外源殼聚糖對(duì)干旱脅迫下生姜幼苗光合特性及水分代謝的影響

秦曼麗，朱永興，劉續(xù)立，劉 燃，李?yuàn)櫲?，張中華，袁繼榮，劉奕清

（1.長(zhǎng)江大學(xué)園藝園林學(xué)院 湖北荊州 434025； 2.重慶市田沅農(nóng)業(yè)科技有限公司 重慶永川 402160；3.重慶市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站 重慶渝北 401121； 4.山東省濰坊市安丘農(nóng)業(yè)農(nóng)村局 山東濰坊 262199）

生姜（Roscoe）又名百辣云、勾裝指、因地辛等，起源于熱帶、亞熱帶雨林地區(qū)，是姜科姜屬多年生草本植物。因其在食品、藥品、保健及其他方面的巨大應(yīng)用價(jià)值，在世界各地廣泛種植。近十年間，我國(guó)生姜種植規(guī)模增長(zhǎng)較快，種植面積增長(zhǎng)70%，2018 年生姜種植面積達(dá)到29.3 萬hm，約占世界種植面積的40%，產(chǎn)量約為950 萬t，占世界總產(chǎn)量的75%以上，居世界第一位。生姜屬于淺根系作物，根系部分布在地下20～30 cm 土壤層，對(duì)水分十分敏感。生姜是食用地下莖的作物，在水分虧缺條件下其葉尖、葉邊枯黃，甚至干枯死亡，地下根莖難以膨大，產(chǎn)量品質(zhì)下降，且生姜的根莖膨大期在盛夏高溫季的7－8月，易受到干旱脅迫的影響。因此，提高生姜的抗旱性對(duì)保證生姜植株生長(zhǎng)、品質(zhì)和產(chǎn)量尤為重要。

干旱是制約植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因子之一，近年來隨著全球氣溫變暖，干旱問題也越發(fā)嚴(yán)重。目前全球約1/3 地區(qū)處于干旱或半干旱狀態(tài)，每年由干旱導(dǎo)致的作物減產(chǎn)超過50%。干旱主要通過影響植物表型特征、生理代謝和相關(guān)基因表達(dá)的變化，從而抑制作物產(chǎn)量的提高。國(guó)內(nèi)外研究人員從形態(tài)特征、解剖結(jié)構(gòu)、生理生化、細(xì)胞代謝、分子生物學(xué)等方面對(duì)植物適應(yīng)干旱生境的機(jī)制進(jìn)行了多方面的探索。研究表明，植物受到干旱脅迫時(shí)，會(huì)破壞植物體內(nèi)的水分平衡，造成植物根系生長(zhǎng)、氣孔開合周期、光合系統(tǒng)、葉綠體結(jié)構(gòu)、基因表達(dá)等發(fā)生一定程度的紊亂，抑制植物正常生長(zhǎng)，造成植株生長(zhǎng)緩慢、產(chǎn)量降低、品質(zhì)下降，形成經(jīng)濟(jì)損失。因此，探索植物的抗旱性，研究植物的抗旱機(jī)制，緩解干旱脅迫對(duì)植物的影響極為重要。

近年來，隨著綠色農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑憑借著低毒、高效、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)在農(nóng)業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。殼聚糖（Chitosan，CTS）也稱脫乙酰甲殼素，是甲殼素的重要衍生物，由甲殼素通過水解或者特定的方法酶解脫乙?；_(dá)到70%的直鏈高分子化合物組成，含有豐富的C、N 元素，是唯一的堿性多糖。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，殼聚糖可作為一種植物調(diào)節(jié)劑，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，增強(qiáng)植物的抗逆性。目前在小麥、大豆、苜蓿、玉米等作物的抗旱研究方面，已經(jīng)被證實(shí)可促進(jìn)生長(zhǎng)，提高葉片數(shù)、株高，增加產(chǎn)量，緩解干旱脅迫。但有關(guān)殼聚糖誘導(dǎo)生姜響應(yīng)干旱脅迫的光合特性及水分代謝的研究未見報(bào)道。

