纳米硅提升番茄低磷胁迫耐受性的生理与多组学整合机制研究

《Horticultural Plant Journal》：Integrated physiological and multi-omics analyses reveal enhanced efficiency of nano-silicon over ionic silicon in mediating low phosphorus stress tolerance in tomato

　　

土壤有效磷缺乏是限制植物生长发育的主要问题。离子硅供应可增强低磷（LP）耐受性；然而，纳米硅的作用及其缓解LP胁迫的潜在机制在很大程度上仍不清楚。本研究通过整合生理学、生物化学、转录组学和代谢组学分析，评估了纳米硅和离子硅对低磷胁迫下番茄（Solanum lycopersicum L.）幼苗的对比影响。与离子硅相比，叶面喷施100 mg·L-1纳米硅有效促进了光合色素的积累，改善了光合荧光特性，增强了抗氧化防御，平衡了碳氮代谢，并调节了离子吸收，从而提高了LP耐受性。转录组和代谢组分析表明，在LP胁迫下，纳米硅主要影响根中的三条通路，如“淀粉和蔗糖代谢”、“氮同化与吸收”和“氨基酸代谢”。此外，纳米硅上调了LP胁迫下根中许多相关基因的表达，如GDE、AMY、SS、NI、NiR、NR、GS、ASNS、ALT、AST、DDO、PEPCK、ACO、ACS、ALT、AGT和PrAOs，同时下调了众多基因的表达，如EG、BGL、AGPase、GAD、GLN、AOs、ODC、NAGK和NAT。纳米硅还导致蔗糖、果糖和葡萄糖等能量物质的积累，促进了谷氨酸、谷氨酰胺、天冬氨酸、天冬酰胺和精氨酸等氨基酸物质以及α-酮戊二酸和琥珀酸等有机酸物质的分解和转化，最终维持了碳氮代谢的平衡。总之，本研究揭示了纳米硅在改善番茄幼苗LP耐受性方面比离子硅更有效，体现在光合荧光特性、抗氧化防御、营养元素吸收、碳氮代谢平衡等多个方面，并为番茄幼苗在LP胁迫下响应纳米硅的关键代谢途径提供了新见解。

一、研究背景与科学问题

磷（P）是植物生长发育所必需的大量营养元素，在能量代谢、光合作用、呼吸作用、氧化还原反应、信号转导及源库资源分配中发挥关键作用。然而，土壤有效磷缺乏是限制作物生长的主要问题之一，尤其在设施农业和温室栽培中普遍存在。传统磷肥施用效率极低，仅15%至25%被植物吸收，其余部分淋溶进入环境，导致土壤退化、水体富营养化并加速磷矿资源枯竭。因此，探索提高植物磷吸收利用效率的新途径对农业可持续发展至关重要。

硅（Si）是地壳中仅次于氧的第二丰富元素，外源硅施用可通过增强细胞结构、促进光合作用、加速碳基化合物合成代谢等机制减轻胁迫损伤。纳米生物技术的兴起为农业提供了新工具，硅纳米颗粒（SiNPs）因其尺寸小、比表面积大、电荷特性特殊，更易渗透植物组织并显著影响抗氧化机制和养分吸收转运系统。然而，以往关于硅缓解低磷胁迫的研究多集中于高硅积累的禾本科单子叶植物，且主要关注离子硅而非纳米硅。番茄作为重要的易受低磷胁迫的茄科蔬菜作物，其响应纳米硅的分子网络及不同硅材料调节植物磷吸收利用的差异机制尚不清楚。基于此，研究人员开展了本研究，旨在系统比较纳米硅与离子硅在低磷胁迫下对番茄幼苗的影响，并揭示其潜在分子机制。

