从根到芽：硅如何增强植物的适应力

硅（Si）是地球上最丰富的元素之一，在土壤中大量存在。虽然硅对陆地植物来说不是必需的，但许多植物，如水稻和草，都利用硅来开发强大的防御机制来抵御各种环境压力

硅以无定形二氧化硅（SiO2）的形式在植物叶片和空气器官中积累，可以抵御病原体、食草动物和干旱等环境挑战。了解植物管理这一有益元素的过程可以提高作物的复原力和生产力，特别是在气候变化的情况下

在最近的一项研究中，日本冈山大学植物科学与资源研究所的Naoki Yamaji博士领导的一个研究小组发现了一种关键的信号蛋白，即Shoot Silicon Signal（SSS），它调节水稻和其他禾本科植物对硅的吸收、分布和积累。他们的研究集中在水稻上，这是一种以高硅积累而闻名的水稻品种，在健康生长和生产力方面严重依赖硅

该团队由日本冈山大学植物科学与资源研究所的上野美田奈木博士和马建峰博士组成。这项研究于2024年12月27日发表在《自然通讯》上，揭示了水稻作物中SSS作为防御机制的进化

Yamaji博士说：“我们一直在研究植物中的硅营养，并确定了几种硅吸收、分布和积累的硅转运蛋白。现在，我们研究了信号蛋白。”

SSS是一种异常特殊的成花素同源物，成花素是一种调节植物开花的激素。虽然成花素在植物发育中起着重要作用，但SSS在调节硅方面起着至关重要的作用。研究人员发现，当硅可用时，植物中SSS蛋白的水平会下降，从而指示植物相应地调整其硅摄入量。他们使用野生型（天然存在的）水稻品种、SSS基因的修饰（突变）细胞系和含有SSS蛋白和绿色荧光蛋白基因的转基因水稻细胞系

该团队利用多种生物技术进步创造了突变和转基因细胞系。然后，他们对植物不同部位的SSS基因表达和SSS蛋白的存在进行了各种分析

在携带突变SSS基因的水稻植株中，根系对硅的吸收显著减少，导致粮食产量下降。这突出了SSS在调节硅吸收和积累中的重要作用。此外，科学家们发现，在叶子中，SSS基因在韧皮部中表达，韧皮部是一种有助于植物中食物运输的组织

这些发现对农业具有令人兴奋的意义。通过使用SSS蛋白作为标记，科学家可以更好地估计植物的硅需求，从而优化硅施肥。这可能会导致更具弹性的作物，更好地应对环境压力，最终提高农业生产力和可持续性

Yamaji博士强调，“植物中硅的积累缓解了各种生物和非生物胁迫。因此，硅的优化使作物更耐胁迫。它有助于农业的生产力和可持续性。”

硅的积累和调节也有助于植物适应环境条件。虽然硅不被认为是植物生长的必需元素，但这项研究证明了它作为适应元素不可或缺的作用

Yamaji博士说：“这一发现为改善作物中的硅管理开辟了新的可能性，特别是在土壤中硅的可用性因种植而降低的地区。通过更好地了解植物如何调节硅，我们可以设计更有效的施肥策略，增强全球作物的抗逆性。”

随着气候变化继续威胁农业稳定，改善硅管理可能成为确保更具抗逆性的粮食供应的关键策略

山治博士总结道：“硅不仅是植物积累的一种元素，也是一种帮助它们茁壮成长和生存的适应性工具。通过利用硅的力量，我们可以帮助确保更可持续和更富有成效的农业未来。”