硅与赤霉素协同调控甘蔗光合性能及抗氧化防御系统的机制研究

《Scientific Reports》：Application of silicon and gibberellic acid modulate photosynthetic capacity and antioxidative defense machinery in Saccharum officinarum cv. GT55

　　本研究针对如何提升甘蔗抗逆性及产量这一农业难题，开展了硅(Si)与赤霉素(GA3)协同调控甘蔗光合性能及抗氧化防御系统的机制研究。通过叶面喷施不同浓度GA3(0-100 ppm)结合土壤灌溉Si(50 ppm)，发现GA3与Si互作可显著增强光合作用参数(PN、gs、E)、调控抗氧化酶系统(CAT/POD/APX/SOD/GR)及内源激素(IAA/ABA/GA3)水平，证实二者协同应用是提高甘蔗生理活性的安全有效策略，为可持续农业提供新方案。

　　

在全球人口持续增长和气候变化加剧的背景下，如何通过可持续农业技术提升作物产量已成为重大挑战。甘蔗作为重要的糖料和能源作物，其生产常受到环境胁迫的制约。传统化学肥料和农药的过度使用不仅带来生态风险，还可能影响作物品质。因此，开发环境友好的生物刺激剂策略显得尤为重要。

硅(Si)是地壳中含量第二丰富的元素，虽非植物必需营养元素，但已被证实能增强细胞壁结构、提高抗逆性。赤霉素(GA₃)作为经典植物生长调节剂，可促进细胞伸长和分裂。然而，两者在甘蔗中的协同作用机制尚不明确。发表于《Scientific Reports》的这项研究首次系统探讨了GA₃与Si互作对甘蔗光合性能和抗氧化系统的调控网络，为作物增产提供了新思路。

研究团队以甘蔗品种GT55为材料，设置不同浓度GA₃(0、10、20、50、75、100 ppm)叶面喷施与50 ppm Si土壤灌溉的组合处理，在60天和90天两个时间点系统评估了光合参数、抗氧化酶活性、非酶抗氧化物质及内源激素水平的变化。关键技术包括光合作用测定系统(LI-COR 6800)监测气体交换参数，紫外分光光度法分析抗氧化酶活性，以及植物激素定量分析。

GA3和Si改变光合响应

研究发现GA₃与Si协同处理显著提升净光合速率(P_N)、气孔导度(g_s)和蒸腾速率(E)，其中T4处理(GA₃ 75 ppm + Si 50 ppm)效果最显著。Si通过增强叶绿体结构稳定性，GA₃通过促进细胞伸长协同优化光能捕获效率，使P_N最高提升78%。

抗氧化和非抗氧化酶活性

酶活性分析显示，可溶性蛋白、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)在叶片中随处理浓度增加呈上升趋势，T4处理下CAT活性提升最显著。抗坏血酸过氧化物酶(APX)、超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽还原酶(GR)的活性变化呈现时空特异性，叶片中SOD在T3处理(GA₃ 50 ppm + Si)下活性最高。

氧化应激指标中，过氧化氢(H₂O₂)和丙二醛(MDA)含量在T5处理下显著降低，表明高浓度GA₃与Si组合能有效抑制膜脂过氧化。脯氨酸作为渗透调节物质，在根系中积累量随处理时间延长而增加。

赤霉素和硅改善植物激素含量

内源激素检测发现，GA₃与Si互作显著调控生长素(IAA)、脱落酸(ABA)和赤霉素(GA₃)的动态平衡。叶片中IAA和GA₃在60天时达到峰值，而ABA在T1处理(GA₃ 10 ppm + Si)下呈现最高值，说明低浓度GA₃可能通过诱导ABA积累增强抗逆性。

非酶抗氧化物质分析表明，抗坏血酸(AsA)、谷胱甘肽(GSH)及其氧化态(GSSG)在叶片中响应显著，T5处理下AsA含量提升至1196.23 μg/g FW，约为对照的2倍。谷胱甘肽-S-转移酶(GST)和脱氢抗坏血酸(DHA)的协同变化进一步证实抗氧化网络的激活。

讨论部分指出，Si与GA₃的协同效应体现在三重机制：一是Si形成双层表皮角质层减少水分蒸腾，二是GA₃促进氮吸收和蛋白质合成以维持渗透平衡，三是两者共同上调APX/GPX酶系增强活性氧(ROS)清除能力。相关性分析显示可溶性蛋白与抗氧化酶呈正相关，SOD与H₂O₂产生密切相关，印证了协同防御机制。

该研究首次揭示Si与GA₃在甘蔗中的协同作用模式，通过整合光合性能优化、抗氧化系统激活及激素网络调控，为作物抗逆增产提供了新策略。未来研究可聚焦分子机制解析及田间验证，推动该技术向实际应用转化。