二、研究设计与主要技术方法

研究人员在山西农业大学园艺实验中心人工气候室开展试验，以‘Micro-tom’番茄为材料，采用日本山崎配方营养液水培。试验设置正常磷（0.33 mmol·L^-1）和低磷（0.033 mmol·L^-1）处理，叶面喷施20和100 mg·L^-1纳米硅（SiO₂纳米颗粒）及离子硅（硅酸钠），胁迫处理18天后采集根和叶样本。主要技术方法包括：石蜡切片观察叶片显微结构；LI-6800便携式光合仪和MAXI Imaging-PAM叶绿素荧光成像系统测定光合气体交换参数及荧光参数；分光光度法测定抗氧化酶活性、渗透调节物质及糖类含量；火焰光度法和钼蓝比色法测定矿质元素和硅含量；Illumina NovaSeq 6000平台进行转录组测序；UHPLC-Triple TOF液相色谱-串联质谱进行非靶向代谢组学分析；RT-qPCR验证关键基因表达。

三、主要研究结果

3.1 适宜硅浓度筛选及表型生理响应

表型观察显示，外源不同剂量纳米硅和离子硅均可缓解低磷胁迫损伤，其中100 mg·L^-1纳米硅（100NP）和100 mg·L^-1离子硅（100Si）效果最佳。与LP处理相比，LP100NP处理使株高、地上部鲜重、根鲜重和地上部干重分别增加56.94%、95.02%、120.58%和120.75%。LP胁迫显著提高了活性氧（ROS）、丙二醛（MDA）含量和相对电解质渗漏率，根中氧化损伤显著大于叶片；NBT和DAB组织化学染色证实LP诱导O₂·^-和H₂O₂积累，外源硅施用减少了其积累，纳米硅效果更优。

3.2 叶片显微结构

石蜡切片分析表明，LP处理18天后叶片厚度减小，栅栏细胞数量增加且伸长，海绵组织因胞间隙减小而更致密。LP100NP处理下栅栏组织细胞伸长且排列系统均匀，海绵组织结构疏松、胞间隙增大，各组织界限清晰；而LP100Si处理下栅栏组织细胞排列紊乱，细胞边界模糊。

3.3 光合能力

LP胁迫显著降低叶片光合色素含量，外源硅显著抑制色素降解，纳米硅效果尤为突出。LP处理显著降低净光合速率（P_n）、气孔导度（G_s）、蒸腾速率（T_r）、胞间CO₂浓度（C_i）和水分利用效率（WUE），同时显著提高气孔限制值（Ls）。与LP相比，LP100NP显著提高了上述光合参数，而100Si对P_n、G_s、C_i和T_r的影响较小。荧光参数方面，LP显著降低Φ_PSII、qN、ETR和F_v/F_m，NPQ较对照显著增加1.86倍。LP100NP较LP显著提高Φ_PSII、qN、ETR和F_v/F_m分别达75.13%、101.67%、75.22%和22.26%，NPQ降低45.37%。

3.4 抗氧化系统与渗透调节物质

LP胁迫下叶片SOD和POD活性及根SOD活性显著升高，根POD和CAT活性分别降低10.26%和61.81%。外源硅施用显著提高根和叶抗氧化酶活性，纳米硅增幅显著大于离子硅。LP100NP较LP处理使根和叶SOD活性及叶POD活性分别提高104.86%、16.75%和7.42%。LP100NP处理下叶片可溶性糖、可溶性蛋白和游离氨基酸含量较LP分别增加70.84%、28.31%和34.82%，根中相应指标分别增加66.55%、10.46%和31.76%。

3.5 养分吸收利用

LP胁迫显著降低根和叶中氮、磷、硅含量，外源硅施用尤其是纳米硅喷施显著提高了根和叶中氮、磷、钾和硅的含量。转录组分析显示，LP胁迫显著上调NPF、PHO1、PHT1、IRK、KT和HKT等离子转运蛋白基因表达，下调部分NPF和HAT基因表达；纳米硅喷施后部分转运蛋白基因表达下调。

