朱永興，夏雨晨，劉樂承，尹軍良，馬東方

（1 長江大學園藝園林學院/濕地生態(tài)與農業(yè)利用教育部工程研究中心，湖北荊州 434000；2 植物病蟲害生物學國家重點實驗室/中國農業(yè)科學院植物保護研究所，北京 100193；3 長江大學農學院，湖北荊州 434000）

鹽脅迫是世界范圍內重要的非生物脅迫之一，嚴重影響作物的產量和品質。目前，全世界約有8億hm2以上的土地受到鹽害的威脅，占到全球面積的6%[1]。在我國鹽堿地和次生鹽堿地的面積達0.3億hm2以上，占可用耕地面積的25%，并且呈現(xiàn)逐年增加的趨勢[2]。因此，如何提高作物的抗鹽能力已引起全世界科研工作者的關注。硅是地殼中第二大豐富元素，在植物體內廣泛存在。盡管硅不是高等植物生長的必需元素，但大量研究表明，硅參與植物對多種逆境脅迫的響應，其中包括鹽脅迫[3-5]、干旱[6]、高溫[7]、重金屬[8]和病蟲害脅迫等[9](圖1)。此外，硅是環(huán)境友好型元素，無腐蝕性且無污染，因此硅肥可以作為發(fā)展綠色有機農業(yè)的優(yōu)質肥料，有利于農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[10]。研究硅緩解植物鹽脅迫的機理，可為實際生產中解決農作物鹽害問題提供理論基礎。

1 硅與逆境脅迫相關研究大數據分析

借助大數據分析的方式，筆者對當前與硅參與調控逆境脅迫的相關研究進行了收集和匯總，總計檢索到研究性論文近200篇，這些研究報道了硅對鹽脅迫 (salt stress)、干旱脅迫 (drought stress)、重金屬和非金屬脅迫 (Al、As、Cd、Cu、Mn、Pb、Sb、Zn脅迫)、生物脅迫 (biotic stress)、冷害脅迫 (freezing stress)、低氧脅迫 (hypoxia stress)、營養(yǎng)缺乏脅迫(nutrient deficiency)、紫外脅迫 (UV-B stress)、酸雨脅迫 (acid rain stress) 的緩解作用；硅對植物細胞壁(cell wall) 和營養(yǎng)和吸收 (nutrient and absorbing) 的影響；以及硅轉運體 (silicon transporter) 的克隆和在植物抗逆過程中所起的作用。從大數據分析結果 (圖1)來看，目前硅與逆境脅迫的相關研究主要集中在硅與鹽脅迫、重金屬和非金屬脅迫以及干旱脅迫三個方面，其中以鹽脅迫研究最為系統(tǒng)和全面，研究材料涉及單子葉植物，如水稻、小麥、大麥、高粱、玉米，雙子葉植物，如黃瓜、番茄、煙草、南瓜、花生，和木本植物，如芒果、苦楝樹、香蕉等。研究內容涉及到硅與水分代謝 (water metabolic)，光合(photosynthesis)，氧化脅迫 (oxidative stress)，離子含量 (ion content)，激素 (hormone)，多胺 (polyamine)，以及硅轉運體 (Si transporter) 等七個方面。因此，本綜述重點關注與鹽脅迫相關研究，并從目前研究較多的硅的吸收和轉運、離子平衡、水分代謝、活性氧和光合、組學研究等方面對有關硅緩解鹽脅迫的主要機制進行了綜述，以及針對現(xiàn)有研究的不足提出了亟需進一步深入探索的研究方向，旨在為后續(xù)研究提供參考。

圖 1 硅與逆境脅迫相關研究以及硅緩解鹽脅迫的主要研究方向Fig. 1 Researches on the beneficial effects of silicon on abiotic and biotic stress and the main aspects that related to the alleviation effect of silicon on salt stress

2 植物對硅的吸收及轉運

硅 (Si) 在土壤中的含量僅次于氧，占地殼的28%。植物主要吸收和利用單分子的硅酸Si(OH)4，但是在土壤中，硅主要以化合物如氧化物和硅酸鹽的形式存在，單硅酸和可轉化為單硅酸的鹽類含量甚微，大部分都無法被植物吸收[11-12]。此外，隨著各種化學肥料的大量使用和土地的過度種植，土壤中能被植株所吸收的硅被大量消耗，造成了許多土壤的供硅不足。研究植物對土壤中有效硅的吸收和轉運的機理，可為實際生產中硅肥的合理使用提供理論依據。

