《Scientia Horticulturae》：Enhancing tomato tolerance to low phosphorus stress through exogenous nano-silicon application
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本研究针对设施农业中磷肥利用率低、环境污染严重等问题，探讨了叶面喷施纳米硅和离子硅对水培番茄幼苗低磷胁迫耐受性的影响。研究发现，100 mg·L?1纳米硅处理能最有效地通过增强抗氧化酶活性减少活性氧积累，优化碳水化合物代谢，从而改善果实形态和品质，使低磷胁迫下番茄产量提高约19%，可溶性糖、蔗糖和维生素C含量分别增加约50%、70%和47%。该研究为利用纳米硅肥料提高磷效率、实现番茄优质高产提供了理论依据和技术支持。
在追求高产高效的现代农业中，磷肥的施用扮演着关键角色。磷不仅是植物体内DNA、RNA、蛋白质和ATP合成的必需元素，也深刻影响着作物的生长发育和果实品质。然而，一个严峻的现实是，磷酸根离子在土壤中易与矿物质和金属阳离子发生反应，移动性差，导致磷肥利用率低下，尤其在设施农业中这一问题更为突出。更令人担忧的是，为了满足作物营养需求、保证产量和品质，过量施用磷肥的现象依然普遍，这不仅造成土壤磷素积累和地下水污染，加剧水体富营养化风险，还加速了有限磷矿资源的耗竭。如何在保障作物生产的同时提高磷素利用效率、减少环境负担，成为农业可持续发展面临的重要挑战。
硅作为一种有益元素，已被证明能够增强植物对逆境胁迫的耐受性。与传统离子硅相比，纳米硅材料凭借其纳米级尺寸和高表面反应活性，在穿透植物组织屏障、调节植物生理形态方面展现出独特优势。尽管硅与磷的相互作用在多种作物中已有研究，但大多数关注点集中在离子硅对营养生长期的影响，而对纳米硅如何影响番茄低磷胁迫耐受性，特别是将幼苗生理响应与最终果实品质和产量联系起来的研究尚不充分。此外，不同形态硅材料在增强低磷耐受性方面的相对功效也缺乏系统比较。为此，山西农业大学园艺学院的研究团队在《Scientia Horticulturae》上发表了最新研究成果，系统探讨了叶面和离子硅对低磷胁迫下番茄幼苗生理响应及果实品质形成的影响。
研究人员采用水培法种植番茄'Micro-Tom'，设置了正常磷和低磷(0.033 mM)两种处理，并在幼苗期叶面喷施两种浓度(20和100 mg·L?1)的纳米硅和离子硅。通过测定光合参数、叶绿素荧光、抗氧化酶活性、碳水化合物代谢关键酶活性及果实品质指标，系统评估了不同处理的效应。关键技术方法包括：光合色素含量和光合荧光参数测定、活性氧和丙二醛含量检测、抗氧化酶活性分析、碳水化合物代谢相关物质和酶活性测定，以及果实外观品质、矿物质元素和抗氧化物质含量检测。
3.1. 不同形态硅对低磷胁迫下番茄幼苗生长的影响
3.1.1. 低磷胁迫下番茄幼苗的表型特征
低磷胁迫显著抑制了番茄幼苗生长，导致植株矮小、根系发育不良。与低磷处理相比，100 mg·L?1纳米硅处理显著缓解了这种抑制，增加了株高和茎粗，并促进根系生长，增加了根长和分枝。低磷胁迫显著促进根系的伸长和表面积扩展，而叶面喷施纳米硅进一步增强了这些性状，且呈浓度依赖性，其中LP100NP处理改善效果最佳。
3.1.2. 光合色素、气体交换和叶绿素荧光特性
低磷胁迫显著降低了净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)和水分利用效率(WUE)。叶面喷施纳米硅以浓度依赖方式缓解了这些降低，其中LP100NP处理改善最为显著，使Pn、Gs、Ci、Tr和WUE分别提高了111.73%、285.71%、20.77%、24.34%和70.43%。低磷胁迫还显著降低了叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和总叶绿素含量，而LP100NP处理显著提高了这些光合色素含量。叶绿素荧光参数显示，低磷胁迫显著降低了实际光化学效率(ΦPSII)、光化学淬灭系数(qP)、电子传输速率(ETR)、最大光化学效率(Fv/Fm)和光适应下最大光化学效率(Fv'/Fm')，同时增加了非光化学淬灭系数(NPQ)。纳米硅处理不同程度地改善了这些参数，其中LP100NP效果最佳。
