叶面施硅提升干旱胁迫下玉米农艺表现

《Discover Plants》：Foliar silicon application enhances maize agronomic performance under drought stress

　　

干旱胁迫通过损害生理过程和产量形成对玉米生产力构成严重威胁。硅（Si）因其在干旱条件下改善植物水分状况、保持膜稳定性和保护光合色素的能力而成为一种缓解胁迫的元素。然而，还需要进一步探索叶面施硅在不同干旱条件下（尤其是生殖生长期）对杂交玉米的有效性。本盆栽试验于2023年秋季进行，以评估叶面施硅（Si）缓解杂交玉米干旱损伤的有效性。试验采用完全随机设计，因子排列，设置三个田间持水量（FC）水平（100%、80%和60% FC）和四个硅浓度（0、4、6和8 mM）。与充分灌溉对照相比，60% FC的干旱胁迫使单株籽粒产量降低32.7%，千粒重降低16.3%，相对含水量（RWC）降低23.9%，叶绿素a降低46.2%。而在60% FC下，与未处理植株相比，叶面喷施8 mM Si使籽粒产量提高30.7%，生物产量提高7.5%，RWC提高9.2%。在严重干旱下，8 mM Si使细胞膜损伤降低12.9%。千粒重、单株籽粒产量、生物产量、籽粒蛋白质含量和穗行数观察到显著的FC×Si交互效应。这些发现表明，在测试处理中，叶面喷施8 mM Si在减轻干旱诱导的生理损伤和维持严重生殖生长期干旱胁迫下的产量方面最为有效。

**论文解读：叶面施硅缓解干旱胁迫对杂交玉米的生理与产量损伤**

**研究背景与问题**
玉米（*Zea mays* L.）是全球重要的粮食、饲料和工业原料作物，但其生产力常受干旱胁迫严重制约，尤其在生殖生长期，水分亏缺会干扰籽粒建成和灌浆过程，导致产量显著下降。干旱胁迫通过破坏光合色素、诱导活性氧（ROS）积累、损伤细胞膜完整性及降低相对含水量（RWC）等方式损害生理功能。硅（Si）虽非必需营养元素，但被证实可通过形成角质层-硅双层结构减少蒸腾、维持膜稳定性、保护光合色素及调节抗氧化系统来缓解干旱损伤。然而，关于不同叶面施硅浓度在杂交玉米生殖生长期干旱胁迫下的比较效果研究仍有限，尤其是对产量和品质的协同影响尚不明确。为此，研究人员开展本研究，旨在评估不同田间持水量（FC）水平下叶面喷施不同浓度硅对杂交玉米生长、生理、产量及籽粒品质的调控作用。论文发表在《Discover Plants》。

**关键技术与方法**
研究采用盆栽试验，于2023年秋季在巴基斯坦费萨拉巴德农业大学农研区进行。供试玉米品种为YH-5427（来自巴基斯坦Yusafwala玉米与粟米研究所）。试验设计为完全随机设计（CRD），因子排列，设置3个田间持水量（FC）水平（100%、80%、60% FC）和4个硅浓度（0、4、6、8 mM，以硅酸钾K₂SiO₃为硅源），在抽穗期开始处理。主要技术方法包括：通过称重法维持目标FC水平；测定相对含水量（Barrs和Weatherley方法）、叶绿素含量（Arnon法）、细胞膜损伤率（Sullivan法）；采用Soxhlet提取法测定籽粒油含量，凯氏定氮法测定蛋白质含量，Wangmo等法测定淀粉含量；统计分析采用Fisher方差分析、Tukey HSD检验（p<0.01）、Pearson相关分析和主成分分析（PCA）等。

**研究结果**

**3.1 营养生长性状（Vegetative traits）**
FC水平显著影响所有营养生长指标。随FC降低，株高、穗位高、茎粗、节间长、叶数、穗重和穗直径均下降。硅处理对成熟天数、茎粗、穗重和穗直径有显著影响，其中8 mM Si处理表现最优。FC×Si交互作用仅对穗直径显著，100% FC与8 mM Si组合下穗直径最大，60% FC无硅处理下最小。

