苹果(Malus pumila)是我国北方主要的果树树种，西北黄土高原地区苹果栽培面积占全国总面积的44%。该地区光照充足、昼夜温差大，土层深厚，是我国适宜发展苹果载植的重要区域(刘贤赵等，2004)。但该地区水资源极缺，降水少且年内分配不均，常常因干旱而影响产量和品质，因此研究苹果树的耗水规律和耐旱性，以及提高苹果树抗旱性的方法和机制，在北方地区苹果生产中具有重要意义。

渗透调节是耐旱植物适应干旱逆境的一种重要机制，在干旱条件下，植物通过渗透调节在细胞内主动积累溶质，由此导致细胞的渗透势、水势下降，增强植物的吸水能力，以维持一定的膨压，从而维持细胞的生长、气孔开放和光合作用等生理过程(Morgan，1984; 李颜等，2008; 覃彩芹等，2000)。

壳聚糖(Chitosan)又称脱乙酰几丁质，是一种天然直链状酰胺类多糖，是由几丁质(甲壳素)部分或全部脱乙酰基后得到的产物。特别是低分子量的低聚水溶性壳聚糖，由于其独特的生理活性和物化性质，使其应用范围扩大(邱澄宇，2004)，已有报道认为其对植物的生理过程及抗病性具有调节或诱导作用(Andrea et al.，2005; Vijay et al.，2009; 徐擎等，2011;薛盼盼等，2010)。本文研究了苹果幼树在不同干旱条件下渗透调节能力的变化，以及外源低聚壳聚糖对苹果树苗渗透调节作用的影响，以探究低聚壳聚糖在提高植物抗旱性方面的作用和机理，为壳聚糖应用以及北方干旱地区苹果的丰产栽培提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 试验材料

1年生红富士苹果(Malus pumila，Fuji)幼树，砧木为新疆野苹果(M. sieversii)。壳聚糖为Sigma公司产品。

1.2 试验方法 1.2.1 低聚壳聚糖的制备

采用氧化降解法，取20 g壳聚糖分散于400 mL 2%乙酸溶液中，置于1 000 mL烧瓶，均匀搅拌使壳聚糖全部溶解，在60 ℃恒温水浴中搅拌，逐步滴加10 mL 30% H₂O₂，降解反应4 h后，用10% NaOH溶液调整至pH7. 5，抽滤，所得滤液即为可溶性壳聚糖溶液。采用醇沉淀法对可溶性壳聚糖进行回收。可溶性壳聚糖溶液中加入2倍体积的无水乙醇使可溶性壳聚糖沉淀，静置，待完全沉淀后弃去上清，取沉淀在40 ℃以下干燥2 h，然后真空干燥器中干燥，即获得可溶性低分子量(分子量为6 400)壳聚糖样品(张未，2005)。

1.2.2 苹果幼树处理

试验在中国科学院西北水土保持研究所干旱棚中进行，1年生苹果幼树，采用盆栽控水法进行不同程度、不同速度的干旱处理。盆高30 cm，盆径28 cm，土壤由耕地表土、沙子、底肥(牛粪)组成，比例为: 7: 2: 1，盆土质量15. 5 kg，田间持水量26. 5%，永久萎蔫系数3. 9%。盆土入盆前进行消毒，每盆1株幼树于3月初植入盆中，正常灌水，生长8周后，选取生长正常、一致的幼树，用称质量法控制土壤含水量(SWC)进行干旱处理。

干旱处理的程度分4个处理水平:对照(20%)，轻度干旱(15%)，中度干旱(10%)，严重干旱(5%)。每个处理5个重复，每个重复8株幼树，每个处理共计40株幼树。相应的干旱梯度形成后，继续维持15天，分别在1，5，10和15天取样测定相关指标。

干旱处理的速度分缓慢干旱和快速干旱。土壤缓慢干旱:通过补充水分控制土壤缓慢干旱，经15天土壤含水量由20%降至5%。土壤快速干旱:经7天土壤含水量由20%降至5%。

