硅在植物体内的分布和吸收及其在病害逆境胁迫中的抗性作用

硅在地壳中含量位居第二位,尽管还没有被列为植物生长的必需营养元素,但它在促进植物生长发育和营养吸收、提高植物对非生物逆境胁迫和生物逆境胁迫的抗性等方面都具有重要作用。综述了近些年来国内外关于硅在植物体内的分布、吸收及其生理效应,重点介绍了硅在病害逆境胁迫中的抗性作用机理。高等植物以单硅酸[Si(OH)4]的形式吸收硅,存在硅的主动吸收和被动吸收机制。硅主要沉积在叶片及叶鞘表皮细胞,形成硅化细胞和角质-硅双层结构,能增强寄主植物细胞壁的机械强度和稳固性,从而延缓和抵御病菌的侵入和扩展。更多的证据表明,硅处理能增加植物叶片保护酶(过氧化物酶、多酚氧化酶、苯丙氨酸解氨酶等)活性和诱导寄主产生次生代谢抗性物质(如植保素、多酚类化合物、木质素),从而激活植物的防御系统,增强对病原菌的抵抗能力。分子水平上的研究显示,硅能诱导与植物防御机制相关的基因表达,参与抗病信号分子(如水杨酸、茉莉酸和乙烯)在信号传导中的作用。     

硅缓解植物镉毒害的生理生态机制

镉是对生物毒性最强的污染物之一。过量的镉能够抑制植物的生长和光合作用,干扰矿质代谢并诱发氧化胁迫。硅作为一种有益元素,主要以Si(OH)_4的形态通过主动或被动方式被植物体吸收并转运到地上部分。硅对植物镉毒害具有缓解作用,但其缓解机制在不同物种、品种或生态型之间存在显著差异,并表现出一定的硅/镉浓度依赖性。总体上可概括为避性机制和耐性机制。避性机制包括:(1)在器官水平,减少植物根系对镉的吸收及其向地上部的转运;(2)在细胞水平,增强细胞壁对镉的吸附能力,减少共质体中镉的含量。耐性机制包括:(1)诱导细胞产生小分子螯合剂,增强对镉的螯合作用,减少细胞中游离态镉的含量;(2)增强抗氧化机制,减轻氧化胁迫;(3)改善光合作用和无机营养,促进植物生长。从植物对硅的吸收和转运、镉对植物的毒害作用以及硅对缓解植物镉毒害的生理生态机制3个方面进行了综述,并基于目前的研究现状和薄弱之处,对今后的研究重点进行了展望。     

水稻中硅的营养功能及生理机制的研究进展

尽管硅还没有被列为植物生长的必需营养元素,但它在水稻生长发育、产量与品质形成、矿质营养吸收以及逆境生理等方面都具有重要的作用。硅不仅是水稻细胞结构成分和组成物质,还参与调节水稻各种生理生化代谢过程,促进光合作用,改善冠层结构,增强抗倒伏能力,提高群体质量,促进产量、品质和肥料吸收利用效率的协同提高。硅通过物理途径或生理生化途径增强水稻对重金属、盐渍、干旱、紫外线、高温等非生物胁迫以及病虫生物胁迫的抵抗力。还展望了水稻中硅研究的未来发展。     

植物钾营养高效分子遗传机制

钾是植物生长发育所必需的矿质营养元素之一。不同种类植物的钾营养效率存在差异, 已有证据表明这种差异是受遗传基因控制的。植物细胞依靠细胞膜上的各种钾转运体和通道蛋白吸收和转运钾离子, 这些膜蛋白的活性调控是植物钾营养效率调控的关键和基础。本文对植物钾营养高效性状分子遗传机制以及相关基因的分子功能和调控机制的研究进展进行了简要评述, 并讨论了改善作物钾营养高效性状的可能途径。     

