硅调控谷子耐盐性机制解析：基于转录组学的生理与分子证据

《Discover Plants》：Unraveling silicon-induced salinity tolerance mechanism in finger millet (Eleusine coracana) through a transcriptomic approach

　　

谷子（Eleusine coracana），作为一种营养丰富且具有气候适应性的谷类作物，在亚洲和非洲被广泛种植。已有研究表明，硅（Si）补充能够增强植物对非生物胁迫的耐受性；然而，其潜在的分子机制尚不明确。研究人员整合生理学与转录组学分析，研究了谷子幼苗在对照、NaCl（200 mM）、Si（10 ppm）及NaCl+Si（10 ppm）处理下的响应。硅补充通过减少膜损伤、增强渗透调节物质积累及抗氧化酶活性，缓解了盐胁迫。转录组分析揭示，硅介导的耐盐性与编码关键糖酵解酶（包括葡萄糖-6-磷酸异构酶、磷酸果糖激酶、甘油醛-3-磷酸脱氢酶、烯醇化酶和丙酮酸激酶）的基因上调相关，表明糖酵解途径的碳通量增强。此外，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶、苹果酸脱氢酶、苹果酸酶及RuBisCO表达的增加，表明盐胁迫下碳同化增强及中心碳代谢的协调调控。这些转录层面的调整可能有助于维持渗透平衡、能量供应和细胞保护，从而促进胁迫耐受性的提高。研究结果为理解硅介导的谷子耐盐性分子基础提供了见解，并凸显了基于硅的策略在盐碱条件下增强作物抗逆性的潜力。

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一、研究背景与意义

土壤盐碱化是全球农业可持续发展面临的重大威胁之一，全球约20%的灌溉农业用地受到盐渍化影响，严重制约作物产量并威胁粮食安全。盐胁迫通过渗透胁迫和离子胁迫双重机制干扰植物水分吸收、养分平衡、膜稳定性及光合效率，最终导致生长和生产力下降。

谷子（Eleusine coracana (L.) Gaertn.）隶属禾本科（Poaceae），为四倍体谷类作物，在亚洲和非洲半干旱地区广泛种植，在全球小杂粮产量中位居第四（仅次于高粱、珍珠粟和小米）。谷子富含钙、铁、膳食纤维、必需氨基酸及抗氧化物质，兼具营养价值和健康功效。尽管谷子被认为具有较强胁迫耐受性，但其并非盐生植物，盐胁迫仍显著影响其萌发、光合作用、酶活性及整体产量。

硅（Si）虽未被归类为必需元素，但在非生物胁迫条件下被证实具有有益的生物刺激作用。植物以单硅酸（H₄SiO₄）形式吸收硅，并以无定形二氧化硅（SiO₂）形式沉积，从而改善结构完整性并增强环境胁迫耐受性。在水稻、小麦、大麦和玉米等多种谷类作物中，硅补充已被证明能改善根系水分吸收、维持Na⁺/K⁺稳态、稳定叶绿体超微结构并增强抗氧化防御系统。然而，关于硅介导的谷子耐盐性生理响应及分子机制的系统研究仍十分有限。

鉴于谷子的营养重要性、胁迫敏感性以及硅在其他谷类作物中已被证实的胁迫缓解潜力，开展本研究具有重要的科学意义和应用价值。研究人员假设硅补充通过协调调控抗氧化防御、碳代谢和胁迫响应基因表达来维持细胞稳态，从而增强耐盐性。

二、研究内容与主要结论

本研究整合生理学和转录组学分析，系统探讨了硅介导的谷子耐盐性机制。主要研究内容与结论如下：

（一）硅补充促进盐胁迫下种子萌发和生长

以Hoagland溶液和10 ppm Si单独处理的种子萌发率达100%；200 mM NaCl盐胁迫将萌发率降至93.33%；而盐胁迫下补充10 ppm Si可将萌发率提升至98.89%。硅通过提高萌发率、根长、芽长及根冠比（R/S），缓解了盐胁迫的负面影响。硅在胁迫条件下显著增强根长并帮助维持幼苗水分状态。

