外源硅對植物抗鹽性影響的研究進(jìn)展

朱永興，夏雨晨，劉樂承，尹軍良，馬東方

（1 長江大學(xué)園藝園林學(xué)院/濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心，湖北荊州 434000；2 植物病蟲害生物學(xué)國家重點實驗室/中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，北京 100193；3 長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北荊州 434000）

鹽脅迫是世界范圍內(nèi)重要的非生物脅迫之一，嚴(yán)重影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。目前，全世界約有8億hm2以上的土地受到鹽害的威脅，占到全球面積的6%[1]。在我國鹽堿地和次生鹽堿地的面積達(dá)0.3億hm2以上，占可用耕地面積的25%，并且呈現(xiàn)逐年增加的趨勢[2]。因此，如何提高作物的抗鹽能力已引起全世界科研工作者的關(guān)注。硅是地殼中第二大豐富元素，在植物體內(nèi)廣泛存在。盡管硅不是高等植物生長的必需元素，但大量研究表明，硅參與植物對多種逆境脅迫的響應(yīng)，其中包括鹽脅迫[3-5]、干旱[6]、高溫[7]、重金屬[8]和病蟲害脅迫等[9](圖1)。此外，硅是環(huán)境友好型元素，無腐蝕性且無污染，因此硅肥可以作為發(fā)展綠色有機(jī)農(nóng)業(yè)的優(yōu)質(zhì)肥料，有利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[10]。研究硅緩解植物鹽脅迫的機(jī)理，可為實際生產(chǎn)中解決農(nóng)作物鹽害問題提供理論基礎(chǔ)。

1 硅與逆境脅迫相關(guān)研究大數(shù)據(jù)分析

借助大數(shù)據(jù)分析的方式，筆者對當(dāng)前與硅參與調(diào)控逆境脅迫的相關(guān)研究進(jìn)行了收集和匯總，總計檢索到研究性論文近200篇，這些研究報道了硅對鹽脅迫 (salt stress)、干旱脅迫 (drought stress)、重金屬和非金屬脅迫 (Al、As、Cd、Cu、Mn、Pb、Sb、Zn脅迫)、生物脅迫 (biotic stress)、冷害脅迫 (freezing stress)、低氧脅迫 (hypoxia stress)、營養(yǎng)缺乏脅迫(nutrient deficiency)、紫外脅迫 (UV-B stress)、酸雨脅迫 (acid rain stress) 的緩解作用；硅對植物細(xì)胞壁(cell wall) 和營養(yǎng)和吸收 (nutrient and absorbing) 的影響；以及硅轉(zhuǎn)運體 (silicon transporter) 的克隆和在植物抗逆過程中所起的作用。從大數(shù)據(jù)分析結(jié)果 (圖1)來看，目前硅與逆境脅迫的相關(guān)研究主要集中在硅與鹽脅迫、重金屬和非金屬脅迫以及干旱脅迫三個方面，其中以鹽脅迫研究最為系統(tǒng)和全面，研究材料涉及單子葉植物，如水稻、小麥、大麥、高粱、玉米，雙子葉植物，如黃瓜、番茄、煙草、南瓜、花生，和木本植物，如芒果、苦楝樹、香蕉等。研究內(nèi)容涉及到硅與水分代謝 (water metabolic)，光合(photosynthesis)，氧化脅迫 (oxidative stress)，離子含量 (ion content)，激素 (hormone)，多胺 (polyamine)，以及硅轉(zhuǎn)運體 (Si transporter) 等七個方面。因此，本綜述重點關(guān)注與鹽脅迫相關(guān)研究，并從目前研究較多的硅的吸收和轉(zhuǎn)運、離子平衡、水分代謝、活性氧和光合、組學(xué)研究等方面對有關(guān)硅緩解鹽脅迫的主要機(jī)制進(jìn)行了綜述，以及針對現(xiàn)有研究的不足提出了亟需進(jìn)一步深入探索的研究方向，旨在為后續(xù)研究提供參考。

圖 1 硅與逆境脅迫相關(guān)研究以及硅緩解鹽脅迫的主要研究方向Fig. 1 Researches on the beneficial effects of silicon on abiotic and biotic stress and the main aspects that related to the alleviation effect of silicon on salt stress

2 植物對硅的吸收及轉(zhuǎn)運

硅 (Si) 在土壤中的含量僅次于氧，占地殼的28%。植物主要吸收和利用單分子的硅酸Si(OH)4，但是在土壤中，硅主要以化合物如氧化物和硅酸鹽的形式存在，單硅酸和可轉(zhuǎn)化為單硅酸的鹽類含量甚微，大部分都無法被植物吸收[11-12]。此外，隨著各種化學(xué)肥料的大量使用和土地的過度種植，土壤中能被植株所吸收的硅被大量消耗，造成了許多土壤的供硅不足。研究植物對土壤中有效硅的吸收和轉(zhuǎn)運的機(jī)理，可為實際生產(chǎn)中硅肥的合理使用提供理論依據(jù)。