盡管所有的植物都含有硅，但由于不同植物根系對硅吸收能力存在差異，植物體內硅含量在不同物種之間差異很大[13]。一般來說，植物中吸收硅的方式有主動、被動和拒絕三種，所對應的硅積累植物類型分別是：1) 高積累型 (Si accumulator) 這類植物對硅的吸收量大于隨水分吸收進入植物的硅量，以干重計，SiO2在地上部的硅積累量大于1%，如水稻 (Oryza sativaL.)、高粱 (Sorghum bicolorL.) 等；2)中間型 (intermediate type) 該類植物對硅的吸收速率和對水分的吸收速率一致，以干重計，地上部硅積累量在0.5%～1%，如黃瓜 (Cucumis sativusL.) ；3)低積累型 (excluder) 這種類型的植物對硅的吸收速率低于對水分的吸收速率，以干重計，地上部硅積累量小于0.5%，如番茄 (LycopersiconesculentumMill.)[14-16]。但是，植物對硅的吸收方式往往并不是只有一種，例如水稻、玉米 (Zea maysL.)、向日葵(Helianthus annuusL.) 和冬瓜 (Benincasehispida) 中，硅的主動吸收和被動吸收是同時存在的，這可能與植物類型和外界環(huán)境中硅含量的不同有關[17]。此外，植物對硅的積累類型也可以用Si/Ca比值來劃分，Si/Ca ＞ 1的植物對硅的吸收為主動吸收類型，0.5 ＜Si/Ca ＜ 1和Si/Ca ＜ 0.5分別為被動和拒絕吸收硅的類型，但是這種分類方法存在一定的問題，例如當植株遭受鹽脅迫時，植物對Ca的吸收會受到一定影響，此時用這個標準來劃分硅吸收類型則是不合理的[14，18]。

通常認為，硅以單硅酸的形式從土壤溶液中被植物的根系吸收，通過木質部蒸騰流向地上部運輸，最終經過蒸騰脫水以無定型硅 (SiO2·nH2O) 或植物蛋白石的形式沉積在植株不同組織的細胞壁和細胞間隙中，少量則以溶解態(tài)單硅酸或可溶性硅酸鹽的形式參與植物生理生化過程[10，19-20]。近年來，關于植物對硅吸收和運輸的研究取得了一定進展。到目前為止，已經從單子葉植物水稻[21-22]、玉米[23-24]、大麥 (Hordeum vulgareL.)[23，25-26]、小麥 (Triticum aestivumL.)[27]和雙子葉植物南瓜 (Cucurbita moschataDuch.)[28]、黃瓜[29]以及木賊屬植物木賊(Equisetum arvense)[30]等作物中鑒定到多個硅轉運蛋白 (圖2)。水稻中，Ma等 (2002) 利用鍺和硅化學性質類似這一特點，篩選出了硅吸收量僅為野生型水稻十幾分之一的硅突變體水稻，隨后Ma等[21-22]利用該突變株克隆到了兩個位于根系的硅轉運蛋白OsLsi1和OsLsi2。OsLsi1及其同源基因編碼硅輸入蛋白，屬于水通道蛋白家族的NIP亞家族 (Nod26-like major intrinsic protein)，定位于根系外皮層和內皮層凱氏帶細胞的外側質膜上，負責將根系外面的硅轉運到根系外皮層細胞。而OsLsi2及其同源基因則編碼硅輸出蛋白，屬于陰離子轉運體 (anion transporters)，定位于根系外皮層和內皮層凱氏帶細胞的內側質膜上，負責將細胞內的硅轉運到木質部[21-22]。

圖 2 已克隆植物硅轉運體的系統(tǒng)發(fā)育分析Fig. 2 The phylogenetic analysis of cloned Si transporters in plants

目前，在不同物種中鑒定到的Lsi1和Lsi2均定位于細胞質膜上，但是它們在根系細胞上的定位隨著物種的不同而存在一定差異。例如，大麥中，HvLsi1定位在胚根表皮細胞和皮層細胞以及側根下皮細胞的外側，而HvLsi2僅定位于根系內皮層細胞質膜上，其分布沒有極性[23，25-26]。Mitani等[28]在南瓜中鑒定到具有硅輸入功能的硅轉運蛋白CmLsi1，亞細胞定位結果表明CmLsi1定位在所有根系細胞的質膜上，其分布不具有極性。最近，Sun等[29]在黃瓜中鑒定到一個硅轉運體CsLsi1，該轉運體位于根尖和根毛細胞內皮層和外皮層細胞的遠軸端，負責將硅從細胞外轉運到細胞內。除了Lsi1和Lsi2外，Yamaji等[31-32]發(fā)現(xiàn)另外一個硅轉運蛋白OsLsi6，該轉運蛋白主要在水稻葉鞘和葉片靠近導管側的木質部薄壁細胞質膜上表達，負責將木質部汁液中的硅卸載和分配到葉肉組織中[31-32]。此外，OsLsi6也在根尖的細胞質膜中表達，其功能不是將根系吸收的硅向地上部運輸，而是將其留在根尖，從而提高根系對水分脅迫的耐受能力。這些硅轉運蛋白在細胞定位上的差異可能是影響不同物種的硅吸收能力的主要因素之一，因此，更多物種中硅轉運體的功能需要進一步的研究。

