外源壳聚糖对干旱胁迫下玉米根系构型分级及生理参数的影响.pdf

第 57 卷第 4 期河 南 农 业 大 学 学 报Vol.57No.42023 年8 月Journal of Henan Agricultural UniversityAug.2023收稿日期:2022-12-29基金项目:国家自然科学基金青年基金项目(31901090);山东农业大学作物生物学国家重点实验室开放课题项目基金项目(2018KF05);河南省留学人员科研择优资助项目(30602340);河南省科技攻关项目(192102110139);省部共建作物逆境适应与改良国家重点实验室(河南大学)开放课题项目(2021KF07)作者简介:柳海涛(1984),男,河南新乡人,副教授,博士,主要从事植物生理生态学研究;袁青松(1997),男,河南信阳人,硕士研究生,主要从事土壤生态学研究。二人为共同第一作者。通信作者:姜瑛(1986),女,河南信阳人,副教授,博士。引用:柳海涛,袁青松,魏畅,等.外源壳聚糖对干旱胁迫下玉米根系构型分级及生理参数的影响J.河南农业大学学报,2023,57(4):646-656.DOI:10.16445/ki.1000-2340.20230411.001外源壳聚糖对干旱胁迫下玉米根系构型分级及生理参数的影响柳海涛1,袁青松1,魏畅1,焦秋娟1,徐正阳1,张静静1,李鸽子2,张雪海3,郑贝贝4,姜瑛1(1.河南农业大学资源与环境学院,河南 郑州 450046;2.河南农业大学/国家小麦工程研究中心,河南 郑州 450046;3.河南农业大学农学院/省部共建小麦玉米作物学国家重点实验室,河南 郑州 450046;4.河南农业职业学院农业工程学院,河南 郑州 451450)摘要:【目的】探究施用壳聚糖对干旱胁迫条件下玉米生长及根系构型分级的影响,寻求可提高玉米抵抗干旱胁迫能力的有效途径。【方法】以玉米品种郑单 985 作为供试材料,采用聚乙二醇(PEG-6000)模拟干旱胁迫的水培试验,待玉米长至两叶一心时,施加不同质量浓度(0、25、50、100、200、400 mgL-1)的壳聚糖,测定玉米生长相关指标、叶绿素含量和光合参数、丙二醛(MDA)、抗坏血酸(AsA)和谷胱甘肽(GSH)含量,并将根系构型按根系直径进行分级,比较其变化特征,通过计算不同处理玉米幼苗生理指标的平均隶属函数值进行抗旱性综合评价。【结果】与干旱处理相比,当壳聚糖质量浓度为 100 mgL-1时,株高、地上部鲜质量、地下部干质量、光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间二氧化碳摩尔分数(Ci)、地上部抗坏血酸、地下部抗坏血酸和地上部谷胱甘肽含量指标均达到最大,分别显著提高了 14.47%、85.61%、66.67%、90.10%、38.89%、106.99%、49.52%、25.54%和18.42%;级径级区间的根长(RL)、根表面积(SA)和根体积(RV)在壳聚糖质量浓度为 100 mgL-1时显著提高。【结论】PEG-6000 模拟干旱胁迫条件下,不同质量浓度外源壳聚糖的施用可以有效改善玉米幼苗在干旱胁迫下的生长。相对其他壳聚糖处理,100 mgL-1外源壳聚糖的施加较大幅度地减少了丙二醛含量,提高了抗坏血酸和谷胱甘肽含量,增强了玉米幼苗的抗氧化系统,提高了 Pn、Gs、Ci、叶绿素含量、植株干鲜质量,提高了级径级区间的 RL、SA 和 RV,增强了玉米幼苗对干旱胁迫的耐受性。关键词:玉米;干旱胁迫;壳聚糖;根系构型分级中图分类号:S513文献标志码:A文章编号:1000-2340(2023)04-0646-11Effects of exogenous chitosan on maize root architecture classification and physiological parameters under drought stressLIU Haitao1,YUAN Qingsong1,WEI Chang1,JIAO Qiujuan1,XU Zhengyang1,ZHANG Jingjing1,LI Gezi2,ZHANG Xuehai3,ZHENG Beibei4,JIANG Ying1(1.College of Resources and Environment,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450046,China;2.National Engineering Research Center for Wheat,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450046,China;3.College of Agronomy,Henan Agricultural University/State Key Laboratory of Wheat and Maize Crop Science,Zhengzhou 450046,China;4.College