纳米硅通过增强抗氧化能力和调控水通道蛋白基因表达促进菊芋水分吸收的分子机制

为解决干旱胁迫下菊芋生长抑制问题，研究人员通过叶面喷施100 mg·L?1纳米硅（SiNP100），系统探究其对菊芋幼苗生长、光合特性及水分代谢的调控机制。研究发现，SiNP100显著提升抗氧化酶（SOD/POD/CAT）活性，降低MDA和ROS水平，并通过调节水通道蛋白基因（PIP2–7/TIP2–7等）表达改善水分吸收，为干旱区菊芋抗逆栽培提供理论依据。

　　

干旱胁迫是制约全球农业生产的核心问题，尤其对菊芋这类兼具生态与经济价值的作物影响显著。菊芋虽被誉为"21世纪人畜共用的作物"，但其地下块茎产量和品质在干旱条件下会大幅下降。传统应对策略多依赖渗透调节物质积累，但这种方式可能增加植物代谢负担。近年来，纳米硅（SiNPs）因其独特的物理化学性质，在提升植物抗逆性方面展现出巨大潜力，但其在菊芋中的具体作用机制尚不明确。

长江大学园艺园林学院的研究团队以菊芋'青芋'品种为材料，通过温室盆栽实验，系统研究了叶面喷施100 mg·L^?1纳米硅（SiNP100）对干旱胁迫下菊芋幼苗的调控作用。研究通过控制土壤相对持水量（40%-45%模拟干旱），结合多组学分析，揭示了SiNP100通过双重机制增强菊芋抗旱性的分子机理。相关成果发表在《Scientia Horticulturae》上，为干旱地区菊芋栽培提供了新思路。

研究采用的关键技术包括：表型参数测量（根系扫描分析仪）、光合参数测定（便携式光合仪Yaxin-1102）、氧化损伤指标检测（硫代巴比妥酸法测MDA）、抗氧化酶活性分析（NBT法测SOD）、水分代谢测定（压力室法测叶水势ψ）以及水通道蛋白基因表达分析（RT-qPCR）。所有实验设4个处理组（CK、SiNP100、DS、DS+SiNP100），每组35株，重复5次。

3.1 SiNP100对干旱胁迫下菊芋生长的影响
表型分析显示，DS处理使株高降低30.66%，而DS+SiNP100处理显著缓解生长抑制，株高恢复7.67%。根系扫描显示，DS+SiNP100使总根长增加32.34%，根尖数增加68.14%，表明纳米硅能促进根系发育。干重测定发现，DS+SiNP100处理使根系干重显著增加67.88%，但地上部变化不显著，这与根冠比降低19.74%的结果一致，提示纳米硅优先保障根系生长。

3.2 光合特性
叶绿素含量检测显示，DS+SiNP100使Chl a含量恢复41.55%，Car含量提升42.86%。叶绿素荧光参数中，Φ_PSII和F_v/F_m分别提高5.39%和1.32%，NPQ降低56.86%，表明光系统II功能改善。光合参数测定发现，DS+SiNP100组的P_n和G_s分别提升35.51%和90.27%，证实纳米硅能维持气孔功能。

3.3 氧化损伤与抗氧化系统
DS处理使H₂O₂和O₂^??含量分别增加83.09%和49.16%，而DS+SiNP100处理显著降低这些指标（27.92%和27.36%）。DAB/NBT染色直观显示纳米硅减少ROS积累。酶活检测发现，DS+SiNP100组的POD、CAT和SOD活性分别提高27.87%、16.07%和6.70%，形成有效的抗氧化防御体系。

3.6 水分代谢机制
DS+SiNP100处理使束缚水、总含水量和相对含水量分别增加44.29%、12.09%和5.42%。水势（ψ）和根系导水率（Lpr）测定显示，纳米硅处理使Lpr提升34.67%，但ψ进一步降低24.62%，可能与渗透调节物质（如脯氨酸）含量降低8.92%相关，表明纳米硅通过改善水分运输而非单纯渗透调节维持细胞稳态。

3.8 水通道蛋白基因调控
基因表达分析揭示，DS+SiNP100使TIP1–5和TIP2–2表达下调49.75%和47.61%，同时使PIP2–7和TIP2–7表达上调709.12%和707.01%。这种选择性调控可能与改善的植株水分状态有关，表明水通道蛋白（AQP）基因在纳米硅介导的水分吸收中起核心作用。

研究结论表明，纳米硅通过三重协同机制增强菊芋抗旱性：（1）激活SOD/POD/CAT抗氧化系统，清除过量ROS；（2）调控特定AQP基因（如PIP2–7）表达，优化水分运输；（3）改善根系构型，提升水分获取能力。该研究不仅阐明了纳米硅在菊芋中的分子作用靶点，还为发展节水农业提供了可操作方案——叶面喷施100 mg·L^?1 SiNP100可作为干旱地区菊芋栽培的简易增效措施。未来研究可进一步探索纳米硅与其他抗逆措施的协同效应，以及其在块茎品质形成中的具体作用。