硅与硫脲协同增强小麦耐盐性的机制研究：从抗氧化防御到光合作用恢复

《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》：Unraveling the Protective Roles of Silicon and Thiourea on Salinity Stress Tolerance of Triticum Aestivum L. Cultivars: from Antioxidant Defense To Photosynthetic Recovery

本研究针对盐胁迫导致小麦减产这一全球性问题，探讨了硅(Si)和硫脲(TU)联合处理对小麦耐盐性的协同保护效应。研究人员发现，Si+TU处理能显著提高光合色素含量、改善叶绿素荧光参数(Fv/Fm、ΦPSII等)、增强抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性，同时降低MDA和H2O2水平，最终提高小麦地上部干重。该研究为利用Si和TU协同提升作物耐盐性提供了新策略。

　　

在全球范围内，土壤盐渍化已成为制约农业生产的主要环境胁迫因素之一。作为世界主要粮食作物的小麦，其对盐分中度敏感，盐胁迫会严重破坏其生长发育过程，最终导致显著减产。盐胁迫通过干扰离子和渗透平衡，引发活性氧(ROS)过量积累，进而损害光合机构功能，降低光合色素浓度，并抑制关键酶活性。面对这一严峻挑战，开发有效的盐胁迫缓解策略对保障粮食安全具有重要意义。

以往研究表明，硅(Si)和硫脲(TU)作为两种具有潜力的生长调节物质，能够单独增强植物对盐胁迫的耐受性。硅是地壳中第二丰富的元素，虽非植物必需营养元素，但已被证明可通过调节抗氧化系统、增强光化学效率、维持离子稳态等多种机制来缓解盐胁迫伤害。硫脲作为一种含硫化合物，则表现出显著的氧化应激缓解能力，通过其氧化还原调节特性来抵消非生物胁迫引起的细胞损伤。然而，关于硅和硫脲联合使用对小麦耐盐性的协同效应，此前尚未有系统研究。

为此，发表在《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》上的这项研究，创新性地提出了硅与硫脲联合使用的组合策略，旨在探究这两种物质在缓解小麦盐胁迫损伤中的协同作用。研究团队假设，硅和硫脲的联合预处理能够通过协同调控生理和生化过程，显著增强小麦对盐胁迫的耐受性。

为了验证这一假设，研究人员设计了一个三因子复因子试验，考察了盐度水平(0、4和10 dS m^-1)、预处理方式(非预处理对照NP、水预处理HP、硅预处理SI、硫脲预处理TU、硅+硫脲联合预处理SI+TU)以及小麦品种(耐盐品种Barzegar和盐敏感品种Amin)之间的互作效应。研究在伊朗设拉子大学的研究温室中进行，采用完全随机区组设计，每个处理三次重复。

本研究采用了多项关键技术方法：通过叶绿素荧光测量系统评估光合系统II(PSII)功能参数；使用分光光度法测定光合色素含量、氧化应激标志物(H₂O₂和MDA)水平以及抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性；采用生化方法定量脯氨酸和总可溶性糖含量；并在生理成熟期测定地上部干重。所有数据均进行统计分析，确保结果可靠性。

叶绿素荧光参数

研究结果显示，盐胁迫导致两个小麦品种的叶绿素荧光参数F_v/F_m、F'_v/F'_m、ΦPSII、qP、qL、Rfd和ETR显著降低，而非光化学淬灭参数qN、NPQ、ΦNO和NPQ则显著升高。在10 dS m^-1盐度水平下，盐敏感品种Amin的这些变化比耐盐品种Barzegar更为明显。值得注意的是，SI+TU联合处理使Barzegar品种的F_v/F_m提高了1.10倍，F'_v/F'_m提高了1.06倍，ΦPSII提高了1.4倍，同时显著降低了NPQ、ΦNO和NPQ值。这表明SI+TU处理能有效缓解盐胁迫对PSII功能的抑制，提高光能利用效率。

光合色素

盐胁迫显著降低了两个小麦品种的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量，其中Amin品种的降幅更为显著。SI+TU处理表现出对光合色素的保护作用，在4和10 dS m^-1盐度水平下，提高了叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量。例如，在10 dS m^-1盐度下，SI+TU处理使Barzegar品种的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素分别提高了13.3%、21.8%和13.3%。这表明SI+TU处理能有效减轻盐胁迫引起的光合色素降解。

氧化应激标志物

盐胁迫导致两个品种的H₂O₂和MDA含量显著增加，且Amin品种的增幅大于Barzegar品种。SI+TU处理显著降低了H₂O₂和MDA的积累。在10 dS m^-1盐度下，SI+TU处理使Barzegar品种的H₂O₂和MDA含量分别降低了15.8%和26.9%。这表明SI+TU处理能有效减轻盐胁迫引起的氧化损伤和膜脂过氧化。

抗氧化酶活性

盐胁迫显著提高了两个品种的SOD、POD和CAT活性。SI+TU处理进一步增强了这些抗氧化酶的活性。在10 dS m^-1盐度下，SI+TU处理使Barzegar品种的SOD、POD和CAT活性分别提高了10.4%、22.8%和33.3%。这表明SI+TU处理能增强植物的抗氧化防御能力，更有效地清除ROS。

渗透调节物质

盐胁迫提高了两个品种的脯氨酸和总可溶性糖含量，且Barzegar品种的积累量高于Amin品种。SI+TU处理进一步促进了这些渗透调节物质的积累。在10 dS m^-1盐度下，SI+TU处理使Barzegar品种的脯氨酸和总可溶性糖含量分别提高了25.8%和9.7%。这表明SI+TU处理能增强植物的渗透调节能力，帮助维持细胞水分平衡。

地上部干重

盐胁迫导致两个品种的地上部干重显著降低，但SI+TU处理有效缓解了这种降低。在10 dS m^-1盐度下，SI+TU处理使Barzegar品种的地上部干重比NP处理提高了10%。这表明SI+TU处理能有效维持盐胁迫下植物的生长。

相关性分析

相关性分析显示，F_v/F_m与F'_v/F'_m、ΦPSII、qP、qL、Rfd和ETR呈正相关，而与NPQ、ΦNO和NPQ呈负相关。MDA与总可溶性糖、脯氨酸、POD和SOD呈正相关。光合色素与地上部干重呈正相关。这些关系进一步证实了SI+TU处理通过改善光合性能、增强抗氧化防御和渗透调节，从而提高小麦耐盐性的生理机制。

本研究通过系统分析证实，硅和硫脲的联合应用能协同缓解盐胁迫对小麦的伤害。其作用机制主要包括：增强抗氧化防御系统，提高SOD、POD和CAT活性；改善光合性能，保护光合色素和PSII功能；促进渗透调节物质(脯氨酸和总可溶性糖)积累；减轻氧化损伤，降低H₂O₂和MDA水平。这些生理生化改善最终体现在地上部干重的增加上，表明SI+TU处理能有效提高小麦的盐胁迫耐受性。

该研究的创新之处在于首次报道了硅与硫脲联合使用在缓解小麦盐诱导损伤中的协同效应，并通过一套全面的生理生化参数揭示了其作用机制。研究结果不仅为理解植物耐盐机制提供了新见解，也为在实际农业生产中利用硅和硫脲组合策略提高作物耐盐性提供了理论依据。特别是在盐渍化面积不断扩大的背景下，这种组合策略对保障小麦生产安全具有重要应用价值。然而，研究者也指出，需要进一步的田间试验来验证硅和硫脲联合处理在实际农业条件下的效果。