筆者以盆栽鳳頭姜幼苗為材料，對(duì)生姜葉面噴施10 mg·L的CTS，通過測(cè)定干旱脅迫下生姜幼苗的根系構(gòu)型、光合參數(shù)及水分代謝等相關(guān)指標(biāo)，探討CTS 緩解生姜幼苗干旱脅迫的生理應(yīng)答機(jī)制，為合理利用CTS 調(diào)節(jié)生姜栽培干旱脅迫提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)選用鳳頭姜為試材，是湖北主栽品種。生姜種質(zhì)由長(zhǎng)江大學(xué)香辛作物研究院提供，殼聚糖（CHNO），脫乙酰度80.0%～95.0%，購(gòu)自上海市國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020 年8 月在長(zhǎng)江大學(xué)香辛作物研究院人工氣候室（溫度26 ℃、光照度10 000 lx、濕度70%～80%、光周期為12 h 光照/12 h 黑暗）進(jìn)行。挑選健壯、整齊一致、無病害的姜種進(jìn)行消毒、曬種，于26 ℃黑暗條件下催芽1 周，待姜種均長(zhǎng)出壯芽后種植于花盆（底部有孔，上徑×底徑×高為24 cm×20 cm×27 cm），每個(gè)花盆放置一個(gè)姜種，種植基質(zhì)為∶∶=6∶3∶1 的混合基質(zhì)。每間隔3 d 澆水，當(dāng)盆栽種植50 d，株高60～70 cm 時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)共設(shè)4 個(gè)處理：（1）正常水分管理（CK）；（2）正常水分管理下噴施質(zhì)量濃度10 mg·L殼聚糖溶液（CK+CTS）（為前期試驗(yàn)篩選最優(yōu)濃度）；（3）干旱脅迫，土壤相對(duì)持水量低于40%（DS）；（4）干旱脅迫噴施質(zhì)量濃度為10 mg·L殼聚糖溶液（DS+CTS）。每個(gè)處理為1 個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)重復(fù)30 盆，共計(jì)120 盆，采用隨機(jī)區(qū)組排列。CTS 采用葉面噴施的方式處理，在鳳頭姜幼苗的葉面噴施質(zhì)量濃度為10 mg·L的CTS，對(duì)生姜葉片正面和背面均勻噴施，以葉面滴液滴為適，于10：00 進(jìn)行噴施，10 d噴施1 次。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 植株生長(zhǎng)及根系構(gòu)型分析 試驗(yàn)處理25 d

時(shí)收集其根系，用于根系構(gòu)型分析。將地下根系取出洗凈擦干，對(duì)其塊莖部對(duì)半剖開，使用Epson Perfection V700 Photo Dual Lens System 根系掃描儀（J221A，Indonesia）掃描根系圖片，利用WinRHIZO professional software 2007 version（Regent Instruments Inc，Quebec，Canada）測(cè)定分析根長(zhǎng)、根系投影面積、根系表面積、根直徑和根尖數(shù)，每個(gè)處理3 株，3 次重復(fù)。

1.3.2 水分含量測(cè)定 根據(jù)侯福林和劉向莉等的方法略作調(diào)整。試驗(yàn)處理25 d 時(shí)取生姜幼苗葉片（取中間部位）迅速用天平稱質(zhì)量（G1），即初始葉片質(zhì)量，然后快速轉(zhuǎn)入4 ℃的蒸餾水中（借助抽真空使其完全浸泡于水中），黑暗條件下放置4～6 h，取出后用干燥潔凈的吸水紙快速吸去葉片表面水分后快速稱質(zhì)量（G2），即飽和葉片質(zhì)量。此葉片轉(zhuǎn)入65%的蔗糖溶液中（完全浸泡），黑暗條件下放置4～6 h，期間搖動(dòng)溶液多次。4～6 h 后，取出葉片，先用鑷子夾住葉片在幾個(gè)裝有蒸餾水的小桶中依次快速洗滌葉片，每桶洗滌2～3 s，洗滌時(shí)間控制在10 s左右，再用潔凈濕紗布和濾紙快速吸去表面殘留的水分，立即用天平稱質(zhì)量（G3），即蔗糖溶液浸后葉片質(zhì)量。此葉片稱質(zhì)量后轉(zhuǎn)入紙袋，編號(hào)后置于烘箱，于80 ℃下烘干2 d 至恒質(zhì)量，隨后天平稱質(zhì)量（G4），即烘干葉片質(zhì)量。樣品中自由水含量（gHO）=（G1-G3）/G4；總含水量（gHO）=（G1-G4）/G4；束縛水含量（gHO）=總含水量（gHO）-自由水含量（gHO）；相對(duì)含水量/%=（G1-G4）/（G2-G4）×100。每個(gè)處理3 次重復(fù)。