盡管所有的植物都含有硅，但由于不同植物根系對硅吸收能力存在差異，植物體內(nèi)硅含量在不同物種之間差異很大[13]。一般來說，植物中吸收硅的方式有主動、被動和拒絕三種，所對應(yīng)的硅積累植物類型分別是：1) 高積累型 (Si accumulator) 這類植物對硅的吸收量大于隨水分吸收進(jìn)入植物的硅量，以干重計，SiO2在地上部的硅積累量大于1%，如水稻 (Oryza sativaL.)、高粱 (Sorghum bicolorL.) 等；2)中間型 (intermediate type) 該類植物對硅的吸收速率和對水分的吸收速率一致，以干重計，地上部硅積累量在0.5%～1%，如黃瓜 (Cucumis sativusL.) ；3)低積累型 (excluder) 這種類型的植物對硅的吸收速率低于對水分的吸收速率，以干重計，地上部硅積累量小于0.5%，如番茄 (LycopersiconesculentumMill.)[14-16]。但是，植物對硅的吸收方式往往并不是只有一種，例如水稻、玉米 (Zea maysL.)、向日葵(Helianthus annuusL.) 和冬瓜 (Benincasehispida) 中，硅的主動吸收和被動吸收是同時存在的，這可能與植物類型和外界環(huán)境中硅含量的不同有關(guān)[17]。此外，植物對硅的積累類型也可以用Si/Ca比值來劃分，Si/Ca ＞ 1的植物對硅的吸收為主動吸收類型，0.5 ＜Si/Ca ＜ 1和Si/Ca ＜ 0.5分別為被動和拒絕吸收硅的類型，但是這種分類方法存在一定的問題，例如當(dāng)植株遭受鹽脅迫時，植物對Ca的吸收會受到一定影響，此時用這個標(biāo)準(zhǔn)來劃分硅吸收類型則是不合理的[14，18]。

通常認(rèn)為，硅以單硅酸的形式從土壤溶液中被植物的根系吸收，通過木質(zhì)部蒸騰流向地上部運輸，最終經(jīng)過蒸騰脫水以無定型硅 (SiO2·nH2O) 或植物蛋白石的形式沉積在植株不同組織的細(xì)胞壁和細(xì)胞間隙中，少量則以溶解態(tài)單硅酸或可溶性硅酸鹽的形式參與植物生理生化過程[10，19-20]。近年來，關(guān)于植物對硅吸收和運輸?shù)难芯咳〉昧艘欢ㄟM(jìn)展。到目前為止，已經(jīng)從單子葉植物水稻[21-22]、玉米[23-24]、大麥 (Hordeum vulgareL.)[23，25-26]、小麥 (Triticum aestivumL.)[27]和雙子葉植物南瓜 (Cucurbita moschataDuch.)[28]、黃瓜[29]以及木賊屬植物木賊(Equisetum arvense)[30]等作物中鑒定到多個硅轉(zhuǎn)運蛋白 (圖2)。水稻中，Ma等 (2002) 利用鍺和硅化學(xué)性質(zhì)類似這一特點，篩選出了硅吸收量僅為野生型水稻十幾分之一的硅突變體水稻，隨后Ma等[21-22]利用該突變株克隆到了兩個位于根系的硅轉(zhuǎn)運蛋白OsLsi1和OsLsi2。OsLsi1及其同源基因編碼硅輸入蛋白，屬于水通道蛋白家族的NIP亞家族 (Nod26-like major intrinsic protein)，定位于根系外皮層和內(nèi)皮層凱氏帶細(xì)胞的外側(cè)質(zhì)膜上，負(fù)責(zé)將根系外面的硅轉(zhuǎn)運到根系外皮層細(xì)胞。而OsLsi2及其同源基因則編碼硅輸出蛋白，屬于陰離子轉(zhuǎn)運體 (anion transporters)，定位于根系外皮層和內(nèi)皮層凱氏帶細(xì)胞的內(nèi)側(cè)質(zhì)膜上，負(fù)責(zé)將細(xì)胞內(nèi)的硅轉(zhuǎn)運到木質(zhì)部[21-22]。

圖 2 已克隆植物硅轉(zhuǎn)運體的系統(tǒng)發(fā)育分析Fig. 2 The phylogenetic analysis of cloned Si transporters in plants

目前，在不同物種中鑒定到的Lsi1和Lsi2均定位于細(xì)胞質(zhì)膜上，但是它們在根系細(xì)胞上的定位隨著物種的不同而存在一定差異。例如，大麥中，HvLsi1定位在胚根表皮細(xì)胞和皮層細(xì)胞以及側(cè)根下皮細(xì)胞的外側(cè)，而HvLsi2僅定位于根系內(nèi)皮層細(xì)胞質(zhì)膜上，其分布沒有極性[23，25-26]。Mitani等[28]在南瓜中鑒定到具有硅輸入功能的硅轉(zhuǎn)運蛋白CmLsi1，亞細(xì)胞定位結(jié)果表明CmLsi1定位在所有根系細(xì)胞的質(zhì)膜上，其分布不具有極性。最近，Sun等[29]在黃瓜中鑒定到一個硅轉(zhuǎn)運體CsLsi1，該轉(zhuǎn)運體位于根尖和根毛細(xì)胞內(nèi)皮層和外皮層細(xì)胞的遠(yuǎn)軸端，負(fù)責(zé)將硅從細(xì)胞外轉(zhuǎn)運到細(xì)胞內(nèi)。除了Lsi1和Lsi2外，Yamaji等[31-32]發(fā)現(xiàn)另外一個硅轉(zhuǎn)運蛋白OsLsi6，該轉(zhuǎn)運蛋白主要在水稻葉鞘和葉片靠近導(dǎo)管側(cè)的木質(zhì)部薄壁細(xì)胞質(zhì)膜上表達(dá)，負(fù)責(zé)將木質(zhì)部汁液中的硅卸載和分配到葉肉組織中[31-32]。此外，OsLsi6也在根尖的細(xì)胞質(zhì)膜中表達(dá)，其功能不是將根系吸收的硅向地上部運輸，而是將其留在根尖，從而提高根系對水分脅迫的耐受能力。這些硅轉(zhuǎn)運蛋白在細(xì)胞定位上的差異可能是影響不同物種的硅吸收能力的主要因素之一，因此，更多物種中硅轉(zhuǎn)運體的功能需要進(jìn)一步的研究。

