二氧化硅纳米改性生物炭通过调控离子稳态与抗氧化防御系统增强水稻耐盐性的生理与分子机制

《Plant Physiology and Biochemistry》：Carbon to Nano-Carbon: Comparative Efficacy of Conventional Biochar and SiO 2-nanoparticles Inoculated Biochar in Enhancing Physiological, Anatomical, and Molecular Salt Tolerance in Rice.

土壤盐渍化严重制约水稻生产。本研究探讨了常规生物炭(BC)、二氧化硅纳米颗粒(Si-NPs)及其复合物(SBC)在增强水稻耐盐性方面的比较效果。结果表明，SBC处理能显著降低H2O2和MDA含量，提升SOD、POD、CAT活性，改善光合性能，并通过调控OsHKT、OsSOD等基因表达增强离子稳态与抗氧化能力，为盐渍土壤水稻栽培提供了新型改良策略。

　　

随着全球气候变化和灌溉农业的持续发展，土壤盐渍化已成为威胁粮食安全的重要环境因素。据统计，全球约8.7%的陆地面积受到盐渍化影响，其中亚洲地区尤为严重。作为主要粮食作物之一的水稻，虽然养活了世界近一半人口，但其对盐分胁迫的敏感性却成为产量提升的重要限制因素。特别是在幼苗期和营养生长期，水稻对盐分胁迫的响应尤为敏感，可能导致产量损失高达25%-68%。面对这一严峻挑战，开发高效、环保的盐渍土壤改良技术迫在眉睫。

在这一背景下，生物炭和纳米技术作为两种具有潜力的土壤改良方式受到广泛关注。生物炭因其多孔结构、高比表面积和丰富的表面官能团，能够改善土壤结构、增强保水能力并吸附有害离子。而二氧化硅纳米颗粒则以其小尺寸效应和高反应活性，能够直接参与植物代谢调控，增强抗氧化防御系统。那么，能否将二者的优势结合，开发出更具协同效应的改良材料？这正是发表于《Plant Physiology and Biochemistry》的最新研究试图解答的科学问题。

研究人员通过将SiO₂纳米颗粒锚定在生物炭基质上，成功制备出二氧化硅纳米改性生物炭复合材料。通过扫描电镜、透射电镜、傅里叶变换红外光谱等技术表征证实，SiO₂纳米颗粒均匀分布在生物炭表面，形成了具有高反应活性的纳米碳复合材料。研究人员以盐敏感水稻品种"晶两优534"为材料，设置了一系列处理组：空白对照、盐胁迫对照、生物炭、生物炭+盐胁迫、二氧化硅纳米颗粒、二氧化硅纳米颗粒+盐胁迫、二氧化硅改性生物炭及其盐胁迫处理组，系统评估了这些处理对水稻生理生化特性的影响。

在关键技术方法方面，研究采用了盆栽培养实验，在水稻生长20天后施加电导率为7 dS m^--1的中度盐胁迫。通过测定光合参数、叶绿素荧光、抗氧化酶活性、离子含量、基因表达等指标，结合扫描电镜观察叶片气孔和根部解剖结构，全面评估了不同处理对水稻耐盐性的影响。实验数据经过方差分析和最小显著差异检验，确保结果的统计学可靠性。

二氧化硅改性生物炭的表征结果

通过SEM和TEM观察发现，原始生物炭呈现典型的多孔不规则结构，而SiO₂改性后的生物炭表面出现了明显的纳米颗粒沉积。元素映射和EDX分析显示，改性后材料中硅含量从19.39%显著增加至41.86%，FTIR光谱中出现了Si-O-Si和Si-O-C特征峰，证实了SiO₂成功锚定在生物炭基质上。

二氧化硅改性生物炭促进水稻生长和生物量积累

盐胁迫显著抑制了水稻生长，而SBC处理有效缓解了这种抑制。在盐胁迫条件下，SBC处理使水稻地上部鲜重、干重和分蘖数分别提高了122%、263.5%和200%，根部长度、鲜重和干重分别增加了159.5%、133%和288%。值得注意的是，SBC处理的效果显著优于单独使用生物炭或二氧化硅纳米颗粒的处理，表明二者存在协同增效作用。

光合特性和叶绿素荧光参数的改善

盐胁迫导致光合系统II最大光化学效率(Fv/Fm)下降70.8%，而SBC处理使其恢复至接近正常水平。同时，SBC处理还显著提高了电子传输速率(179%)和光化学猝灭(65%)，降低了非光化学猝灭，表明其能有效缓解盐胁迫引起的光抑制。气体交换参数测定显示，SBC处理使净光合速率、气孔导度和蒸腾速率分别提高了72.5%、77.2%和71.5%，显著改善了水稻的光合性能。

氧化应激标志物的减少

盐胁迫导致活性氧积累，H₂O₂和MDA含量分别增加了145.8%和98.5%。SBC处理使这两种氧化应激标志物含量降低了55.2%和38.3%，表明其能有效减轻膜脂过氧化损伤。进一步分析发现，SBC处理显著提升了超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶的活性，增幅分别达到39.6%、31.4%和47.3%，增强了细胞的抗氧化防御能力。

渗透调节物质的积累

盐胁迫引起渗透调节响应，脯氨酸和可溶性糖含量分别增加52.1%和84.5%。SBC处理使这些渗透调节物质的积累趋于正常化，同时提高了淀粉(62%)和蔗糖(70.8%)含量，表明其能帮助植物维持正常的碳代谢和渗透平衡。

离子稳态的调控

盐胁迫破坏了离子平衡，使叶片Na⁺含量显著增加，K⁺/Na⁺比降低95.4%。SBC处理通过降低Na⁺吸收(43.3%)和促进K⁺保留(160%)，使K⁺/Na⁺比提高了162.4%，有效维持了细胞离子稳态。

基因表达分析

qRT-PCR结果显示，盐胁迫下OsSOD2和OsAPX1基因表达受到抑制，而SBC处理使其表达量分别上调2.97倍和5.03倍。同时，SBC还显著上调了OsHKT1和OsHKT2的表达(分别增加4.16倍和3.09倍)，这些基因参与Na⁺外排和K⁺吸收，其上调表达有助于解释SBC处理改善离子平衡的分子机制。

叶片气孔和根部解剖结构

扫描电镜观察发现，盐胁迫导致气孔开度减小，而SBC处理使气孔长度、宽度、孔隙长度和宽度分别增加29.9%、20.47%和24.7%。根部解剖结构分析显示，SBC处理使维管柱直径和木质部导管宽度分别增加87%和104%，改善了水分和养分的运输效率。

本研究通过多角度证据表明，二氧化硅改性生物炭能通过多种机制增强水稻耐盐性：在土壤层面，生物炭通过吸附Na⁺离子减少其生物有效性；在植物体内，SiO₂通过增强细胞壁结构、调控离子转运基因表达、激活抗氧化系统来缓解盐胁迫伤害。两种材料的协同作用最终表现为生长指标的改善、光合效率的提高和氧化损伤的减轻。这一研究为开发新型盐渍土壤改良剂提供了理论依据和技术支撑，对保障粮食安全具有重要意义。未来的研究应关注SBC在不同土壤类型和作物上的普适性，以及其长期施用对土壤生态系统的影响。