色彩飽和度，計(jì)算公式為C*=(a*+b*)1/2；色調(diào)角h的計(jì)算公式為h=arctan(b*/a*)，h表示顏色在紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫中的變化程度，0°附近區(qū)域?yàn)榧t色，朝逆時(shí)針?lè)较?0°附近代表橙色，180°和270°附近分別為綠色和藍(lán)色，而后又回到360°(0°)紅色區(qū)域[17-18]。

利用色差儀測(cè)定植物花色已在多種花卉品種中廣泛應(yīng)用。韓江南[19]采集牡丹(Paeoniasuffruticosa)花朵新鮮花瓣，用色差儀按CIE表色系統(tǒng)測(cè)定花色，對(duì)94個(gè)中原牡丹品種開展聚類分析；Rasouli等[20]將色差儀用于4個(gè)突厥薔薇(Rosadamascena)地方品種的花色鑒定；Guo等[21]利用色差儀測(cè)定不同發(fā)育時(shí)期芍藥(Paeonialactiflora)花瓣的L*、a*、b*、C*和h值，反映其從珊瑚色、粉色到淡黃色的色彩變化過(guò)程；李辛雷等[22]用分光色差儀測(cè)定山茶(Camelliajaponica)新鮮花朵花色，按照CIEL*a*b*表色系法，測(cè)定花色的明度L*、色相a*值、色相b*值、彩度C*和色調(diào)角h，研究22個(gè)山茶品種的花色分布；吳芳芳等[23]在荷花(NelumboSP.)盛花期采集不同品種的花瓣進(jìn)行花色指標(biāo)的測(cè)定，記錄色度參數(shù)，對(duì)24個(gè)荷花品種花色聚類分析，明確荷花花色表型的分布特點(diǎn)。

值得注意的是，由于目視測(cè)色容易受到觀測(cè)者主觀因素和外界光源條件的影響，為了提高花色判定的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，很多研究將目視與儀器測(cè)色相結(jié)合共同對(duì)花色進(jìn)行量化分析。丁言[24]利用目視測(cè)色與色差儀精確判定紅花草莓雜交后代(Fragaria×Potentilla)的花瓣顏色，將目視觀察與嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)比色卡比對(duì)，在初步定性和分類后，再通過(guò)色差儀測(cè)量花瓣的色值參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的花色量化分析；張藝祎[25]測(cè)定四川獨(dú)蒜蘭(Pleionelimprichtii)花色，利用RHSCC比對(duì)花被片中著色最均勻部分，判斷花色質(zhì)量，同時(shí)使用分光色差儀測(cè)定花瓣的色值參數(shù)；劉安成等[26]取忍冬(LoniceraLinn.)不同開花階段的新鮮花蕾或花瓣，采用RHSCC進(jìn)行花色對(duì)比，并用分光色差儀測(cè)量明度L*值、色相的a*值、b*值。目前，在目視的基礎(chǔ)上結(jié)合測(cè)色儀器對(duì)花色進(jìn)行精確的判定，在百合(Liliumhybrids)[27]、桂花(Osmanthusfragrans)[28]、菊花(Chrysanthemummorifolium)[29-30]、鳶尾(Irisdichotoma)[31]、矢車菊(Centaureacyanus)[32]、風(fēng)信子(Hyacinthusorientalis)[33]、建蘭(Cymbidiumensifolium)[34]、金花茶組(Sect.ChrysanthaChang)[35]、芍藥[36]、香雪蘭(Freesiahybrida)[37]等花卉上均有所應(yīng)用。

1.3 化學(xué)測(cè)色

花色素的存在及其變化是植物花色表現(xiàn)的化學(xué)機(jī)制，絕大多數(shù)植物累積特定的花色素種類，從而呈現(xiàn)出一定的花色表型，與花色的深淺程度密切相關(guān)[38-39]?；瘜W(xué)測(cè)色即以色素含量間接反映花色深淺?；ㄉ帐瞧渲衅饹Q定作用的主要色素[40-42]，可參照WEISS[43]的方法檢測(cè)花瓣花色苷含量，用分光光度計(jì)分別測(cè)定色素提取液在530、657 nm波長(zhǎng)下的光密度值(D)，通過(guò)公式計(jì)算花色苷相對(duì)含量:D校=(D530-0.25D657)/g，結(jié)果以每克鮮重的花色苷相對(duì)含量來(lái)表示。許傳俊等[44]利用化學(xué)測(cè)色法分別測(cè)定了不同花色品種蝴蝶蘭(Phalaenopsis)的花色苷含量；徐君等[45]以不同類型的14個(gè)荷花(Nelumbonucifera)品種花瓣為材料，進(jìn)行花色表型測(cè)定及花色素成分分析；智雅靜等[46]檢驗(yàn)4個(gè)雜種系共20種不同花色百合(Liliumssp.)品種中色素種類的差異；劉林等[47]將RHSCC、色差儀與色素含量測(cè)定三者相結(jié)合，用于色季拉山9種報(bào)春花屬(Primula)植物的花色分析，驗(yàn)證了花色素與花色深淺程度之間的相關(guān)性。

