摘 要 以陸地棉‘中J9807’（以下簡(jiǎn)稱Z9807，耐鹽材料）和‘中J0102’（以下簡(jiǎn)稱Z0102，鹽敏感材料）為試驗(yàn)材料開展溫室水培試驗(yàn)，設(shè)置NaCl 0和150 mmol·L^-1兩個(gè)鹽濃度與Na₂SiO₃ 0和0.4 mmol·L^-1兩個(gè)硅濃度，共8個(gè)處理。處理14 d后，測(cè)定棉花幼苗根系表型指標(biāo)、葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量、鈉、鉀含量及相關(guān)基因表達(dá)量。結(jié)果表明：鹽脅迫顯著降低了兩個(gè)棉花材料根系的總根長、總表面積及總體積，外源硅的添加顯著改善了根系的生長。施硅顯著增加鹽脅迫下棉花幼苗可溶性糖和可溶性蛋白含量，減輕鹽引起的滲透脅迫。鹽脅迫引起Na⁺在棉花根系及地上部的大量積累，顯著降低K⁺含量，導(dǎo)致 Na/K比值增大。外源硅降低鹽脅迫下兩棉花材料地上部Na⁺含量和Na/K，并顯著降低耐鹽材料Z9807地上部根系Na⁺含量和Na/K比值，緩解鹽脅迫引起的離子失衡。硅對(duì)鹽敏感材料Z0102鹽脅迫下離子穩(wěn)態(tài)及耐鹽能力的調(diào)節(jié)主要是通過顯著上調(diào) SOS1和 HKT1的表達(dá)，促進(jìn)Na⁺外排和區(qū)隔化，減少地上部Na⁺的積累；而對(duì)耐鹽品種的調(diào)節(jié)主要是下調(diào) HKT1的表達(dá)，減少了向地上的轉(zhuǎn)運(yùn)，并通過上調(diào) HAK5的表達(dá)促進(jìn)高Na⁺環(huán)境中K⁺的吸收，從而降低Na/K比值。綜上，外源硅通過調(diào)節(jié)棉花幼苗中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，以及鉀吸收、鈉的外排和區(qū)隔化等關(guān)鍵基因的表達(dá)，提高棉花幼苗耐鹽性。

關(guān)鍵詞 硅；棉花；鹽脅迫；鈉鉀平衡；滲透調(diào)節(jié)

土壤鹽漬化是阻礙植物生長和作物生產(chǎn)的主要非生物脅迫之一。全球范圍內(nèi)約20%的灌溉土地發(fā)生鹽漬化，約占糧食生產(chǎn)土地面積的 1/3^［1］，并且呈逐年增加趨勢(shì)，預(yù)計(jì)到2050年，鹽漬化土地面積比例將高達(dá)50%^［2］。鹽漬化土壤中高濃度的鹽分離子造成較低的土壤水勢(shì)，使植物根系吸水困難而導(dǎo)致植物生理干旱；同時(shí)，過量的鹽離子（主要是鈉離子）在植物細(xì)胞內(nèi)積累不僅造成鈉離子毒害，也會(huì)抑制細(xì)胞對(duì)鉀、鈣等離子吸收打破離子平衡，進(jìn)而引起氧化脅迫，抑制植株生長及產(chǎn)量形成^［3］。因此，如何提高作物的耐鹽能力已成為全世界科研工作者高度關(guān)注的問題。

應(yīng)用外源物質(zhì)提高作物的抗逆性是提高鹽堿地綜合利用最高效易行的方法。硅（Si）參與植物對(duì)多種逆境脅迫的響應(yīng)，能夠有效緩解脅迫損傷^［4］。葉面噴施外源硅可促進(jìn)鹽脅迫下苜蓿的生長，生物量增加^［5］。鹽脅迫下施用外源硅可有效促進(jìn)番茄根系生長及水分吸收，提高葉片光合作用，促進(jìn)光合物質(zhì)合成與積累^［6］。外源硅可顯著改善鹽脅迫下水稻^［7］、小麥^［8］、玉米^［9］等多種作物的生長。外源硅對(duì)作物耐鹽能力的提高與滲透調(diào)節(jié)能力有關(guān)。例如，基施硅肥可以促進(jìn)NaCl脅迫下小麥幼苗中可溶蛋白含量^［8］。鹽脅迫下增施適量硅能增加玉米幼苗中游離氨基酸、可溶性蛋白和可溶性糖含量，且根系中的增加幅度大于葉片^［10］。施硅在鹽脅迫早期可以顯著提高高粱葉片中果糖和蔗糖含量，維持較低的滲透勢(shì)，提高水分吸收能力，從而降低鹽脅迫引起的滲透脅迫^［11］。另外，外源硅可以通過調(diào)節(jié)鹽脅迫下細(xì)胞內(nèi)離子平衡增強(qiáng)耐鹽能力。水稻和玉米中研究發(fā)現(xiàn)，增施外源硅可以顯著減少地上部鈉含量，減輕鹽脅迫造成的鈉鉀失衡^{［7，9］}。硅的添加上調(diào)了質(zhì)膜 Na⁺/H⁺反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因 SOS1和液泡膜 Na⁺/H⁺反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因 HKT1，下調(diào)高親和性鉀轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因 HKT1表達(dá)，促進(jìn)Na⁺向地上的轉(zhuǎn)移及Na⁺的區(qū)隔化，從而減少鈉離子對(duì)根及葉片細(xì)胞的鈉離子毒害^{［7，12-13］}。目前，有關(guān)硅對(duì)耐鹽性調(diào)節(jié)多集中于硅積累作物，而對(duì)雙子葉作物等非硅積累作物的研究相對(duì)較少。

