随着全球气候变暖和人口持续增长,中国乃至全球都面临着严重的粮食安全压力。在实际农业生产当中,环境胁迫是造成作物产量潜力无法实现的主要原因之一。因此,探寻提高作物抗逆能力的有效途径显得至关重要。外施硅提高植物抗多种逆境胁迫已经被大量研究报道。在农业生产当中,硅肥的施用可以作为一种提高作物多种抗逆性的有效途径。因此,深入了解硅增强植物抗性的内在机制对于植物抗逆能力的综合提高以及硅肥的合理有效利用具有重要的意义。以往关于硅提高植物抗逆性机理的研究大多集中在植物体内沉积硅的物理屏障作用和硅提高植物抗氧化能力方面。近年来的一些证据表明,硅不仅可以通过物理屏障提高植物的抗逆能力,而且可以作为生物活性分子主动参与植物胁迫响应的调控。本研究的目的是对硅提高高粱抗盐和耐缺钾能力的调控机制进行研究。主要研究结果如下:(1)盐胁迫下硅通过调控多胺和乙烯的合成提高高粱抗盐能力多胺作为植物生长调节物质广泛参与植物生长发育、衰老和植物抗逆性的调控。多胺和植物抗盐性紧密相关,多胺可以通过影响离子通道提高盐胁迫下植物组织K+/Na+平衡从而增强植物耐盐性。所以本实验将明确盐胁迫下硅对多胺代谢以及多胺在硅提高植物耐盐能力中的作用及机制。本实验分析测定了硅(H2SiO3:1 mM)和盐(NaCl:100 mM)处理1天、3天和7天后高粱幼苗生长状况、Na+和K+含量、多胺和乙烯水平及其合成基因的表达,并鉴定外源添加多胺和多胺合成抑制剂(DCHA)条件下盐胁迫对高粱幼苗生长和离子积累的影响。结果表明,盐胁迫处理显著降低了高粱幼苗的生长并引起根、茎和叶片组织中Na+的大量积累,而外源施加硅显著地减少了盐胁迫造成的高粱生长的抑制和Na+的积累。与此同时,外源施加硅增加了盐胁迫下高粱组织中的游离态和结合态腐胺(Put)、亚精胺(Spd)、精胺(Spm)含量,并减少了乙烯合成前体1-氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)含量。硅在盐胁迫下增强了多胺合成关键基因精氨酸脱羧酶基因(ADC)、N-氨甲酰腐胺氨基水解酶基因(CAP)和SAMDC的表达。为了进一步验证多胺在硅提高抗盐能力中的作用,测定了外源施加Spd和DCHA对高粱抗盐能力的影响。在盐胁迫下,外源施加Spd表现出和硅同样的缓解作用,而外源施加DCHA消除了硅提高高粱抗盐性和减少Na+积累的作用。这些结果说明在盐胁迫下硅可以通过促进多胺的合成与积累,从而减少乙烯的生物合成以及维持K+/Na+离子平衡来提高高粱耐盐能力。(2)缺钾胁迫下硅通过调控多胺代谢缓解缺钾引起的叶片失绿坏死,提高高粱耐缺钾能力钾是植物必需的大量元素,钾亏缺严重影响植物的新陈代谢过程,并导致作物减产。硅能显著提高植物耐缺钾能力,但是其调控机制尚不清楚。多胺,尤其是put的大量积累是植物遭受缺钾胁迫时的普遍响应。所以本实验将明确缺钾胁迫下硅对多胺代谢的调节作用,以及多胺在硅提高植物耐缺钾能力中的作用及其机制。本实验分析测定了外源施加硅(h2sio3:1mm)对缺钾(kcl:0.05mm)处理下高粱幼苗生长状况、叶片坏死指征、k+含量、多胺含量、多胺氧化酶活性、抗氧化酶活性、过氧化氢含量以及多胺合成相关基因表达的影响。结果表明,在缺钾胁迫下,硅显著地缓解了缺钾引起的生长抑制。缺钾胁迫诱导了叶片的失绿坏死并引起包括光合速率、psii光化学效率、叶绿素含量和叶绿素a/b等的降低,而硅显著的缓解了这些叶片缺钾症状。硅对正常钾和缺钾条件下的叶片k+浓度都没有显著影响。说明硅对钾离子的吸收和分布影响较小,硅对叶片失绿坏死的缓解作用并不是通过提高叶片k+浓度发挥作用的。缺钾胁迫下put和spd含量分别是对照水平的14倍和3倍,spm含量降低了38%。而施加硅显著降低了缺钾引起的put的过量积累,缺钾条件下加硅处理植株的put含量比不加硅的低52%。