（二）硅降低盐胁迫下膜损伤并提高叶绿素含量

NaCl处理组总叶绿素含量（0.019±0.002 mg g^?1 FW）较对照显著降低；盐胁迫下补充硅后叶绿素含量提升至0.042±0.004 mg g^?1 FW。类胡萝卜素含量呈类似趋势：NaCl处理降至1.32±0.001 mg g^?1 FW，而NaCl+Si处理恢复至2.34±0.001 mg g^?1 FW。盐胁迫下丙二醛（MDA）含量较对照增加2.04倍，补充硅后显著降低0.37倍。转录组数据显示，NaCl处理增强了磷脂生物合成相关基因（甘油-3-磷酸脱氢酶、乙酰转移酶、磷脂酸胞苷酰转移酶）的表达，而NaCl+Si处理中这些基因表达及MDA含量均显著降低，凸显了硅在缓解NaCl诱导胁迫中的保护作用。

（三）硅对盐胁迫下谷子幼苗矿物质含量的影响

与对照相比，NaCl处理组幼苗Na⁺浓度升高、K⁺浓度降低。补充硅后，胁迫幼苗的矿物质含量发生变化。各处理中Ca²⁺吸收量均低于Na⁺和K⁺，但NaCl+Si处理组幼苗Ca²⁺含量最高。硅可能通过调控离子转运体表达和增强根系选择通透性来减少Na⁺吸收，而Ca²⁺含量的提升对维持膜完整性和介导胁迫信号传导具有重要作用。

（四）硅补充降低盐胁迫下渗透调节物质积累

NaCl胁迫幼苗较对照积累了更多渗透调节物质：脯氨酸（0.36倍）、甘氨酸甜菜碱（0.59倍）和总可溶性糖（0.66倍）。硅补充后这些渗透调节物质水平下降：脯氨酸降低0.27倍、总可溶性糖降低0.22倍、甘氨酸甜菜碱降低0.35倍。转录组分析显示，NaCl处理显著上调脯氨酸生物合成基因Δ1-吡咯啉-5-羧酸合成酶（P5CS）、糖生物合成相关基因蔗糖合酶和海藻糖-6-磷酸合酶/磷酸酶以及甘氨酸甜菜碱合成关键基因甜菜碱醛脱氢酶的表达；而NaCl+Si处理中这些基因表达均显著下降，与渗透调节物质积累减少相一致。这表明硅缓解了NaCl引起的渗透和氧化胁迫，降低了植物进行大量渗透调节物质积累的需求。

（五）硅补充增强盐胁迫下抗氧化酶活性

NaCl胁迫幼苗中超氧化物歧化酶（SOD）（0.48倍）、过氧化氢酶（CAT）（0.48倍）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）（0.70倍）和谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）（2.19倍）比活性均高于对照。硅补充进一步增强了胁迫条件下这些酶的比活性：SOD增加1.73倍、CAT增加1.26倍、APX增加0.50倍、GPX增加0.59倍。基因表达模式与生化响应一致：NaCl+Si处理组幼苗中相应抗氧化酶编码基因的转录丰度（TPM值分别为290.84、93.62、17.75和113.75）显著高于NaCl单独处理组。

（六）转录组测序与差异基因表达分析

每个处理组产生超过7000万条高质量清洁读段，平均读长151 bp（SRA BioProject登录号PRJNA1163980），共生成约7.277亿条读段。从头组装获得429,065条非冗余转录本，平均GC含量47.41%，90.80%的读段成功比对回组装的转录组。在429,065条组装转录本中，23,753条在不同处理比较中差异表达：对照vs Si比较中7,746条上调、16,007条下调；对照vs NaCl比较中19,035条上调、9,974条下调；NaCl vs NaCl+Si比较中3,744条上调、24,057条下调。

（七）硅在盐胁迫下促进光合作用

NaCl处理导致糖酵解途径相关酶转录本下调；而外源硅补充后，糖酵解途径基因上调，表明葡萄糖分解为丙酮酸的速率增加。上调的糖酵解基因包括葡萄糖-6-磷酸异构酶、磷酸果糖激酶、果糖-二磷酸醛缩酶、磷酸丙糖异构酶、甘油醛-3-磷酸脱氢酶、磷酸甘油酸激酶、磷酸甘油酸变位酶、烯醇化酶和丙酮酸激酶。光合作用暗反应关键酶（包括磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶和RuBisCO）的转录本也上调。糖酵解中间代谢物磷酸烯醇式丙酮酸在NaCl+Si处理中被用于提高光合速率，与叶绿素含量增加相一致。

