《Plants》：Foliar Application of TiO2 Alleviates the Adverse Effects of Late Sowing by Optimizing Photosynthetic Physiology, Yield, and Quality in Wheat
Wenqiang Tian,
Meilin Hu,
Shan Yu,
Jun Zhang,
Xuehui Wang,
Guangzhou Chen,
Weijun Yang,
Shubing Shi,
Jianhua Wang and
Jinshan Zhang
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本研究通过水培实验系统揭示了外源硅（Si）在2-4 mM浓度范围内，能够通过协调调控ABA（脱落酸）信号通路、维持ROS（活性氧）稳态并激活防御相关基因表达，有效缓解干旱胁迫和稻瘟病菌（Magnaporthe oryzae）侵染对水稻幼苗造成的生长抑制与氧化损伤，从而提高其抗旱与抗病性。这为Si肥在农业生产中的精准应用提供了理论依据。
外源硅增强水稻幼苗抗旱与抗稻瘟病能力的研究
1. 引言
硅（Si）是土壤中含量第二丰富的元素，以硅酸盐和石英（二氧化硅）形式广泛存在。对于植物而言，硅并非必需但极为有益的元素，它能显著提升植物对多种环境胁迫的耐受性。水稻作为一种典型的硅积累作物，具有较强的硅吸收和积累能力。研究表明，在营养生长期施用硅能促进水稻分蘖、增加每穗粒数，并通过提高抗倒伏性和茎秆强度来提升产量。特别是在穗发育期，施硅可减少颖壳水分流失，促进细胞膨大，从而增加每穗粒数和千粒重。更为关键的是，硅在植物抵抗生物和非生物胁迫中扮演着核心角色，包括缓解干旱、盐碱、营养失衡胁迫，以及增强对稻瘟病、纹枯病等病害的抗性。尽管其积极作用已被广泛研究，但硅如何在水稻中通过分子机制提高胁迫耐受性，尤其是其作用的最佳浓度范围，仍未完全阐明。本研究旨在探究水培条件下，不同浓度硅对水稻幼苗在应对干旱和稻瘟病胁迫时的生理与分子响应，以确定最佳施硅浓度并揭示其作用机理。
2. 研究结果
2.1. 缓解水稻幼苗干旱胁迫的最佳外源硅浓度
为探明增强水稻幼苗耐旱性的最佳硅浓度，研究团队用不同浓度的外源硅（0, 1, 2, 4, 6 mM）预处理两周大的幼苗一周，随后进行为期5天的干旱（15% PEG-6000模拟）处理。结果发现，干旱胁迫下，未经硅处理的对照组幼苗出现叶片萎蔫、卷曲和黄化现象，而施用1-4 mM硅显著缓解了干旱损伤，并促进了叶片在胁迫下的恢复，其中4 mM硅处理的效果最为突出，幼苗存活率最高，叶片失水率最低。在生理指标方面，干旱显著降低了叶片叶绿素含量、株高、生物量以及光合与蒸腾速率，而1-6 mM的硅处理均能在不同程度上缓解这些下降趋势，尤其在2-4 mM浓度范围内，对幼苗地上部和根系生长的抑制得到了最有效的缓解。综合来看，外源硅在2-4 mM浓度范围内能有效缓解干旱胁迫对水稻幼苗生长的抑制。
2.2. 施硅通过减少ROS积累增强水稻幼苗耐旱性
干旱胁迫会诱导植物体内活性氧（ROS）的快速产生和积累。通过DAB（3,3-二氨基联苯胺）和NBT（氮蓝四唑）染色可视化根尖ROS，本研究发现干旱胁迫显著诱导了水稻根部H2O2和O2?的积累。与不施硅的干旱处理组相比，施用1 mM硅即可减少ROS积累，而2 mM和4 mM硅处理则能更显著地降低幼苗根部H2O2和O2?的含量，其中4 mM处理效果最显著。定量分析证实了这一点。同时，干旱显著抑制了超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）的活性，而2 mM和4 mM硅处理显著增强了这些抗氧化酶的活性。在基因表达层面，硅处理（特别是2 mM和4 mM）显著上调了ROS清除相关基因（OsCatB, OsAPX1, OsPOX1）以及脯氨酸合成基因OsP5CR的表达，这与脯氨酸含量的增加和更高效的ROS清除能力相关。伊文思蓝染色和定量分析表明，4 mM硅处理显著减轻了干旱胁迫下根细胞的损伤。此外，干旱诱导的细胞膜脂质过氧化产物丙二醛（MDA）含量在1-6 mM硅处理下均持续降低，表明氧化损伤显著减轻。这些结果表明，2-4 mM的硅通过维持ROS稳态、减轻根细胞氧化损伤来缓解水稻幼苗的干旱胁迫。
2.3. 硅处理上调胁迫响应基因的表达
为了评估硅对干旱胁迫下胁迫响应基因表达的影响，研究通过RT-qPCR分析了几个关键基因的转录水平。脱落酸（ABA）是植物胁迫响应的核心激素。研究发现，在干旱胁迫下，硅处理显著上调了与胁迫和ABA响应相关的基因表达，包括ABA生物合成基因OsNCED3，以及胁迫响应基因OsDREB2A和OsLEA3。相反，干旱胁迫负调控因子OsWRKY5的表达在干旱下升高，但施用2、4、6 mM硅可下调其表达，其中4 mM处理使其表达水平降至最低。这些发现表明，2-4 mM的硅处理通过ABA依赖的机制调控胁迫响应基因的表达，从而在苗期增强水稻的耐旱性。