植物钾营养高效分子遗传机制

钾是植物生长发育所必需的矿质营养元素之一。不同种类植物的钾营养效率存在差异,已有证据表明这种差异是受遗传基因控制的。植物细胞依靠细胞膜上的各种钾转运体和通道蛋白吸收和转运钾离子,这些膜蛋白的活性调控是植物钾营养效率调控的关键和基础。本文对植物钾营养高效性状分子遗传机制以及相关基因的分子功能和调控机制的研究进展进行了简要评述,并讨论了改善作物钾营养高效性状的可能途径。     

植物响应缺钾胁迫的机制及提高钾利用效率的策略

钾是植物体内含量最大的阳离子,在植物生长发育过程的诸多生理生化反应中起关键作用。缺钾会抑制植株根系的生长,使根冠比降低;同时阻碍光合产物的合成和向韧皮部转运,导致生物量下降。因此,提高植物钾营养的吸收转运和利用效率对于作物品种改良和增产具有重要的理论和生产实践意义。该文综述了植物响应低钾的生理机制和提高植物钾利用效率的四大策略,并对改善钾营养吸收利用以提高作物产量和品质进行了讨论及展望。     

WRKY转录因子参与植物抗盐性调控的研究进展

盐胁迫是影响植物生长发育重要的环境因子之一,为了适应及抵御盐胁迫危害的逆境,作物自身会通过一系列变化来适应环境而作出相关性应激性改变,如宏观形态学、生理学改变、微观分子生物学变化等。转录调控是细胞内部调控网络中最重要的一个环节,WRKY转录因子响应并参与多种植物的生物和非生物胁迫。本综述从盐胁迫下作物形态结构的变化、盐胁迫对作物生理代谢的影响以及WRKY转录因子参与作物抗盐调控网络等方面文献,来汇总分析近年来拟南芥、水稻及其他种类植物应对胁迫的响应机制以及WRKY转录因子的功能,为提高园艺作物抗盐性生理作用及分子机制提供帮助,同时为作物抗盐栽培提供新思路。     

植物高亲和钾离子转运蛋白HAK功能研究进展

钾(Potassium,K)是植物生长发育重要的营养元素,素有"抗逆元素"和"品质元素"之称。在低钾环境下植物主要利用高亲和的转运蛋白进行钾离子的吸收和转运,KUP/HAK/KT作为植物体内钾离子高亲和转运蛋白家族中最大,成员最多的家族,在植物高亲和转运钾离子过程中发挥关键作用。系统阐述了植物KUP/HAK/KT家族的基本情况及其分类、高亲和钾离子转运蛋白HAK的系统发育分析、HAK转运蛋白在提高植物钾吸收,影响植物生长发育,增强植物抵抗生物胁迫和非生物胁迫能力等方面的功能研究,最后展望了钾离子转运蛋白HAK后续有待解决的问题。深入了解HAK钾转运蛋白在植物体内的作用机制对于有效提高钾肥的利用效率,提升作物产量与品质,促进农业发展等方面具有重要的现实意义。     

氮代谢参与植物逆境抵抗的作用机理研究进展

近年来,植物所受到的诸如干旱、盐、高温、低氧、重金属胁迫和营养元素缺乏等环境胁迫越来越多,严重影响了植物的生长发育及作物的质量和产量。氮素是植物生长发育所需的必需营养元素,同时也是核酸、蛋白质和叶绿素的重要组成成分,其代谢过程与植物抵抗逆境的能力息息相关。氮代谢是指植物对氮素的吸收、同化和利用的全过程,是植物体内基础代谢途径之一。氮代谢主要从氮素吸收、同化及氨基酸代谢等方面参与植物的抗逆性,并通过调节离子吸收和转运、稳定细胞形态和蛋白质结构、维持激素平衡和细胞代谢水平、减少体内活性氧(reactive oxygen species,ROS)生成以及促进叶绿素合成等生理机制来影响植物抵抗非生物胁迫的能力。因此,提高植物在逆境下的氮代谢水平是减轻外界胁迫对其损伤的一种潜在途径。该文从氮素同化的基本途径出发,分别阐述了氮代谢在干旱胁迫、盐胁迫和高温胁迫等多个方面的逆境抵抗过程中的作用机理,为氮代谢参与植物抗逆性研究提供了有利参考。     