**3.2 生殖生长性状（Reproductive traits）**
FC显著影响所有生殖性状，包括穗行数（GRC）、行粒数（NGR）、千粒重（TGW）、单株籽粒产量（GYP）、单株生物产量（BYP）、收获指数（HI）、籽粒蛋白质含量（GPC）和籽粒氮含量（GNC）。与100% FC相比，60% FC下GYP降低32.7%，TGW降低16.3%，BYP降低20.5%。8 mM Si处理显著改善上述指标，在60% FC下使GYP提高30.7%。FC×Si交互作用对GRC、NGR、TGW、GYP和BYP均显著，表明硅的效果依赖于水分胁迫强度。

**3.3 生理性状（Physiological traits）**
FC和硅处理显著影响籽粒油含量（GOC）、籽粒淀粉含量（GSC）、叶绿素a（Chl a）、叶绿素b（Chl b）、细胞损伤率（CI）和RWC。60% FC下，Chl a下降46.2%，RWC下降23.9%，CI增加101.9%。8 mM Si处理使CI降低12.9%，RWC提高9.2%，并维持较高的Chl a和Chl b水平。FC×Si交互作用对GOC和GSC显著，100% FC与8 mM Si组合下品质最优。

**3.4 玉米穗表型分析（Phenotypic analysis of maize cobs）**
通过图像比较发现，随Si浓度从4 mM增至8 mM，穗长和籽粒饱满度在60%和80% FC下逐渐改善，8 mM Si处理在60% FC下仍能维持较大穗长和良好灌浆，而无硅处理穗发育严重受阻。

**3.5 皮尔逊相关分析（Pearson correlation analysis）**
成熟天数（MD）与株高、茎粗等正相关；穗重与穗直径、GRC、NGR、TGW等正相关；GYP与BYP、HI正相关；GPC与GNC、TGW正相关；CI与RWC、Chl a、Chl b、GOC、GSC负相关。

**3.6 主成分分析（Principle component analysis）**
PCA双标图显示，100% FC结合高硅处理（Si3、Si2）聚集在产量促进性状（GYP、BYP、TGW）附近，而60% FC结合无硅处理（Si0）靠近CI等胁迫指标，验证了硅在干旱下对产量的保护作用。

**讨论与结论**
讨论部分指出，干旱胁迫通过限制细胞扩展、降低光合能力、诱导氧化损伤等途径抑制生长和产量，而叶面施硅（尤其是8 mM）通过改善水分关系、维持膜完整性和光合色素含量缓解了这些效应。硅的积极作用可能与减少蒸腾、促进钙吸收、提高抗氧化能力有关。但研究也指出，由于硅源为硅酸钾，未设置钾平衡对照，钾的贡献无法完全排除；且为单季盆栽试验，单一杂交种，结果外推需谨慎。未来需结合生化与分子分析进一步阐明机制。

**研究结论**：本研究证明了叶面施硅在缓解干旱胁迫对玉米生长、产量和品质的不利影响方面具有显著潜力。干旱胁迫严重降低了杂交玉米的生产力和生理表现，与充分灌溉相比，60%田间持水量（FC）下单株籽粒产量下降了32.7%。叶面施硅缓解了这些不利影响，严重干旱下8 mM硅处理使籽粒产量提高30.7%，同时降低了细胞损伤并改善了植株水分状况。这些发现表明，叶面施硅具有通过维持生殖生长期间的生理稳定性和减少干旱诱导损伤来增强玉米耐旱性的潜力。然而，由于使用硅酸钾作为硅源且未设置钾平衡对照，钾对观察到的反应的潜在贡献不能完全排除。此外，该研究为单季盆栽试验，使用单一玉米杂交种，将结果推广至不同基因型、土壤和气候条件时需谨慎。未来研究应纳入生化与分子分析，以进一步阐明硅介导的玉米耐旱机制。