而缺钾条件下硅对spd和spm含量没有显著影响。与此同时,硅在缺钾条件下下调了多胺合成基因adc、cap和亚精胺合酶(spds)的表达。另外,硅降低了缺钾引起的精氨酸积累。这些结果表明硅在缺钾条件下通过抑制多胺合成,减少了put的过量积累。二胺氧化酶(dao)和多胺氧化酶(pao)活性在缺钾条件下分别升高了42%和35%,而加硅处理抑制了缺钾条件下多胺氧化的升高。与此同时,硅减少了缺钾胁迫下h2o2的积累,却降低了抗氧化酶的活性。因此,这些结果说明硅在缺钾胁迫下通过抑制腐胺合成,减少缺钾引起的腐胺过量积累并减少多胺氧化引起的h2o2产生。h2o2含量的降低有利于缓解缺钾诱导的细胞死亡,从而减轻缺钾诱导的叶片失绿坏死。综合第一和第二部分研究结果,我们可以得出:在盐胁迫和缺钾胁迫下硅都可以通过调节多胺代谢提高高粱抗逆能力,但是其作用机制存在巨大差异。硅在逆境条件下对多胺代谢的调节并不是简单的增加或降低多胺含量,而是通过某种特定的机制使其维持在利于植物生长的水平。在逆境胁迫下,当植物组织内多胺水平较低时(如盐胁迫),硅促进多胺的积累,促进其发挥有利作用;当植物组织内多胺大量积累时(如缺钾胁迫),硅抑制多胺的合成,减少多胺过量积累对植物产生的毒害。(3)缺钾胁迫下硅通过促进根系水分吸收,改善水分状况提高高粱耐缺钾能力水分平衡是植物生存和生长发育的基础。钾离子在调节植物水分平衡过程中起到重要作用,严重缺钾会导致水分亏缺。最近的研究表明,硅可以通过调节水孔蛋白活性增强植物水分吸收能力,从而改善植物在干旱和盐胁迫下的水分平衡,提高植物抗旱和耐盐性。所以硅在缺钾条件下可能通过维持植物水分平衡缓解了缺钾胁迫对植物生长的抑制。为了验证这一假设,本实验分析测定了外源施加硅(h2sio3:1mm)对缺钾(kcl:0.05 mM)处理下高粱幼苗水分状况、整株和根系水力学导度、木质部汁液K+浓度以及水孔蛋白基因和K+吸收转运相关基因表达的影响。缺钾胁迫降低了高粱叶片相对含水量和叶水势,抑制了光合速率和高粱幼苗的生物量积累。而外源施加硅显著地缓解了这些缺钾胁迫对高粱的危害,说明硅改善了缺钾胁迫下高粱植株的水分状况。硅对正常条件和缺钾条件下地上部分和根系钾离子含量都没有显著影响,说明硅并不是通过直接增加K+吸收来改善水分状况。硅显著地提高了缺钾胁迫下高粱植株的蒸腾速率、整株水导和根系水导,说明硅增强了高粱在缺钾胁迫下的根系水分吸收能力。进一步研究发现,缺钾胁迫下硅对蒸腾速率提高作用中的29%被水孔蛋白抑制剂HgCl2处理消除。并且硅上调了缺钾胁迫下质膜水孔蛋白(PIPs)的表达,说明硅在缺钾胁迫下对根系水导提高作用的部分原因是由于硅增强了水孔蛋白活性。此外,硅显著增加了缺钾胁迫下根系木质部汁液中的K+浓度,并降低了木质部汁液渗透势。此外,缺钾胁迫下硅上调了中柱外流型K+整流通道(SKOR)的表达,而下调了内流型高亲和性K+转运体5(HAK5)的表达。这些结果说明,硅通过促进K在木质部汁液的富集,增加了外部溶液与木质部汁液之间的渗透势梯度,从而促进了高粱根系水分的吸收。因此,缺钾胁迫下硅通过促进木质部K+的富集和提高水孔蛋白活性增强根系水分吸收能力,从而改善缺钾胁迫下高粱的水分状况。综合第二和第三部分研究结果,我们可以得出:硅一方面在根系中通过提高根系水导,改善植物水分状况来缓解缺钾胁迫对高粱生长的抑制;另一方面在叶片中通过减少腐胺积累,缓解缺钾胁迫诱导的叶片失绿坏死,进而提高植物耐缺钾能力。本研究从多胺代谢和水分平衡两个角度阐明了硅提高高粱耐缺钾能力的作用机制,将有助于硅肥在农业生产中的高效利用。本研究阐明了硅提高高粱抗盐和耐缺钾能力的作用机制,明确了硅在盐和缺钾胁迫下可以通过硅沉积的物理屏障和提高植物抗氧化能力以外的途径提高高粱抗逆能力,对于植物抗逆性的提高以及硅肥的合理有效利用具有重要参考价值。