WRKY对糖调控园艺作物冷适应的研究进展

植物的糖既能参与细胞的碳和能量代谢,又能作为信号分子促进植株生长发育并参与调控植物对逆境胁迫的响应。目前诸多研究表明抗寒锻炼中可溶性糖的积累有助于保护植物抵御冻害,黄瓜等园艺作物的抗冷性在外源施糖后提高,但具体机制尚未明确。糖能够促进植株通过表观形态、生理生化及分子水平等方面对非生物逆境胁迫响应、调控植株的抗性。糖代谢过程与脱落酸(ABA)等植物激素的调控密切相关。WRKY作为ABA相关逆境应答信号通路中的核心转录因子,同是糖代谢调控机制中的重要因子,或许在响应冷胁迫的相关代谢机制中参与发挥着重要作用。综述了糖对园艺作物冷适应的响应及调控的分子机理,并分析讨论了WRKY家族对园艺植物糖调控冷适应效应响应的机理。     

植物硅营养的研究进展

阐述了植物吸收硅的机理、硅与其它营养元素的关系及其对非胁迫和胁迫条件下植物生长发育的有益作用 .植物吸收硅的机制目前尚不是很清楚 ,不同植物吸收硅的方式不同 .硅可影响植物中其它营养元素的含量 .在非胁迫条件下 ,硅可促进植物的生长 ;硅也参与了植物抗病、抗虫等生物胁迫 ,以及抗金属毒害、盐害、温度胁迫、干旱、抗倒伏等非生物胁迫的反应 .目前 ,应从多种植物上深入研究硅的吸收方式与机理 ;同时 ,应该改变硅在细胞壁的沉积仅仅起增强组织机械强度作用的观点 ,而应从生理代谢调控的角度进行硅作用机制的研究 ,为生产实践中硅肥的应用奠定理论基础     

硅对干旱胁迫下玉米水分代谢的影响

利用盆栽试验研究了施硅(K2SiO3)对玉米植株水分代谢的影响.结果表明:施硅降低了干旱胁迫下玉米植株的气孔导度,降低了干旱胁迫早期到中期的蒸腾速率,保持了干旱胁迫后期较高的蒸腾速率,从而导致施硅玉米植株的叶片含水量和水势高于对照.由于植株的水分状况改善,施硅玉米植株生物量高于对照.硅增强玉米植株的抗旱性,而提高植株保水能力是硅提高抗旱性的重要原因.     

Silicon nutrition mitigates salinity stress in maize by modulating ion accumulation,photosynthesis, and antioxidants

Silicon is known to improve resistance against salinity stress in maize crop. This study was conducted to evaluate the influence of silicon application on growth and salt resistance in maize. Seeds of two maize genotypes (salt-sensitive ‘EV 1089’ and salt-tolerant ‘Syngenta 8441’) were grown in pots containing 0 and 2 mM Si with and without 50 mM NaCl. After detailed investigation of ion concentrations in different maize organs, both genotypes were further selected in hydroponic experiment on basis of their contrasting response to salinity stress. In the second experiment, pre-germinated seedlings were transplanted into nutrient solution with 0 and 60 mM NaCl with and without 2 mM Si. Both genotypes differed significantly in their response to salinity. Silicon addition alleviated both osmotic and oxidative stress in maize crop by improving the performance of defensive machinery under salinity stress. Silicon application also improved the water-use efficiency in both tested genotypes under both normal and salinity stress conditions. In conclusion, this study implies that the silicon-treated maize plants had better chance to survive under salinity conditions and their photosynthetic and biochemical apparatus was working far better than that of silicon-non-treated plants.     

