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在植物硅生物地球化学研究中，高硅植物出现的原因不明。研究人员通过实验、实地研究和数据库分析，探究温度对陆地植物硅化表达和出现的作用。结果表明，植物硅变异与全球和长期气候变化密切相关，这为理解植物硅循环提供新视角。
在植物的奇妙世界里，硅元素扮演着重要角色。超过半数的陆地净初级生产力由积极积累硅（Si）的植物贡献，植物硅化，也就是在细胞间和细胞内沉积水合无定形二氧化硅，在过去二十年备受关注，它不仅有助于植物抵御食草动物，还能缓解多种环境压力。然而，植物硅浓度存在高达百倍的差异，高硅物种在进化过程中出现的原因仍是未解之谜。理解这一现象至关重要，因为植物硅化的进化阶段可能在不同时间和空间尺度上影响硅循环及其与碳（C）循环的耦合。
为了揭开这些谜团，浙江大学的研究人员联合多个机构开展了深入研究。他们综合实验、实地研究和现有数据库分析，探究长期温度变化与植物硅化之间的关系，相关成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：通过种植实验，设置不同温度和硅处理组，观察水稻等植物的生长指标；利用全球生物多样性信息设施（GBIF）获取植物分布信息，结合气候数据研究植物硅化与温度的关系；构建系统发育树，分析硅转运蛋白的进化与历史温度的联系；借助已有的硅数据库，研究不同硅含量植物类群的进化与温度波动的关系。
研究结果如下：
- 硅对水稻抗热抗寒能力的影响：以水稻（Oryza sativa L. spp. japonica, var Nipponbare）为实验材料，研究发现，在 30°C 培养 15 天后，添加硅（+Si）和不添加硅（-Si）的水稻在地上部分长度、根长和叶绿素浓度上没有差异。但在高温（40°C）、低温（0°C）或冻融（-2°C 12 小时和 2°C 12 小时交替）胁迫 3 天后，差异显著。高温下，+Si 组水稻的地上部分长度、根长和鲜重显著高于 - Si 组；低温下则相反，+Si 组的根长和鲜重低于 - Si 组；冻融胁迫下，+Si 组水稻明显萎蔫，各项生长指标均显著下降。此外，研究不同需水类型的水稻品种后发现，高温时添加硅促进生长，低温时则有害。
- 温度对水稻硅积累的影响：将水稻幼苗置于 26°C 和 28°C、含 1.0 mM 硅酸的 1/4 强度木村 B 溶液中培养，控制湿度为 70%。10 天后测量发现，温度升高 2°C，水稻叶片硅浓度增加 37%，而对其他元素（除锰外）影响不显著。
- 高低硅植物类群分布与温度的关系：从 GBIF 选取高硅和低硅植物类群各 10 个，分析其分布信息和年均气温（MAT）。结果显示，高硅植物更集中在低纬度地区，其分布区域的平均温度比低硅植物高 1.2°C，中位数和众数分别高 1.6°C 和 6.0°C。
- 叶片硅浓度与气候变量的关系：在中国实地采样小麦（Triticum aestivum L.）、水稻、垂柳（Salix babylonica L.）和迎春花（Jasminum nudiflorum Lindl.），分析发现，小麦和水稻叶片植硅体浓度与 MAT 呈显著正相关，且旱稻的相关性更强；垂柳和迎春花的硅浓度与 MAT 无显著相关性。进一步构建多元回归模型发现，MAT 是影响高硅植物叶片植硅体浓度的最重要正向因素。
- 植物硅化进化与地球温度的关系：构建硅转运蛋白（Lsi1、Lsi2、Lsi3 和 Lsi6）的进化树，发现高硅浓度物种的硅转运蛋白主要在温暖时期进化。分析高硅（>10 mg g-1）和低硅（<1 mg g-1）被子植物家族的进化与历史温度关系，发现 77% 的高硅家族在气候变暖时期出现，86% 的低硅家族在气候变冷时期出现，高硅家族出现时的地球历史温度比低硅家族高 3°C。对 5 个被子植物大科的亚科分析也发现，亚科叶片硅浓度与出现时期的地球温度密切相关。
研究结论表明，温度在植物硅积累中起着重要作用。硅在高温下对植物生长有益，能帮助植物抵御高温胁迫，如通过减少热负荷、防止紫外线辐射、维持细胞完整性等；但在低温下可能对植物有害，会破坏细胞结构，干扰植物的低温适应机制。同时，温度通过影响硅转运蛋白或气孔导度、蒸腾作用等影响植物硅吸收，且这种关系可排除湿度的干扰。从进化角度看，植物硅化很可能受古气候变化影响，高硅植物类群在地球变暖时期出现，低硅植物类群在冷却时期出现。
该研究意义重大，为植物硅化现象提供了新的解释视角，揭示了温度与植物硅化之间的紧密联系，有助于理解植物硅变异，为研究植被在全球生物地球化学循环中的作用提供了重要依据。同时，研究也指出可能存在其他影响植物硅化的因素，为后续研究指明了方向，推动了植物硅生物地球化学领域的发展。