棉花（Gossypium hirsutum L.）是重要的經(jīng)濟(jì)作物，為紡織工業(yè)提供原料。棉花因其較強(qiáng)的耐鹽堿能力成為鹽堿地利用的先鋒作物之一。前期研究發(fā)現(xiàn)，外源硅能夠用有效改善鹽脅迫下棉花幼苗的生長，與單獨(dú)NaCl處理相比，加硅顯著增加了幼苗干質(zhì)量及株高^［14］。外源硅顯著提高鹽脅迫下棉花幼苗抗氧化酶活性、增加葉綠素含量、維持氣孔開放及葉綠超微結(jié)構(gòu)完整性等，提高凈光合率速率，進(jìn)而促進(jìn)棉花幼苗生長發(fā)育^［14-15］。

外源硅的添加增強(qiáng)了抗氧化酶活性，減少棉花幼苗中活性氧的積累，減輕鹽脅迫誘導(dǎo)的氧化損傷^{［14，16］}。而關(guān)于硅對(duì)鹽脅下棉花幼苗離子平衡及滲透調(diào)節(jié)等方面的研究還比較缺乏。本研究從硅對(duì)棉花幼苗中滲透物質(zhì)的調(diào)節(jié)及Na⁺、K⁺的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)來探討外源硅提高棉花耐鹽性的機(jī)制。研究結(jié)果能進(jìn)一步完善硅的抗逆調(diào)節(jié)理論，也為鹽堿地植棉硅肥利用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所植棉技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化課題溫室開展，供試棉花材料為‘中J9807’（Z9807，耐鹽材料）和‘中J0102’（Z0102，鹽敏感材料），由抗逆鑒定課題組葉武威研究員提供。選取健壯且大小均勻的種子播種至裝有蛭石的發(fā)芽盒中（9×9×9 cm），7 d后將子葉展開的幼苗移植到裝有8 L 1/2 Hoagland營養(yǎng)液水培盒中，每盒12株，并用泡沫條進(jìn)行固定，使用氧氣泵進(jìn)行持續(xù)性供氧，每7 d更換一次營養(yǎng)液。培養(yǎng)溫室晝夜溫度（28±2）℃/（22±2）℃，黑暗/光照為14 h/10 h，光照度約25 000 lx，相對(duì)濕度60%。

1.2 試驗(yàn)處理

當(dāng)棉花幼苗生長到2片真葉時(shí)，進(jìn)行硅處理，以九水硅酸鈉（Na₂Si O₃·9H₂O）為硅源。7 d后進(jìn)行鹽脅迫處理。為了最大限度地減少鹽沖擊，鹽分3次加入，間隔6 h。試驗(yàn)設(shè)置如下：CK（1/2 Hoagland營養(yǎng)液）、Si（營養(yǎng)液中添加0.4 mmol/L Si，此濃度由課題前期試驗(yàn)篩選確定）、NaCl（營養(yǎng)液中加入150 mmol/L NaCl）和 NaCl+Si（營養(yǎng)液中添加0.4 mmol/L Si和150 mmol/L NaCl），培養(yǎng)液pH調(diào)至6.0左右。每個(gè)處理3次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)為3盆、每盆12株。

1.3 測(cè)定指標(biāo)和方法

1.3.1 根系表型指標(biāo) 鹽處理14 d后，用剪刀將把棉株橫切，快速用蒸餾水將根系沖洗干凈并擺放在EPSON透射掃描適配框中進(jìn)行掃描，用WinRHIZO2016軟件測(cè)定根系總根長、總根系表面積、總根系體積和根系平均直徑參數(shù)。每個(gè)處理隨機(jī)選3株棉苗作為1個(gè)重復(fù)，共設(shè)置3次生物學(xué)重復(fù)。

1.3.2 葉片相對(duì)含水量 棉花幼苗葉片相對(duì)含水量參照邢鈺坤等^［17］方法，采用鮮樣烘干法測(cè)定。鹽處理14 d后，取各處理幼苗倒三葉10片，迅速稱重記為m₁，將各處理葉片浸入雙蒸水并置于4℃冰箱數(shù)小時(shí)至恒質(zhì)量。隨后將葉片取出，擦干表面水分，稱其飽和鮮質(zhì)量記為m₂，將葉片轉(zhuǎn)移烘箱內(nèi)75℃烘干，取出稱質(zhì)量記為m₃，3次生物學(xué)重復(fù)。葉片相對(duì)含水量（RWC）=（m₁-m₃）/（m₂-m₃）×100%，每個(gè)處理的同一盆的10株棉苗合并為該處理的1個(gè)生物學(xué)重復(fù)，共設(shè)3次重復(fù)。

1.3.3 可溶性蛋白含量 取0.5 g棉花幼苗葉片鮮樣組織，加入5 mL PBS溶液（50 mmol/L，pH 7.8）研磨后轉(zhuǎn)入離心管中于 10 000 r/min離心10 min （4℃）。取上清液，采用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定可溶性蛋白含量^［18］，每個(gè)處理隨機(jī)選取3株棉苗作為1個(gè)重復(fù)，共設(shè)置3次生物學(xué)重復(fù)。

1.3.4 可溶性糖含量 鹽處理14 d后，將棉花幼苗按地上部（葉片，主莖）和地下部（根系）分別進(jìn)行烘干和研磨。取棉花葉片干粉樣 0.5 g于離心管中，加入80%酒精5 mL，80℃水浴30 min，冷卻后于5 000 r/min離心10 min，收集上清液，采用蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖含量^［19］ ，每個(gè)處理隨機(jī)選取3株棉苗作為1個(gè)重復(fù)，共設(shè)置3次生物學(xué)重復(fù)。