1.3.3 葉片水勢(shì)及根系水力學(xué)導(dǎo)度測(cè)定 葉片水勢(shì)的測(cè)定參考Zhu 等壓力室法。取生姜幼苗從頂端往下數(shù)第3 片葉倒置于壓力室內(nèi)，用橡皮塞夾緊葉柄，向壓力室加壓，至葉柄剛剛形成水膜時(shí)讀數(shù)，記錄為該葉片的水勢(shì)值ψ（MPa）。每個(gè)處理3 次重復(fù)。

根系水力學(xué)導(dǎo)度（水導(dǎo)）的測(cè)定參照Trubat等的方法。試驗(yàn)處理25 d 時(shí)，將生姜幼苗從根基部4 cm 處剪斷。然后將整株根系置于壓力室中，使切口露出密封圈0.2～0.4 cm，密封后慢慢加壓。每次加壓0.12 MPa，共加壓5 次。每個(gè)壓力梯度下等達(dá)到出流穩(wěn)態(tài)后（約1 min）用預(yù)先準(zhǔn)備好的10 mL 塑料離心管放入吸水紙吸取汁液，吸水時(shí)間統(tǒng)一為1 min，然后用萬分之一天平（Sartrtorus BAS 124-CW，Goettingen，Germany）迅速準(zhǔn)確地稱量所吸水的質(zhì)量。之后將根系取出，使用Epson Perfection V700 Photo Dual Lens System 根系掃描儀（J221A，Indonesia）掃描根系表面積。根據(jù)以下公式計(jì)算：=/（×）=/。公式中（10·m·s·MPa）為根系水導(dǎo)；（m·s）為水流通量；（m）為 根 系 表 面 積；為 外 界 所 加 壓 力（MPa）。每個(gè)處理3 次重復(fù)。

1.3.4 葉綠素及類胡蘿卜素相關(guān)指標(biāo)測(cè)定 試驗(yàn)處理25 d 時(shí)，取完全展開的第一片葉，采取丙酮浸

提法提取生姜幼苗葉片中的葉綠素及類胡蘿卜素。避開主葉脈，稱取葉肉組織約0.2 g，放入離心管中，加入∶∶=4.0∶4.5∶1 的提取液10 mL，避光提取3 h，葉片完全褪色后，用分光光度計(jì)測(cè)定A、A和A波長(zhǎng)下的吸光值，參照Arnon的方法計(jì)算葉綠素a、b 和a+b 的含量，每個(gè)處理3 次重復(fù)。

1.3.5 葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定 處理25 d 時(shí)測(cè)定各處理的生姜幼苗從頂端往下數(shù)第3 片葉的葉綠素?zé)晒鈪?shù)，將剪切的葉片放入FluorCam 封閉式葉綠素?zé)晒獬上駜x（PSI 公司，Czech Republic）中，在黑暗中適應(yīng)20 min，測(cè)定最大光化學(xué)效率（/）、光化學(xué)淬滅系數(shù)（）、實(shí)際光量子效率（）、非光化學(xué)淬滅系數(shù)（NPQ）。每個(gè)處理5 次重復(fù)。

1.3.6 葉片光合參數(shù)測(cè)定 處理24 d 時(shí)，于晴天09：00－11：00 選取不同處理的生姜幼苗從頂端往下數(shù)第3 片葉，采用Yaxin-1102 便攜式光合蒸騰儀（北京雅欣理儀科技有限公司）測(cè)定葉片的凈光合速率（）、蒸騰速率（）、氣孔導(dǎo)度（）、胞間CO濃度（）。測(cè)定時(shí)采用LED 紅藍(lán)光源，光強(qiáng)設(shè)置為1000 μmol·m·s。每個(gè)處理4 次重復(fù)。