低聚壳聚糖处理:在开始进行控水处理的第1 ~ 3天用浓度为50 mg·L^-1的低聚壳聚糖处理苗木，均匀喷施于叶面至欲滴为度，每天1次。待相应的干旱梯度形成后，继续维持15天，分别在1，5，10和15天取样(顶端向下第3 ~ 5片叶子，功能叶)测定相关指标。

1.2.3 测定指标及方法

1) 叶水势(ψ_w )测定，用压力室法(MODEL1000型植物压力室，美国)。2)游离氨基酸的测定，参照高俊凤等(2006)的方法。3)游离脯氨酸的测定，参照张殿忠等(1990)的方法。4)可溶性糖含量的测定，采用蒽酮比色法(高俊凤，2000)。5)渗透调节能力测定，采用冰点降低法，用渗透压计(蒸汽压渗透压计，5520型，美国WESCOR))测定叶片的饱和渗透势(李德全等，1992)，按下式计算渗透调节能力: Δπ₁₀₀=π^u₁₀₀-π^s₁₀₀；式中π^u₁₀₀为未受干旱胁迫叶片的饱和渗透势; π^s₁₀₀为干旱胁迫叶片的饱和渗透势(Ludlow et al.，1983)。

1.3 数据分析

试验数据用“平均值±标准差”表示，用SPSS软件进行方差分析，以P＜0. 05为差异显著。

2 结果与分析 2.1 土壤干旱对1年生苹果幼树叶片ψ_w，π₁₀₀和Δπ₁₀₀的影响

不同程度、速度的土壤干旱条件下苹果幼树叶片ψ_w，π₁₀₀和Δπ₁₀₀的变化见表 1，2和5。由表 1和表 5数据可见:在土壤缓慢干旱条件下，随土壤含水量(SWC)的逐渐减少，苹果幼树叶片ψ_w和π₁₀₀随之降低。其中ψ_w的变化在不同干旱程度间均达到差异显著水平(P＜0. 05)。而π₁₀₀的变化在正常(对照) －轻度干旱－中度干旱间差异达到显著水平(P＜0. 05)，在中度干旱－严重干旱间仅第1天差异显著，其余各时段差异不显著。π₁₀₀的明显降低表明在缓慢干旱条件下有较多的溶质积累，而ψ_w的降低则是溶质积累和叶片失水两方面引起的。Δπ₁₀₀的变化表现为随SWC的降低而增加(表 5)，Δπ₁₀₀值的相对大小表示干旱条件下叶细胞溶质积累的能力，即渗透调节能力。从表 5数据可知:在轻度干旱时苹果幼树即表现出了一定的渗透调节能力，由轻度干旱过渡到中度干旱时其渗透调节能力显著增强，增加的幅度在230% ~ 117%之间; 由中度干旱到严重干旱时，渗透调节能力仅在初期增加，5天后反而降低，而在这期间ψ_w的降低较为明显，这表明在此过程中ψ_w的降低主要是由细胞失水引起的，在严重干旱条件下苹果幼树没有表现出应有的渗透能力。在同一干旱程度条件下，随时间的延长，ψ_w和π₁₀₀随之降低，Δπ₁₀₀增加。

由表 2和表 5可见:在土壤快速干旱条件下，随SWC的降低，ψ_w和π₁₀₀随之降低，但ψ_w的降低在各处理间均达到显著差异水平，而π₁₀₀在各干旱梯度形成的初期(1天)差异不显著(P＜0. 05)，表明在快速干旱条件下没有明显的溶质积累，在轻度、中度干旱时，随处理时间的延长，π₁₀₀的降低表现出差异显著水平，严重干旱条件下π₁₀₀变化不明显，在干旱的后期有所降低(与中度干旱相比)。Δπ₁₀₀的变化表现出与缓慢干旱条件下相类似的趋势，但其变化的幅度相差甚远。在各干旱梯度形成的初期(1天)，缓慢干旱条件下的Δπ₁₀₀平均值为0. 28(表 5)，而快速干旱条件下的Δπ₁₀₀平均值仅为0. 08 (表 5)，相差3. 5倍。上述结果表明:在快速、严重干旱条件下，苹果幼树没有表现出应有的渗透调节能力。

