论文内容
研究背景：
水稻是世界上主要的谷类作物和主食，由于人口的快速增长，对水稻的需求正在稳步增长。因此，水稻产量需要增加以满足消费需求，但农民正面临气候变化、植物病虫害蔓延、水稻种植面积减少等挑战。营养管理已被认为是提高水稻产量的有效解决方案。然而，仅施用宏量营养素(N、P和K)肥来改善植物生长和生产力可能不足以用于水稻集约化栽培。此外，长时间的水稻集约栽培和每个种植季节定期去除秸秆会减少植物有效养分库，如N、P、K，特别是硅。硅(Si)不被认为是植物生长和生产的必需元素，但众所周知，它是一种有益元素，特别是在水稻中，可以帮助缓解生物和非生物胁迫。水稻是高度硅积累的植物，在生产力方面对硅肥表现出积极的响应。一些研究表明，充足的硅供应通过增加每株的穗数、颖花数和灌浆率来提高水稻产量。此外，研究发现施用硅增加籽粒产量与茎部和籽粒中的硅浓度有关。植物组织中高浓度的硅已被证明在水稻的生长和生产力中发挥重要作用，通过增加茎的强度、叶片的直立性和光合速率。
植物体内硅浓度的变化取决于潜在的吸收和运输机制。一般来说，硅通过硅内流(Lsi1)和外流转运体(Lsi2)以硅酸(SiOH4)的形式被水稻根系吸收。然后，土壤中的硅溶液被植物根系吸收，通过木质部的蒸腾流转运到茎中，并被Lsi6排出。硅在稻穗和稻壳中的分布需要Lsi6的表达;有报道称，敲除转运蛋白基因会导致穗部硅积累减少。我们之前的研究报道了Lsi6是关键的硅转运体之一，可以通过促进颖果发育来提高水稻产量。然而，关于硅处理的信息有限，特别是关于硅肥的施用及其对籽粒产量、不同植株部位硅积累和水稻品种间硅转运体基因表达的影响。我们假设在不同硅施用量和水稻品种下，籽粒产量、硅积累量以及硅转运体基因表达会发生变化。因此，本研究评估了硅施用量对稻米产量、硅浓度和OsLsi6基因表达的影响，这些影响是根据稻壳硅浓度选择的三个泰国水稻品种。因此，从生理和分子两个方面了解水稻品种对施用硅肥对籽粒产量和水稻植株硅浓度的响应，将有助于通过硅肥管理和高硅水稻育种计划提高水稻产量。
研究内容：
材料与方法：
1、植物培养
该实验于2018年雨季(6月至9月)在泰国清迈大学农学院的温室条件下进行。实验采用因子完全随机设计，有3个独立重复。本试验选用的3个现代水稻品种分别为Chainat 1 (CNT1)、Pathumthani 1 (PTT1)和Khao Dawk Mali 105 (KDML105)，其稻壳硅浓度分别为8.7%、7.1%和6.7%干重。植株生长在直径为15 cm的花盆中，内含4 kg的土壤。实验中使用的土壤的化学特征是三赛系列，一种具有砂壤土质地的土壤。土壤pH值6.4(1:1，土:水)，有机质1.38% (Walkley - Black法);总氮0.07%(凯氏定氮法);有效磷35.06 mg/kg (Bray II)，交换性钾39.87 mg/kg (NH4OAc, pH 7)，可提取锌0.73 mg/g (DTPA)。在移栽后7天，以硅酸钙(Ca2SiO4)的形式施用6个水平(0、50、100、150、200和300 kg/ha)的硅。将种子在蒸馏水中浸泡24小时进行预发芽，并在湿润的塑料杯中孵育两周。将幼苗移栽到准备好的花盆中，每盆一株。施肥用15N-15P-15K，每盆0.25 g，在移栽、分蘖、孕穗期和开花期后7天分4次施用。
2、数据收集和样品制备
成熟时，收获植株样品并评估籽粒产量、秸秆干重和产量成分(每株分蘖数和穗数、灌浆率和千粒重)。将样品分为秸秆、旗叶和稻壳，分析硅浓度。收集的样品用蒸馏水洗涤两次，然后在75℃下烘干48小时。干燥后的样品在锤磨机中机械研磨，用于硅浓度分析。
3、硅浓度分析