1.3.7 根系水通道蛋白（AQP）基因表達(dá)測(cè)定 處理第5、25 d 時(shí)采集不同處理的生姜幼苗根系，測(cè)定基因表達(dá)。把采集的根系樣品洗凈擦干，置液氮速凍放入超低溫冰箱保存。使用諾唯贊（Vazyme，Nanjing，China）試劑盒提取RNA，具體步驟參考試劑盒說明書，取1 μL RNA 樣品，使用核酸儀測(cè)定濃度，其余樣品放入超低溫冰箱保存；提取的RNA 使用諾唯贊（Vazyme，Nanjing，China）反轉(zhuǎn)錄試劑盒合成cDNA，具體步驟參考試劑盒說明書；cDNA 稀釋至400 ng·μL后作為模板，使用表1 中的引物進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量PCR（RT-qPCR）分析。實(shí)時(shí)熒光定量PCR 使用SYBR qPCR MasterMix 試 劑（Vazyme，Nanjing，China），反應(yīng)總體系為20 μL，其中SYBR Premix10 μL、上下游引物各1 μL、cDNA 2 μL，加水至最終體積20 μL，充分混勻后于Bio-Rad CFX96 實(shí)時(shí)定量PCR 儀（Bio-Rad，Hercu les，USA）上擴(kuò)增。每個(gè)樣品3 次重復(fù)，以基因作為內(nèi)參。采用2法計(jì)算基因的相對(duì)表達(dá)量。每個(gè)處理4 次重復(fù)。

表1 生姜AQP 基因引物序列

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010 整理數(shù)據(jù)，采用SPSS 19.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析，采用Duncan’s 多重極差檢驗(yàn)進(jìn)行單向ANOVA 分析，采用OriginPro 2021 繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源CTS 對(duì)干旱脅迫下生姜幼苗生長(zhǎng)及根系構(gòu)型的影響

由圖1-a～b 可知，試驗(yàn)處理25 d 時(shí)，在正常水分管理下對(duì)生姜幼苗噴施10 mg·LCTS，其植株生長(zhǎng)正常，CK+CTS 處理與對(duì)照無明顯差異。連續(xù)干旱脅迫25 d對(duì)生姜幼苗生長(zhǎng)有抑制作用（圖1-c），株高明顯低于CK（圖1-a）。DS+CTS（圖1-d）處理25 d 后，株高明顯高于DS（圖1-c）處理，表明CTS 對(duì)干旱有緩解作用。

圖1 外源CTS 對(duì)干旱脅迫下生姜幼苗根系構(gòu)型的影響

由表2 可知，試驗(yàn)處理25 d 時(shí)，與CK 相比，CK+CTS 處理生姜幼苗總根長(zhǎng)、根系投影面積、根系表面積、根系直徑和根尖數(shù)無顯著差異，表明噴施CTS 對(duì)生姜幼苗正常水分管理下的根系生長(zhǎng)構(gòu)型無顯著影響。干旱脅迫下，5 個(gè)指標(biāo)均呈不同程度的下降趨勢(shì)，同CK 相比，DS 處理生姜幼苗的總根長(zhǎng)、根系投影面積、根系表面積、根尖數(shù)分別顯著降低47.86%、49.04%、48.12%和40.75%，根系平均直徑略有下降，但差異不顯著。干旱脅迫下噴施殼聚糖5 個(gè)指標(biāo)均有提高，與DS 相比，DS+CTS 處理生姜幼苗的根系投影面積、根系表面積和平均直徑略有升高但差異不顯著，分別提高36.89%、29.86%、1.54%；總根長(zhǎng)、根系根尖數(shù)分別顯著提高31.10%、34.39%。結(jié)果表明，干旱抑制了生姜幼苗根系的生長(zhǎng)，噴施CTS 對(duì)干旱脅迫下生姜幼苗側(cè)根生長(zhǎng)有顯著促進(jìn)效應(yīng)，緩解了干旱對(duì)生姜幼苗生長(zhǎng)的脅迫。