2.4. 施硅提高幼苗对稻瘟病的抗性
除了增强非生物胁迫耐受性，补充硅也被证明能提高水稻对生物胁迫的抗性。为了确定增强稻瘟病抗性的最佳硅浓度，研究用不同浓度硅处理两周大的幼苗，然后用稻瘟病菌（Magnaporthe oryzae）菌株Guy11进行喷雾接种。表型分析显示，不施硅的幼苗表现出典型的感病反应，而施硅处理（特别是4 mM）显著增加了评级为0级或1级（抗病）的叶片数量，并大幅减少了病斑数量。打孔接种实验进一步证实，4 mM硅处理导致接种点病斑面积最小。定量PCR分析真菌生物量显示，4 mM硅处理的幼苗中真菌DNA积累量最低。此外，RT-qPCR分析表明，在稻瘟病菌侵染下，硅处理显著上调了防御相关基因OsWRKY45、OsPBZ1、OsPR10a和OsPR5的表达。这些结果证明，4 mM硅能有效增强水稻幼苗对稻瘟病的抗性。
2.5. 施硅减少稻瘟病菌侵染后幼苗叶片中的ROS积累
活性氧在植物的免疫反应中扮演关键角色。通过DAB染色检测接种Guy11菌株叶片中的H2O2水平，发现稻瘟病菌侵染显著诱导了不施硅幼苗叶片中H2O2的积累，而施硅处理（特别是2 mM和4 mM）显著降低了侵染后叶片中的H2O2含量。定量分析H2O2和O2?含量，以及抗氧化酶SOD、POD和CAT的活性，均得到一致结论：与对照相比，施硅处理显著增强了受感染组织中这些抗氧化酶的活性，从而提升了ROS清除能力。相应地，ROS清除酶基因OsCatB、OsAPX1、OsPOX1以及脯氨酸合成酶基因OsP5CR的表达也在施硅处理后上调。这些结果表明，2-4 mM的硅处理能减少稻瘟病菌侵染诱导的水稻幼苗叶片ROS积累。
3. 讨论
本研究通过建立宽梯度的硅处理，评估了其在干旱胁迫和稻瘟病菌侵染下的保护作用。结果表明，在水培系统中补充2-4 mM硅，能显著增强幼苗叶片在干旱和稻瘟病胁迫下ROS清除酶（SOD、POD、CAT）的活性。染色实验进一步证实，硅减少了干旱胁迫下根部以及稻瘟病侵染叶片中H2O2和O2?的积累。这种保护作用仅在胁迫条件下观察到，这与之前的研究一致，即硅补充在无胁迫条件下不会显著改变植物代谢活动。此外，本研究发现，在干旱和稻瘟病侵染条件下，施硅显著上调了ROS清除基因（OsAPX1、OsCatB、OsPOX1）和脯氨酸合成基因（OsP5CR）的表达，这与SOD、CAT和POD酶活性的升高相一致。这些发现支持了施硅通过增强ROS清除能力来提高植物对生物和非生物胁迫耐受性的观点。
在信号通路方面，ABA信号在胁迫适应中起核心作用。我们的研究发现，在苗期施硅显著增加了干旱条件下OsNCED3、OsDREB2A、OsLEA3和OsCatB的表达，同时下调了干旱胁迫负调控因子OsWRKY5。这表明硅在干旱胁迫下促进了水稻中ABA的合成，并通过ABA依赖的机制调控渗透胁迫耐受性。本研究证实硅通过ABA介导的途径增强水稻的渗透胁迫耐受性。
此外，叶绿体类囊体膜是植物光合作用的基本结构，对环境变化高度敏感。我们的研究证实，施硅缓解了水培水稻幼苗的缺绿症。具体而言，在缺乏硅的营养液中生长的水稻幼苗在干旱胁迫下表现出缺绿症状和茎秆强度降低，而2-4 mM的硅处理显著增加了幼苗的叶绿素含量和存活率。在干旱胁迫下，1-4 mM的硅显著缓解了胁迫引起的光合速率和蒸腾速率下降。这些改善归因于硅在促进叶片水分状况、光合效率和矿质养分吸收方面的作用。
4. 材料与方法
实验使用粳稻品种中花11号（ZH11）。种子灭菌后，在水培条件下用不含硅的标准Yoshida营养液培养，直至三叶一心期。对于干旱处理，用不同浓度外源硅（Na2SiO3·9H2O, 0, 1, 2, 4, 6 mM）预处理幼苗一周，然后转移到含有相应浓度硅和15%聚乙二醇（PEG-6000）的水培溶液中模拟干旱胁迫5天。对于稻瘟病抗性评价，用不同浓度硅处理幼苗一周后，使用稻瘟病菌菌株Guy11的孢子悬浮液进行喷雾接种或打孔接种。通过表型观察、生理指标测定（叶绿素含量、光合/蒸腾速率、MDA含量、抗氧化酶活性）、组织化学染色（DAB、NBT、伊文思蓝）以及实时定量PCR（qRT-PCR）分析基因表达，来评估硅的处理效果。所有数据均以平均值±标准差表示，并使用单因素方差分析和Tukey多重比较检验进行统计分析。
5. 结论
本研究证明，硅通过调节ROS稳态和胁迫相关基因的表达，提高了水稻幼苗的抗旱和抗稻瘟病能力。这些发现提供了直接证据，表明在最佳浓度下施用硅，可以通过调控ABA生物合成和胁迫响应基因来减轻根细胞损伤并增强耐旱性。同时，它上调防御相关基因并增强ROS清除能力，从而提高了对稻瘟病的抗性。这些结果为未来田间生产提供了关键的浓度指导，并为硅肥在水稻栽培中的应用提供了理论基础。
