外源壳聚糖对干旱胁迫下生姜幼苗光合特性及水分代谢的影响

摘要：为探明壳聚糖在干旱胁迫下对生姜的保护机制，以盆栽凤头姜幼苗为试材，通过盆栽控水模拟干旱胁迫，喷施10 mg·L^-1外源壳聚糖（CTS），研究干旱胁迫下喷施CTS对生姜幼苗光合特性及水分代谢的影响。结果表明，干旱胁迫下喷施CTS促进了生姜幼苗生长，改善了其根系构型，显著提高了生姜叶片的总含水量、相对含水量、根系水导及水势，提高了叶片的叶绿素含量及叶绿素荧光参数、光合参数;并提高根系水通道蛋白（AQP）基因PIP1、PIP2、PIP3基因的表达水平。由此可见，外源CTS可促进生姜幼苗的光合作用和调节水分代谢，从而增强生姜幼苗抗干旱胁迫的能力。

关键词：生姜;干旱胁迫;壳聚糖;光合特性;水分代谢

中图分类号：S632.5文献标志码：A文章编号：1673-2871（2022）09-048-09

Exogenous chitosan affects photosynthetic characteristics and water metabolism of ginger seedling under drought stress

QIN Manli1，ZHU Yongxing1，LIU Xuli1，LIU Ran2，LI Shanrong3，ZHANG Zhonghua4，YUAN Jirong1，LIU Yiqing1

（1.College of Horticulture and Gardening，Yangtze University，Jingzhou 434025，Hubei，China;2.Chongqing Tianyuan Agricultural Technology Co.，Ltd，Yongchuan 402160，Chongqing，China;3.Chongqing Agricultural Technology Extension Station，Yubei 401121，Chongqing，China;4.Anqiu Agriculture and Rural Bureau，Weifang City，Shandong Province，Weifang 262199，Shandong，China）

Abstract：In order to explore the protective mechanism of chitosan against ginger under drought stress，10 mg·L^-1 exogenous chitosan （CTS）were used to study the effects of CTS spraying on photosynthetic characteristics and water metabolism of ginger seedlings under drought stress. The results showed that the spraying of CTS under drought stress promoted the growth of ginger seedlings，improved their root configuration，significantly increased the total water content，relative water content，root water conduction and water potential of ginger leaves，improved the chlorophyll content，chlorophyll fluorescence parameters and photosynthetic parameters of leaves，and increased the expression levels of pip1，PIP2 and PIP3 genes of root aquaporin （AQP）genes. It indicates that exogenous CTS can improve the photosynthesis of ginger seedlings and regulate water metabolism，thereby enhancing the resistance of ginger seedlings to drought stress.

Key words：Ginger;Drought stress;Chitosan;Photosynthetic characteristics;Water metabolism

生姜（Zingiber officinale Roscoe）又名百辣云、勾装指、因地辛等，起源于热带、亚热带雨林地区，是姜科姜属多年生草本植物[1]。因其在食品、药品、保健及其他方面的巨大应用价值，在世界各地广泛种植。近十年间，我国生姜种植规模增长较快，种植面积增长70%，2018年生姜种植面积达到29.3万hm²，约占世界种植面积的40%，产量约为950万t，占世界总产量的75%以上，居世界第一位[2]。生姜属于浅根系作物，根系部分布在地下20～ 30 cm土壤层，对水分十分敏感。生姜是食用地下茎的作物，在水分亏缺条件下其叶尖、叶边枯黄，甚至干枯死亡，地下根茎难以膨大，产量品质下降，且生姜的根茎膨大期在盛夏高温季的7—8月，易受到干旱胁迫的影响。因此，提高生姜的抗旱性对保证生姜植株生长、品质和产量尤为重要。

干旱是制约植物生长发育的重要因子之一，近年来随着全球气温变暖，干旱问题也越发严重。目前全球约1/3地区处于干旱或半干旱状态，每年由干旱导致的作物减产超过50%[3]。干旱主要通过影响植物表型特征、生理代谢和相关基因表达的变化，从而抑制作物产量的提高[4-5]。国内外研究人员从形态特征、解剖结构、生理生化、细胞代谢、分子生物学等方面对植物适应干旱生境的机制进行了多方面的探索[6]。研究表明，植物受到干旱胁迫时，会破坏植物体内的水分平衡，造成植物根系生长、气孔开合周期、光合系统、叶绿体结构、基因表达等发生一定程度的紊乱[6-7]，抑制植物正常生长，造成植株生长缓慢、产量降低、品质下降，形成经济损失。因此，探索植物的抗旱性，研究植物的抗旱机制，缓解干旱胁迫对植物的影响极为重要。

近年来，随着绿色农业的不断发展，植物生长调节剂凭借着低毒、高效、环保等优势在农业上得到了广泛应用[7]。壳聚糖（Chitosan，CTS）也称脱乙酰甲壳素，是甲壳素的重要衍生物，由甲壳素通过水解或者特定的方法酶解脱乙酰化达到70%的直链高分子化合物组成，含有丰富的C、N元素，是唯一的碱性多糖[8]。近年来的研究发现，壳聚糖可作为一种植物调节剂，促进植物生长，增强植物的抗逆性[9-10]。目前在小麦[11]、大豆[12]、苜蓿[13]、玉米[14]等作物的抗旱研究方面，已经被证实可促进生长，提高叶片数、株高，增加产量，缓解干旱胁迫。但有关壳聚糖诱导生姜响应干旱胁迫的光合特性及水分代谢的研究未见报道。