硅浓度的测定采用Dai等的方法，并进行了修改。将约10 g干燥的样品磨碎，用3 mL 50% NaOH提取0.1 g亚样品，然后在121℃下高压蒸20 min。将提取液转移到容瓶中，用ddH O调节到50 mL，然后用Whatman 1号滤纸过滤。将1 mL样品溶液转移到50 mL容量瓶中，加入30 mL 20%乙酸和10 mL pH 7.0的钼酸铵溶液。将混合物摇匀，在室温下保存5分钟，然后加入5 mL 20%酒石酸和1 mL还原溶液。30min后，用分光光度计在650 nm处测量吸光度。
4、半定量RT-PCR分析基因表达
两个现代水稻品种链1号(CNT1)和Pathumthani 1号(PTT1)在4种硅施用量(0、100、200和300 kg/ ha)的土壤栽培中生长。在开花期，收集植株的第一个节点，立即将其冷冻在液氮中。使用PureLinkTM RNA迷你试剂盒(Invitrogen, Thermo Fisher Scientific)从冷冻的淋巴结组织中提取总RNA。
5、统计分析
使用Statistic 9(分析软件SX)对所有数据进行统计分析。采用方差分析(ANOVA)检测处理间差异，采用p < 0.05的最小显著性差异(LSD)比较均数。相关性的显著性采用Pearson线性相关分析。使用ImageJ软件版本1.50i (Wayne Rasband, National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA)，通过与内参基因(Actin)的相对强度分析基因表达水平。使用统计软件对基因表达的相对强度进行统计分析。
实验结果：
本研究表明，不同水稻品种籽粒产量、硅浓度、硅总吸收量和硅转运体基因的表达对硅施用量有不同的响应。有研究报道，所有水稻品种的籽粒产量均随硅施肥量的增加而增加。施用硅肥对水稻作物的改善是由于增加了水稻的产量特征，如本研究发现，高硅施用量增加了分蘖数、单株穗数和结实率。多项研究表明，高施硅肥可促进水稻茎秆强度，增加叶绿素含量和光合活性，从而提高水稻产量。硅对水稻产量的提高还与生殖系统的一些形态和生理特征的改善有关，包括花粉活力、花药壁的强度和厚度以及花粉发芽率。最近有研究报道，施用硅能显著提高水稻籽粒和秸秆中的氮、磷含量，与不施用硅肥相比，水稻的干重和产量更高。施用硅可以通过提高土壤pH值，降低铁和锰的有效性来提高缺磷条件下土壤中磷的有效性，从而间接提高植物对磷的利用。在富磷土壤下，水稻秸秆干重和籽粒产量对施硅肥无响应。
施用硅肥不仅影响植株生长和生产力，还会影响水稻植株不同部位的硅浓度，从而影响生产力。本研究发现，3个品种旗叶、秸秆和稻壳的硅浓度随硅用量的增加而变化，且随着硅用量的增加(300 kg/ha)，影响幅度增大。硅施用量与水稻植株硅浓度呈正相关关系，支持了这一结论。
此外，本研究还证实，水稻不同部位硅浓度高，籽粒产量也高，说明籽粒产量与稻壳和旗叶中硅浓度呈显著相关。这一发现也与一些研究结果相一致，这些研究表明，籽粒和茎部的硅浓度通过促进茎的强度，增强对病虫害的抗性，增加叶片的直立性，从而提高光合速率，从而提高生产力，从而提高产量。
研究结论：
综上所述，本研究表明，水稻产量随着Si施用率和增加的旗叶、秸秆和果壳Si浓度，这是与OsLsi6基因的较高表达水平有关。水稻品种在不同植部Si积累量和籽粒产量中的响应应验证多样化的文化管理方法。识别水稻品种对谷物的响应不同文化管理策略下的产量和硅浓度将提供用于选择和管理以实现更高产量的有用信息。因此施用硅肥是提高植物部位硅浓度的有效做法从而提高水稻作物的粮食产量。然而，施用硅肥对不同植物部位硅积累和籽粒产量的影响应通过增加水稻品种数进一步研究以确认。此外，水稻植株中的其他Si转运蛋白基因如Lsi1和Lsi2值得进一步研究。
转自：“农科学术圈”微信公众号
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