3.1.3. MDA、ROS含量和抗氧化酶活性
低磷胁迫导致叶片和根系中丙二醛(MDA)、超氧阴离子(O2-·)和过氧化氢(H2O2)含量显著增加。与低磷处理相比，LP100NP显著降低了这些氧化损伤指标。在抗氧化酶方面，低磷胁迫下叶片过氧化物酶(POD)活性增加29.43%，而根系POD活性降低24.49%；过氧化氢酶(CAT)活性在叶片和根系中分别降低49.69%和66.63%。LP100NP处理显著增强了根系超氧化物歧化酶(SOD)、POD和CAT活性，并提高了叶片POD和CAT活性。
3.1.4. 碳水化合物代谢的关键物质及相关酶
低磷胁迫导致叶片蔗糖含量增加28.75%，淀粉含量降低11.23%；而根系中蔗糖、淀粉和可溶性糖含量分别降低37.60%、14.07%和16.02%。与低磷处理相比，LP100NP使叶片可溶性糖含量增加52.36%，根系增加80.38%，叶片淀粉含量增加24.91%。低磷胁迫抑制了根系蔗糖合成酶(SS)、酸性转化酶(AI)和中性转化酶(NI)活性，而纳米硅处理以剂量依赖方式提高了叶片和根系中SS、AI和NI活性。
3.2. 不同形态硅对低磷胁迫下番茄果实品质形成的影响
3.2.1. 番茄果实的外观和形态
低磷胁迫显著降低了番茄果实的纵径、横径、硬度和单果重。外源喷施纳米硅和离子硅不同程度地缓解了这些不利影响，其中纳米硅处理效果更优。特别是LP100NP处理显著改善了纵径、横径、硬度和单果重。
3.2.2. 番茄果实中的矿质元素含量
低磷胁迫显著降低了番茄果实中大量元素(N、P、K)和微量元素(Zn、Fe)含量。外源喷施纳米硅和离子硅后，果实中Zn和Fe含量随硅浓度增加而逐渐增加。与低磷处理相比，LP100NP显著提高了N、P、K、Ca、Zn和Fe含量，增幅分别为91.46%、30.10%、102.08%、120.00%、29.86%和72.85%。
3.2.3. 初级代谢物和抗氧化物质含量
低磷胁迫显著降低了番茄果实中果糖、蔗糖、有机酸和可溶性糖含量。LP100NP处理效果最显著，显著提高了这些初级代谢物含量。低磷胁迫还显著降低了类黄酮、总酚和维生素C(Vc)含量。在纳米硅处理中，LP20NP使类黄酮和总酚含量增幅最大(分别为62.31%和43.50%)，而LP100NP显著促进了类胡萝卜素和Vc的积累，增幅分别为12.68%和47.08%。
研究结论表明，在低磷胁迫下，叶面喷施100 mg·L?1纳米硅能最有效地通过增强抗氧化酶活性减少活性氧积累，优化碳水化合物代谢，从而促进有机物积累和分配，提高番茄产量和改善果实品质。这些改善体现在低磷胁迫下番茄产量提高约19%，果实品质也得到提升，可溶性糖、蔗糖和Vc含量分别增加约50%、70%和47%。
讨论部分强调，纳米硅通过协调叶片和根系的生理响应来增强低磷胁迫耐受性。在叶片中，纳米硅提高光合色素含量，改善光合性能，降低非光化学淬灭和气孔限制；同时通过增强抗氧化酶活性维持活性氧稳态。这些协调响应刺激了碳水化合物代谢，表现为较高的SS、AI和NI活性以及可溶性糖和淀粉水平提升。最终，这些生理调节表现为果实品质改善和产量提高。相关性分析进一步证实，幼苗期的光合特性、抗氧化系统和碳水化合物代谢与果实品质参数呈显著正相关。
该研究的重要意义在于为设施农业中磷肥高效利用提供了创新解决方案。纳米硅作为一种新型肥料材料，在提高作物磷效率、减少磷肥施用量、降低环境风险方面展现出巨大潜力。研究结果不仅为番茄优质高产栽培提供了理论依据和技术支持，也为其他作物的养分管理策略提供了重要参考。未来研究可进一步探讨纳米硅调控磷信号通路和碳氮代谢的分子机制，以及在不同作物和田间条件下的应用效果，推动纳米硅肥料在可持续农业中的实际应用。
