硅酸钠缓解茉莉（Jasminum sambac L.）干旱胁迫的生理与关键基因调控机制

《Frontiers in Horticulture》：Silicon modulates drought stress and enhances tolerance by improving physiology and key gene regulations in jasmine (Jasminum sambac L.)

　　

引言：干旱胁迫是影响植物生长、生理过程和产量的主要非生物限制因素。与全球气候变化相关的温度升高和降水模式改变可能会增加干旱的频率和严重程度，减少可用于植物生长的水分。干旱胁迫会损害光合作用并破坏代谢功能，从而影响开花和产量，尤其是在观赏作物中。茉莉（Jasminum sambac）是一种经济上重要的观赏植物，因其芳香的花朵和精油而在印度广泛栽培，应用于化妆品和制药工业。然而，干旱胁迫会对其开花性能和生产力产生不利影响。本研究评估了偏硅酸钠补充对干旱胁迫下茉莉的影响。 方法：研究评估了四种处理：对照、干旱、干旱加5 mM偏硅酸钠（D+Si）以及单独施用5 mM偏硅酸钠（Si）。偏硅酸钠在干旱诱导前作为土壤浇灌液一次性施用。研究人员评估了生理参数、抗氧化酶活性、鲜花重量、类囊体膜蛋白复合物图谱以及推定的干旱响应和硅转运蛋白基因的相对表达量。 结果：D+Si处理与干旱胁迫植株之间的多个生理参数存在显著差异。偏硅酸钠补充显著调节了干旱条件下超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）的活性。D+Si处理植株的鲜花鲜重显著高于干旱胁迫植株。这些响应还与类囊体膜蛋白复合物图谱以及推定的干旱响应和硅转运蛋白基因相对表达量的变化有关。 讨论：偏硅酸钠补充与干旱条件下茉莉改善的生理生化响应以及更高的花朵产量相关。这些发现表明，偏硅酸钠可能有助于减轻干旱胁迫的不利影响，并支持这种观赏作物的花卉生产。

论文主体内容解读

研究背景

气候变化加剧了全球许多农业区域的干旱事件，使水分亏缺成为作物生产力和品质最关键的环境制约因素之一。不断上升的全球气温和不规律的降雨模式预计将增加干旱的频率和严重程度，对可持续农业生产构成严峻挑战。水资源短缺不仅威胁粮食生产，也威胁园艺和观赏作物，后者的经济价值依赖于高品质的产品而非单纯的生物量。在热带和亚热带地区，降雨变异性日益不可预测，因此制定有效的策略来提高植物的耐旱性已成为重要的研究重点。

干旱胁迫通过改变水分关系、养分吸收、光合作用、呼吸作用和碳代谢来影响植物生长发育的多个方面。降低的土壤水分会降低植物水势，导致气孔关闭并限制CO₂扩散进入叶片，从而减少光合碳同化。这些生理紊乱最终会降低植物生物量、生殖发育和作物生产力。在观赏植物中，干旱的不利影响尤为重要，因为花数、花大小、花产量和品质的下降直接影响商业价值和市场接受度。

干旱胁迫的一个主要后果是活性氧（ROS）的过量产生。虽然ROS在正常细胞代谢中持续产生并在低浓度下充当信号分子，但在干旱条件下其过度积累会破坏细胞氧化还原稳态并引起氧化胁迫。为了对抗ROS毒性，植物拥有高效的抗氧化防御系统，包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）等酶促抗氧化剂。这些抗氧化系统的协调调控对于维持细胞完整性和提高耐旱性至关重要。

在已开发的用于缓解干旱胁迫的各种农艺方法中，硅（Si）因其对植物生长和胁迫适应的有益作用而受到广泛关注。尽管硅不被归类为大多数高等植物的必需元素，但越来越多的证据表明它能增强对干旱、盐度、重金属毒性的耐受性。硅以单硅酸的形式被根系吸收，随后通过木质部运输，并以无定形二氧化硅的形式沉积在表皮组织、维管束和细胞壁中。除了物理效应外，硅还积极调节有助于增强胁迫耐受性的生理和生化过程。