2.2 干旱条件下外源低聚壳聚糖对1年生苹果幼树叶片ψ_w，π₁₀₀和Δπ₁₀₀的影响

外源施加低聚壳聚糖后，不同程度、不同速度的土壤干旱条件下苹果幼树叶片ψ_w，π₁₀₀和Δπ₁₀₀的变化见表 3~5。由表 3和表 5可见:用外源低聚壳聚糖处理后，苹果幼树叶片ψ_w，π₁₀₀和Δπ₁₀₀的变化趋势与未处理的相同，但变化的幅度更大。在缓慢干旱条件下，低聚壳聚糖处理后的渗透调节能力(0. 47)比未处理的(0. 39)增高了20%。快速干旱条件下(表 4，5)，低聚壳聚糖处理对各干旱梯度形成的初期(1天)的渗透调节能力影响显著(表 5)，与不处理相比其渗透调节能力增高了175%，第15天时增高28%。这说明低聚壳聚糖处理能缓解快速干旱对苹果幼树渗透调节作用的影响，一定程度上提高其渗透调节能力。另外，无论是缓慢干旱还是快速干旱，在中度干旱(SWC为10%)下，随干旱时间延期，渗透调节能力增强最为显著。因此在缓慢、中度干旱条件下苹果幼树才能体现出其应有的渗透调节能力，这也正是抗旱锻炼能提高植物抗旱性的主要机制。

2.3 土壤干旱对1年生苹果幼树叶片有机渗透调节物质的影响

干旱条件下有机溶质的主动积累是植物细胞进行渗透调节的主要体现，有机溶质的积累不仅能降低细胞的渗透势，增强吸水能力，而且还起着平衡细胞质与液泡间渗透压的作用。

由表 6，7和8可见:在土壤干旱条件下，随SWC降低，Pro、游离氨基酸、可溶性糖含量均增加，但不同干旱条件下3种有机溶质的增幅有明显的差异。缓慢干旱条件下，在SWC降至5%，处理15天时，Pro的含量是对照的73. 3倍(表 6)，游离氨基酸是对照的2. 9倍(表 7)，可溶性糖是对照的2. 1倍(表 8)。统计分析也表明:不同程度干旱处理间Pro和游离氨基酸的增加均达到差异显著水平，可溶性糖含量的增加在由轻度、中度干旱到严重干旱的过渡过程中，也表现出了差异显著水平。快速干旱条件下，SWC降为5%，处理15天时，Pro的含量是对照的41. 5倍，游离氨基酸是对照的1. 7倍，可溶性糖是对照的1. 5倍。总体上来看，3种有机渗透调节物质的含量在由轻度过渡到中度干旱时增加最为显著。

2.4 干旱条件下外源低聚壳聚糖对1年生苹果幼树叶片有机渗透调节物质的影响

外源施加低聚壳聚糖后，不同程度、不同速度的土壤干旱条件下苹果树苗叶片有机渗透调节物质的变化见表 9，10和11。低聚壳聚糖处理能增加脯氨酸、游离氨基酸和可溶性糖3种有机渗透调节物质的含量，且在干旱条件下增加较明显。缓慢干旱条件下，SWC降至5%，延续15天时，脯氨酸、游离氨基酸和可溶性糖3种有机渗透调节物质的含量分别比未处理的增加了16. 7%，14. 5%和21. 3%。

快速干旱条件下，3种有机渗透调节物质的含量在中度干旱处理15天时达到最大，分别比未处理的增加了27. 5%，43. 5%和17. 8%。严重干旱时(SWC为5%) 3种有机渗透调节物质的含量均降低。对比分析可知:缓慢干旱条件下3种有机渗透调节物质的积累量分别比快速干旱条件下增加了91. 6%，72. 4%，54. 6%。