3 外源硅緩解鹽脅迫的機理

鹽脅迫是威脅全球農業(yè)的重要因素之一。鹽脅迫對植物的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1) 滲透脅迫。土壤中鹽離子的濃度過高，會降低土壤溶液的滲透勢，降低植株根系對水分吸收的能力，造成生理干旱。2) 離子毒害。鹽脅迫造成的離子毒害主要是Na+和Cl-毒害，過多的Na+和Cl-在細胞內的積累會造成離子不平衡和代謝失調。3) 離子不平衡 (營養(yǎng)失調)。高鹽環(huán)境中植物吸收過多的Na+離子，由于離子間的拮抗作用，抑制其他一些必需元素如Ca和K的吸收，引起生育障礙[10，33-34]。大量研究表明，硅在多種植物響應鹽脅迫的過程中起到非常重要的作用[35-36]。在此，筆者對目前報道的硅緩解植株鹽脅迫的主要機理進行了總結。

3.1 外源硅對鹽脅迫下植物離子平衡的影響

高濃度的鹽離子，特別是Na+和Cl-往往會影響植株對其他營養(yǎng)元素如K、Ca等的吸收，并且會導致細胞膜透性增加，電解質外滲，引起細胞代謝紊亂和失調[33-34]。目前，關于硅緩解植物鹽脅迫機理的研究多集中在緩解離子毒害上。研究表明，加硅可以顯著降低植株地上部和根系Na+的積累。在鹽脅迫處理后的大麥中，加硅可以顯著降低根系Na+和Cl-的水平，同時增加K+的含量，并且可以使Na+和K+更均勻的分布在整個根系中以降低其對根系的傷害，這也被認為是硅緩解大麥鹽脅迫的主要機理之一[37]。在苜蓿中，同單獨鹽脅迫相比，加硅顯著降低根系的Na+含量，增加地上部K+的含量，對地上部Na+積累沒有影響[38]。但是，在水稻中，Gong等[19]研究表明，加硅沒有改變水稻根系和地上部K+以及根系Na+含量，而是通過在根系內皮層和外皮層的沉積，降低根系Na+隨木質部蒸騰流向地上部的運輸。隨后，Yin等[39]在短期鹽脅迫處理后的高粱中也發(fā)現(xiàn)硅可以顯著降低葉片Na+含量，但這一降低是否與改變根系結構和/或降低木質部蒸騰流有關尚不清楚。而在小麥中，Tuna等[40]報道加硅可以同時降低Na+在小麥地上部和根系的積累，促進鹽脅迫下小麥的生長。Garg和Bhandari[41]發(fā)現(xiàn)加硅可以降低鷹嘴豆(Cicer arietinumL.) 根系對Na+的吸收以及向葉片的轉運，提高K+/Na+比值。從這些研究可以看出，加硅可以通過降低根系對Na+的吸收和/或向地上部的轉運來緩解鹽脅迫帶來的損傷，但是這一機理具有物種和品種間的差異，并且不同物種間硅對Na+吸收的調控可能受根系硅吸收能力的影響。

在高鹽環(huán)境中，植物可以通過對離子的選擇性吸收、外排和區(qū)域化分布來維持細胞正常生理代謝所需要的離子穩(wěn)態(tài)。Na+/H+逆向轉運蛋白在Na+的外排和區(qū)隔化分布到液泡的過程中起到非常重要的作用。在高等植物中，位于細胞質膜上的H+-ATPase利用ATP水解產生的能量將H+泵出到細胞外，由此產生一個跨膜的質子梯度，為質膜上的Na+/H+逆向轉運蛋白提供驅動力，將H+順電化學梯度轉運至細胞的同時將Na+逆著其電化學梯度排至細胞外[42-43]。前人在大麥中的研究表明，同單獨鹽脅迫相比，加硅顯著提高根系質膜H+-ATPase，以及液泡膜H+-ATPase和H+-PPase的活性[44-45]。硅介導的H+-ATPase活性的升高有利于Na+的外排，而液泡膜H+-ATPase和H+-PPase活性的升高則有利于根系Na+區(qū)隔化分布到液泡中，從而降低根系鹽離子毒害[44-45]。但是，硅對Na+/H+逆向轉運蛋白、質膜H+-ATPase和液泡膜H+-ATPase的活性是否具有直接調控作用仍需進一步研究。此外，土壤中鹽離子濃度過高會影響植物對其他元素如N、Ca、P、Mg、Fe等的吸收，造成植株體內離子平衡失調。加硅可以提高多種植物根系和葉片大量元素如Ca、P、Mg和微量元素如B、Fe、Zn、Mn 等的含量[46-49]。