3 外源硅緩解鹽脅迫的機(jī)理

鹽脅迫是威脅全球農(nóng)業(yè)的重要因素之一。鹽脅迫對植物的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1) 滲透脅迫。土壤中鹽離子的濃度過高，會降低土壤溶液的滲透勢，降低植株根系對水分吸收的能力，造成生理干旱。2) 離子毒害。鹽脅迫造成的離子毒害主要是Na+和Cl-毒害，過多的Na+和Cl-在細(xì)胞內(nèi)的積累會造成離子不平衡和代謝失調(diào)。3) 離子不平衡 (營養(yǎng)失調(diào))。高鹽環(huán)境中植物吸收過多的Na+離子，由于離子間的拮抗作用，抑制其他一些必需元素如Ca和K的吸收，引起生育障礙[10，33-34]。大量研究表明，硅在多種植物響應(yīng)鹽脅迫的過程中起到非常重要的作用[35-36]。在此，筆者對目前報道的硅緩解植株鹽脅迫的主要機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)。

3.1 外源硅對鹽脅迫下植物離子平衡的影響

高濃度的鹽離子，特別是Na+和Cl-往往會影響植株對其他營養(yǎng)元素如K、Ca等的吸收，并且會導(dǎo)致細(xì)胞膜透性增加，電解質(zhì)外滲，引起細(xì)胞代謝紊亂和失調(diào)[33-34]。目前，關(guān)于硅緩解植物鹽脅迫機(jī)理的研究多集中在緩解離子毒害上。研究表明，加硅可以顯著降低植株地上部和根系Na+的積累。在鹽脅迫處理后的大麥中，加硅可以顯著降低根系Na+和Cl-的水平，同時增加K+的含量，并且可以使Na+和K+更均勻的分布在整個根系中以降低其對根系的傷害，這也被認(rèn)為是硅緩解大麥鹽脅迫的主要機(jī)理之一[37]。在苜蓿中，同單獨鹽脅迫相比，加硅顯著降低根系的Na+含量，增加地上部K+的含量，對地上部Na+積累沒有影響[38]。但是，在水稻中，Gong等[19]研究表明，加硅沒有改變水稻根系和地上部K+以及根系Na+含量，而是通過在根系內(nèi)皮層和外皮層的沉積，降低根系Na+隨木質(zhì)部蒸騰流向地上部的運輸。隨后，Yin等[39]在短期鹽脅迫處理后的高粱中也發(fā)現(xiàn)硅可以顯著降低葉片Na+含量，但這一降低是否與改變根系結(jié)構(gòu)和/或降低木質(zhì)部蒸騰流有關(guān)尚不清楚。而在小麥中，Tuna等[40]報道加硅可以同時降低Na+在小麥地上部和根系的積累，促進(jìn)鹽脅迫下小麥的生長。Garg和Bhandari[41]發(fā)現(xiàn)加硅可以降低鷹嘴豆(Cicer arietinumL.) 根系對Na+的吸收以及向葉片的轉(zhuǎn)運，提高K+/Na+比值。從這些研究可以看出，加硅可以通過降低根系對Na+的吸收和/或向地上部的轉(zhuǎn)運來緩解鹽脅迫帶來的損傷，但是這一機(jī)理具有物種和品種間的差異，并且不同物種間硅對Na+吸收的調(diào)控可能受根系硅吸收能力的影響。

在高鹽環(huán)境中，植物可以通過對離子的選擇性吸收、外排和區(qū)域化分布來維持細(xì)胞正常生理代謝所需要的離子穩(wěn)態(tài)。Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運蛋白在Na+的外排和區(qū)隔化分布到液泡的過程中起到非常重要的作用。在高等植物中，位于細(xì)胞質(zhì)膜上的H+-ATPase利用ATP水解產(chǎn)生的能量將H+泵出到細(xì)胞外，由此產(chǎn)生一個跨膜的質(zhì)子梯度，為質(zhì)膜上的Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運蛋白提供驅(qū)動力，將H+順電化學(xué)梯度轉(zhuǎn)運至細(xì)胞的同時將Na+逆著其電化學(xué)梯度排至細(xì)胞外[42-43]。前人在大麥中的研究表明，同單獨鹽脅迫相比，加硅顯著提高根系質(zhì)膜H+-ATPase，以及液泡膜H+-ATPase和H+-PPase的活性[44-45]。硅介導(dǎo)的H+-ATPase活性的升高有利于Na+的外排，而液泡膜H+-ATPase和H+-PPase活性的升高則有利于根系Na+區(qū)隔化分布到液泡中，從而降低根系鹽離子毒害[44-45]。但是，硅對Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運蛋白、質(zhì)膜H+-ATPase和液泡膜H+-ATPase的活性是否具有直接調(diào)控作用仍需進(jìn)一步研究。此外，土壤中鹽離子濃度過高會影響植物對其他元素如N、Ca、P、Mg、Fe等的吸收，造成植株體內(nèi)離子平衡失調(diào)。加硅可以提高多種植物根系和葉片大量元素如Ca、P、Mg和微量元素如B、Fe、Zn、Mn 等的含量[46-49]。