2.5 土壤缓慢干旱下1年生苹果幼树渗透调节能力(Δπ₁₀₀)与有机溶质积累的动态变化

在缓慢干旱条件下，以SWC每降低3%为间隔取样测定计算Δπ₁₀₀值和Pro、游离氨基酸、可溶性糖含量，结果见图 1。随SWC逐渐降低，Δπ₁₀₀值增加，但在SWC由14% ~ 8%的缓慢降低阶段Δπ₁₀₀值增幅最为显著，表明由轻度干旱到中度干旱的缓慢过渡过程中，苹果树苗的渗透调节能力显著增高。3种有机渗透调节物质含量随SWC的降低而增加，从各自的增加幅度与Δπ₁₀₀值变化的关系来看，SWC在14%之前，Δπ₁₀₀值的增加主要与Pro和游离氨基酸含量增加有关，而SWC在14%之后降低过程中，Δπ₁₀₀值的增加主要是由可溶性糖的增加引起的。从3种有机渗透调节物质的绝对含量来看，可溶性糖对渗透调节能力的贡献是主要的，其次是Pro和游离氨基酸。

3 讨论

植物渗透调节能力主要表现在渗透胁迫条件下细胞通过主动积累溶质，在降低水势的同时维持膨压(压力势)的相对稳定，从而维持细胞各种生理过程的正常进行。因此渗透调节能力可通过测定干旱条件组织(细胞)水势降低的同时膨压的变化或溶质的积累来表示。

研究结果表明:苹果幼树具有一定的渗透调节能力，在缓慢干旱条件下，苹果幼树叶片的ψ_w，π₁₀₀均明显降低，ψ_w可下调2. 27 MPa，π₁₀₀下调0. 50 MPa; 在快速干旱条件下ψ_w和π₁₀₀分别下调2. 05和0. 33 MPa。ψ_w的下调增强了吸水能力，π₁₀₀明显下调表明在适应干旱过程中有量溶质的积累。Δπ₁₀₀值也表明缓慢干旱条件下苹果幼树渗透调节能力是快速干旱下的35倍。在缓慢干旱条件下，由轻度到中度干旱时其渗透调节能力显著增强(增加230%)，由中度到严重干旱时，增加不明显(增加48%)。上述结果表明:苹果幼树渗透调节能力的表现受土壤干旱的速度和程度影响，只有在缓慢、中度干旱条件下才能充分表现出其应有的渗透调节能力，在快速、严重干旱条件下苹果幼树渗透调节能力不能充分表现，甚至失去渗透调节能力。

参与植物渗透调节的物质可分为2类，一类是细胞从外界吸收的无机离子，另一类就是细胞内主动积累的有机溶质。胡景江等(2004)在研究元宝枫(Acer truncatum)、韩蕊莲等(2003)在研究沙棘(Hippophae rhamnoides)渗调节能力与其抗旱性时均指出，在长期轻度及中度干旱胁迫下可溶性糖、游离氨基酸、Pro显著积累而降低植物的渗透势。笔者的研究也表明:在缓慢干旱条件下，苹果幼树叶片可溶性糖、Pro、游离氨基酸的含量均明显增加，表明3种有机溶质直接参与细胞的渗透调节。从3种有机渗透调节物质含量与Δπ₁₀₀值的动态变化可知，可溶性糖含量增加对渗透调节能力的贡献是第1位的，其次是Pro、游离氨基酸。

壳聚糖在农林业生产中的应用研究近年来有较多报道，研究证实壳聚糖对植物的生长、发育有调节作用(师素云等，1997; 赵惠芝等，1999; 胡景江等，2003)，可以诱导植物生产广谱抗病性、抑制多种植物病原菌的生长(Hirano，1988; 于汉寿，1998)，可以提高植物的抗逆性等(李茂富等，2005; 李洁等，2009)。本文研究表明:无论是在缓慢干旱还是在快速干旱条件下，外源低聚壳聚糖均可提高苹果幼树的渗透调节能力，增强抗逆性。低聚壳聚糖的作用主要是通过增加有机渗透调节物质的积累来提高渗透调节能力的。植物渗透调节能力需要经过一定适应过程才能充分体现出来，因此，在快速干旱条件下，外源低聚壳聚糖可缓解快速干旱对植物渗透调节能力的影响，提高植物的抗旱性。