of Agricultural Engineering,Henan Vocational College of Agriculture,Zhengzhou 451450,China)第 4 期柳海涛,等:外源壳聚糖对干旱胁迫下玉米根系构型分级及生理参数的影响647 Abstract:【Objective】In order to explore the effect of chitosan on maize growth and root architecture classification under drought stress,and to seek an effective way to improve maize resistance to drought stress.【Method】In this experiment,maize variety Zhengdan 985 was used as the test material,and polyethylene glycol(PEG-6000)was used to simulate drought stress hydroponics test.When the maize grew to two leaves,different concentrations(0,25,50,100,200,400 mgL-1)of chitosan were applied.Maize growth-related indexes,chlorophyll content,photosynthetic parameters,malondialde-hyde(MDA),ascorbic acid(AsA)and glutathione(GSH)contents were determined.The root ar-chitecture was graded according to root diameter,and their change characteristics were compared.The drought resistance was evaluated comprehensively by calculating the average membership function values of physiological indexes of maize seedlings under different treatments.【Result】Compared with drought treatment,when the concentration of chitosan was 100 mgL-1,the plant height,shoot fresh weight,root dry weight,photosynthetic rate(Pn),stomatal conductance(Gs),intercellular carbon dioxide concentration(Ci),shoot ascorbic acid,root ascorbic acid and shoot glutathione content reached the maximum,which were significantly increased by 14.47%,85.61%,66.67%,90.10%,38.89%,106.99%,49.52%,25.54%and 18.42%,respectively.The root length(RL),root sur-face area(SA)and root volume(RV)of the diameter class interval were significantly increased when the concentration of chitosan was 100 mgL-1.【Conclusion】Under the condition of PEG-6000 simulated drought stress,the application of different concentrations of exogenous chitosan could effec-tively improve the growth of maize seedlings under drought stress.Among them,the application of 100 mgL-1 exogenous chitosan reduced the content of malondialdehyde,increased the content of ascorbic acid and glutathione,enhanced the antioxidant system of maize seedlings,improved the content of Pn,Gs,Ci,chlorophyll,dry and fresh weight of plants,increased the RL,SA and RV of grade diame-ter range,and strengthened the tolerance of maize seedlings to drought stress.Key words:maize;drought stress;chitosan;root architecture classification近年来,由于各种原因,农业生产用水资源供应量不断降低,逐渐演变成农业发展的重大问题。