近期，一些研究者提出硅對鹽脅迫下離子含量，特別是Na+和K+含量的影響可能與硅對多胺代謝的調(diào)控有關(guān)。多胺是生物中普遍存在的，它是在代謝過程中產(chǎn)生的一類低分子量脂肪族含氮物。在植物中主要以游離態(tài)、結(jié)合態(tài)和束縛態(tài)三種形態(tài)存在[50]。鹽脅迫下，多胺可以調(diào)節(jié)植物體內(nèi)Na+和K+經(jīng)由非選擇性離子通道 (non-selective cation channels) 的運輸，降低Na+毒害[51]。在高粱中，Yin等[52]發(fā)現(xiàn)加硅可以通過提高游離態(tài)和總多胺含量，降低Na+積累，并且這一結(jié)果經(jīng)過外源施加亞精胺 (spermidine，Spd)以及多胺合成抑制劑DCHA (dicyclohexylammonium sulphate) 的試驗得到了進(jìn)一步的驗證。同加硅一樣，外源施加Spd也可促進(jìn)鹽脅迫下高粱的生長，但是外源施加DCHA消除了硅對鹽脅迫下高粱生長的促進(jìn)以及硅對Na+積累的降低效果。Wang等[53]在黃瓜中也發(fā)現(xiàn)硅對鹽脅迫下多胺含量具有一定的調(diào)控作用。但是，多胺對K+的調(diào)節(jié)作用與植物特別是根系的生長情況有關(guān)，在一定條件下，多胺不僅不會降低，反而會促進(jìn)鹽脅迫下K+的外流[54]。因此，硅是否通過調(diào)節(jié)多胺代謝，以及在何種條件下可以通過調(diào)節(jié)多胺代謝降低Na+積累需要更多的試驗證據(jù)來支持。

越來越多的研究表明，降低Na+含量并不是硅緩解植物鹽脅迫的唯一機(jī)理。例如在番茄中，Romero-Aranda等[55]研究發(fā)現(xiàn)，加硅并沒有降低葉片Na+和Cl-濃度，而是通過提高組織含水量對已經(jīng)吸收的鹽離子起到稀釋作用。Chen等[56]在小麥中的研究顯示，加硅既可以緩解鹽脅迫造成的離子毒害，又可以緩解其造成的滲透脅迫，并且對后者的緩解效果更加明顯。在黃瓜中，Zhu等[4]認(rèn)為，硅對黃瓜地上部和根系Na+含量的影響具有品種間的差異，并且在兩個黃瓜品種中，降低植株Na+含量均不是硅緩解黃瓜鹽脅迫的主要機(jī)理。但是，目前關(guān)于硅緩解鹽脅迫造成的滲透脅迫的研究有限，不利于進(jìn)一步揭示硅緩解鹽脅迫的機(jī)理。因此，硅對鹽脅迫下植株水分狀況的調(diào)控機(jī)理亟需探討。