1.3.5 脯氨酸含量 取各處理棉花幼苗葉片干粉樣約0.5 g，加入5 mL 3%的磺基水楊酸，沸水浴中浸提10 min，冷卻后過濾。取上清液，茚三酮法測(cè)定脯氨酸含量^［20］ ），每個(gè)處理隨機(jī)選取3株棉苗。

1.3.6 鈉鉀離子含量 稱取約0.12 g地上部和地下部干粉樣，采取H₂SO₄-H₂O₂消煮法制備待測(cè)液^［21］。用火焰光度計(jì)（FP640）測(cè)定樣品中鈉、鉀離子含量，每個(gè)處理隨機(jī)選取3株棉苗作為1個(gè)重復(fù)，共設(shè)置3次生物學(xué)重復(fù)。

1.3.7 實(shí)時(shí)熒光定量（qRT-PCR）檢測(cè)相關(guān)基因的表達(dá)量 鹽處理14 d后，稱取 0.1 g根系，加入液氮快速研磨成粉末，利用TIANGEN總RNA提取試劑盒（DP419）提取總RNA，并用Nano Drop 2000對(duì)提取質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。用反轉(zhuǎn)錄試劑盒（RR036A，TaKaRa）合成 cDNA。引物序列參照Wang等^［22］。用TaKaRa的RR420A試劑盒和儀進(jìn)行qRT-PCR（QuantStudio^TM 6 Flex）。使用2^-△△Ct法計(jì)算鈉、鉀離子吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)蛋白基因表達(dá)情況。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用 Microsoft Excel 2010 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計(jì)算，用SPSS Statistics 22進(jìn)行方差分析、Duncan’s多重比較，采用GraphPad Prism 9.3作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 硅對(duì)鹽脅迫下棉花幼苗生長以及根系生長的影響

基于植株高度、根長以及鮮質(zhì)量和干質(zhì)量評(píng)價(jià)棉花植株的生長。由表1可見，從株高可以看出鹽脅迫對(duì)棉花生長產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致植株矮化。在正常條件下，增施Si對(duì)棉花Z9807和Z0102兩品種的各項(xiàng)性能指標(biāo)并無明顯影響。然而，當(dāng)遭受鹽脅迫時(shí)，與對(duì)照相比，Z9807的株高、葉面積、地上部干質(zhì)量、地下部干質(zhì)量和總干質(zhì)量分別依次降低43.69%、46.89%、26.21%、31.32%和 24.69%。同時(shí)，Z0102的株高、葉面積、地上部干質(zhì)量、地下部干質(zhì)量和總干質(zhì)量分別依次降低45.35%、47.08%、42.86%、30.77%和 41.96%。與此相反，外源硅顯著緩解了鹽脅迫對(duì)棉花生長的負(fù)面影響，使Z9807的株高、葉面積、地上部干質(zhì)量、地下部干質(zhì)量和總干質(zhì)量分別比單獨(dú)NaCl處理提高了14.72%、13.05%、5.3%、21.05%和7.58%；Z0102的株高、葉面積、地上部干質(zhì)量、地下部干質(zhì)量和總干質(zhì)量分別比單獨(dú)NaCl處理提高了24.23%、22.34%、22.22%、25%和22.62%。

鹽脅迫顯著抑制棉花根系生長（表2）。與對(duì)照相比，鹽脅迫顯著降低棉花幼苗根系總長、總表面積及總體積，而對(duì)根系直徑的影響因材料而異。鹽脅迫顯著降低Z9807根系平均直徑而對(duì)Z0102影響不顯著。非脅迫環(huán)境下，施硅有益于促進(jìn)棉花根系生長，但效果并不顯著。添加硅顯著減輕了鹽脅迫對(duì)棉花幼苗根系根生長的抑制作用。與NaCl處理相比，NaCl+Si處理Z9807總根長、總表面積、總體積、根系平均直徑分別顯著增加了 18.2%、37.8%、37.1%和13.8%，Z0102總根長、總表面積、總體積顯著增加25.2%、19.5%和48.3%。

2.2 硅對(duì)鹽脅迫下棉花幼苗中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

由圖1可知，正常培養(yǎng)條件下，施用硅增加了鹽敏感材料Z0102脯氨酸含量，而對(duì)Z9807中脯氨酸含量及兩棉花材料的可溶性蛋白和可溶性糖含量影響不顯著。鹽脅迫下，棉花幼苗葉片中可溶性蛋白、可溶性糖含量較對(duì)照顯著降低17.6%和33.9%，而脯氨酸含量顯著增加28.0%。硅添加顯著增加了鹽脅迫下棉花苗中可溶性蛋白和可溶性糖含量，提高棉苗滲透調(diào)節(jié)能力。

2.3 施用外源硅對(duì)鹽脅迫下棉花幼苗含水量的影響

如圖2所示，正常培養(yǎng)條件下，增施硅對(duì)兩基因型棉花幼苗葉片相對(duì)含水量無顯著影響，鹽脅迫顯著降低了兩基因型棉花幼苗葉片相對(duì)含水量。硅處理提高了鹽脅迫下兩基因型相對(duì)含水量，尤其是Z0102較鹽脅迫處理顯著提高 10.8%。

