《Journal of the Science of Food and Agriculture》：Silicon differentially protects PSII and PSI photochemistry and preserves fatty acid metabolism in salt-stressed Sorghum bicolor (L.)
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背景：硅（Silicon, Si）已被证明是增强作物耐盐性的重要元素。然而，Si缓解盐胁迫的机制仍未得到充分探索和理解。本研究旨在通过结合光系统性能评估、与膜完整性相关的脂肪酸代谢以及分子化学结构稳定性，为Si对供应或不供应0.5 mmol L?1硅酸钠（Na
背景：硅（Silicon, Si）已被证明是增强作物耐盐性的重要元素。然而，Si缓解盐胁迫的机制仍未得到充分探索和理解。本研究旨在通过结合光系统性能评估、与膜完整性相关的脂肪酸代谢以及分子化学结构稳定性，为Si对供应或不供应0.5 mmol L?1硅酸钠（Na2SiO3）的盐胁迫高粱（Sorghum bicolor (L.)）的影响提供新的见解。
结果：相对于单独氯化钠（NaCl）处理，Si供应提高了生物量产量；使叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量分别增加35%、26%和61%（P < 0.01）；并增加了脯氨酸和总可溶性糖含量（P < 0.05）。值得注意的是，结果揭示了Si优化光系统间光化学平衡的新机制：进一步增强光系统II（PSII）光化学产率（Y(II)）和电子传递速率（ETR(II)），减少非光化学能量耗散过程（Y(NPQ)和Y(NO)），同时恢复光系统I（PSI）光化学产率（Y(I)）和电子传递速率（ETR(I)），主要通过缓解供体侧限制（Y(ND)降低）实现。此外，Si补充维持了膜完整性，使丙二醛（MDA）水平降低15%（P < 0.01），表现为亚油酸（C18:2）和亚麻酸（C18:3）含量增加（P < 0.05）。进一步的结果显示了一个先前未报道的发现：Si通过抑制盐诱导的分子修饰，对分子的化学结构具有保护作用。
结论：总之，本研究拓宽了对Si增强耐盐性的理解，表明其改善了光系统性能的平衡，维持了膜稳定性和脂肪酸代谢，并保护了化学二级结构的完整性。? 2026 The Author(s).《Journal of the Science of Food and Agriculture》由John Wiley & Sons Ltd代表Society of Chemical Industry出版。
硅介导的盐胁迫高粱（Sorghum bicolor (L.)）光系统差异保护与脂肪酸代谢维持机制解读**
一、研究背景与科学问题
全球粮食安全正面临气候变化带来的持续挑战。极端天气波动，特别是气温和降水异常，以及盐碱土壤面积的扩大，正使作物超出其适应能力，凸显了制定有效缓解策略的紧迫性。全球范围内，土壤盐渍化已导致约6%的生产性土地（相当于8亿公顷）无法耕作。盐胁迫通过诱导离子失衡造成营养胁迫、高渗胁迫限制水分吸收，以及活性氧（ROS）过量产生导致的氧化损伤，从而损害作物生长和产量。ROS通过氧化修饰脂质、蛋白质和核酸等大分子，扰乱正常代谢，影响多个关键生理过程。光合作用是与植物最佳生长密切相关的极其重要的生理过程，盐胁迫下光合作用的改变直接与作物产量下降相关。盐分在光合活性叶肉细胞中的积累抑制了光合作用的关键过程，包括卡尔文循环酶活性、光合色素生物合成、光系统和类囊体膜的效率及结构完整性。
此外，盐分积累还破坏细胞质膜的稳定性。生物膜主要由脂肪酸（FAs）组成，这些脂肪酸是质膜（包括叶绿体和类囊体膜）的关键组分，通过调节膜的流动性和通透性在维持膜结构和功能中发挥核心作用。在盐胁迫下，植物经历脂肪酸重塑，这可能是膜性质变化的原因。膜通透性是植物耐盐性的关键决定因素，其变化与脂肪酸组成和不饱和程度密切相关。然而，尽管脂肪酸代谢对植物发育至关重要，但在植物响应非生物胁迫（特别是盐胁迫）的研究中却很大程度上被忽视，大多数研究集中于冷和热胁迫。
硅（Si）处理已被认为是增强植物耐受性和减轻非生物胁迫（包括盐胁迫）不利影响的有效方法之一。Si是地壳中最丰富的元素之一，约占岩石圈的28%，最近被国际植物营养研究所归类为“准必需”元素。Si介导作物耐受性增强的一个关键机制是减少有毒盐离子（Na+和Cl?）的吸收。然而，关于Si对关键代谢途径、精确光合作用、脂肪酸代谢和膜完整性的影响，仍缺乏深入探索和明确解释。因此，本研究旨在揭示Si施用对盐胁迫高粱的生理和生化响应，重点探究Si在光系统光化学效率、叶片膜稳定性与脂肪酸代谢、渗透调节以及分子结构特性方面的潜在保护作用。