3.6 转录组分析

转录组测序共获得105.49 Gb高质量数据。LP vs LP100NP和LP vs LP100Si分别鉴定出3431个和3015个差异表达基因（DEGs）。共表达聚类分析将根中DEGs分为六个簇，GO分析显示其功能涉及能量代谢、氮代谢、转运、脂质代谢、细胞壁和抗氧化。KEGG富集分析表明，纳米硅主要通过调节氨基酸、碳水化合物和次生代谢物代谢促进LP下番茄生长，而离子硅主要通过碳水化合物代谢增强LP耐受性。纳米硅处理特有富集了氨基酸转运和有机酸转运调控相关GO条目。

3.7 代谢组分析

非靶向代谢组学共鉴定814种代谢物。LP vs LP100NP和LP vs LP100Si分别鉴定出223个和233个差异积累代谢物（DAMs）。KEGG富集分析显示，纳米硅处理的DAMs显著富集于7条氨基酸代谢通路、5条碳水化合物代谢通路和2条核苷酸代谢通路；纳米硅缓解LP胁迫的核心通路为TCA循环、丙氨酸/天冬氨酸/谷氨酸代谢以及苯丙氨酸/酪氨酸/色氨酸生物合成，而离子硅的核心通路为丙酮酸代谢、TCA循环和花生四烯酸代谢。

3.8 转录组与代谢组联合分析

联合分析显示，LP100NP/LP中鉴定出54条涉及DEGs和DAMs的代谢通路，转录组和代谢组均显著富集的通路包括苯丙氨酸/酪氨酸/色氨酸生物合成、硫代葡萄糖苷生物合成、精氨酸和脯氨酸代谢、精氨酸生物合成及β-丙氨酸代谢；LP100Si/LP中仅α-亚麻酸代谢为两者共同显著富集的通路。关键通路分析表明，纳米硅通过调节淀粉和蔗糖代谢、有机酸代谢、脂质代谢、氮同化、谷胱甘肽循环、糖异生、甲硫氨酸代谢、精氨酸代谢和丙氨酸代谢等多条通路协同缓解LP胁迫。

四、讨论与结论

讨论部分围绕抗氧化防御机制、光合作用与叶绿素荧光、矿质养分吸收转运及转录组-代谢组整合分析展开。研究表明，LP胁迫激活抗氧化防御系统，纳米硅比离子硅更强烈地诱导抗氧化酶活性，维持ROS稳态。纳米硅通过非气孔因素增强光合能力，改善PSII完整性和电子传递效率，缓解光抑制。外源纳米硅部分逆转LP诱导的NPF表达下调并恢复氮含量，同时增加钾含量。整合分析揭示了纳米硅通过协调碳氮代谢、重新定向碳骨架流向、增强氮同化与碳骨架利用的代谢偶联、加速谷胱甘肽周转以及调节多胺代谢等多重机制缓解LP胁迫。

研究结论表明，与离子硅相比，纳米硅在改善番茄幼苗低磷耐受性方面更为有效，体现在光合荧光特性、抗氧化防御、营养元素吸收和碳氮代谢平衡等多个方面。纳米硅主要通过调节“淀粉和蔗糖代谢”、“氮同化与吸收”和“氨基酸代谢”三条关键通路发挥作用，上调GDE、AMY、SS、NI、NiR、NR、GS、ASNS、ALT、AST、DDO、PEPCK、ACO、ACS、ALT、AGT和PrAOs等基因表达，下调EG、BGL、AGPase、GAD、GLN、AOs、ODC、NAGK和NAT等基因表达，促进蔗糖、果糖和葡萄糖等能量物质积累，推动谷氨酸、谷氨酰胺、天冬氨酸、天冬酰胺和精氨酸等氨基酸物质以及α-酮戊二酸和琥珀酸等有机酸物质的分解转化，最终维持碳氮代谢平衡。本研究为番茄幼苗在低磷胁迫下响应纳米硅的关键代谢途径提供了新见解，为纳米硅在可持续农业中的应用奠定了理论基础。