2.4 施用外源硅對(duì)鹽脅迫下棉花幼苗鉀鈉離子吸收與分配的影響

如圖3-A和3-B所示，非脅迫條件下施硅對(duì)棉花幼苗各部位Na⁺含量無顯著影響，而鹽脅迫顯著增加幼苗中Na⁺的積累。硅對(duì)鹽脅迫下棉花幼苗Na⁺積累的影響與品種有關(guān)，硅的添加顯著降低了Z9807地上部及地下部中Na⁺積累，顯著降低了Z0102地上部Na⁺含量而對(duì)地下部Na⁺的積累無顯著影響。鹽脅迫顯著降低了棉花幼苗中K⁺含量，硅的施入并未有效緩解鹽脅迫引起的K⁺含量降低（圖3-C和3-D）。硅的添加對(duì)非脅迫條件下棉花幼苗地上部及根系Na/K無顯著影響，而顯著降低了鹽脅迫幼苗的Na/K，尤其是地上部（圖3-E和3-F）。結(jié)果表明，硅對(duì)棉花幼苗耐鹽能力的提高主要是通過減少鈉的積累及向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)，維持葉片鉀鈉離子平衡。

2.5 硅對(duì)鹽脅迫下棉花根系離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因表達(dá)的影響

與對(duì)照相比，硅處理和鹽處理兩個(gè)棉花材料根系Na⁺/H⁺反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因 SOS1的表達(dá)量均有所提高，硅的添加進(jìn)一步顯著上調(diào)了鹽脅迫下 SOS1的表達(dá)（圖4-A）。無論是 Si 處理還是NaCl處理，高親和性鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因 HKT1的表達(dá)量都顯著低于對(duì)照（圖4-B）。硅對(duì)鹽脅迫下棉花根系 HKT1表達(dá)的影響因品種而異。外源硅顯著下調(diào)了鹽脅迫下 Z9807中HKT1的表達(dá)而顯著上調(diào)了Z0102中的表達(dá)（圖4-B）。非脅迫條件下，加硅對(duì)液泡膜 Na⁺/H⁺ 逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因 HKT1表達(dá)無顯著影響。不同類型棉花材料中 HKT1表達(dá)對(duì)鹽脅迫及外源硅的響應(yīng)不同。鹽脅迫對(duì) Z0102 中 HKT1的表達(dá)無顯著影響，外源硅的添加顯著促進(jìn)了鹽脅迫下棉花 HKT1的表達(dá)，其表達(dá)量較不加硅顯著提高 143.5%。鹽脅迫明顯上調(diào)了Z9807根系中 HKT1的表達(dá)，較對(duì)照顯著增加76.5%，而加硅顯著抑制鹽脅迫下棉花 HKT1的表達(dá)（圖4-C）。鹽脅迫顯著抑制 K⁺通道蛋白基因AKT1的表達(dá)，與對(duì)照相比，鹽處理下 Z0102、Z9807 中AKT1的表達(dá)量分別顯著降低 81.2%和30.8%。正常培養(yǎng)條件下，加硅處理顯著降低了AKT1的表達(dá)，其中Z0102降低更為顯著。鹽脅迫條件下外源硅的添加對(duì)AKT1的表達(dá)無顯著影響（圖4-D）。鹽脅迫下調(diào) K⁺轉(zhuǎn)運(yùn)體蛋白基因 HAK5的表達(dá)。與對(duì)照相比，Z9807和 Z0102 中 HAK5表達(dá)量分別降低/顯著降低19.8%和 64.5%。正常培養(yǎng)條件下添加硅顯著降低了Z0102中 HAK5的表達(dá)，而對(duì)Z9807無顯著影響。鹽脅迫條件下外源硅顯著上調(diào) HAK5的表達(dá)，尤其是Z9807，較鹽處理顯著增加236.5%。

3 討 論

3.1 硅對(duì)鹽脅迫下棉花幼苗生長及根系生長的調(diào)控

鹽分對(duì)植物生長和發(fā)育的不利影響被廣泛認(rèn)識(shí)，它會(huì)嚴(yán)重影響植物的株高、根長和果實(shí)產(chǎn)量，最終導(dǎo)致生長受阻。本研究中，鹽脅迫下的棉花植株表現(xiàn)出明顯的矮化，伴隨著株高、葉面積和生物量的顯著下降（表1）。Z9807在鹽脅迫下株高和總干質(zhì)量的降幅分別是 43.69%和24.69%，Z0102在鹽脅迫下株高和總干質(zhì)量的降幅分別是45.35%和41.96%。在增施硅后，兩個(gè)品種的株高、葉面積以及生物量都有了顯著的提升。其中Z9807株高和總干質(zhì)量的分別升高了14.72%和7.58%，Z0102分別分升高了24.23%和 22.62%。表明施硅能有效緩解鹽脅迫對(duì)棉花生長的抑制作用，鹽敏感棉花品種效果更明顯。

根系是植物吸收水分和營養(yǎng)物質(zhì)的主要場(chǎng)所，發(fā)達(dá)的根系和較強(qiáng)的根系活力能夠促進(jìn)植物對(duì)水分養(yǎng)分吸收和地上部的生長。同時(shí)，根系直接暴露在土壤中，也是植物響應(yīng)土壤脅迫最早和最直接的部位。根系對(duì)土壤環(huán)境變化的適應(yīng)能力決定植物對(duì)脅迫的感知和響應(yīng)方式。鹽脅迫抑制根系生長，鹽濃度越高其抑制作用更強(qiáng)^［23］。硅能夠改善鹽脅迫下植物根系生長。Li等^［24］研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫顯著降低番茄根系總長度、根表面積和根體積，而外源硅的添加顯著增加了上述根指標(biāo)。鹽脅迫下增施硅顯著改善水稻總根長、總表面積和根系平均直徑等根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)，并且1.5 mmol/L硅添加對(duì)鹽脅迫下水稻根系的改善優(yōu)于0.5 mmol/L硅添加^［25］。本研究與前人研究一致，施用外源硅后鹽脅迫下棉花幼苗的根系形態(tài)有了顯著的改善，根長、根表面積和根體積增加（表2）。另外，本試驗(yàn)中Z9807在鹽迫下較Z0102具有更發(fā)達(dá)的根系，因而Z9807具有更高的耐鹽能力。

