紫玉米(Purple corn;学名Zea mays L.)原产南美山区,其籽粒可供直接食用,也可从中提取天然色素用于保健食品、饮品及化妆品等工业(韩磊,2003)。紫玉米植株花青素含量高,成本低,稳定性好,是一种理想的色素提取材料。生产上如果能够科学合理的兼顾紫玉米籽粒产量和作为花青素提取原料的干物质量,不但可以生产粮食,还可以降低生产天然色素的成本,从而提高紫玉米农业生产的综合效益。本文以7个不同基因型紫玉米为试材,探讨不同施肥水平下紫玉米产量、干物质量的变化及花青素的积累特性；研究不同紫玉米氮素吸收利用的基因型差异、光合特性及生理机制；并用多元线性回归方程模拟次生代谢物质总酚、类黄酮、PAL、PPO对花青素合成的影响及叶绿素、类胡萝卜素与花青素的积累规律；并以紫玉米穗轴、苞叶、籽粒等富含花青素的器官为原料,利用HPLC-MS技术,鉴定紫玉米花青素的结构成分,探明紫玉米花青素的稳定性及抗氧化活性。试图为花青素型紫玉米高产栽培和紫玉米花青素的工业化生产提供理论依据及参考。主要研究结果如下：1.不同基因型紫玉米品种间产量、干物质量差异较大。N225处理下,各基因型紫玉米品种的产量和干物质积累量均高于NO处理。其中N225处理下ZS11、ZS15、ZF39. FS11、SF38、FG01和68G1产量分别比NO处理增加了6.06%、2.97%、8.40%、6.75%、12.64%、5.02%、3.57%。干物质量则分别增加了23.19%、4.33%、9.45%、12.14%、4.79%、15.89%、10.63%。紫玉米产量和百粒重呈显著正相关,和穗粒数呈正相关但未达显著水平。通径分析表明,紫玉米品种间产量差异主要由百粒重的差异引起。大喇叭口期至开花期紫玉米干物质积累量最大。不同生育时期干物质积累量与产量的相关分析表明,大口期至开花期、开花期至灌浆期的干物质积累量与籽粒产量呈极显著正相关,相关系数分别为0.852和0.800。而灌浆期至成熟期的干物质积累量与产量则呈负相关,相关系数为-0.537,但未达显著水平,可增加生育后期紫玉米植株干物质量作为紫玉米花青素提取的原料。2.不同基因型紫玉米植株的花青素含量随着生育时期的推移逐渐增加,到成熟期达到最大值。就不同基因型紫玉米植株花青素含量的平均值而言,除大喇叭口期外其他生育时期,N225处理下紫玉米植株花青素含量均高于NO处理。紫玉米不同器官花青素积累变化在生育期内变化不同,叶片和茎秆花青素含量在大口期达到峰值后逐渐减少,到成熟期略有升高；雄穗花青素含量在开花期达到峰值后逐渐减少；而叶鞘、苞叶、穗轴、籽粒花青素含量则随着生育时期推进逐渐增大,到成熟期达最高值。苞叶、穗轴、籽粒为花青素含量最多的器官,可作为紫玉米花青素提取的主要原料。紫玉米花青素含量与产量和生物产量均呈显著或极显著负相关,在生产上要协调好籽粒产量和花青素含量与生物产量的关系,使其一方面作为产量形成的基础,另一方面又为紫玉米花青素提取提供丰富的原料。3.在紫玉米发育过程中,对花青素、总酚、类黄酮、苯丙氨酸解氨酶和多酚氧化酶进行提取和测定,统计得出紫玉米花青素合成的最优多元线性回归模型为y=4.3839-0.20545X1+5.479638x2+0.195575x4。经标准偏回归系数检验得出：总酚含量与花青素含量呈负相关,对花青素合成的相对影响为-42.7%；类黄酮含量和PPO活性与花青素含量均呈正相关,对花青素合成的相对影响分别为71.45%和73.32%,且均达到了极显著水平；而PAL活性与花色素合成的相关性不显著。4.紫玉米植株不同器官着色的表达与花青素含量密切相关。紫玉米植株呈色原理十分复杂,与细胞内色素的种类、含量及在组织中的分布状况有关。其颜色主要由叶绿素、类胡萝卜素和花青素三类色素共同决定。