二、主要技术方法
研究人员在突尼斯Borj-Cedria生物技术中心温室中进行实验，将高粱幼苗置于Hewitt营养液中培养，设置对照组、200 mmol L?1 NaCl处理组和NaCl加0.5 mmol L?1 Na2SiO3处理组，处理15天。主要技术方法包括：利用紫外-可见分光光度法测定光合色素含量；采用比色法测定Si含量和转运因子；通过苯酚-硫酸法和茚三酮法分别测定总可溶性糖和脯氨酸含量；利用硫代巴比妥酸法评估脂质过氧化（MDA含量）；使用Dual-PAM-100系统测定PSII和PSI光化学活性参数；采用气相色谱-火焰离子化检测器分析脂肪酸甲酯组成；运用衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）分析叶片分子化学结构；使用XLSTAT软件进行统计分析和主成分分析。
三、主要研究结果
硅对高粱形态和表型特征的影响：盐胁迫导致高粱植株尺寸和生长减少，叶片出现坏死、狭窄且发育不良。而Si补充显著改善了盐胁迫植株的生长和活力，叶片发育更完全，凸显了Si对盐胁迫下植物生产力的有益作用。
硅对高粱生长和产量的影响：盐胁迫使根、茎和总植物生物量分别减少56%、41%和54%。Si添加使盐胁迫高粱的根、茎和总干重恢复至与对照无显著差异的水平。盐胁迫下根长增加而茎长减少，Si补充使两者均恢复至对照水平。
光合色素浓度的调控：盐胁迫显著降低叶绿素a、总叶绿素和类胡萝卜素含量，而叶绿素b不受影响。Si补充使叶绿素a、总叶绿素和类胡萝卜素含量分别比盐胁迫植株增加35%、32%和61%，叶绿素b增加26%。
硅组织含量和积累：盐胁迫下添加0.5 mmol L?1 Si导致高粱叶片中Si显著积累，达到叶片干重的1.69%，约为根部的十倍，且观察到极高的根到叶Si转运因子。
硅对渗透调节物质积累的影响：盐胁迫显著增加根和叶中脯氨酸和总可溶性糖含量。脯氨酸积累尤为显著，根和叶分别达到对照的九倍和六倍。Si补充进一步增强了脯氨酸积累，根和叶分别增加80%和13%；总可溶性糖含量在根和叶中分别增加9%和15%。
硅对光系统II和光系统I的光保护效应：盐胁迫下两个光系统表现出不同响应：PSII的Y(II)增加，而PSI的Y(I)下降。Si补充进一步增强Y(II)，使其高于对照和NaCl处理，并将Y(I)恢复至对照水平。盐胁迫增加Y(NPQ)和qP、qL，Si补充使Y(NPQ)向对照值降低并进一步抑制Y(NO)。盐胁迫下Y(ND)增加而Y(NA)减少，P700氧化升高，Si补充使这些参数部分恢复至接近对照水平。
硅对细胞膜稳定性的影响：盐胁迫使叶片MDA含量比对照增加36%，Si补充使MDA含量相对于盐胁迫叶片降低15%。
硅对叶片脂肪酸代谢的保护效应：盐胁迫下几乎所有脂肪酸显著增加，但C18:2和C18:3显著下降，导致总多不饱和脂肪酸（PUFA）和不饱和脂肪酸（UFA）减少，UFA/SFA比值降低，双键指数（DBI）下降65.24%。Si补充使脂肪酸丰度顺序接近对照，PUFA、MUFA和SFA含量显著恢复，DBI显著增加。
傅里叶变换红外分析：FTIR光谱检测到12个峰。盐胁迫增加羟基（–OH）、C–H、C=C、N–H、C–H对称变形、P=O等基团含量，Si补充使多数峰接近对照水平，部分峰在NaCl+Si样品中消失，表明Si对分子化学结构具有保护作用。
相关性分析：盐胁迫与根、茎和总植物干重、茎长、叶数、耐盐指数、光合色素、可溶性糖和脯氨酸含量、C18:2、C18:3、DBI、PUFA、UFA和UFA/SFA比值呈负相关；与根长、分蘖数、MDA含量、C16:0、C16:1、C18:1、SFA和MUFA呈正相关。Si补充则呈现相反的显著相关性模式。
四、讨论与结论
研究表明，盐胁迫下高粱通过增加根长和分蘖数作为适应性响应，而Si补充恢复了生长参数并增加叶数。Si主要通过减少Na+毒性、维持组织水合、增强光合活性、改善渗透调节和上调酶促抗氧化防御系统来发挥作用。盐胁迫下PSII过度刺激而PSI受抑制，破坏了整体光合平衡。Si通过解除电子传递链（特别是PSI供体侧）的阻塞，促进PSII活性并降低能量耗散需求，恢复PSI光化学活性，重新平衡两个光系统间的功能协调。在脂肪酸代谢方面，Si通过维持C18:2和C18:3水平，抑制膜脂过氧化，恢复膜流动性和完整性。FTIR分析进一步证实Si在化学结构层面的保护作用，抑制盐诱导的分子修饰。研究结论表明，Si通过改善光系统性能平衡、维持膜稳定性和脂肪酸代谢、保护化学二级结构完整性，从而增强高粱的耐盐性。该研究发表在《Journal of the Science of Food and Agriculture》上，为理解Si增强作物耐盐机制提供了新见解，对盐碱地作物生产具有重要参考价值。