（八）硅在盐胁迫下上调胆固醇和磷脂生物合成

硅补充增强了盐胁迫下磷脂代谢相关基因（甘油-3-磷酸脱氢酶和乙酰转移酶）的表达，可能有助于盐诱导损伤后的膜维持和修复。NaCl+Si处理中丙酮酸脱氢酶表达增强，表明丙酮酸向乙酰辅酶A转化的潜力增加。甲羟戊酸途径多个相关基因在NaCl+Si处理中表达增强，表明硅补充下异戊二烯类生物合成潜力增强，乙酰辅酶A可能更多流向下游生物合成过程。

（九）硅存在下生长素生物合成增强

硅在NaCl胁迫下通过色氨酸（Trp）依赖途径上调了吲哚-3-乙酸（IAA）生物合成过程。上调基因包括邻氨基苯甲酸合酶、分支酸变位酶、吲哚-3-甘油磷酸合酶和吲哚-3-丙酮酸单加氧酶。这表明硅补充可能通过调控生长素水平影响植物生长和胁迫响应，从而增强逆境下的植物抗逆性。

三、主要技术方法

研究人员选用耐盐谷子地方品种ST-JA-WA（该品种来自对印度西马哈拉施特拉邦27个谷子地方品种的初步筛选），设置四种处理：Hoagland溶液（对照）、10 ppm Si、200 mM NaCl、200 mM NaCl+10 ppm Si。主要技术方法包括：种子萌发生长分析（记录萌发率、根长、芽长、根冠比、鲜重、干重、含水量）；光合色素测定（采用Arnon法和Lichtenthaler & Wellburn法）；生化分析（MDA含量测定采用Heath & Packer法，矿物质含量采用三酸消化法）；渗透调节物质测定（脯氨酸采用Bates法，总可溶性糖采用蒽酮法，甘氨酸甜菜碱采用Grieve & Grattan法）；抗氧化酶活性测定（SOD、CAT、APX、GPX）；转录组分析（Illumina NovaSeq 6000平台双端150 bp测序，Trinity从头组装，edgeR差异表达分析，Blast2GO Pro功能注释）；统计分析（ANOVA和DMRT，显著性水平5%）。

四、讨论与结论

讨论部分指出，盐胁迫通过渗透胁迫、离子毒性和氧化损伤抑制种子萌发和幼苗建立，而硅补充通过多种机制缓解盐胁迫。硅并非正常条件下的生长促进剂，其有益效应在胁迫条件下更为显著。硅通过减少Na⁺积累、增加Ca²⁺含量来调节离子稳态；通过降低渗透调节物质过度积累来减少代谢成本；通过增强抗氧化酶活性来维持氧化稳态。转录组层面，硅重编程了能量代谢、脂质生物合成和激素信号相关基因的表达，特别是光合作用、磷脂和甾醇生物合成以及生长素代谢相关基因。甾醇（如谷甾醇、菜油甾醇、豆甾醇）对膜完整性至关重要，同时也是油菜素内酯的前体，其合成增强表明硅可能通过增强膜重塑和激素信号来改善胁迫适应。硅诱导的Trp依赖型生长素生物合成上调表明硅通过调节激素生物合成来调控胁迫响应发育。

结论：本研究证明硅补充通过影响多种生理和分子途径显著提高谷子耐盐性。硅增强种子萌发、维持色素稳定性、保护膜完整性、调节离子平衡、调节渗透调节物质积累并增强抗氧化酶活性。在转录组水平，硅重编程了能量代谢、脂质生物合成和激素信号相关基因，特别是光合作用、磷脂和甾醇生物合成以及生长素代谢相关基因。这些综合调整为理解硅作为生物刺激剂和胁迫缓解剂的作用提供了宝贵见解，在盐碱条件下谷子栽培中具有广阔应用潜力。