3.2 外源硅對(duì)鹽脅迫下棉花幼苗滲透調(diào)節(jié)的 影響

鹽脅迫誘發(fā)滲透脅迫導(dǎo)致細(xì)胞脫水和生長抑制^［26］?？朔B透脅迫或生理水分虧缺是植物適應(yīng)鹽脅迫環(huán)境的最重要策略之一。通常，植物會(huì)通過增加細(xì)胞內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的合成和積累來降低細(xì)胞滲透勢(shì)、維持細(xì)胞水分和提高耐鹽性的^［27］?？扇苄蕴呛涂扇苄缘鞍资菨B透調(diào)節(jié)中的關(guān)鍵滲透物質(zhì)。本研究中，加硅顯著增加了棉花葉片中可溶性糖和可溶性蛋白的含量（圖1-A、1-B），降低細(xì)胞滲透勢(shì)，促進(jìn)鹽脅迫下水分的吸收，棉花幼苗保持相對(duì)較高的含量水（圖2）。此結(jié)果與前人結(jié)果一致^［15］。李佐同等^［10］也發(fā)現(xiàn)適量的硅能夠增加鹽脅迫玉米幼苗中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，并參與其在地上部及根系的運(yùn)輸和分配。脯氨酸是一種高水溶性氨基酸，不僅能夠作為滲透溶質(zhì)調(diào)節(jié)細(xì)胞水勢(shì)，還可以作為活性氧清除劑參與保護(hù)細(xì)胞膜系統(tǒng)及穩(wěn)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。滲透脅迫下植物體內(nèi)會(huì)大量積累脯氨酸^［28］。然而，脯氨酸在滲透耐受性中的實(shí)際作用仍然存在爭(zhēng)議。有研究認(rèn)為，脯氨酸的積累是植物抵御脅迫而采取的保護(hù)措施^［29］。而Ghonlam等^［30］認(rèn)為，鹽脅迫環(huán)境下植物體內(nèi)脯氨酸的積累是鹽害的結(jié)果，與植物耐鹽能力負(fù)相關(guān)。由于脯氨酸生物合成是一個(gè)高耗能的過程，減少脯氨酸和合成可以使植物節(jié)省更多的能量來應(yīng)對(duì)脅迫，補(bǔ)充硅可以減輕植物的脅迫損傷，從而脯氨酸水平降低^［31-32］。本研究中，鹽脅迫顯著增加了棉花幼苗中脯氨酸的積累，鹽敏感棉花材料Z0102中脯氨酸的含量顯著高于耐鹽材料Z9807。硅的添加降低了鹽脅迫下脯氨酸的含量（圖1-C）。因此，本試驗(yàn)中脯氨酸的積累可能是對(duì)鹽脅迫損傷的反應(yīng)，而不是作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)參與滲透調(diào)節(jié)。外源硅對(duì)棉花耐鹽能力的調(diào)節(jié)主要是通過可溶性糖和可溶性蛋白含量的增加提高了滲透調(diào)節(jié)能力。

3.3 外源硅對(duì)鹽脅迫下棉花幼苗鈉和鉀離子積累與分配的影響

土壤中鹽分過多會(huì)引起離子失衡，導(dǎo)致細(xì)胞毒害，影響植物生長及產(chǎn)量形成^［3］。Na⁺是絕大多數(shù)鹽堿地的主要離子。鹽害對(duì)植物的傷害主要?dú)w因于Na⁺在植物體內(nèi)的過度積累。鹽脅迫下過量Na⁺競(jìng)爭(zhēng)多處K⁺的結(jié)合位點(diǎn)，降低對(duì)K⁺的吸收。并且，細(xì)胞質(zhì)中過量的Na⁺的積累誘導(dǎo)K⁺從根和葉細(xì)胞流出，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)K⁺含量降低，破壞K⁺ 、Na⁺穩(wěn)態(tài)，從而影響酶活性、膜電位和滲透勢(shì)的維持^［33］。因此，降低植物細(xì)胞中Na⁺含量，提高K⁺含量，維持胞質(zhì)較高的K/Na比值是提高植物耐鹽性的重要機(jī)制。研究表明，Si能夠減少鹽脅迫下水稻對(duì)Na⁺的吸收及向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)，降低葉片中Na/K比值，從而促進(jìn)鹽脅迫下水稻的生長^［7］。本研究中，外源硅的添加不影響鹽脅迫下棉花幼苗對(duì)鉀的吸收，顯著降低了Na⁺含量（圖3）。硅對(duì)鹽脅迫下棉花細(xì)胞內(nèi)K⁺ 、Na⁺穩(wěn)態(tài)主要是通過調(diào)節(jié)Na⁺實(shí)現(xiàn)的，與閆國超等^［7］的研究結(jié)果一致。硅被植物吸收后刺激了根系凱氏帶的形成或以某種形式沉積在根系的內(nèi)外皮層從而形成了一種物理屏障，減少了根系質(zhì)外體對(duì)鈉離子的吸收^［34］，不同物種或品種對(duì)硅吸收能力可能導(dǎo)致硅對(duì)耐鹽能力的調(diào)節(jié)存在差異^［14］。