笔者以盆栽凤头姜幼苗为材料，对生姜叶面喷施10mg·L^-1的CTS，通过测定干旱胁迫下生姜幼苗的根系构型、光合参数及水分代谢等相关指标，探讨CTS缓解生姜幼苗干旱胁迫的生理应答机制，为合理利用CTS调节生姜栽培干旱胁迫提供理论依据。

1材料与方法

1.1材料

试验选用凤头姜为试材，是湖北主栽品种。生姜种质由长江大学香辛作物研究院提供，壳聚糖（C₆H₁₁NO₄）_n，脱乙酰度80.0%～95.0%，购自上海市国药集团化学试剂有限公司。

1.2试验设计

试验于2020年8月在长江大学香辛作物研究院人工气候室（温度26 ℃、光照度10 000 lx、湿度70%～80%、光周期为12 h光照/12 h黑暗）进行。挑选健壮、整齐一致、无病害的姜种进行消毒、晒种，于26 ℃黑暗条件下催芽1周，待姜种均长出壮芽后种植于花盆（底部有孔，上径×底径×高为24 cm×20 cm×27 cm），每个花盆放置一个姜种，种植基质为V_同土：V_椰糠：V_珍珠岩=6：3：1的混合基质。每间隔3 d浇水，当盆栽种植50 d，株高60～70 cm时进行试验。试验共设4个处理：（1）正常水分管理（CK）;（2）正常水分管理下喷施质量浓度10 mg·L^-1壳聚糖溶液（CK+CTS）（为前期试验筛选最优浓度）;（3）干旱胁迫，土壤相对持水量低于40%（DS）;（4）干旱胁迫喷施质量浓度为10 mg·L^-1壳聚糖溶液（DS+CTS）。每个处理为1个小区，每个小区重复30盆，共计120盆，采用随机区组排列。CTS采用叶面喷施的方式处理，在凤头姜幼苗的叶面喷施质量浓度为10 mg·L^-1的CTS，对生姜叶片正面和背面均匀喷施，以叶面滴液滴为适，于10：00进行喷施，10 d 喷施1次。

1.3试验方法

1.3.1植株生长及根系构型分析试验处理25 d时收集其根系，用于根系构型分析。将地下根系取出洗净擦干，对其块茎部对半剖开，使用Epson Perfection V700 Photo Dual Lens System根系扫描仪（J221A，Indonesia）扫描根系图片，利用WinRHIZO professional software 2007 version （Regent Instruments Inc，Quebec，Canada）测定分析根长、根系投影面积、根系表面积、根直径和根尖数[15]，每个处理3株，3次重复。

1.3.2水分含量测定根据侯福林[16]和刘向莉等[17]的方法略作调整。试验处理25 d时取生姜幼苗叶片（取中间部位）迅速用天平称质量（G1），即初始叶片质量，然后快速转入4。。的蒸馏水中（借助抽真空使其完全浸泡于水中），黑暗条件下放置4～6 h，取出后用干燥洁净的吸水纸快速吸去叶片表面水分后快速称质量（G2），即饱和叶片质量。此叶片转入65%的蔗糖溶液中（完全浸泡），黑暗条件下放置4～6 h，期间摇动溶液多次。4～6 h后，取出叶片，先用镊子夹住叶片在几个装有蒸馏水的小桶中依次快速洗涤叶片，每桶洗涤2～3 s，洗涤时间控制在10 s 左右，再用洁净湿纱布和滤纸快速吸去表面残留的水分，立即用天平称质量（G3），即蔗糖溶液浸后叶片质量。此叶片称质量后转入纸袋，编号后置于烘箱，于80 ℃下烘干2 d至恒质量，随后天平称质量（G4），即烘干叶片质量。样品中自由水含量（gH₂O）=（G1-G3）/G4;总含水量（gH₂O）=（G1-G4）/G4;束缚水含量（gH₂O）=总含水量（gH₂O）-自由水含量（gH₂O）;相对含水量/%=（G1-G4）/（G2-G4）×100。每个处理3次重复。

1.3.3叶片水势及根系水力学导度测定叶片水势的测定参考Zhu等[18]压力室法。取生姜幼苗从顶端往下数第3片叶倒置于压力室内，用橡皮塞夹紧叶柄，向压力室加压，至叶柄刚刚形成水膜时读数，记录为该叶片的水势值Ψ（MPa）。每个处理3次重复。

根系水力学导度（水导）的测定参照Trubat等[19]的方法。试验处理25 d时，将生姜幼苗从根基部4 cm处剪断。然后将整株根系置于压力室中，使切口露出密封圈0.2～0.4 cm，密封后慢慢加压。每次加压0.12 MPa，共加压5次。每个压力梯度下等达到出流稳态后（约1 min）用预先准备好的10 mL塑料离心管放入吸水纸吸取汁液，吸水时间统一为1 min，然后用万分之一天平（Sartrtorus BAS 124-CW，Goettingen，Germany）迅速准确地称量所吸水的质量。之后将根系取出，使用Epson Perfection V700 Photo Dual Lens System 根系扫描仪（J221A，Indonesia）扫描根系表面积。根据以下公式计算：Lp_r=Q_v/（S×P）=_vJ/P。公式中Lp_r（10^-6·m·s^-1·MPa^-1）为根系水导;Q_v（m³·s^-1）为水流通量;S（m²）为根系表面积;P为外界所加压力（MPa）。每个处理3次重复。