Can silicon partially alleviate micronutrient deficiency in plants? a review

Silicon protects plants against various biotic and abiotic stresses, including metal toxicity. Under a high metal concentration, Si can externally decrease metal availability to the plant by its precipitation in the growth media, and Si also affects the metal distribution inside the plant, diminishing the damage. Could Si also protect plants against metal deficiency stress? Recently, the physiological role of Si in relation to micronutrients deficiency symptoms has been assessed in several plant species in hydroponics. In cucumber, Si supply mitigated the symptoms of Fe deficiency, but this effect was not clear under Zn- or Mn-deficiency conditions. The main factor controlling this beneficial effect seems to be the Si contribution to the formation of metal deposits in the root and/or leaves apoplast and its role in their following remobilization when required. The enhancement of the content of long-distance transport molecules (such as citrate) due to Si addition should also contribute to the metal transport from root to shoot, which will diminish deficiency symptoms.     

水稻硅转运蛋白研究进展

硅是促进水稻生长和维持持续生产的重要营养元素,它有助于提高植物抗病虫害、抗倒伏以及抗生物和非生物胁迫的能力。硅能改善水稻的形态结构,提高产量和品质,还可以提高氮、磷利用率,减轻一些重金属的毒害作用。综述了水稻硅吸收运输有关的输入转运蛋白Lsi1、输出转运蛋白Lsi2和运输蛋白Lsi6表达和功能。同时,对这些转运蛋白的应用前景进行了展望。     

抗逆相关AP2/EREBP转录因子研究进展

干旱、低温、土地盐碱化等非生物胁迫是影响植物生长发育以及作物产量的重要因素。近年来大量研究表明,多种转录因子参与调控植物对各种生物及非生物胁迫的应答与防御反应,与此同时人们对其作用机理的探索也日渐深入。AP2/ERF转录因子家族是植物所特有的一类转录因子,在拟南芥中该家族至少有146个成员;而在水稻中该基因家族多达181个,是已知水稻转录因子基因中最大的家族。这些编码含有一个保守APETALA(AP2)结构域的蛋白质可能在植物多个发育过程及应答外界环境信号过程中发挥重要功能。综述了AP2/EREBP类转录因子的结构特征及其功能特性,并重点讨论了它们在植物抗逆中的调控作用及其在植物抗逆性分子遗传改良上的意义。     

Induction of abiotic stress tolerance in plants by endophytic microbes

Endophytes are micro‐organisms including bacteria and fungi that survive within healthy plant tissues and promote plant growth under stress. This review focuses on the potential of endophytic microbes that induce abiotic stress tolerance in plants. How endophytes promote plant growth under stressful conditions, like drought and heat, high salinity and poor nutrient availability will be discussed. The molecular mechanisms for increasing stress tolerance in plants by endophytes include induction of plant stress genes as well as biomolecules like reactive oxygen species scavengers. This review may help in the development of biotechnological applications of endophytic microbes in plant growth promotion and crop improvement under abiotic stress conditions.

Significance and Impact of the Study

Increasing human populations demand more crop yield for food security while crop production is adversely affected by abiotic stresses like drought, salinity and high temperature. Development of stress tolerance in plants is a strategy to cope with the negative effects of adverse environmental conditions. Endophytes are well recognized for plant growth promotion and production of natural compounds. The property of endophytes to induce stress tolerance in plants can be applied to increase crop yields. With this review, we intend to promote application of endophytes in biotechnology and genetic engineering for the development of stress‐tolerant plants.     

耐盐转基因植物研究进展

高盐是限制作物生长、发育和产量的最严重的非生物胁迫之一。长期以来,改善作物的耐盐性一直是一个伟大的目标。然而,由于耐盐反应是一个极为复杂的过程,过去,通过传统的育种和遗传工程取得的成功有限。近十年来,由于分子生物学的发展,发现了一些与耐盐相关的新基因,对于这些基因的表达方式及其在耐盐反应中的作用已逐步得到了解,这为转基因工程提供了新的材料。通过控制耐盐相关基因在植物体内的表达,已获得了一些提高耐盐性的转基因植物,展示了诱人的前景,但该领域研究仍然存在许多困难和问题,文章重点讨论耐盐转基因植物的进展。