高鹽條件下，植物通過Na⁺外排或促進(jìn)Na⁺區(qū)隔到液泡中來維持細(xì)胞內(nèi)離子穩(wěn)態(tài)，細(xì)胞質(zhì)膜Na⁺/H⁺逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、高親和性鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和液泡膜Na⁺/H⁺逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與此過程^［22］。SOS1（編碼質(zhì)膜Na⁺/H⁺逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）、HKT1（編碼液泡膜Na⁺/H⁺逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）和 HKT1（編碼高親和性鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）在調(diào)節(jié)Na⁺穩(wěn)態(tài)和植物耐鹽性方面發(fā)揮重要作用^［35］。前人研究表明，硅可促進(jìn)鹽脅迫下黃瓜葉片 Na⁺的區(qū)隔化進(jìn)而降低葉綠體中的 Na⁺含量，緩解鹽脅迫下黃瓜幼苗的氧化損傷^［12］。Bosnic等^［13］也在玉米試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)類似結(jié)果。本試驗(yàn)中，外源硅的添加促進(jìn)根系 SOS1的表達(dá)，尤其是鹽敏感材料Z0102（圖4-A），即硅的添加促進(jìn)鹽脅迫下棉花幼苗根系細(xì)胞中Na⁺的外排。外源硅促進(jìn)了鹽脅迫下鹽敏感材料Z0102中 HKT1的表達(dá)而顯著抑制了耐鹽材料Z9807中 HKT1的表達(dá)，并且顯著促進(jìn)Z9807中HTK1的表達(dá)（圖4-B和4-C）。由此可知，硅對(duì)不同品種耐鹽機(jī)制調(diào)節(jié)存在差異，硅對(duì)鹽敏感品種Z0102 Na⁺穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)主要在Na⁺的外排和區(qū)隔化方面發(fā)揮作用，而對(duì)耐鹽品種Z9807的調(diào)節(jié)可能主要通過物理屏障減少了Na⁺的吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)。鹽脅迫下維持胞質(zhì)K⁺穩(wěn)態(tài)和保留K⁺的能力是植物耐鹽的關(guān)鍵機(jī)制之一。K⁺通道AKT1和K⁺轉(zhuǎn)運(yùn)體HAK5是植物從外界環(huán)境中吸收K⁺的兩條主要途徑，對(duì)K⁺和Na⁺具有很強(qiáng)的選擇性，有助于植物的耐鹽性^［1］。已有研究表明，棉花K⁺轉(zhuǎn)運(yùn)體HAK5在根中表達(dá)量最高，且其表達(dá)受外界低鉀環(huán)境誘導(dǎo)^［36］，K⁺通道GhAKT1具有吸K⁺功能，且具有雙親和K⁺吸收特性^［37］。據(jù)報(bào)道，AKT1和 HAK5參與了鹽脅迫的響應(yīng)，并在鹽脅迫條件下維持K/Na穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用^［38］。本研究結(jié)果顯示，外源硅在棉花鹽脅迫下能顯著提高 HAK5的表達(dá)（圖4-E），這對(duì)于維持棉花在鹽脅迫下的吸鉀能力具有重要意義。閆國超^［25］曾報(bào)道硅在鹽脅迫下的水稻中也具有類似的作用。但是，外源硅的添加對(duì)鹽脅迫下幼苗根系及地上部最終K⁺積累量無顯著影響，可能與轉(zhuǎn)錄后的調(diào)節(jié)有關(guān)，也可能是過多的鈉離子致使質(zhì)膜透性增大，鉀離子的外滲與吸收處于相對(duì)持平的狀態(tài)，或者是介導(dǎo)鉀離子雙向流動(dòng)蛋白引起的^［39］。另外，本研究發(fā)現(xiàn)Z9807較好的耐鹽性與其在鹽脅迫下具有較高的鉀吸收能力和Na⁺的區(qū)隔化有關(guān)，而 Z0102 主要通過促進(jìn)鈉的外排及減少向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)減輕鹽脅迫傷害。

4 結(jié) 論

施硅可改善鹽脅迫下棉花幼苗根系生長。施硅增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可溶性糖和可溶性蛋白含量，緩解鹽脅迫引起的滲透脅迫。硅通過提高鹽脅迫下棉花K⁺離子吸收、Na⁺的區(qū)隔和外排等基因的表達(dá)，減少Na⁺積累和向地上轉(zhuǎn)移，改善地上部及根系離子平衡，減輕離子毒害。

參考文獻(xiàn) Reference：

［1］ MUNNS R，TESTER M.Mechanisms of salinity tolerance［J］.Annual Review of Plant Biology，2008，59：651-681.

［2］ASSAHA D V M，UEDA A，SANEOKA H，et al. The role of Na⁺ and K⁺ transporters in salt stress adaptation in Glycophytes［J］.Frontiers in Physiology，2017，8：509.

［3］許祥明，葉和春，李國鳳.植物抗鹽機(jī)理的研究進(jìn)展［J］.應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2000，6（4）：379-387.

［4］朱永興，夏雨晨，劉樂承，等.外源硅對(duì)植物抗鹽性影響的研究進(jìn)展［J］.植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2019，25（3）：498-509.

［5］MENG Y，YIN Q，YAN Z，et al.Exogenous silicon enhanced salt resistance by maintaining K⁺/Na⁺ homeostasis and antioxidant performance in Alfalfa leaves［J］.Frontiers in Plant Science，2020，11：1183-1183.