同时,全球气候变暖和生态平衡的破坏,使得干旱胁迫成为影响植物生长发育和干物质分配、降低农作物产量、限制农业可持续发展的关键因素1。资料显示,中国干旱、半干旱地区面积占全国总土地面积的绝大部分2-3。如何在现有的干旱、半干旱耕地条件下提高粮食产量,已成为目前农业生产中亟待解决的问题之一。壳聚糖(chitosan,CTS)可用于提高胁迫条件下的农业生产力4。壳聚糖介导的抗缺水机制包括渗透调节、改善光合作用、刺激酶活性、改善水分和养分吸收及合成有机渗透物5-6。郝丽丽等7的试验结果表明,0.4%的壳聚糖在模拟干旱胁迫条件下显著提高了叶绿素含量,增强了小麦(Triti-cum aestivum L.)幼苗的光合作用性能和有机质的积累,促进根系对水分的吸收以保持水分稳定。壳聚糖包衣可以减少干旱胁迫对根系和茎秆生长的抑制,有效促进根系发育,增强其吸水能力,从而提高小麦幼苗的抗旱性8。植物可以通过气孔与外界环境交换气体和水分,受到干旱胁迫后,气孔密度和孔径会影响植物对干旱胁迫的适应性9-10。干旱胁迫会引起植物细胞与光合作用相关的膜结构系统受损,破坏光合过程,直接或间接地影响光合色素含量11。因此,维持较高光合色素含量有利于植物更高效地利用光能,提高抗旱性12。干旱胁迫易造成植物过量活性氧的产生,丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量变化可反映植物膜脂过氧化的水平和对细胞膜的伤害程度13。抗坏血酸(ascorbic acid,AsA)可作为过氧化物酶的天然底物,参与植物的生长发育14。谷胱甘肽(glutathione,GSH)可被氧化成氧化型谷胱甘肽15。同时 AsA-GSH 循环是 AsA 和GSH 再生的循环途径,AsA 通过氧化反应转化为单 脱 氢 抗 坏 血 酸(monodehydroascorbic acid,MDHA),MDHA 通过还原反应再生 AsA,而 GSH648 河南农业大学学报第 57 卷则被氧化成谷胱甘肽二硫化物(glutathione disul-fide,GSSG),GSSG 参与还原反应转化为 GSH16。玉米(Zea mays L.)集粮食、经济、饲料三种用途于一身,开发潜力巨大,具有发达的须根系。植物根系可下扎汲取土壤水分、养分以提高植物的耐受性17。HUND 等18的研究表明,在缺水条件下玉米更深的根系可以提高从深层土壤中吸收更多水分的能力,从而维持持续的气孔开放以此应对干旱胁迫。RAUF 等19的研究指出,根系构型对玉米产量的影响取决于土壤水分分布和植株间的水分竞争。当前干旱胁迫正成为影响作物生长发育,降低作物产量,限制农业可持续发展的关键因素,为寻求提高玉米抵抗干旱胁迫能力的有效途径,该试验应用聚乙二醇(PEG-6000)模拟干旱胁迫,采用营养液培养法,旨在探究不同质量浓度壳聚糖对干旱胁迫下玉米幼苗的生长、根系构型分级、光合参数、叶绿素含量、MDA、AsA 和 GSH 含量的影响,丰富壳聚糖提高玉米对干旱胁迫的抗性机制,为逆境下玉米的高效生产提供理论依据。1材料与方法1.1供试材料供试品种:玉米品种为郑单 958,种子购于河南秋乐种业科技股份有限公司。营养液:霍格兰(Hoagland)营养液配方为:Ca(NO3)24H2O、KNO3、MgSO47H2O、NaH2PO42H2O、H3BO3、MnCl24H2O、ZnSO47H2O、CuSO45H2O、Na2MoO4H2O、EDTA-Na2、FeSO47H2O。供试 试 剂:聚 乙 二 醇(PEG-6000)、壳 聚 糖(CAS 9012-76-4)。1.2试验设置本试验于河南农业大学光照培养室进行,在温室内设置昼/夜条件为 16 h/8 h 25 。用体积分数为 5%的 H2O2溶液把健康优质的玉米种子浸泡消毒 15 min,之后用去离子水冲洗干净,然后在无光室温条件下用去离子水浸泡种子 12 h 后,取出种子并均匀摆放于浸润的纱布上,在湿润条件下催芽 72 h 后转入温室。在玉米幼苗一叶一心期,移栽长势平整的幼苗至盛有 1/4 Hoagland 营养液的培养盒中进行培养,每盆定植 9 棵幼苗,2 d 后更换1/2 Hoagland 营养液,每 2 d 更新 1 次营养液,在玉米幼苗两叶一心期,更换全 Hoagland 营养液并施加处理。