近期，一些研究者提出硅對鹽脅迫下離子含量，特別是Na+和K+含量的影響可能與硅對多胺代謝的調控有關。多胺是生物中普遍存在的，它是在代謝過程中產生的一類低分子量脂肪族含氮物。在植物中主要以游離態(tài)、結合態(tài)和束縛態(tài)三種形態(tài)存在[50]。鹽脅迫下，多胺可以調節(jié)植物體內Na+和K+經由非選擇性離子通道 (non-selective cation channels) 的運輸，降低Na+毒害[51]。在高粱中，Yin等[52]發(fā)現(xiàn)加硅可以通過提高游離態(tài)和總多胺含量，降低Na+積累，并且這一結果經過外源施加亞精胺 (spermidine，Spd)以及多胺合成抑制劑DCHA (dicyclohexylammonium sulphate) 的試驗得到了進一步的驗證。同加硅一樣，外源施加Spd也可促進鹽脅迫下高粱的生長，但是外源施加DCHA消除了硅對鹽脅迫下高粱生長的促進以及硅對Na+積累的降低效果。Wang等[53]在黃瓜中也發(fā)現(xiàn)硅對鹽脅迫下多胺含量具有一定的調控作用。但是，多胺對K+的調節(jié)作用與植物特別是根系的生長情況有關，在一定條件下，多胺不僅不會降低，反而會促進鹽脅迫下K+的外流[54]。因此，硅是否通過調節(jié)多胺代謝，以及在何種條件下可以通過調節(jié)多胺代謝降低Na+積累需要更多的試驗證據來支持。

越來越多的研究表明，降低Na+含量并不是硅緩解植物鹽脅迫的唯一機理。例如在番茄中，Romero-Aranda等[55]研究發(fā)現(xiàn)，加硅并沒有降低葉片Na+和Cl-濃度，而是通過提高組織含水量對已經吸收的鹽離子起到稀釋作用。Chen等[56]在小麥中的研究顯示，加硅既可以緩解鹽脅迫造成的離子毒害，又可以緩解其造成的滲透脅迫，并且對后者的緩解效果更加明顯。在黃瓜中，Zhu等[4]認為，硅對黃瓜地上部和根系Na+含量的影響具有品種間的差異，并且在兩個黃瓜品種中，降低植株Na+含量均不是硅緩解黃瓜鹽脅迫的主要機理。但是，目前關于硅緩解鹽脅迫造成的滲透脅迫的研究有限，不利于進一步揭示硅緩解鹽脅迫的機理。因此，硅對鹽脅迫下植株水分狀況的調控機理亟需探討。

