硅诱导荞麦抗旱耐涝的生理机制解析：胁迫与恢复期的适应性调控

《Journal of Environmental Management》：Deciphering silicon-induced resilience to drought and waterlogging stress in Fagopyrum esculentum Moench: Physiological adaptations during stress and recovery

本研究针对气候变化下干旱和涝渍胁迫对荞麦生产的严重影响，探讨了叶面喷施硅(Si)对其生理适应机制的调控作用。通过15天胁迫及15天恢复实验，发现Si处理显著缓解了胁迫引起的生长抑制、水分失衡及光合系统II(PSII)损伤，提高了相对含水量(RWC)23–25%，降低了电解质泄漏(EL)23–36%，并修复了OJIP荧光动力学中的K-band异常。研究表明Si可通过增强细胞完整性、维持气孔导度(gs)和光合速率(Pn)，有效提升荞麦在水分胁迫下的恢复能力，为逆境农业管理提供了新策略。

　　

随着全球气候变化加剧，干旱和涝渍等极端水分胁迫事件频发，对农业生产构成严重威胁。荞麦(Fagopyrum esculentum Moench)作为一种营养丰富的杂粮作物，虽具抗旱潜力，但对涝渍尤为敏感，其应对水分胁迫的生理机制尚不明确。硅(Si)作为地壳中含量第二丰富的元素，虽非植物必需营养，但已被证明能增强多种作物的抗逆性。然而，Si能否缓解荞麦在干旱和涝渍胁迫下的生理损伤，并促进其恢复，仍有待深入探究。

为解答这一问题，本研究以波兰注册的荞麦品种"Smuga"为材料，在温室中开展实验。20日龄植株经历15天干旱(30%土壤含水量)或涝渍(根系淹没12 cm水深)胁迫，随后进行15天恢复。叶面喷施1 mM硅酸钠(Na₂SiO₃·9H₂O)作为Si处理，以蒸馏水为对照。研究团队在胁迫期和恢复期结束时，系统测定了生长指标、水分状态、气体交换参数和叶绿素荧光特性。

关键技术方法包括：利用光合仪(GFS3000)测定光合速率(P_n)、气孔导度(g_s)等气体交换参数；采用MultispeQ V2.0设备和FluorPen FP 110/D进行叶绿素a荧光OJIP瞬变分析，解析PSII光化学效率(ΦPSII)和能量分配；通过称重法计算相对含水量(RWC)和水分饱和亏缺(WSD)；使用电导率仪评估电解质泄漏(EL)以反映膜损伤程度。

3.1. Si对干旱和涝渍胁迫下植株生长的影响

胁迫导致株高、鲜重和干重显著下降(干旱54–62%，涝渍46–74%)，Si处理使株高在干旱下增加20%。恢复期Si进一步促进干旱植株鲜重和干重增加18–34%和30–33%。涝渍下Si虽未改善生物量，但使叶厚度增加47%，表明Si通过增强结构完整性缓解生长抑制。

3.2. Si对RWC、WSD和EL的影响

干旱和涝渍使RWC降低33–37%，EL升高39–44%。Si处理维持较高RWC(提升23–25%)，降低EL(23–36%)，说明Si能改善水分状态并保护细胞膜稳定性。

3.3. Si对气体交换参数的影响

胁迫下P_n下降84–98%，g_s下降66–75%。Si使涝渍植株P_n提升6.82倍，恢复期气孔导度(g_s)进一步改善60–65%。水分利用效率(WUE)在Si处理下干旱时提高1.86倍，表明Si通过优化气孔行为增强碳同化。

3.4. Si对光合特性的影响

涝渍导致ΦPSII降低87%，Si处理提升70%。OJIP分析显示涝渍诱发K-band(反映放氧复合体OEC损伤)，Si抑制K-band形成，并降低非光化学淬灭(NPQt)10–17%，证明Si保护PSII反应中心免受光损伤。

3.5. Si对叶绿素a荧光瞬变及JIP测试参数的影响

能量通量分析表明，涝渍使单位反应中心吸收能量(ABS/RC)增加2.67倍，Si处理降低16%。性能指数(PI_ABS)在涝渍下暴跌98%，Si部分缓解电子传递障碍，促进恢复期能量分配正常化。

研究结论强调，Si通过双重机制增强荞麦抗逆性：在胁迫期，Si沉积于细胞壁增强机械支撑，调节气孔运动维持光合作用；在恢复期，Si修复PSII光化学机构，加速生理功能恢复。尤为重要的是，Si对涝渍胁迫的缓解效果更显著，可能因涝渍引发的缺氧损伤更依赖Si介导的膜保护作用。该成果发表于《Journal of Environmental Management》，为利用Si肥料提升边缘土地作物韧性提供了理论依据，尤其对易涝地区荞麦栽培具有实践指导意义。未来研究可聚焦Si转运基因(Lsi1/Lsi2)在荞麦中的表达调控，以及Si与抗氧化系统的互作机制。