硅增强玉米抗旱性的生理生化与转录组整合分析揭示多阶段胁迫缓解机制

《Plant Growth Regulation》：Silicon-induced drought resilience in maize (Zea mays L.): uncovering the integrated physiochemical and transcriptomic insights into stress mitigation

本研究针对干旱胁迫导致玉米大幅减产的农业瓶颈问题，通过雨棚控制柱栽试验，系统探究了叶面施硅对拔节期（V6）、抽雄期（VT）和灌浆期（R2）玉米抗旱性的调控机制。结果表明，硅通过提升光合参数（Pn、Gs、Tr）、增强抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性、降低O2·?和MDA积累，并调控植物激素信号通路（ABA、JA、IAA、CKs）相关基因表达，使VT阶段减产幅度从96.3%收窄至67.7%。该研究为硅肥在玉米抗旱生产中的应用提供了理论依据。

　　

在全球气候变暖加剧、干旱事件频发的背景下，玉米作为世界第三大粮食作物，其生产面临严峻挑战。干旱胁迫不仅限制植株生长，更会导致光合效率下降、活性氧（ROS）爆发及细胞膜损伤，最终造成玉米产量大幅下滑。尽管硅（Si）已被证实能缓解作物干旱胁迫，但其在玉米不同生育阶段（尤其是生殖生长期）的抗旱分子机制尚不明确。

为破解这一难题，研究人员在《Plant Growth Regulation》发表论文，通过雨棚控制柱栽试验，结合生理生化指标测定与转录组测序技术，系统揭示了叶面施硅在玉米拔节期（V6）、抽雄期（VT）和灌浆期（R2）三个关键生长阶段对抗旱性的调控机制。研究发现，干旱胁迫导致玉米株高、叶面积、叶片相对含水量（LRWC）及光合参数（Pn、Gs、Tr）显著下降，而硅处理有效缓解了这些负面效应。尤其值得注意的是，硅应用显著提升了超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）的活性，降低了超氧阴离子（O₂^·?）和丙二醛（MDA）的积累，同时促进可溶性糖和蛋白质等渗透调节物质的合成。产量分析显示，硅处理使VT阶段的减产幅度从96.3%收窄至67.7%，凸显了生殖生长期施硅的显著效益。

关键技术方法包括：基于土壤柱的干旱胁迫控制实验、叶片生理指标（光合参数、抗氧化酶活性、渗透物质含量）测定、高通量转录组测序（RNA-seq）及加权基因共表达网络分析（WGCNA）。

植物生长与籽粒产量

干旱胁迫显著抑制玉米株高、叶面积和LRWC，而硅处理逆转了这一趋势。根系分析表明，硅促进根长和根体积增加，增强水分获取能力。产量方面，硅在VT阶段效果最显著，使百粒重和穗粒数明显提升。

光合参数与叶绿素含量

干旱导致Pn、Gs、Tr和叶绿素含量下降，硅处理通过上调光系统I（PSI）、光系统II（PSII）及光捕获色素蛋白复合体（LHC）相关基因表达，保护光合机构完整性。

有机渗透物质、氧化物质与抗氧化酶

硅增强SOD、POD、CAT活性，降低MDA和O₂^·?水平，同时提升可溶性蛋白和糖含量，而脯氨酸含量在硅处理下降低，反映硅改善了细胞水分状态。

脱落酸（ABA）与叶片相对含水量（LRWC）的动态变化

干旱胁迫下ABA含量急剧上升，LRWC下降，硅处理显著抑制ABA积累，维持较高的LRWC，缓解干旱引起的生理干旱。

干旱胁迫下的叶片转录组差异表达

RNA-seq发现硅调控的差异表达基因（DEGs）富集于光合作用、植物激素信号转导等通路。GO和KEGG分析显示，硅通过调节激素信号网络（如抑制ABA和JA通路、激活CKs和IAA通路）增强抗旱性。

加权基因共表达网络分析（WGCNA）

WGCNA识别出与生理性状相关的基因模块，其中turquoise模块与光合参数正相关，而brown模块与氧化应激指标正相关，揭示硅通过核心基因网络协调抗旱响应。

光合作用相关DEGs

硅上调PSI（PsaE、PsaF等）、PSII（PsbQ、PsbP等）及电子传递链（PetF、PetH）基因表达，缓解干旱对光系统的破坏。

植物激素信号转导相关DEGs

硅下调ABA信号通路基因（PYR/PYL、PP2C）和JA通路基因（JAZ、MYC2），上调生长素（AUX/IAA）和细胞分裂素（A-ARR）相关基因，平衡激素网络以促进生长。

研究结论表明，硅通过协调光合保护、抗氧化防御、渗透调节及激素信号转导等多途径增强玉米抗旱性，其中抽雄期（VT）施硅效果最为显著。该研究不仅深化了对硅-激素互作机制的理解，还为玉米节水栽培提供了理论支撑和实践方案。