本试验共设置 7 个处理:1)CK:不加 PEG的营养液,不加壳聚糖;2)P-C0:15%PEG 的营养液,不加壳聚糖;3)P-C25:15%PEG 的营养液+叶面喷施 25 mgL-1壳聚糖;4)P-C50:15%PEG 的营养液+叶面喷施 50 mgL-1壳聚糖;5)P-C100:15%PEG 的营养液+叶面喷施 100 mgL-1壳聚糖;6)P-C200:15%PEG 的营养液+叶面喷施 200 mgL-1壳聚糖;7)P-C400:15%PEG 的营养液+叶面喷施 400 mgL-1壳聚糖。每个处理设置 3 个重复,各 处 理 施 加 5 d 后 测 试 光 合 参 数 并 进 行采样。1.3测试指标与方法1.3.1地上部地下部生物量的测定每个处理用剪刀分离整株玉米,并用去离子水清洗并晾干,将处理过的样品中的一部分用于测量生物量和根系指标,然后放置在烘箱中,设置 105 杀青 30 min,设置 70 烘干玉米样品,直至质量恒定,最后称取玉米的地上部和地下部生物量。1.3.2玉米根系构型指标的测定每个处理选取3 个完整的玉米根系,将根系放入 20 cm 40 cm根盘中,置于扫描仪上,根盘中添加高度为 5 10 mm 水,使水面恰好全部没过根系,再用仪器遮光板全部覆盖根盘,使用根系扫描仪(V700 PHOTO,Epson,日 本)和 图 像 分 析 软 件(WinRHIZOTM 2003b,加拿大)测量玉米总根长(total root length,RL)、根表面积(root surface area,SA)、根体积(root volume,RV)、根平均直径(root average diameter,RD)、根尖数(root tips,RT)和分枝数(root forks,RF)以及根系构型分级参数。其中根系直径(RD,mm)大小对 RL、SA 和 RV 的区间等级定义为:级:RD 0.0 0.5 mm;级:RD 0.5 1.0 mm;级:RD 1.01.5 mm;级:RD1.5 mm20。1.3.3光合色素含量和光合作用指标的测定采用 95%乙醇浸提法测定光合色素含量21;采用便携式光合测定仪(Li-6400,LICOR Inc.,美国)测量第 1 片完全展开叶片的光合速率(photosynthetic rate,Pn)、气孔导度(stomatal conductance,Gs)、胞间 CO2质量摩尔分数(intercellular CO2 concentra-tion,Ci)和蒸腾速率(transpiration rate,Tr)。1.3.4丙二醛含量的测定采用硫代巴比妥酸(TBA)法测定 MDA 含量22。1.3.5抗坏血酸和谷胱甘肽含量的测定AsA 含量参照 ZHANG 和 KIRKHAM23的测定方法,GSH含量参照 GURI24的测定方法。第 4 期柳海涛,等:外源壳聚糖对干旱胁迫下玉米根系构型分级及生理参数的影响649 1.4数据处理利 用 Microsoft Excel 2019 和 SPSS 20 对 数据进行处理分析,采用 LSD 法进 行单因素方 差分析(one-way ANOVA),检 验 处 理 间 差 异 显 著性,Pearson 法 进 行 指 标 间 的 相 关 性 分 析,使 用Origin 2018(OriginLab Corporation,美 国)进 行绘图。2结果与分析2.1干旱胁迫下不同质量浓度壳聚糖处理对玉米幼苗生长的影响干旱胁迫对玉米幼苗的生长具有较强的抑制作用,玉米幼苗的地上地下部的伸长和生物量的累积受到阻碍(表 1)。与 P-C0处理相比,玉米幼苗的株高、地上部鲜质量、地上干质量和地下部干质量在壳聚糖质量浓度为 100 mgL-1时达到最大,显著提高了 14.47%、85.61%、69.77%和66.67%(p0.05);当壳聚糖质量浓度为 200 mgL-1时,地下部鲜质量和地上部干质量分别显著提高了 54.05%和 69.77%。P-C0处 理 的 根 冠比与 CK 处 理 相 比,显 著 增 加 了 46.08%;施 加外源壳聚 糖 后 根 冠 比 下 降,与 P-C0处 理 相 比,在壳聚糖质量浓度为 100 和 200 mgL-1时下降了 2.24%和 12.32%。表 1干旱胁迫下不同质量浓度壳聚糖对玉米幼苗生物量的影响Table 1Effects of different concentrations of chitosan on biomass of maize seedlings under drought stress处理Treatment鲜质量/gFresh weight地上部Shoot地下部Root干质量/gDry weight地上部Shoot地下部Root株高/cmPlant height主根长/cmMain root length根冠比Root shoot ratioCK4.960.05 a1.890.16 a0.370.01 a0.110.01 a47.400.95 a27.971.46 a0.290.02 bP-C01.390.12 d0.860.06 c0.140.02 d0.060.00 e31.570.83 d24.730.81 b0.420.04 aP-C252.100.35 bc1.100.22 