3.2 外源硅對鹽脅迫下植物水分狀況的影響

鹽脅迫下，外界環(huán)境和植物內部之間的滲透差會引起滲透脅迫，當外界環(huán)境的滲透勢高于細胞內部的滲透勢時，根系吸水困難，造成生理干旱。短期鹽脅迫下，由于高濃度鹽離子引起的滲透脅迫是影響植物生長的主要脅迫，但前期關于硅緩解鹽脅迫的研究多集中在緩解離子脅迫方面，硅對鹽脅迫下水分代謝的影響僅僅涉及到蒸騰速率、葉片含水量等方面，而對于硅調控水分吸收和轉運調控規(guī)律的綜合研究較少。早期的研究認為，硅可通過在植物葉片表面的沉積降低蒸騰速率，減少植株蒸騰失水，維持植株內較高的水分含量[57]。但是也有研究表明，加硅可提高葉片的蒸騰速率[19]。近期，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫下加硅可以促進根系對水分的吸收，增加植株含水量。Li等[47]在番茄中的研究表明，加硅可以促進根系生長，同時提高根系水力學導度和葉片水分含量。Liu等[58]報道，高粱中，硅可以通過調節(jié)水通道蛋白的活性緩解鹽脅迫造成的根系水導的降低，促進根系水分吸收，提高葉片含水量，而葉片水分含量的升高有利于維持氣孔處于開放狀態(tài)，提高對CO2的利用效率，有利于光合作用的正常進行。Zhu等[4]在兩個黃瓜品種‘津優(yōu)1號'和 ‘津春5號' 中的研究發(fā)現(xiàn)，加硅可通過提高根系質膜水通道蛋白的表達提高鹽脅迫下根系水力學導度，同時提高莖水導，促進根系對水分的吸收以及水分向地上部的轉運，最終增加葉片含水量，對已經吸收的鹽離子起到稀釋的作用，緩解鹽離子帶來的毒害。此外，加硅還增加了黃瓜根系的活躍吸收面積和根系的水分吸收速率，但是硅的這一作用是否與根系結構的改善有關尚不清楚。Wang等[53]在另一個黃瓜品種，‘津春10號'中也發(fā)現(xiàn)了類似的結果，但不同的是，加硅在改善了黃瓜‘津春10號'地上部含水量的同時，還顯著降低了葉片Na+含量，增加了K+含量，這可能和兩個研究中所用黃瓜品種、鹽脅迫時間和濃度不同有一定關系。在硅改善植株水分狀況的研究中，有研究者認為硅在細胞壁上的沉積提高了木質部導管的親水性，從而影響水分在木質部的運輸能力[59]。但是Liu等[60]提出，在高粱中，莖水導不是影響水分脅迫條件下水分運輸的主要限制因素。因此，硅對不同植物導管結構的影響需要進一步研究。此外，在證明硅可以通過提高質膜水通道蛋白的表達來提高根系水導的研究中，研究者均用到了水通道蛋白抑制劑HgCl2[4，58，60]。例如，在高粱中，鹽脅迫下加硅處理可顯著提高葉片的蒸騰速率，但是經HgCl2處理后，鹽脅迫和鹽加硅處理的蒸騰速率均大大降低，并且差異消失，但是經恢復劑恢復之后，蒸騰速率均上升，且不同處理間蒸騰速率的差異也得到恢復[60]。但需要注意的是，Hg2+既可以作為水通道蛋白抑制劑，也可以抑制K+的吸收，而K+是重要的滲透調節(jié)物質，對根系水分的吸收和運輸具有調控作用[61-62]。硅對水通道蛋白表達和活性的調控機制需要更多的試驗證據來揭示和證明。

為保證鹽脅迫下水分的正常供應，細胞內會合成和積累一些分子量低、并且在較高濃度下對細胞沒有毒性的有機溶質來提高植株的滲透調節(jié)能力。這些滲透調節(jié)物質主要包括脯氨酸、甜菜堿和可溶性糖等[34，63]。一些研究表明硅參與調控植株內滲透調節(jié)物質的積累，例如在高粱和煙草中，研究者均發(fā)現(xiàn)加硅可顯著增加植株可溶性糖的含量，降低脯氨酸含量[39，64]。黃瓜中，同單獨鹽脅迫相比，加硅可以通過增加根系可溶性糖 (主要是蔗糖和葡萄糖) 的積累，降低根系木質部汁液滲透勢，促進根系對水分的吸收，但硅的這種調控作用具有品種間的差異[3-4]。

從這些研究結果可以看出，加硅可以通過促進根系生長、調節(jié)根系水通道蛋白的表達、改善滲透調節(jié)能力和提高莖水導等一系列機理促進脅迫條件下植物對水分的吸收和向地上部的轉運，維持脅迫條件下植株水分吸收和散失的平衡，緩解鹽脅迫造成的滲透脅迫。

3.3 外源硅對鹽脅迫下抗氧化系統(tǒng)和光合作用的影響

正常生長條件下，植物細胞內活性氧 (ROS)，如超氧陰離子 ()、過氧化氫 (H2O2)、羥自由基 (·OH)等的產生和清除之間會保持一種動態(tài)平衡，而鹽脅下這種平衡被破壞，造成活性氧在植物體內大量積累，引起氧化損傷[63]。植物中常見的自由基清除系統(tǒng)包括酶促系統(tǒng)和非酶促系統(tǒng)。酶促系統(tǒng)主要包括超氧化物歧化酶 (SOD)、過氧化物酶 (POD)、過氧化氫酶 (CAT) 和抗壞血酸過氧化物酶 (APX) 等。非酶促系統(tǒng)主要包括維生素E、抗壞血酸、谷胱甘肽還原酶 (GR) 等[63]。很多研究結果表明硅可調節(jié)鹽脅迫下植株體內活性氧清除系統(tǒng)的活性以及非酶促抗氧化的能力。大麥中，硅可以提高CAT、SOD和GR的活性，但是對APX的活性基本沒有影響[65]。而在黃瓜中，外源加硅能顯著增強APX、SOD、GPX和GR的活性，但是對CAT的活性基本沒有影響[5]。在番茄中，加硅可顯著提高鹽脅迫下SOD、CAT活性，以及抗壞血酸的含量，減少H2O2產生和質膜氧化損傷[47]。鷹嘴豆中，無論是單獨加硅還是硅和叢枝菌根菌結合使用均可以通過增強抗氧化酶，如SOD、CAT、愈創(chuàng)木酚氧化酶 (GPOX) 等的活性，緩解鹽脅迫造成的活性氧迸發(fā)[41]。甘草 (Glycyrrhiza uralensis) 中，Li等[66]研究表明，同單獨鹽脅迫相比，外源施加1、2、4和6 mmol/L的硅均可以提高POD活性，降低丙二醛 (MDA) 濃度，但是只有在硅濃度為4 mmol/L時才顯著提高SOD的活性。類似的，在秋葵 (Abelmoschus esculentus)[67]、葡萄 (Vitis viniferaL.)[68]、水稻[69]等物種中也發(fā)現(xiàn)硅可以調節(jié)抗氧化酶活性，降低活性氧 (如H2O2) 和MDA的產生和積累，緩解鹽脅迫引發(fā)的氧化損傷。這些結果表明，盡管硅對鹽脅迫下抗氧化系統(tǒng)的調控作用因植物種類、處理時間、處理濃度和生長條件而異，但是總體來說，硅可以通過調節(jié)鹽脅迫下植株的抗氧化能力降低活性氧的積累。此外，值得注意的是：1)上述很多結果都是通過水培試驗得到的，硅緩解鹽脅迫造成的氧化損傷的結果需要通過田間試驗進行驗證；2) 硅對鹽脅迫下植株抗氧化酶系統(tǒng)具有直接的調節(jié)作用還是通過改善離子平衡后的間接影響仍需進一步研究。