紫玉米叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b、叶绿素a/b和类胡萝卜素均与花青素含量呈显著负相关,相关系数分别为-0.59、-0.56、-0.59、-0.55与-0.59。5.不同基因型紫玉米植株氮素含量和积累量均存在明显变化。紫玉米植株氮素含量在整个生育期间均呈逐渐下降趋势而氮素积累量则呈相反趋势。7个品种中,成熟期籽粒产量高、吸氮总量大、氮素利用效率高的品种为SF38和68G1,叶片和穗轴的氮素转移率高有利于品种产量的提高,叶片的氮素转移率高有利于品种氮素利用效率的提高。提高紫玉米氮收获指数,增加氮素转运率有利于氮肥利用效率的提高。氮素利用效率对不同品种产量的高低起主要作用,氮素吸收总量对产量的作用相对较小。从氮素的阶段积累与产量的关系来看,开花期至灌浆期,其次为大喇叭口期至开花期吸氮量增加有助于紫玉米产量的提高。6.通过研究不同氮肥水平对紫玉米生理特性的影响,表明N225处理下紫玉米品种可溶性蛋白、硝态氮、游离氨基酸含量、硝酸还原酶、蛋白水解酶活性分别比NO处理提高3.36%、3.41%、12.24%、33.93%和8.33%。紫玉米氮积累量与游离氨基酸、硝态氮、可溶性蛋白、可溶性糖含量呈显著或极显著正相关,相关系数分别为0.919、0.793、0.999和0.863。而与蛋白水解酶活性呈显著负相关,相关系数为-0.687。7.通过研究不同氮肥水平对紫玉米光合特性的影响,表明N225处理下紫玉米单株叶片的净光合速率、LAI、SPAD、最大光化学效率Fv/Fm、PS II活性Fv/Fo、叶片含氮量分别比NO处理提高9.21%、7.51%、3.78%、1.94%、13.72%、5.75%。N225处理下各紫玉米在生育后期LAI与SPAD的下降幅度低于NO处理,证明施肥有助于延长紫玉米叶片的光合功能期。开花期紫玉米穗上叶和穗位叶的SPAD值与叶片含氮量呈极显著正相关,紫玉米氮素利用效率和产量分别与开花期、灌浆期、成熟期的叶绿素含量呈极显著正相关,相关系数分别为0.853、0.860、0.973与0.819、0.827、0.985。紫玉米氮素利用效率和产量与开花期的净光合速率呈极显著正相关,相关系数分别为0.999和0.994。LAI差异不是紫玉米氮素利用效率和产量差异的原因。紫玉米叶片的叶绿素最大光化学效率Fv/Fm与氮素利用效率和产量的关系呈显著负相关,相关系数分别为-0.502和-0.554。而PS II活性Fv/Fo与氮素利用效率和产量的相关不显著。8.紫玉米花青素在自然光照条件下比直射光照条件下稳定性好。具有较好的耐热性。氧化剂H202和还原剂Na2SO3对紫玉米穗轴花青素的稳定性影响较大。常见金属离子对紫玉米花青素的稳定性较好,但Fe3+使溶液呈深棕色并有轻微浑浊,Cu2+使溶液变黄,保存和盛装时应避免使用铁制和铜制器皿。常见食品添加剂如葡萄糖、蔗糖以及抗氧化剂Vc对紫玉米花青素稳定性的影响不大。9.在6个紫玉米品种籽粒中共鉴定出10种花色苷类化合物,分别为天竺葵素-3-葡萄糖苷、矢车菊素-3-葡萄糖苷、芍药素-3-葡萄糖苷、飞燕草素-3-葡萄糖苷、矮牵牛素-3-葡萄糖苷、锦葵素-3-葡萄糖苷、矢车菊素-3-(6″-丙二酰)葡萄糖苷、芍药素-3-(6″-丙二酰)葡萄糖苷、天竺葵素-3-芦丁糖苷、矢车菊素-3-芦丁糖苷。其中,矢车菊素-3-葡萄糖苷和锦葵素-3-葡萄糖苷为6个紫玉米品种中共同含有的单体花色苷。10.不同紫玉米品种花青素、总酚含量、还原力及清除羟基自由基和超氧阴离子自由基能力差异较大。花青素含量与其还原力、清除羟基自由基及超氧阴离子自由基能力呈显著正相关,相关系数分别为0.992、0.999和0.995。