3.2 外源硅對鹽脅迫下植物水分狀況的影響

鹽脅迫下，外界環(huán)境和植物內(nèi)部之間的滲透差會引起滲透脅迫，當(dāng)外界環(huán)境的滲透勢高于細(xì)胞內(nèi)部的滲透勢時，根系吸水困難，造成生理干旱。短期鹽脅迫下，由于高濃度鹽離子引起的滲透脅迫是影響植物生長的主要脅迫，但前期關(guān)于硅緩解鹽脅迫的研究多集中在緩解離子脅迫方面，硅對鹽脅迫下水分代謝的影響僅僅涉及到蒸騰速率、葉片含水量等方面，而對于硅調(diào)控水分吸收和轉(zhuǎn)運調(diào)控規(guī)律的綜合研究較少。早期的研究認(rèn)為，硅可通過在植物葉片表面的沉積降低蒸騰速率，減少植株蒸騰失水，維持植株內(nèi)較高的水分含量[57]。但是也有研究表明，加硅可提高葉片的蒸騰速率[19]。近期，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫下加硅可以促進(jìn)根系對水分的吸收，增加植株含水量。Li等[47]在番茄中的研究表明，加硅可以促進(jìn)根系生長，同時提高根系水力學(xué)導(dǎo)度和葉片水分含量。Liu等[58]報道，高粱中，硅可以通過調(diào)節(jié)水通道蛋白的活性緩解鹽脅迫造成的根系水導(dǎo)的降低，促進(jìn)根系水分吸收，提高葉片含水量，而葉片水分含量的升高有利于維持氣孔處于開放狀態(tài)，提高對CO2的利用效率，有利于光合作用的正常進(jìn)行。Zhu等[4]在兩個黃瓜品種‘津優(yōu)1號'和 ‘津春5號' 中的研究發(fā)現(xiàn)，加硅可通過提高根系質(zhì)膜水通道蛋白的表達(dá)提高鹽脅迫下根系水力學(xué)導(dǎo)度，同時提高莖水導(dǎo)，促進(jìn)根系對水分的吸收以及水分向地上部的轉(zhuǎn)運，最終增加葉片含水量，對已經(jīng)吸收的鹽離子起到稀釋的作用，緩解鹽離子帶來的毒害。此外，加硅還增加了黃瓜根系的活躍吸收面積和根系的水分吸收速率，但是硅的這一作用是否與根系結(jié)構(gòu)的改善有關(guān)尚不清楚。Wang等[53]在另一個黃瓜品種，‘津春10號'中也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果，但不同的是，加硅在改善了黃瓜‘津春10號'地上部含水量的同時，還顯著降低了葉片Na+含量，增加了K+含量，這可能和兩個研究中所用黃瓜品種、鹽脅迫時間和濃度不同有一定關(guān)系。在硅改善植株水分狀況的研究中，有研究者認(rèn)為硅在細(xì)胞壁上的沉積提高了木質(zhì)部導(dǎo)管的親水性，從而影響水分在木質(zhì)部的運輸能力[59]。但是Liu等[60]提出，在高粱中，莖水導(dǎo)不是影響水分脅迫條件下水分運輸?shù)闹饕拗埔蛩?。因此，硅對不同植物?dǎo)管結(jié)構(gòu)的影響需要進(jìn)一步研究。此外，在證明硅可以通過提高質(zhì)膜水通道蛋白的表達(dá)來提高根系水導(dǎo)的研究中，研究者均用到了水通道蛋白抑制劑HgCl2[4，58，60]。例如，在高粱中，鹽脅迫下加硅處理可顯著提高葉片的蒸騰速率，但是經(jīng)HgCl2處理后，鹽脅迫和鹽加硅處理的蒸騰速率均大大降低，并且差異消失，但是經(jīng)恢復(fù)劑恢復(fù)之后，蒸騰速率均上升，且不同處理間蒸騰速率的差異也得到恢復(fù)[60]。但需要注意的是，Hg2+既可以作為水通道蛋白抑制劑，也可以抑制K+的吸收，而K+是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，對根系水分的吸收和運輸具有調(diào)控作用[61-62]。硅對水通道蛋白表達(dá)和活性的調(diào)控機(jī)制需要更多的試驗證據(jù)來揭示和證明。

為保證鹽脅迫下水分的正常供應(yīng)，細(xì)胞內(nèi)會合成和積累一些分子量低、并且在較高濃度下對細(xì)胞沒有毒性的有機(jī)溶質(zhì)來提高植株的滲透調(diào)節(jié)能力。這些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)主要包括脯氨酸、甜菜堿和可溶性糖等[34，63]。一些研究表明硅參與調(diào)控植株內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累，例如在高粱和煙草中，研究者均發(fā)現(xiàn)加硅可顯著增加植株可溶性糖的含量，降低脯氨酸含量[39，64]。黃瓜中，同單獨鹽脅迫相比，加硅可以通過增加根系可溶性糖 (主要是蔗糖和葡萄糖) 的積累，降低根系木質(zhì)部汁液滲透勢，促進(jìn)根系對水分的吸收，但硅的這種調(diào)控作用具有品種間的差異[3-4]。

從這些研究結(jié)果可以看出，加硅可以通過促進(jìn)根系生長、調(diào)節(jié)根系水通道蛋白的表達(dá)、改善滲透調(diào)節(jié)能力和提高莖水導(dǎo)等一系列機(jī)理促進(jìn)脅迫條件下植物對水分的吸收和向地上部的轉(zhuǎn)運，維持脅迫條件下植株水分吸收和散失的平衡，緩解鹽脅迫造成的滲透脅迫。

3.3 外源硅對鹽脅迫下抗氧化系統(tǒng)和光合作用的影響

正常生長條件下，植物細(xì)胞內(nèi)活性氧 (ROS)，如超氧陰離子 ()、過氧化氫 (H2O2)、羥自由基 (·OH)等的產(chǎn)生和清除之間會保持一種動態(tài)平衡，而鹽脅下這種平衡被破壞，造成活性氧在植物體內(nèi)大量積累，引起氧化損傷[63]。植物中常見的自由基清除系統(tǒng)包括酶促系統(tǒng)和非酶促系統(tǒng)。酶促系統(tǒng)主要包括超氧化物歧化酶 (SOD)、過氧化物酶 (POD)、過氧化氫酶 (CAT) 和抗壞血酸過氧化物酶 (APX) 等。非酶促系統(tǒng)主要包括維生素E、抗壞血酸、谷胱甘肽還原酶 (GR) 等[63]。很多研究結(jié)果表明硅可調(diào)節(jié)鹽脅迫下植株體內(nèi)活性氧清除系統(tǒng)的活性以及非酶促抗氧化的能力。大麥中，硅可以提高CAT、SOD和GR的活性，但是對APX的活性基本沒有影響[65]。而在黃瓜中，外源加硅能顯著增強(qiáng)APX、SOD、GPX和GR的活性，但是對CAT的活性基本沒有影響[5]。在番茄中，加硅可顯著提高鹽脅迫下SOD、CAT活性，以及抗壞血酸的含量，減少H2O2產(chǎn)生和質(zhì)膜氧化損傷[47]。鷹嘴豆中，無論是單獨加硅還是硅和叢枝菌根菌結(jié)合使用均可以通過增強(qiáng)抗氧化酶，如SOD、CAT、愈創(chuàng)木酚氧化酶 (GPOX) 等的活性，緩解鹽脅迫造成的活性氧迸發(fā)[41]。甘草 (Glycyrrhiza uralensis) 中，Li等[66]研究表明，同單獨鹽脅迫相比，外源施加1、2、4和6 mmol/L的硅均可以提高POD活性，降低丙二醛 (MDA) 濃度，但是只有在硅濃度為4 mmol/L時才顯著提高SOD的活性。類似的，在秋葵 (Abelmoschus esculentus)[67]、葡萄 (Vitis viniferaL.)[68]、水稻[69]等物種中也發(fā)現(xiàn)硅可以調(diào)節(jié)抗氧化酶活性，降低活性氧 (如H2O2) 和MDA的產(chǎn)生和積累，緩解鹽脅迫引發(fā)的氧化損傷。這些結(jié)果表明，盡管硅對鹽脅迫下抗氧化系統(tǒng)的調(diào)控作用因植物種類、處理時間、處理濃度和生長條件而異，但是總體來說，硅可以通過調(diào)節(jié)鹽脅迫下植株的抗氧化能力降低活性氧的積累。此外，值得注意的是：1)上述很多結(jié)果都是通過水培試驗得到的，硅緩解鹽脅迫造成的氧化損傷的結(jié)果需要通過田間試驗進(jìn)行驗證；2) 硅對鹽脅迫下植株抗氧化酶系統(tǒng)具有直接的調(diào)節(jié)作用還是通過改善離子平衡后的間接影響仍需進(jìn)一步研究。