光合作用是決定作物產量的關鍵，鹽脅迫對植物生長的抑制可歸因于脅迫造成的光合能力的降低[39]。鹽脅迫造成植物光合速率降低的原因主要包括：1)改變負責光反應的細胞器的結構和功能；2) 離子毒害；3) 影響CO2擴散到結合部位；4) 抑制同化產物的轉移[63，70]。研究表明，加硅可以提高鹽脅迫下植株的凈光合速率[3]。并且硅對鹽脅迫下植物光合作用的改善機理可以從以下幾個方面進行總結：首先，鹽脅迫下加硅可通過降低離子毒害和活性氧的積累維持負責光反應的細胞器的結構和功能。葉綠體是進行光合作用的主要場所，葉綠素是光合作用的重要物質，參與光能的吸收、傳遞、分配和轉化，其含量在一定程度上可反映植物光合作用的強弱[3]。鹽脅迫下，活性氧在葉綠體的積累會破壞葉綠體膜結構，影響光合功能。而鹽離子如Na+含量的增加影響葉綠素的生物合成，加劇色素降解[3，33]。研究表明，加硅可以通過降低活性氧和Na+積累來降低鹽脅迫對植物葉片葉綠體類囊體結構的破壞，保持葉綠體結構的完整性，同時增加植株葉片葉綠素含量[71]。其次，鹽脅迫會影響CO2擴散到結合部位，降低CO2利用效率。朱永興等[72]報道，番茄中，鹽脅迫下氣孔導度的降低限制了CO2向葉綠體輸送，而加硅可在一定程度上提高氣孔導度，降低光合作用的氣孔限制，維持葉片較高的光合速率。同樣，在抗鹽性不同的兩個秋葵品種中，Abbas等[67]研究發(fā)現(xiàn)，加硅可以提高葉片氣孔導度、蒸騰速率、氣孔數目和體積。這些結果表明，鹽脅迫下加硅有利于維持光合器官和光合色素的完整性，同時提高植株的CO2利用率，保證光合的正常進行。最后，鹽脅迫會影響光合產物的轉運和分配，使光合產物如可溶性糖和淀粉等在葉片中大量積累，導致光合作用的反饋抑制，造成植株生長緩慢甚至停止[73]。目前，關于硅對碳水化合物代謝的系統(tǒng)研究較少，在黃瓜中，Zhu等[3]研究發(fā)現(xiàn)加硅可通過調節(jié)碳水化合物代謝相關酶的活性，降低可溶性糖和淀粉在葉片中的積累，同時促進同化產物從地上部向地下部的轉運，由此緩解光合產物積累對光合作用的反饋抑制，提高凈光合速率，并且為鹽脅迫下根系的生長提供能量。但是關于硅對碳水化合物代謝的分子機理有待進一步研究。近年來，葉綠素熒光參數已被廣泛的用來反映脅迫條件下植株光合作用中各個反應過程[74-75]。黃瓜中，鹽脅迫顯著降低PSII最大光化學效率Fv/Fm，PSII有效光化學效率Fv'/Fm'，PSII實際光化學效率ΦPSII，以及光化學猝滅系數qP，同時提高非光化學猝滅系數 (NPQ)，而加硅可提高鹽脅迫下Fv/Fm、Fv'/Fm'、ΦPSII和qP，降低NPQ，這些結果表明外源加硅可增大PSII反應中心開放程度和活性，有利于將更多的能量用于PSII電子傳遞，提高光合色素將光能轉化成化學能的效率[3]。類似的，蘆薈 (Aloe veraL.) 中，Xu等[48]報道，同單獨鹽脅迫相比，加硅可以降低光下最小熒光Fo，增大可變熒光Fv和PSII潛在活性 (Fv/Fo)，提高鹽脅迫下蘆薈的光合效率。