2 基于計(jì)算機(jī)圖像處理的分辨植物花色深淺新方法

為了將花色深淺數(shù)字化、檢測(cè)簡(jiǎn)便化、降低成本、易于操作，一種將植物花色深淺與計(jì)算機(jī)圖文處理相結(jié)合的新方法應(yīng)運(yùn)而生。該方法無(wú)需昂貴的測(cè)色儀器、比色卡以及繁瑣的生理指標(biāo)檢測(cè)步驟，只需一臺(tái)辦公計(jì)算機(jī)和掃描儀即可分辨植物花色深淺度，并將其數(shù)字化便于數(shù)據(jù)分析。具體操作步驟為：取盛開花朵的花瓣，避光、保濕；用掃描儀獲取花瓣圖像文件；用計(jì)算機(jī)圖像分析軟件，如Image J等，對(duì)獲取的花瓣圖像進(jìn)行處理，獲取灰度值進(jìn)而將顏色深淺數(shù)字化；灰度值高的花朵顏色淺，反之顏色深，用數(shù)值大小來(lái)表示花色深淺。

為了驗(yàn)證該方法的有效性，研究者分別選取花色由淺到深的孔雀草橙黃色系、一串紅紅色系和矮牽牛粉紅色系材料，將本方法的測(cè)定結(jié)果與其花色苷相對(duì)含量進(jìn)行相關(guān)性分析。顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明，孔雀草、一串紅和矮牽牛的花瓣灰度值與花色苷相對(duì)含量之間均達(dá)到極顯著負(fù)相關(guān)，證明本方法所測(cè)灰度值與花色深淺極顯著關(guān)聯(lián)，充分檢驗(yàn)了本方法的準(zhǔn)確性[1]。

3 小結(jié)與展望

表型觀測(cè)是研究植物生物學(xué)性狀和遺傳多樣性最基礎(chǔ)、最直觀的方式，可從整體上了解資源的豐富程度[7]?；ㄉ珰v來(lái)是觀賞植物研究中重點(diǎn)考察的農(nóng)藝性狀，關(guān)系到花卉品質(zhì)的形成和商業(yè)價(jià)值的體現(xiàn)，因此，如何準(zhǔn)確地描述花色直接影響著獲取表型信息的真實(shí)性，進(jìn)而影響到相關(guān)研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。目視測(cè)色法簡(jiǎn)便易行，但對(duì)測(cè)定時(shí)樣品所處外界環(huán)境的一致性要求較高，且易受到操作者主觀因素的影響[48]；儀器測(cè)色將色彩信息轉(zhuǎn)換為色度參數(shù)以三維數(shù)值的形式輸出，使花色描述更加量化，便于數(shù)據(jù)分析，然而，前提是具備檢驗(yàn)精度高、價(jià)格昂貴的測(cè)色儀器；化學(xué)測(cè)色以花色形成的化學(xué)機(jī)制為基礎(chǔ)，但不同色系起決定作用的花色素成分存在差異，且需經(jīng)過(guò)一系列生理檢測(cè)過(guò)程，相比其他方法在操作便攜性上有所欠缺；基于計(jì)算機(jī)圖像處理的花色測(cè)定新方法，操作簡(jiǎn)便，借助常用辦公電腦和掃描儀即可完成，無(wú)需購(gòu)買專用儀器或者進(jìn)行繁瑣的化學(xué)檢測(cè)步驟，可對(duì)多個(gè)樣品同時(shí)處理，檢測(cè)效率更高，是對(duì)現(xiàn)有測(cè)色方法的一種補(bǔ)充。然而，該方法較適用于鑒別純色花瓣的深淺度，對(duì)于帶有斑點(diǎn)、條紋等組成復(fù)雜的花色分析，建議參照HSU等[49]在鑒別大巖桐花瓣顏色和斑點(diǎn)特征時(shí)提出的圖像采集方法。幾種常用的測(cè)色方法各具特點(diǎn)，相互補(bǔ)充，當(dāng)前，為了更加準(zhǔn)確、全面地體現(xiàn)植物花色信息，很多研究將其中兩者或三者相結(jié)合來(lái)共同描述花色特征[47,50-54]。因此，研究者應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要和測(cè)定條件選擇適宜的測(cè)色方式，以達(dá)到高效、準(zhǔn)確鑒別花色表型的目標(biāo)。

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，利用光學(xué)成像等物理技術(shù)獲取植物表型性狀信息，開展表型組學(xué)研究，能夠?qū)崿F(xiàn)大樣本、大群體的精確表型鑒定，比傳統(tǒng)的人工測(cè)量方式更加省時(shí)、省工、省力，不受外界環(huán)境和操作者主觀的影響[55]。在花色鑒別方面，通過(guò)將花色深淺度和色彩結(jié)構(gòu)與花瓣化學(xué)成分含量高度擬合，建立物種花色信息預(yù)測(cè)模型，進(jìn)而搭建表型信息數(shù)據(jù)庫(kù)，可以大大提高育種選擇效率，對(duì)于數(shù)字化挖掘花色及重要表型信息、構(gòu)建核心種質(zhì)資源庫(kù)、建立表型與基因型的有效橋梁等研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值。