光合作用是決定作物產(chǎn)量的關(guān)鍵，鹽脅迫對植物生長的抑制可歸因于脅迫造成的光合能力的降低[39]。鹽脅迫造成植物光合速率降低的原因主要包括：1)改變負(fù)責(zé)光反應(yīng)的細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)和功能；2) 離子毒害；3) 影響CO2擴(kuò)散到結(jié)合部位；4) 抑制同化產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移[63，70]。研究表明，加硅可以提高鹽脅迫下植株的凈光合速率[3]。并且硅對鹽脅迫下植物光合作用的改善機(jī)理可以從以下幾個方面進(jìn)行總結(jié)：首先，鹽脅迫下加硅可通過降低離子毒害和活性氧的積累維持負(fù)責(zé)光反應(yīng)的細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)和功能。葉綠體是進(jìn)行光合作用的主要場所，葉綠素是光合作用的重要物質(zhì)，參與光能的吸收、傳遞、分配和轉(zhuǎn)化，其含量在一定程度上可反映植物光合作用的強(qiáng)弱[3]。鹽脅迫下，活性氧在葉綠體的積累會破壞葉綠體膜結(jié)構(gòu)，影響光合功能。而鹽離子如Na+含量的增加影響葉綠素的生物合成，加劇色素降解[3，33]。研究表明，加硅可以通過降低活性氧和Na+積累來降低鹽脅迫對植物葉片葉綠體類囊體結(jié)構(gòu)的破壞，保持葉綠體結(jié)構(gòu)的完整性，同時增加植株葉片葉綠素含量[71]。其次，鹽脅迫會影響CO2擴(kuò)散到結(jié)合部位，降低CO2利用效率。朱永興等[72]報道，番茄中，鹽脅迫下氣孔導(dǎo)度的降低限制了CO2向葉綠體輸送，而加硅可在一定程度上提高氣孔導(dǎo)度，降低光合作用的氣孔限制，維持葉片較高的光合速率。同樣，在抗鹽性不同的兩個秋葵品種中，Abbas等[67]研究發(fā)現(xiàn)，加硅可以提高葉片氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、氣孔數(shù)目和體積。這些結(jié)果表明，鹽脅迫下加硅有利于維持光合器官和光合色素的完整性，同時提高植株的CO2利用率，保證光合的正常進(jìn)行。最后，鹽脅迫會影響光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運和分配，使光合產(chǎn)物如可溶性糖和淀粉等在葉片中大量積累，導(dǎo)致光合作用的反饋抑制，造成植株生長緩慢甚至停止[73]。目前，關(guān)于硅對碳水化合物代謝的系統(tǒng)研究較少，在黃瓜中，Zhu等[3]研究發(fā)現(xiàn)加硅可通過調(diào)節(jié)碳水化合物代謝相關(guān)酶的活性，降低可溶性糖和淀粉在葉片中的積累，同時促進(jìn)同化產(chǎn)物從地上部向地下部的轉(zhuǎn)運，由此緩解光合產(chǎn)物積累對光合作用的反饋抑制，提高凈光合速率，并且為鹽脅迫下根系的生長提供能量。但是關(guān)于硅對碳水化合物代謝的分子機(jī)理有待進(jìn)一步研究。近年來，葉綠素?zé)晒鈪?shù)已被廣泛的用來反映脅迫條件下植株光合作用中各個反應(yīng)過程[74-75]。黃瓜中，鹽脅迫顯著降低PSII最大光化學(xué)效率Fv/Fm，PSII有效光化學(xué)效率Fv'/Fm'，PSII實際光化學(xué)效率ΦPSII，以及光化學(xué)猝滅系數(shù)qP，同時提高非光化學(xué)猝滅系數(shù) (NPQ)，而加硅可提高鹽脅迫下Fv/Fm、Fv'/Fm'、ΦPSII和qP，降低NPQ，這些結(jié)果表明外源加硅可增大PSII反應(yīng)中心開放程度和活性，有利于將更多的能量用于PSII電子傳遞，提高光合色素將光能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能的效率[3]。類似的，蘆薈 (Aloe veraL.) 中，Xu等[48]報道，同單獨鹽脅迫相比，加硅可以降低光下最小熒光Fo，增大可變熒光Fv和PSII潛在活性 (Fv/Fo)，提高鹽脅迫下蘆薈的光合效率。