總之，硅可以通過降低鹽離子含量以及活性氧的產生和積累以及調節(jié)碳水化合物代謝來提高植株的光合能力，維持脅迫條件下植株的正常生長。但是硅對活性氧和碳水化合物代謝調控的分子機理，如對相關酶基因表達水平的調控作用，需要進一步深入研究。

3.4 外源硅對鹽脅迫下植物蛋白質組和基因表達的影響

盡管關于硅緩解鹽脅迫的生理機制已經有較多研究，但是硅緩解鹽脅迫的分子機理尚不清楚，在此，本文對已報道的硅對鹽脅迫下植物基因表達、蛋白組和轉錄組的調控機理進行了總結。

Kim等[76]研究表明，鹽脅迫處理6 h和12 h后，加硅顯著上調水稻ABA合成相關基因ZEP (zeaxanthin epoxidase)、NCED1 (9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase 1) 和NCED4 (9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase 4) 的表達，但是在處理24 h之后顯著降低了這些基因的表達。在高粱和黃瓜中，加硅可以通過提高根系質膜水通道蛋白的表達，促進根系導水率，提高根系吸收水分的能力[4，58]。在煙草 (Nicotiana tabacum) 中，Liang等[77]研究認為，硅和乙烯信號途徑存在互作，加硅可以迅速上調乙烯合成關鍵基因1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸氧化酶 (1-Aminocyclopropane-1-carboxylic acid (ACC) oxidase，ACO) 和 1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸合成酶 (1-Aminocyclopropane-1-carboxylic acid (ACC) synthase，ACS) 的表達，提高乙烯的含量，調控植株對鹽脅迫的響應。但是在沒有乙烯存在的情況下，加硅不僅不能提高細胞對鹽脅迫的抗性，還會促進H2O2的產生，導致細胞死亡。

隨著現(xiàn)代分子生物學的迅速發(fā)展，對植物耐鹽性的研究也深入到基因組學、轉錄組學、蛋白質組學等組學水平。但是目前關于硅緩解鹽脅迫的研究在組學水平的報道較少。在番茄中，Muneer和Jeong[78]研究發(fā)現(xiàn)鹽/非鹽脅迫下加硅處理共檢測到40個蛋白差異表達，這些差異表達的蛋白大多同響應脅迫、激素和轉錄調控等通路相關，同時，硅可通過調控響應鹽脅迫的轉錄因子 (leDREB-1、leDREB-2和leDREB-3)、抗氧化酶相關基因(leSOD、leCAT和leAPX) 和硅轉運體 (leLsi-1、leLsi-2和leLsi-3) 等一系列基因的表達，調控激素含量和抗氧化酶活性，緩解鹽脅迫帶來的傷害。非脅迫條件下，Chain等[79]和Watanabe等[80]的研究發(fā)現(xiàn)，加硅僅誘導小麥和水稻中少數的基因差異表達(小麥中47個，水稻中20個)。同樣，在擬南芥(Arabidopsis thaliana) 中，單獨加硅僅誘導2個基因差異表達[81]。但是也有一些研究表明，非脅迫條件下，硅也可調控大量基因上/下調表達。Van Bockhaven等[82]和Brunings等[83]報道，水稻中，加硅分別可誘導221和1822個基因差異表達，證明硅對水稻的正常生長代謝起到非常重要的作用[82-83]。水稻中這些研究的差異可能和研究所用測序平臺、水稻品種以及培養(yǎng)條件不同有關。黃瓜中，Holz等[84]運用RNA-seq技術研究了硅對黃瓜組培苗基因表達的影響，結果顯示，加硅分別誘導572和564個基因上/下調表達，功能分析表明這些差異表達的基因主要參與到植物光合、生物合成和離子轉運等初級代謝過程。最近，Zhu等[85]利用RNA-seq研究了硅對鹽脅迫下黃瓜葉片基因表達的影響，結果表明，鹽脅迫誘導大量基因差異表達，而鹽脅迫下加硅后，這些差異表達的基因傾向于恢復到對照水平，暗示硅可能起到類似于激發(fā)因子（elicitor）的作用，使植物為可能的逆境條件做好準備。利用轉錄組、代謝組和離子組等技術開展硅對植物鹽脅迫的研究有助于揭示硅提高植物耐鹽性的分子機理，但是目前這方面的研究仍然較少。