表2 外源CTS 對(duì)干旱脅迫下生姜幼苗根系構(gòu)型的影響

2.2 外源CTS 對(duì)干旱脅迫下生姜幼苗葉片水分含量的影響

由表3 可知，與CK 相比，CK+CTS 處理生姜幼苗葉片的自由水含量、束縛水含量、總含水量、相對(duì)含水量均無顯著差異。干旱脅迫下，這4 個(gè)水分指標(biāo)均呈下降趨勢(shì)，同CK 相比，DS 處理顯著降低了生姜幼苗葉片自由水含量、束縛水含量、總含水量相對(duì)含水量，分別下降51.94%、36.56%、44.39%、9.32%。與DS 相比，干旱脅迫下噴施殼聚糖，顯著增加了生姜幼苗葉片的自由水含量、束縛水含量、總含水量、相對(duì)含水量，分別增加30.30%、13.56%、20.64%、2.01%。結(jié)果表明，干旱條件下噴施CTS可以緩解生姜幼苗的失水。

表3 外源CTS 對(duì)干旱脅迫下生姜幼苗葉片水分含量的影響

2.3 外源CTS 對(duì)干旱脅迫下生姜幼苗根系水力學(xué)導(dǎo)度及葉片水勢(shì)的影響

由圖2 可知，正常水分管理下噴施CTS 對(duì)生姜幼苗根系水力學(xué)導(dǎo)度（根系水導(dǎo)）沒有顯著影響。干旱脅迫下生姜幼苗根系水導(dǎo)顯著降低，同CK 相比，DS 處理根系水導(dǎo)下降了68.44%；干旱脅迫下噴施CTS，生姜幼苗根系水導(dǎo)較DS 顯著升高了100.63%。結(jié)果表明，干旱脅迫下噴施CTS 可以提高根系水導(dǎo)度，緩解干旱脅迫。

圖2 外源CTS 對(duì)干旱脅迫下生姜幼苗根系水導(dǎo)（A）和葉片水勢(shì)ψ（B）的影響

試驗(yàn)處理25 d 時(shí)，與CK 相比，CK+CTS 處理和DS 處理生姜幼苗葉片水勢(shì)分別顯著降低了30.39%、57.98%；與DS 相比，DS+CTS 處理葉片水勢(shì)上升了15.38%，且差異顯著。結(jié)果表明，干旱脅迫下噴施CTS 可以顯著提高葉片水勢(shì)，緩解干旱影響。

2.4 外源CTS 對(duì)干旱脅迫下生姜幼苗葉片葉綠素及類胡蘿卜素含量的影響

由表4 可知，在試驗(yàn)處理25 d 時(shí)，與CK 相比，正常水分管理下噴施CTS 生姜幼苗葉片的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b 和類胡蘿卜素含量無顯著差異。同CK 相比，DS 處理生姜幼苗葉片的4 個(gè)指標(biāo)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，分別顯著降低了21.37%、34.27%、26.59%、21.44%。而噴施CTS 的生姜幼苗葉片的葉綠素含量降低幅度較小，同DS 相比，DS+CTS 處理葉綠素b 和類胡蘿卜素含量分別上升了10.26%、13.79%，而葉綠素a、葉綠素a+b 含量則分別顯著上升了9.23%、9.62%。結(jié)果表明，噴施CTS有助于緩解干旱脅迫下生姜幼苗葉片中葉綠素的降解。

表4 外源CTS 對(duì)干旱脅迫下生姜幼苗葉片葉綠素及類胡蘿卜素含量的影響

2.5 外源CTS 對(duì)干旱脅迫下生姜幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

由表5 可知，試驗(yàn)處理25 d 時(shí)，與CK 相比，CK+CTS 處理葉片、/、、NPQ 均無顯著差異，表明正常水分管理?xiàng)l件下噴施CTS 對(duì)生姜幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)無顯著影響。與CK 相比，DS處理葉片、/、分別顯著降低40.63%、29.41%、25.76%，NPQ 顯著升高48.00%；與DS 相比，DS+CTS 處理葉片、/、分別顯著升高36.84%、12.50%和12.24%，而NPQ 顯著降低了17.12%，表明干旱脅迫影響了生姜幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)，而噴施CTS 可以緩解干旱脅迫對(duì)葉片葉綠素含量的影響。