bc0.200.03 bc0.080.02 cd31.530.50 d23.231.31 bc0.380.04 aP-C502.040.23 c1.160.14 bc0.190.02 c0.080.01 bcd32.972.28 cd21.671.25 c0.420.07 aP-C1002.580.45 b1.250.24 b0.240.03 b0.100.01 ab36.130.85 b25.231.18 b0.410.02 aP-C2002.540.18 b1.330.13 b0.240.02 b0.090.01 bc34.671.63 bc23.201.91 bc0.370.03 aP-C4002.050.23 c1.070.09 bc0.190.03 c0.070.01 de32.270.93 d22.931.63 bc0.370.02 a注:同列不同小写字母代表各处理间差异达到显著水平(p0.05)。下同。Note:Different lowercase letters in the same column represent significant differences among treatments(p0.05).The same as below.2.2干旱胁迫下不同质量浓度壳聚糖处理对玉米幼苗根系构型分级的影响干旱胁迫抑制了玉米幼苗根系的发育,在 7 个处理中,与 CK 处理相比,级径级区间的 RL 和SA 以及级径级区间的 RV 的占比在干旱胁迫下分别降低了 15.04%、26.76%和 12.74%;当壳聚糖质量浓度为 200 mgL-1时,级径级区间的 RL和 SA 的占比都达到峰值(图 1)。与 CK 处理相比,干旱胁迫使玉米幼苗的 RL、SA、RV 和 RT 分别显著下降了 64.09%、58.77%、52.62%和 51.27%(p0.05),使 RD 显著提高了 14.88%(p0.05)。施加外源壳聚糖缓解了干旱胁迫对玉米根系生长的危害,与 P-C0处理相比,当施用壳聚糖质量浓度为 200 mgL-1时,玉米根系的 RL、SA、RV 和 RT显著提高了 76.12%、60.35%、46.33%和 85.26%;级径级区间的 RL 和 SA 均在壳聚糖质量浓度为50 mgL-1时达到最大;级径级区间的 RL、SA、RV 和级径级区间的 SA 均在 100 mgL-1壳聚糖下达到最大值;在壳聚糖质量浓度为 200 mgL-1时,级径级区间的 RL、SA、RV 和级径级区间的 RL 均达到峰值(表 2)。2.3干旱胁迫下不同质量浓度壳聚糖处理对玉米幼苗光合作用指标的影响与 CK 处理相比,P-C0处理显著降低了叶绿素a、叶 绿 素 b 以 及 总 叶 绿 素 含 量,分 别 降 低 了4.83%、21.40%、12.04%(p 0.05)(图 2-A、B、D)。与 P-C0处理相比,当壳聚糖质量浓度为 100 mgL-1时,叶绿素 b 含量和总叶绿素含量分别显著提高了 14.59%和 7.18%(图 2-B,D)。Pn、Gs、Ci 和 Tr 均受到了干旱胁迫明显的抑制作用,与CK 处理相比,P-C0处理分别显著降低 57.83%、30.77%、51.46 和 56.58%(p0.05)。与 P-C0处理相比,Pn、Gs 和 Ci 在施加 100 mgL-1外源壳聚糖时达到最大,显著增加了 90.10%、38.89%和106.99%(p0.05)(图 2-E、F、G),Tr 在施加 200 mgL-1外源壳聚糖时达到最大值,显著提高了79.80%(p0.05)(图 2-H)。650 河南农业大学学报第 57 卷图 1干旱胁迫下不同质量浓度壳聚糖对玉米幼苗根长、根表面积以及根体积在不同径级区间比例Fig.1Percentage of different concentrations of chitosan on root length,root surface area and root volume of maize seedlings in different diameter classes under drought stress表 2干旱胁迫下不同质量浓度壳聚糖对玉米根系结构和根系分级的影响Table 2Effects of different concentrations of chitosan on root structure and root grading of maize under drought stress级别ClassCKP-C0P-C25P-C50P-C100P-C200P-C400RL/cm1 060.5520.69 a 380.8816.18 d 450.1228.26 cd574.23114.23 bc585.4623.21 bc670.82173.40 b475.4845.29 cd866.7817.50 a 264.6421.45 d 329.9313.39 cd432.7789.99 bc 445.9912.93 bc527.04140.52 b363.9646.70 