［6］朱永興，李換麗，胡彥宏，等.硅酸鹽提高番茄抗鹽性的效應(yīng)與生理機(jī)制［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2015（2）：213-220.

［7］閆國超，樊小平，譚 禮，等.鹽脅迫下添加外源硅提高水稻抗氧化酶活性與鈉鉀平衡相關(guān)基因表達(dá)［J］.植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2020，26（11）：1935-1943.

［8］王康君，郭明明，孫中偉，等.硅對(duì)NaCl脅迫下小麥生長與相關(guān)生理指標(biāo)的影響［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2020，61（12）：2502-2507，2514.

［9］XU S，ZHAO N，QIN D，et al.The synergistic effects of silicon and selenium on enhancing salt tolerance of maize plants［J］.Environmental and Experimental Botany，2021.187：104482.

［10］ 李佐同，高聚林，王玉鳳，等.外源硅對(duì)NaCl脅迫下玉米幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量影響［J］.玉米科學(xué)，2011，19（3）：91-93，97.

［11］YIN L，WANG S，LI J，et al.Application of silicon improves salt tolerance through ameliorating osmotic and ionic stresses in the seedling of Sorghum bicolor［J］.Acta Physiologiae Plantarum，2013，35（11）.

［12］緱天韻，蘇 艷，陳馨航，等.硅促進(jìn)鹽脅迫下黃瓜 NHX1基因表達(dá)及Na⁺在液泡中的區(qū)隔化效應(yīng)［J］.植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2020，26（11）：1923-1934.

［13］BOSNIC P，BOSNIC D，JASHIC J，et al.Silicon mediates sodium transport and partitioning in maize under moderate salt stress［J］.Environmental and Experimental Botany，2018，155：681-687.

［14］LI L，QI Q，ZHANG H，et al.Ameliorative effects of silicon against salt stress in Gossypium hirsutum L［J］.Antioxidants，2022，11（8）：1580.

［15］李笑佳，張 倩，張淑英.外源硅對(duì)鹽脅迫下棉花幼苗光合、熒光及抗氧化酶活性的影響［J］.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，56（5）：873-881.

［16］張 倩，李笑佳，張淑英.硅對(duì)鹽脅迫下棉花幼苗生長和滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響［J］.華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2019，34（6）：110-117.

［17］邢鈺坤，曹恭祥，元 光，等.干旱脅迫下不同種源文冠果幼苗葉片的抗旱生理響應(yīng)特征［J］.內(nèi)蒙古林業(yè)科技，2021，47（4）：25-30.

［18］徐 亞，范會(huì)芬，趙玎玲，等.考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定大豆水溶性蛋白提取方法的優(yōu)化［J］.大豆科學(xué)，2022，41（2）：196-202.

［19］劉海英，王華華，崔長海，等.可溶性糖含量測(cè)定（蒽酮法）實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)［J］.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2013，16（2）：19-20.

［20］劉志洋.游離脯氨酸含量測(cè)定法比較宿根花卉抗寒性［J］.黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016（11）：102-105.

［21］孫 丹.原子吸收分光光度計(jì)火焰發(fā)射法測(cè)定鈉的含量［J］.當(dāng)代化工研究，2016（5）：92-93.

［22］WANG N，WANG X R，SHI J B，et al.Mepiquat chloride-priming induced salt tolerance during seed germination of cotton （Gossypium hirsutum L.） through regulating water transport and K⁺/Na⁺ homeostasis［J］.Environmental and Experimental Botany，2019，159：168-178.

［23］慈敦偉，張智猛，丁 紅，等.花生苗期耐鹽性評(píng)價(jià)及耐鹽指標(biāo)篩選［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2015，35（3）：805-814.

［24］LI H L，ZHU Y X，HU Y H，et al.Beneficial effects of silicon in alleviating salinity stress of tomato seedlings grown under sand culture［J］.Acta Physiologiae Plantarum，2015，37（4）：1-9.

［25］閆國超.硅調(diào)控水稻耐鹽性的生理與分子機(jī)制研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2020.

［26］ZHU J K.Abiotic stress signaling and responses in plants［J］.Cell，2006，167（2）：313-324.

［27］DEINLEIN U，STEPHAN A B，HORIE T，et al.Plant salt-tolerance mechanism［J］.Trends in Plant Science，2014，19（6）：371-379.

［28］ASHRAFM，F(xiàn)OOLAD M R.Roles of glycine betaine and proline in improving plant abiotic stress and resistance［J］.Environmental and Experimental Botany，2007，59（2）：206-216.

［29］NAYYAR H，WALIA D P.Water stress induced proline accumulation in contrasting wheat genotypes as affected by calcium and abscisic acid［J］.Biologia Plantarum，2003，46（2）：275-279.

［30］GHONLAM C，F(xiàn)OURSY A，F(xiàn)ARES K.Effects of salt stress on growth，inorganic ions and proline accumulation in relation to osmotic adjustment in five sugar beet cultivars［J］.Environmental and Experimental Botany，2002，47（1）：39-50.

［31］YIN L，WANG S，LI J，et al.Application of silicon improves salt tolerance through ameliorating osmotic and ionic stresses in the seedling of Sorghum bicolor［J］. Acta Physiologiae Plantarum，2013，35：3099-3107.

［32］LEE S K，SOHN E Y，HAMAYUN M，et al.Effect of silicon on growth and salinity stress of soybean plant grown under hydroponic system［J］.Agroforest Systems，2010，80：333-340.

［33］ZHU J K.Regulation of ion homeostasis under salt stress［J］.Current Opinion Plant Biology，2003，6（5）：441-445.