表5 外源CTS 對(duì)干旱脅迫下生姜幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

2.6 外源CTS 對(duì)干旱脅迫下生姜幼苗葉片光合參數(shù)的影響

由表6 可知，與CK 相比，CK+CTS 處理葉片、、、無顯著變化，表明正常水分管理?xiàng)l件下噴施CTS 對(duì)生姜幼苗葉片光合參數(shù)無顯著影響；與CK 相 比，DS 處 理 葉 片、、分 別 顯 著 降 低65.72%、53.92%、63.64%；但其值顯著升高34.51%；與DS 相比，DS+CTS 處理葉片顯著升高78.95%，、也分別上升了16.36%、13.89%，但無顯著差異，而降低了9.18%，且達(dá)顯著差異水平。表明干旱脅迫影響了葉片的光合作用，而噴施CTS 可以緩解干旱脅迫對(duì)葉片光合作用的影響。

表6 外源CTS 對(duì)干旱脅迫下生姜幼苗葉片光合參數(shù)的影響

2.7 外源CTS 對(duì)干旱脅迫下根系A(chǔ)QP 基因表達(dá)影響

由圖3 可以看出，處理5 d 時(shí)，與CK 相比，DS處理的植物、、、基因的相對(duì)表達(dá)量顯著上調(diào)，分別上調(diào)了350.09%、397.37%、284.19%、629.98%。與DS 相比，DS+CTS 處理的、基因表達(dá)分別下調(diào)了15.72%、59.03%，且差異顯著。處理25 d 時(shí)，與CK 相比，DS 處理的植物、基因表達(dá)顯著下調(diào)，分別下調(diào)了38.09%、31.41%。與DS 相比，在干旱脅迫下施加CTS，植物中、、、、基因的表達(dá)均上調(diào)，其中、、、基因的相對(duì)表達(dá)量分別上調(diào)43.49%、18.89%、18.35%、64.18%，且差異顯著。

圖3 外源CTS 對(duì)干旱脅迫下生姜幼苗根系5 d（A）和25 d（B）AQP 表達(dá)的影響

3 討論與結(jié)論

干旱脅迫會(huì)降低植物對(duì)水分、養(yǎng)分的吸收及水分利用效率，抑制植物正常生長(zhǎng)，導(dǎo)致作物根長(zhǎng)、根質(zhì)量降低，根系總吸收面積減少，影響根系的功能。張潔等研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致蘋果幼苗根系的長(zhǎng)度、表面積及根尖數(shù)下降。李付伸等認(rèn)為，干旱脅迫不僅會(huì)造成根尖數(shù)和根系長(zhǎng)度的降低，還會(huì)造成根系直徑的下降。水分調(diào)虧對(duì)小麥、煙草、豌豆等植物根系的形態(tài)特征也有顯著的影響。筆者研究表明，干旱脅迫下，生姜幼苗的總根長(zhǎng)、根系投影面積、根尖數(shù)均顯著降低，噴施CTS處理則緩解了降低趨勢(shì)。由此可見，噴施CTS 可有效促進(jìn)干旱脅迫下生姜幼苗根系的生長(zhǎng)，改變根系構(gòu)型來適應(yīng)干旱脅迫。