茉莉（Jasminum sambac）是最有价值的观赏和芳香开花植物之一，在热带和亚热带地区广泛种植。其商业成功与开花表现、花大小、花产量和花卉品质密切相关。然而，这些经济重要性状对干旱胁迫高度敏感。尽管其经济重要性，但关于通过硅补充来提高茉莉耐旱性的策略的信息有限。特别是，干旱相关的光合性能、抗氧化代谢、类囊体膜蛋白复合物组织、胁迫响应基因表达与后续花卉生产力之间的关系尚未在茉莉中得到充分表征。因此，本研究通过整合生理生化测量与类囊体膜蛋白复合物分析、胁迫响应基因表达以及在田间条件下对花卉产量表现的评估，提供了茉莉在干旱条件下对偏硅酸钠响应的多层次表征。

基于先前报道的硅对非生物胁迫的响应，研究人员假设干旱胁迫会损害茉莉的生理表现、抗氧化稳态和开花。相反，研究人员假设偏硅酸钠补充会减轻这些不利的干旱相关效应。研究人员进一步假设，干旱条件下补充偏硅酸钠将与抗氧化酶活性、类囊体膜蛋白复合物图谱以及推定干旱响应和硅转运蛋白基因相对表达量的变化相关。

主要技术方法

1. 1.
   温室盆栽实验与田间试验相结合：在印度韦洛尔理工大学（Vellore Institute of Technology, Vellore, India）的温室中进行盆栽实验，并使用两年生的茉莉植株在韦洛尔的VIT农场进行田间验证。
2. 2.
   生理参数测定：使用便携式光合仪和Mini-PAM 2000荧光计测量净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和PSII最大量子产额（Fv/Fm）。
3. 3.
   生化指标分析：采用分光光度法测定叶绿素含量、总可溶性蛋白、抗氧化酶（SOD、CAT、APX）活性、丙二醛（MDA）含量、脯氨酸含量和过氧化氢（H₂O₂）含量。
4. 4.
   组织化学与显微观察：利用DAB和NBT染色定位H₂O₂和超氧阴离子（O₂^•-）；利用扫描电子显微镜（SEM）观察气孔形态；利用结晶紫染色观察叶片组织中硅体的沉积。
5. 5.
   分子生物学技术：提取叶片总RNA，反转录合成cDNA，使用特异性引物通过定量实时PCR（qRT-PCR）检测Lsi2、DREB1A、APX2、P5CS和AFS基因的相对表达水平，以JsAct为内参基因。
6. 6.
   蛋白质组学分析：采用蓝绿温和胶电泳（BN-PAGE）分析类囊体膜蛋白复合物的图谱变化。
7. 7.
   元素含量测定：使用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）测定叶片中的硅浓度。

研究结果

3.1 形态学参数：干旱胁迫显著降低了茉莉的株高、根长、叶片数、分枝数、鲜重和干重。与单纯干旱胁迫相比，干旱条件下施用硅（D+Si）在第5天和第10天使株高分别增加了8.8%和18.8%，根长分别增加了18.9%和26.3%，叶片数分别增加了13.8%和22.6%，分枝数分别增加了14.2%和6.2%。

3.2 鲜重和干重：与干旱胁迫植株相比，D+Si处理在第5天和第10天使鲜重分别增加了27.7%和31.3%，干重分别增加了65.5%和49.1%。

3.3 SEM分析：扫描电镜显示，干旱胁迫导致茉莉叶片气孔结构扭曲、孔径减小和部分关闭。而硅处理（D+Si）有助于维持相对正常的气孔结构和开度。

3.4 叶片组织中硅体定位：显微观察发现，硅处理（Si和D+Si）的植株叶片表皮、皮层和维管束区域有更明显的硅沉积，而干旱胁迫植株的硅沉积较少。

3.5 硅补充下叶绿素色素的变化：干旱胁迫降低了叶绿素a和b的含量，提高了叶绿素a/b比值。D+Si处理则较好地维持了叶绿素水平，并降低了叶绿素a/b比值。

3.6 硅对胁迫下相对含水量的影响：干旱胁迫显著降低了叶片的相对含水量（RWC）。在第5天和第10天，D+Si处理使RWC比干旱胁迫植株分别提高了16.9%和18.2%。