cd149.816.46 a98.2011.15 b91.6212.60 b 115.7124.87 b108.757.26 b112.9329.23 b89.662.54 b25.982.21 a9.181.64 d15.424.06 bc14.761.02 bc16.905.10 b16.842.49 b11.051.51 cd17.872.22 a8.741.65 b13.062.93 ab10.923.15 b13.626.70 ab13.882.18 ab10.721.49 bSA/cm2123.281.68 a50.831.59 d63.656.61 cd71.979.72 bc74.849.45 bc81.5116.12 b61.463.32 cd50.080.83 a15.582.02 d21.161.39 c24.883.94 bc25.171.61 bc29.396.23 b21.692.49 c33.981.92 a20.651.41 b20.192.76 b25.404.30 b23.991.82 b25.296.21 b19.470.15 b9.720.95 a3.480.64 d5.831.50 bc5.560.39 bc6.442.00 b6.360.96 b4.140.57 cd15.142.90 a6.441.23 b9.592.13 b8.332.29 b10.975.54 ab9.311.95 b6.910.79 bRV/cm31.140.02 a0.540.03 c0.720.12 b0.720.07 b0.770.17 b0.790.11 b0.630.02 bc0.280.01 a0.090.02 d0.130.01 c0.140.02 bc0.140.01 bc0.170.02 b0.130.01 c0.630.04 a0.360.02 bc0.360.06 bc0.460.07 bc0.430.04 bc0.460.11 b0.350.00 c0.290.03 a0.110.02 cd0.180.04 bc0.170.01 bc0.200.06 b0.190.03 bc0.130.02 cd1.280.41 a0.440.09 b0.650.17 b0.600.16 b0.870.47 ab0.830.17 ab0.990.47 abRD/mm0.370.01 c0.430.02 ab0.450.03 a0.400.03 abc0.410.04 abc0.390.03 bc0.410.02 abcRT1 452.33160.07 a707.6784.76 c699.3350.82 c1 194.00260.82 ab1 188.67157.39 ab1 311.00295.65 ab1 024.67191.40 bc注:同行不同小写字母代表各处理间差异达到显著水平(p0.05)。下同。Note:Different lowercase letters in the same row represent significant differences among treatments(p0.05).The same as below.2.4干旱胁迫下不同质量浓度壳聚糖处理对玉米幼苗丙二醛、抗坏血酸和谷胱甘肽含量的影响P-C0处理与 CK 处理相比,显著提升了地上部MDA、地下部 MDA 和地下部 GSH 含量,分别增加了 75.07%、104.50%和 43.52%(p0.05)(图 3,图4);而 P-C0处理的地上部 AsA、地下部 AsA 和地上部 GSH 含 量 相 比 于 CK 处 理 显 著 降 低 了41.92%、26.62%和 20.52%(p0.05)。与 P-C0处理相比,地上部 AsA 含量、地下部 AsA 含量和地上部 GSH 含量在壳聚糖质量浓度为 100 mgL-1时达 到 最 大,显 著 提 高 了 49.52%、25.54%和18.42%(p0.05)(图 3,图 4);地上部 MDA 和地下部 MDA 含量在壳聚糖质量浓度为 100 mgL-1时达到最小,分别显著降低了 35.59%和 40.77%(p0.05)(图 4);地下部 GSH 含量在壳聚糖质量浓度为 25、50 和 100 mg L-1时 显 著 增 加 了22.08%、15.45%和 20.69%(图 4)。第 4 期柳海涛,等:外源壳聚糖对干旱胁迫下玉米根系构型分级及生理参数的影响651 注:图中误差线代表标准差,不同小写字母代表各处理间差异达到显著水平(p0.05)。下同。Note:The error bars in the figure represent the standard deviation,and different lowercase letters represent significant differences among treatments(p0.05).The same as below.