總之，硅可以通過降低鹽離子含量以及活性氧的產(chǎn)生和積累以及調(diào)節(jié)碳水化合物代謝來提高植株的光合能力，維持脅迫條件下植株的正常生長。但是硅對活性氧和碳水化合物代謝調(diào)控的分子機(jī)理，如對相關(guān)酶基因表達(dá)水平的調(diào)控作用，需要進(jìn)一步深入研究。

3.4 外源硅對鹽脅迫下植物蛋白質(zhì)組和基因表達(dá)的影響

盡管關(guān)于硅緩解鹽脅迫的生理機(jī)制已經(jīng)有較多研究，但是硅緩解鹽脅迫的分子機(jī)理尚不清楚，在此，本文對已報道的硅對鹽脅迫下植物基因表達(dá)、蛋白組和轉(zhuǎn)錄組的調(diào)控機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)。

Kim等[76]研究表明，鹽脅迫處理6 h和12 h后，加硅顯著上調(diào)水稻ABA合成相關(guān)基因ZEP (zeaxanthin epoxidase)、NCED1 (9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase 1) 和NCED4 (9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase 4) 的表達(dá)，但是在處理24 h之后顯著降低了這些基因的表達(dá)。在高粱和黃瓜中，加硅可以通過提高根系質(zhì)膜水通道蛋白的表達(dá)，促進(jìn)根系導(dǎo)水率，提高根系吸收水分的能力[4，58]。在煙草 (Nicotiana tabacum) 中，Liang等[77]研究認(rèn)為，硅和乙烯信號途徑存在互作，加硅可以迅速上調(diào)乙烯合成關(guān)鍵基因1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸氧化酶 (1-Aminocyclopropane-1-carboxylic acid (ACC) oxidase，ACO) 和 1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸合成酶 (1-Aminocyclopropane-1-carboxylic acid (ACC) synthase，ACS) 的表達(dá)，提高乙烯的含量，調(diào)控植株對鹽脅迫的響應(yīng)。但是在沒有乙烯存在的情況下，加硅不僅不能提高細(xì)胞對鹽脅迫的抗性，還會促進(jìn)H2O2的產(chǎn)生，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。

隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)的迅速發(fā)展，對植物耐鹽性的研究也深入到基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等組學(xué)水平。但是目前關(guān)于硅緩解鹽脅迫的研究在組學(xué)水平的報道較少。在番茄中，Muneer和Jeong[78]研究發(fā)現(xiàn)鹽/非鹽脅迫下加硅處理共檢測到40個蛋白差異表達(dá)，這些差異表達(dá)的蛋白大多同響應(yīng)脅迫、激素和轉(zhuǎn)錄調(diào)控等通路相關(guān)，同時，硅可通過調(diào)控響應(yīng)鹽脅迫的轉(zhuǎn)錄因子 (leDREB-1、leDREB-2和leDREB-3)、抗氧化酶相關(guān)基因(leSOD、leCAT和leAPX) 和硅轉(zhuǎn)運體 (leLsi-1、leLsi-2和leLsi-3) 等一系列基因的表達(dá)，調(diào)控激素含量和抗氧化酶活性，緩解鹽脅迫帶來的傷害。非脅迫條件下，Chain等[79]和Watanabe等[80]的研究發(fā)現(xiàn)，加硅僅誘導(dǎo)小麥和水稻中少數(shù)的基因差異表達(dá)(小麥中47個，水稻中20個)。同樣，在擬南芥(Arabidopsis thaliana) 中，單獨加硅僅誘導(dǎo)2個基因差異表達(dá)[81]。但是也有一些研究表明，非脅迫條件下，硅也可調(diào)控大量基因上/下調(diào)表達(dá)。Van Bockhaven等[82]和Brunings等[83]報道，水稻中，加硅分別可誘導(dǎo)221和1822個基因差異表達(dá)，證明硅對水稻的正常生長代謝起到非常重要的作用[82-83]。水稻中這些研究的差異可能和研究所用測序平臺、水稻品種以及培養(yǎng)條件不同有關(guān)。黃瓜中，Holz等[84]運用RNA-seq技術(shù)研究了硅對黃瓜組培苗基因表達(dá)的影響，結(jié)果顯示，加硅分別誘導(dǎo)572和564個基因上/下調(diào)表達(dá)，功能分析表明這些差異表達(dá)的基因主要參與到植物光合、生物合成和離子轉(zhuǎn)運等初級代謝過程。最近，Zhu等[85]利用RNA-seq研究了硅對鹽脅迫下黃瓜葉片基因表達(dá)的影響，結(jié)果表明，鹽脅迫誘導(dǎo)大量基因差異表達(dá)，而鹽脅迫下加硅后，這些差異表達(dá)的基因傾向于恢復(fù)到對照水平，暗示硅可能起到類似于激發(fā)因子（elicitor）的作用，使植物為可能的逆境條件做好準(zhǔn)備。利用轉(zhuǎn)錄組、代謝組和離子組等技術(shù)開展硅對植物鹽脅迫的研究有助于揭示硅提高植物耐鹽性的分子機(jī)理，但是目前這方面的研究仍然較少。