3.5 硅突變體水稻在研究硅緩解鹽脅迫機理中的應用

鍺 (Ge) 和硅具有相似的積累方式，植物對兩者的吸收具有一定的競爭作用。利用鍺的這一特點，Ma等[86]篩選出了硅吸收量遠低于野生型的硅突變體水稻，為后續(xù)研究硅對水稻生長發(fā)育的影響奠定了基礎。例如，Isa等[87]研究發(fā)現(xiàn)，盡管硅突變體水稻葉片中僅僅形成了較少的植硅體，加硅仍然可以顯著促進硅突變體水稻的生長，這可能與硅參與改變細胞壁結構有關，證明硅參與到水稻的生理生化代謝過程。張文強等[88]利用該突變體研究了硅對鹽脅迫下野生型和硅突變體水稻種子萌發(fā)的影響，結果表明，外源硅對突變體水稻的芽長、芽重和發(fā)芽率的提高幅度要顯著大于野生型水稻，這可能是由于突變體種子胚和種皮發(fā)生了變化，可以更高效率地利用硅。但是，關于硅對鹽脅迫下突變體和野生型水稻幼苗營養(yǎng)元素吸收和生物量的影響的研究結果表明，鹽脅迫下加硅沒有顯著改善植株干物質積累和各種元素的吸收，這可能是由于突變體對硅的吸收量遠遠小于野生型導致的[89]。硅吸收突變體的應用可以幫助研究者更好的揭示植物對硅的吸收、轉運以及硅在植株生長發(fā)育過程中發(fā)揮的作用。

4 結語與展望

硅在地殼中豐富的含量和它對植物生長的有益作用奠定了其在農業(yè)生產中的重要地位。目前，關于硅緩解植物鹽脅迫的機理已經有大量報道，本文針對已有的研究，從硅調節(jié)離子平衡、水分狀況、活性氧和光合、組學等四個方面進行了整理和匯總。值得注意的是，在硅緩解鹽脅迫的過程中，這些機理并不是獨立存在的，相互之間均具有一定的聯(lián)系，例如，硅可以通過改善離子平衡和水分狀況減少活性氧的產生，提高光合效率，最終保證脅迫條件下生長的正常進行。此外，通過已有的研究結果可以看出，硅對植物抗鹽能力的調控具有物種和品種間的差異，這可能主要是由于不同植物吸收硅的能力不同。其次，不同的研究中所用硅濃度、脅迫時間和強度、試驗材料培養(yǎng)方式 (水培和土培)、硅的施加方式 (噴施和根施) 以及測試所用的材料 (根系、葉片和莖) 也會影響到硅的作用效果。再者，由于鹽脅迫對植物的傷害包括滲透脅迫和離子毒害，研究表明，硅對鹽脅迫造成的滲透脅迫和離子毒害的緩解機理不同，而在實際操作中不容易對兩者進行區(qū)分，因此這也會導致相同物種在不同的處理時期對外源加硅的響應不同。盡管如此，總體來說，硅可以顯著緩解鹽脅迫對多種植物的傷害。根據已有的研究進展，筆者認為關于硅緩解鹽脅迫的研究在以下四個方面需要深入：1) 隨著組學研究方法的不斷發(fā)展，硅緩解植物脅迫的分子機理也深入到了轉錄組、蛋白質組等水平，但是目前研究多集中在硅緩解生物脅迫方面，利用組學手段研究硅緩解非生物脅迫，包括鹽脅迫的報道較少，且不夠深入，此外，代謝組和離子組等水平的研究尚未見報道；2) 越來越多的研究發(fā)現(xiàn)硅可以改善鹽脅迫下植株的水分狀況，鑒于硅轉運體本身也是屬于NIPs (nodulin26-like intrinsic proteins) 水通道蛋白家族，因此，硅對不同植物水分代謝的調控機理亟需解析，而不同物種中硅轉運體的克隆和功能研究可為我們更好的解釋硅對水分代謝的調控奠定基礎；3) 一些研究表明，加硅可以促進脅迫條件下根系的生長[47]、改變根系結構 (如促進凱氏帶的形成和木質素的沉積[88]、調節(jié)離子在根系不同部位的分布[37])，但是目前關于硅對根系結構 (包括細胞壁成分) 和根系離子吸收調控的分子機理尚不清楚；4) 鹽脅迫下碳水化合物，如可溶性糖和淀粉的積累可以作為能量儲存、滲透調節(jié)物質和信號物質發(fā)揮重要作用，因此硅對脅迫條件下碳水化合物的調控作用和調控機理值得進一步研究。這些研究有助于增加我們從分子層面對硅緩解鹽脅迫的機理的認識，為硅肥在生產實踐中的應用奠定理論基礎。