3.7 电解质渗漏：干旱胁迫导致最高的电解质渗漏率，表明严重的膜损伤。D+Si处理在第5天和第10天使电解质渗漏率分别降低了21.1%和38.8%，表明膜稳定性得到改善。

3.8 硅补充对叶片硅含量的影响：与干旱胁迫植株相比，D+Si处理在第5天和第10天使叶片硅浓度分别增加了26.9%和41.6%。

3.9 干旱胁迫植株的氧化损伤：与硅处理的植株相比，干旱胁迫植株的SOD、CAT和APX活性较低。D+Si处理显著增强了这些酶的活性：SOD活性在第5天和第10天分别提高了47.6%和30.9%；CAT活性分别提高了32.5%和53.4%；APX活性分别提高了65.6%和48.3%。可溶性蛋白含量也分别提高了18.7%和39.5%。

3.10 胁迫标记物：干旱胁迫植株积累了更高水平的MDA、脯氨酸和H₂O₂。D+Si处理显著降低了这些胁迫标记物的含量：MDA含量在第5天和第10天分别降低了27.8%和23.3%；脯氨酸含量分别降低了22.3%和31.2%；H₂O₂含量分别降低了34.5%和23.6%。

3.11 H₂O₂和O₂^•-的定位：组织化学染色显示，干旱胁迫植株叶片呈现更深的棕色（DAB染色）和蓝色（NBT染色），表明H₂O₂和超氧阴离子积累更多。D+Si处理则降低了染色强度。

3.12 叶绿体类囊体膜蛋白复合物的BN-PAGE分析：BN-PAGE结果显示，与对照相比，干旱胁迫降低了高分子量条带的强度，并改变了条带模式。D+Si处理则显示出更强、更清晰的条带，其图谱更接近对照。

3.13 硅对干旱胁迫下花卉产量性状的影响：与干旱胁迫植株相比，D+Si处理使平均花蕾重量增加了37.2%，百蕾重量增加了33.1%。花冠管长度也得到了维持。

3.14 干旱和硅响应基因的表达：qRT-PCR分析显示，Lsi2在D+Si处理下的转录本丰度最高；DREB1A在干旱和D+Si处理下均有增加趋势；APX2在干旱和硅处理下转录本丰度较高；P5CS在D+Si和Si处理下转录本丰度较高；AFS（α-法尼烯合酶）在D+Si和Si处理下转录本丰度相对较高。但这些差异均未达到统计学显著性，被视为描述性趋势。

3.15 田间条件下干旱胁迫和硅施用对茉莉生长和开花的影响：田间试验证实，干旱胁迫显著降低了株高（降低21.4%）、分枝数（降低30.7%）和叶片数（降低43.7%），延迟了开花，并减少了单株花产量（降低36.4%）。硅施用（D+Si）有效缓解了这些不利影响，使株高、分枝数和叶片数分别提高了14.7%、14.8%和18.2%，并将单株花产量提高了27.8%。

总结与讨论

讨论部分指出，偏硅酸钠补充与干旱条件下茉莉生理和生化响应的改善以及花卉产量的提高相关。研究表明，硅补充通过增强抗氧化酶（SOD、CAT、APX）活性、降低ROS（如H₂O₂）和脂质过氧化产物（MDA）的积累来减轻氧化损伤，同时通过维持较高的相对含水量和较低的电解质渗漏来改善水分状态和膜完整性。此外，硅有助于维持光合色素水平和类囊体膜蛋白复合物的稳定性，从而保护光合机构。硅还改善了气孔形态，有利于气体交换。在分子层面，硅处理上调了硅转运蛋白基因（Lsi2）和一些胁迫响应基因（如DREB1A、APX2、P5CS）的表达趋势，尽管差异不显著。最终，这些综合效应导致了在温室和田间条件下花卉产量的显著提高。

研究结论：偏硅酸钠补充与干旱条件下茉莉（J. sambac）生理和生化响应的改善以及花卉产量的提高相关。这些发现表明，偏硅酸钠可能有助于减轻干旱胁迫的不利影响，并支持这种观赏作物的花卉生产。