3.5 硅突變體水稻在研究硅緩解鹽脅迫機(jī)理中的應(yīng)用

鍺 (Ge) 和硅具有相似的積累方式，植物對兩者的吸收具有一定的競爭作用。利用鍺的這一特點，Ma等[86]篩選出了硅吸收量遠(yuǎn)低于野生型的硅突變體水稻，為后續(xù)研究硅對水稻生長發(fā)育的影響奠定了基礎(chǔ)。例如，Isa等[87]研究發(fā)現(xiàn)，盡管硅突變體水稻葉片中僅僅形成了較少的植硅體，加硅仍然可以顯著促進(jìn)硅突變體水稻的生長，這可能與硅參與改變細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)有關(guān)，證明硅參與到水稻的生理生化代謝過程。張文強(qiáng)等[88]利用該突變體研究了硅對鹽脅迫下野生型和硅突變體水稻種子萌發(fā)的影響，結(jié)果表明，外源硅對突變體水稻的芽長、芽重和發(fā)芽率的提高幅度要顯著大于野生型水稻，這可能是由于突變體種子胚和種皮發(fā)生了變化，可以更高效率地利用硅。但是，關(guān)于硅對鹽脅迫下突變體和野生型水稻幼苗營養(yǎng)元素吸收和生物量的影響的研究結(jié)果表明，鹽脅迫下加硅沒有顯著改善植株干物質(zhì)積累和各種元素的吸收，這可能是由于突變體對硅的吸收量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于野生型導(dǎo)致的[89]。硅吸收突變體的應(yīng)用可以幫助研究者更好的揭示植物對硅的吸收、轉(zhuǎn)運以及硅在植株生長發(fā)育過程中發(fā)揮的作用。

4 結(jié)語與展望

硅在地殼中豐富的含量和它對植物生長的有益作用奠定了其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要地位。目前，關(guān)于硅緩解植物鹽脅迫的機(jī)理已經(jīng)有大量報道，本文針對已有的研究，從硅調(diào)節(jié)離子平衡、水分狀況、活性氧和光合、組學(xué)等四個方面進(jìn)行了整理和匯總。值得注意的是，在硅緩解鹽脅迫的過程中，這些機(jī)理并不是獨立存在的，相互之間均具有一定的聯(lián)系，例如，硅可以通過改善離子平衡和水分狀況減少活性氧的產(chǎn)生，提高光合效率，最終保證脅迫條件下生長的正常進(jìn)行。此外，通過已有的研究結(jié)果可以看出，硅對植物抗鹽能力的調(diào)控具有物種和品種間的差異，這可能主要是由于不同植物吸收硅的能力不同。其次，不同的研究中所用硅濃度、脅迫時間和強(qiáng)度、試驗材料培養(yǎng)方式 (水培和土培)、硅的施加方式 (噴施和根施) 以及測試所用的材料 (根系、葉片和莖) 也會影響到硅的作用效果。再者，由于鹽脅迫對植物的傷害包括滲透脅迫和離子毒害，研究表明，硅對鹽脅迫造成的滲透脅迫和離子毒害的緩解機(jī)理不同，而在實際操作中不容易對兩者進(jìn)行區(qū)分，因此這也會導(dǎo)致相同物種在不同的處理時期對外源加硅的響應(yīng)不同。盡管如此，總體來說，硅可以顯著緩解鹽脅迫對多種植物的傷害。根據(jù)已有的研究進(jìn)展，筆者認(rèn)為關(guān)于硅緩解鹽脅迫的研究在以下四個方面需要深入：1) 隨著組學(xué)研究方法的不斷發(fā)展，硅緩解植物脅迫的分子機(jī)理也深入到了轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組等水平，但是目前研究多集中在硅緩解生物脅迫方面，利用組學(xué)手段研究硅緩解非生物脅迫，包括鹽脅迫的報道較少，且不夠深入，此外，代謝組和離子組等水平的研究尚未見報道；2) 越來越多的研究發(fā)現(xiàn)硅可以改善鹽脅迫下植株的水分狀況，鑒于硅轉(zhuǎn)運體本身也是屬于NIPs (nodulin26-like intrinsic proteins) 水通道蛋白家族，因此，硅對不同植物水分代謝的調(diào)控機(jī)理亟需解析，而不同物種中硅轉(zhuǎn)運體的克隆和功能研究可為我們更好的解釋硅對水分代謝的調(diào)控奠定基礎(chǔ)；3) 一些研究表明，加硅可以促進(jìn)脅迫條件下根系的生長[47]、改變根系結(jié)構(gòu) (如促進(jìn)凱氏帶的形成和木質(zhì)素的沉積[88]、調(diào)節(jié)離子在根系不同部位的分布[37])，但是目前關(guān)于硅對根系結(jié)構(gòu) (包括細(xì)胞壁成分) 和根系離子吸收調(diào)控的分子機(jī)理尚不清楚；4) 鹽脅迫下碳水化合物，如可溶性糖和淀粉的積累可以作為能量儲存、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和信號物質(zhì)發(fā)揮重要作用，因此硅對脅迫條件下碳水化合物的調(diào)控作用和調(diào)控機(jī)理值得進(jìn)一步研究。這些研究有助于增加我們從分子層面對硅緩解鹽脅迫的機(jī)理的認(rèn)識，為硅肥在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。