植物組織的總含水量、自由水含量及束縛水含量等水分特征對(duì)干旱脅迫非常敏感，可反映逆境條件下植物葉片水分狀況。水分在植物細(xì)胞內(nèi)通常以自由水和束縛水兩種形式存在。一般情況下，當(dāng)植物體內(nèi)自由水含量較高時(shí)，植株代謝活動(dòng)較強(qiáng)，對(duì)逆境的抵抗能力較弱。反之，當(dāng)束縛水含量較高、自由水比例相對(duì)減少時(shí)，植株生長(zhǎng)速率減緩，抗逆性增強(qiáng)。孫君艷等研究表明，干旱脅迫顯著降低花生葉片的相對(duì)含水量，但噴施殼寡糖會(huì)顯著減緩相對(duì)含水量的降低和干旱脅迫對(duì)植物的傷害。筆者研究表明，干旱脅迫下生姜幼苗的總含水量低于非脅迫條件，并且葉片的自由水在總含水量中的占比低于非脅迫下的占比，表明干旱脅迫下生姜幼苗代謝緩慢，生長(zhǎng)速率低，而噴施CTS 緩解了這一現(xiàn)象，增加了自由水的占比，總含水量也呈上升趨勢(shì)。表明噴施CTS 可提高干旱脅迫下生姜幼苗葉片水分含量，提高自由水和束縛水比值。

根系水導(dǎo)是植物吸水能力的重要水力學(xué)參數(shù)。忽雪琦等研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫顯著降低玉米幼苗根系水導(dǎo)，而外源施硅則能緩解干旱脅迫造成的根系水導(dǎo)降低。筆者研究表明，生姜幼苗在干旱脅迫下根系水導(dǎo)顯著降低，而噴施CTS 則顯著延緩降低的趨勢(shì)。一般葉片水勢(shì)可反映植物體內(nèi)水分狀況，反映植物水分調(diào)節(jié)能力。筆者研究表明，干旱脅迫下生姜幼苗葉片水勢(shì)顯著降低，而噴施CTS 則顯著緩解降低的趨勢(shì)，提高生姜葉片的水勢(shì)和生姜對(duì)水分調(diào)節(jié)能力，這與楊明鳳等對(duì)棉花的研究結(jié)果一致。表明噴施CTS 增強(qiáng)生姜體內(nèi)水分代謝能力，維持脅迫下植物體內(nèi)正常生理活動(dòng)，緩解干旱脅迫。鑒于植物體內(nèi)的水分平衡受到蒸騰失水和根系吸水的共同作用，因此筆者隨后對(duì)植株的光合和蒸騰速率進(jìn)行了研究。

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要色素，參與植物對(duì)光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化，其含量與光合能力呈正相關(guān)，是反映葉片生理活性變化的重要指標(biāo)之一。類胡蘿卜素可以把自身吸收的光能傳遞給葉綠素進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)，又可以在強(qiáng)光時(shí)對(duì)葉綠素分子、類囊體和葉綠體起到保護(hù)作用。陳娟研究表明，干旱脅迫顯著降低生姜葉片的葉綠素含量，而噴施50 μmol·LABA 可以增加干旱脅迫下生姜葉片的葉綠素含量，緩解干旱脅迫造成的生姜光合效率的降低。筆者也獲得了類似的結(jié)果，干旱脅迫下噴施殼聚糖可顯著提高生姜幼苗的葉綠素及類胡羅卜素含量，有利于光合作用的正常進(jìn)行。

光合作用是植物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，對(duì)水分較為敏感，通常植物在遭受干旱脅迫時(shí)，光合效率會(huì)顯著降低。王允研究表明，噴施外源物ABA 延緩了生姜葉片最大光化學(xué)效率（/）、光化學(xué)猝滅系數(shù)（）、實(shí)際光量子效率（）的降低，緩解了干旱脅迫對(duì)生姜葉片光合器官的損害。筆者研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下，噴施CTS 可顯著提高生姜幼苗葉片的、/、，降低其NPQ。表明在干旱脅迫下，噴施CTS 可促進(jìn)光合電子傳遞和提高光化學(xué)速率，使葉片吸收的光能充分地用于光合作用，提高葉綠素?zé)晒猱a(chǎn)額，增加PSII 的天線色素對(duì)光能的捕獲量，一定程度上減輕干旱脅迫下對(duì)生姜葉片光合器官的傷害。植物遭受干旱脅迫時(shí)，會(huì)通過調(diào)節(jié)植物的氣孔關(guān)閉，減緩蒸騰作用，減低水分散失，從而提高其抗旱性。筆者研究亦表明干旱脅迫下，生姜幼苗葉片和顯著降低，但噴施CTS 較好地緩解了降低的趨勢(shì)。表明干旱脅迫下噴施CTS 可能通過改善脅迫條件下植株的光合作用，一定程度上保證脅迫下生姜幼苗的正常生長(zhǎng)。此外，由于同單獨(dú)干旱脅迫相比，干旱下噴施CTS后植株并沒有通過降低來提高植株的保水性，因此筆者推測(cè)可能還有其他機(jī)制在發(fā)揮作用。