［34］GONG H J，RAN D P，F(xiàn)LOWERS T J.Silicon deposition in the root reduces sodium uptake in rice （Oryza sativa L.） seedlings by reducing bypass flow［J］.Plant Cell and Environment，2010，29（10）：1970-1979.

［35］ZHANG W D，WANG P. SOS1， HKT1;5，and HKT1 synergistically modulate NaCl homeostasis in the halophytic grass Puccinellia tenuiflora. Front.［J］.Frontiers in Plant Science，2017，8：576-576.

［36］晁毛妮，溫青玉，張志勇，等.陸地棉鉀轉(zhuǎn)運(yùn)體基因 GhHAK5的序列特征及表達(dá)分析［J］.作物學(xué)報(bào)，2018， 44（2）：236-244.

［37］穆 春，安 靜，李婷婷，等.應(yīng)用病毒誘導(dǎo)基因沉默技術(shù)研究棉花 GhAKT1和 GhKT2基因的功能［J］.棉花學(xué)報(bào)，2017，29（1）：40-49.

［38］WANGN，QIAO W Q，LIU X H，et al.Relative contribution of Na⁺/K⁺ homeostasis，photochemical efficiency and antioxidant defense system to differential salt tolerance in cotton （Gossypium hirsutum L.） cultivars［J］.Plant Physiology and Biochemistry，2017，119：121-131.

［39］COSKUN D，BRITTO D T，KRONZUCKER H J.Regulation and mechanism of potassium release from barley roots：an in planta 42K⁺ analysis［J］.New Phytologist，2010，188（4）：1028-1038.

Effects of Exogenous Silicon on Levels of Osmotic Substances and Na/K Homeostasis in Cotton under Salt Stress

RUAN Sijia^1，2，LI Leilei^1，3，SONG Meizhen^1，2，QI Qian¹，DONG Qiang¹，ZHANG Hengheng¹，GUI Huiping¹，WANG Xiangru^1，2 and ZHANG Xiling^1，2

（1.Institute of Cotton Research of CAAS/National Engineering Research Centre of Cotton Biology Breeding and Industrial Technology，Anyang Henan 455000，China; 2.Western Agricultural Research Center of Chinese Academy of Agricultural Sciences，Changji Xinjiang 831100，China;3.Rice Research Institute of Sichuan Agricultural University/Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Cultivation，Chengdu 611130，China）

Abstract The salt-tolerant ‘Zhong J9807’ （Z9807） and the salt-sensitive ‘Zhong J0102’ （Z0102） of Gossypium hirsutum L. were used in greenhouse hydroponic experiments to investigate the effects of exogenous silicon on cotton under salt stress. Eight treatment combinations were tested：two NaCl concentrations （0 and 150 mmol·L^-1） and two silicon concentrations （0 and 0.4 mmol·L^-1 Na₂SiO₃）. After 14 days of treatment，the root phenotype indicators，leaf osmolyte content，sodium （Na⁺） and potassium （K⁺） content，and expression levels of genes associated with root phenotype in the cotton seedlings were analyzed. The results showed that salt-induced stress significantly reduced the total root length，total surface area，total volume，in both cotton cultivars. However，exogenous silicon markedly improved root growth. The application of silicon alleviated salt-induced osmotic stress by significantly increasing the levels of soluble sugar and soluble protein in the seedlings. Salt-induced stress caused considerable accumulation of Na⁺ in the cotton roots and aboveground parts，significantly reduced the K⁺ content，and，consequently，increased the Na⁺/K⁺ ratio. Exogenous silicon reduced the Na⁺ content and Na⁺/K⁺ ratio and thus mitigating ionic imbalance，particularly in the salt-tolerant Z9807 cultivar. In the salt-sensitive Z0102 cultivar，silicon treatment enhanced ionic homeostasis and salt tolerance by significantly upregulating SOS1 andNHX1 genes，which promoted Na⁺ efflux and compartmentalization，thereby decreasing Na⁺ accumulation in shoots. Conversely，in the salt-tolerant Z9807，downregulation of HKT1 expression limited Na⁺ transport to the aboveground parts，while the upregulation ofHAK5 expression enhanced K⁺ uptake in high-Na⁺ conditions，lowering the Na⁺/K⁺ ratio.These finding suggest that exogenous silicon enhances salt tolerance in cotton seedlings by regulating the osmolyte content and expression of key genes that are responsible for K⁺ absorption，Na⁺ efflux，and compartmentalization.

Key words Silicon; Cotton; Salt stress; Na/K homeostasis; Osmotic adjustment

Received 2023-10-16

Returned 2024-03-04

Foundation item National Engineering Research Centre of Cotton Biology Breeding and Industrial Technology （No.NERC010109）; Natural Science Foundation Support Project of Xinjiang Uygur Autonomous Region （No.2020D01B61）; Huyanghe Financial Science and Technology Plan of Seventh Division of Xinjiang Uygur Autonomous Region （No.2022C09）.

First author RUAN Sijia，female，master student.Research area：cotton cultivation physiology. E-mail： sijiaruan@163.com

LI Leilei，male，master student.Research area：cotton cultivation physiology.E-mail：2022111001@stu.sicau.edu.cn

Corresponding author ZHANG Xiling，male，research fellow.Research area：cotton cultivation physiology. E-mail：hainan1571@163.com

WANG Xiangru，female，associate research fellow.Research area：cotton cultivation physiology. E-mail：wxr_z4317@163.com

（責(zé)任編輯：成 敏 Responsible editor：CHENG Min）