图 2干旱胁迫下不同质量浓度壳聚糖对玉米幼苗光合作用指标的影响Fig.2Effects of different concentrations of chitosan on photosynthesis indexes of maize seedlings under drought stress图 3干旱胁迫下不同质量浓度壳聚糖对玉米幼苗丙二醛含量的影响Fig.3Effects of different concentrations of chitosan on malondialdehyde content in maize seedlings under drought stress652 河南农业大学学报第 57 卷图 4干旱胁迫下不同质量浓度壳聚糖对玉米幼苗抗坏血酸和谷胱甘肽含量的影响Fig.4Effects of different concentrations of chitosan on ascorbic acid and glutathione contents of maize seedlings under drought stress3讨论3.1不同质量浓度壳聚糖处理下玉米生长对干旱胁迫的响应高献磊等25发现,干旱胁迫严重影响牧草种子出苗和幼苗生长,其表现为伴随着干旱胁迫程度的增加,牧草种子的发芽率、发芽势等均呈现下降趋势。GLEASON 等26发现,玉米的光合特性、水力传导以及气孔导度受干旱影响均大幅降低。詹国勇和刘晚苟27用不同质量浓度的壳聚糖溶液处理狗牙根(Cynodon dactylon(L.)Pers.)种子后发现适当质量浓度的壳聚糖溶液能提高种子活力,促进幼苗生长,提高发芽率和发芽势。本试验中干旱胁迫导致根冠比显著上升,施加壳聚糖后出现明显降低,这可能是由于干旱胁迫促进光合产物在玉米幼苗的地下部合成积累28。另一种原因是玉米幼苗的地上部对干旱胁迫更为敏感,适当质量浓度的壳聚糖包衣可促进玉米种子及幼苗的生长,缓解干旱胁迫的危害作用29。试验结果显示,施加壳聚糖后玉米株高和根长显著提高,植株鲜质量和植株干质量等生物量显著增加。张伟伟等30通过将壳聚糖应用于玉米种子包衣的试验发现了类似的现象,壳聚糖包衣处理后,幼苗增高,根长略有增加,茎粗和干质量增加,处理后的株高与轻度胁迫对照和中 度 胁 迫 对 照 相 比,分 别 增 加 了 3.1%和12.5%。叶绿体是植物光合作用的场所,它的正常与否是判断植物细胞活性的一个重要指标31。有报道指出干旱胁迫增加了活性氧,启动了膜脂过氧化和膜磷脂的脱酯化反应,导致叶绿体被膜的膨胀和断裂,以至于解体32-34。而在本试验中,P-C0处理的叶绿素 a、叶绿素 b 以及总叶绿素含量与 CK 处理相比显著下降。白志英等35在不同生育时期的小麦叶片中发现了类似的现象。在本试验中,随着25 400 mgL-1外源壳聚糖的施加,干旱胁迫得到了不同程度的缓解。从光合色素含量来看,叶绿素 b、总叶绿素含量均在 P-C50处理达到峰值,但随着壳聚糖质量浓度的升高,叶绿素含量逐渐下降,可能是因为高质量浓度的壳聚糖黏度大、易成膜,使其具有反光作用,喷施会影响气孔开度,抑制光合色素合成和光合作用。50200 mgL-1外源壳聚糖的施加导致类胡萝卜素含量低于干旱胁迫下不施壳聚糖处理,表明外源壳聚糖施加后在一定程度上缓解了干旱胁迫的抑制作用。这与李宏光等36通过向烟草(Nicotiana tabacum L.)叶面喷施不同质量浓度壳聚糖,确定叶面喷施 100 mgL-1第 4 期柳海涛,等:外源壳聚糖对干旱胁迫下玉米根系构型分级及生理参数的影响653 壳聚糖后类胡萝卜素降解产物总量最高的结论类似。光合作用的状态可以指示植物受胁迫程度的大小37。干旱胁迫导致光合器官光合活性降低,Gs 下降,Ci 减少,进而抑制光合作用38。本试验数据显示,玉米的 Pn、Gs、Ci 和 Tr 均受到了干旱胁迫明显的抑制作用,外源壳聚糖的施加有效促进玉米的光合作用,Pn、Gs、Ci 都在壳聚糖质量浓度为100 mgL-1时达到最大,Tr在 200 mgL-1壳聚糖时达到峰值,随着壳聚糖质量浓度的提高,Pn、Gs、Ci 和 Tr 都出现下降趋势。分析原因可能是干旱胁迫下适当质量浓度外源壳聚糖的施加促进了根系对营养元素的吸收,在一定程度上缓解了干旱胁迫对保卫细胞的危害,Pn、Gs、Ci 和 Tr 有所提升39;较高质量浓度外源壳聚糖的施加(200 400 mgL-1)引起的光合参数下降有可能也受到了非气孔因素的限制40-41。3.2不同质量浓度壳聚糖处理下玉米根系形态对干旱胁迫的响应根系是植物重要的营养器官,能够感知来自于土壤内部的逆境胁迫危害并通过改变根系结构形态提高对土壤水分和矿质元素的吸收,以应对逆境胁迫产生的危害作用。本试验结果显示,玉米根系的 RL、SA、RV 和 RT 由于干旱胁迫均显著下降,这与 CHEN 等42研究外源物质对干旱胁迫下水稻生理性状和营养状况的影响试验所得的结果一致。其中根直径在 0 1.5 mm 的 RL 及 0 1.0 mm 的SA 和 RV 受到了较为严重的抑制作用。本研究结果显示,50 200 mgL-1外源壳聚糖的施加缓解了干旱胁迫对玉米根系的负面作用,其中 100 mgL-