除了根葉滲透調(diào)節(jié)、根系構(gòu)型以外，植物在干旱下的水分吸收能力受到水通道蛋白（aquaporins，AQPs）活性的影響。AQPs 作為植物主要的水分通道，在植物根系的水分運(yùn)輸過程中發(fā)揮著重要作用。流經(jīng)根中70%～90%的水分都是通過細(xì)胞膜上的AQPs 來傳輸?shù)?，AQPs 的數(shù)量和活性在一定程度上決定了水分傳導(dǎo)率。大量研究發(fā)現(xiàn)，水通道蛋白基因上調(diào)表達(dá)有利于植物的抗旱、抗鹽。Li 等研究發(fā)現(xiàn)番茄在遭受環(huán)境脅迫時(shí)，；，；和；基因表達(dá)量上調(diào)以促進(jìn)根系水分吸收，提高植株水分含量并維持滲透平衡。在高粱中，Liu 等研究報(bào)道，外源硅通過顯著上調(diào)根系的表達(dá)，緩解滲透脅迫對(duì)植株的傷害。在大多數(shù)植物中，和分別是植物細(xì)胞質(zhì)膜和液泡膜中最豐富的水通道蛋白，根部的水分吸收和跨細(xì)胞的水分流動(dòng)主要由和介導(dǎo)。因此，筆者選取了生姜中3 個(gè)、1 個(gè)和1 個(gè)基因，對(duì)其表達(dá)水平進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在干旱脅迫下，第5 天時(shí)生姜根系、、、基因的表達(dá)顯著上調(diào)。同單獨(dú)干旱相比，干旱脅迫下施加CTS 可以顯著上調(diào)3 個(gè)基因的表達(dá)。雖然和的表達(dá)水平低于單獨(dú)干旱脅迫，但是仍高于對(duì)照，這與前人研究結(jié)果類似。前人研究表明，野生毛葡萄短時(shí)間干旱脅迫下；的表達(dá)量呈迅速上調(diào)趨勢(shì)，可以促進(jìn)根系通過共質(zhì)體途徑吸收周圍的水分；當(dāng)根系周圍的水勢(shì)高于根系組織水勢(shì)時(shí)，基因及基因的上調(diào)表達(dá)能夠促進(jìn)植株通過水通道蛋白介導(dǎo)的共質(zhì)體途徑吸收根系周圍的水分，維持生長(zhǎng)所需的水分穩(wěn)態(tài)。本研究中，在干旱脅迫第25 天時(shí)，施加CTS 后生姜根系基因、、、的相對(duì)表達(dá)水平均顯著高于干旱脅迫，這與之前短期干旱的結(jié)果類似，即干旱脅迫下噴施CTS 可以增強(qiáng)植物的吸水能力。因此筆者推測(cè)，干旱脅迫下，生姜幼苗通過調(diào)控基因的表達(dá)來促進(jìn)干旱條件下根系水分的吸收，而噴施CTS 可以進(jìn)一步促進(jìn)根系基因的表達(dá)，從而更好地維持生姜幼苗體內(nèi)的水分代謝。但不同的基因?qū)ι仓晁治蘸娃D(zhuǎn)運(yùn)的貢獻(xiàn)率仍需進(jìn)一步明確，從而更好地解釋逆境條件下生姜水分轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制以及噴施CTS 提高干旱脅迫下生姜水分狀況的分子機(jī)制。

綜上所述，噴施10 mg·L外源殼聚糖可提高生姜幼苗在干旱脅迫下對(duì)水分的吸收和利用率，顯著提高生姜幼苗葉片在干旱脅迫下的光合效率，緩解干旱對(duì)植物生長(zhǎng)的抑制。