基于硅調控鎘脅迫下紫花苜蓿根系滲透調節物質積累研究

摘要：本文探究硅元素調控鎘脅迫下紫花苜蓿根系滲透調節物質積累的生理機制，通過水培實驗結合生理生化手段，解析不同硅濃度（0、1、2、4 mmol·L-1）與鎘脅迫（50 μmol·L-1CdCl2）互作對紫花苜蓿根系脯氨酸、可溶性糖及甜菜堿積累的影響，并量化硅吸收與鎘積累的協同關系。實驗表明，外源硅顯著促進根系滲透調節物質合成，同步抑制鎘在根系的富集，其調控效應與硅濃度呈梯度依賴性。硅通過增強谷氨酸合成酶（GS）和甜菜堿醛脫氫酶（BADH）活性優化滲透調節能力，主成分分析揭示硅介導的滲透保護與鎘解毒途徑存在顯著協同效應。閾值模型進一步表明，硅濃度達到特定閾值后可有效緩解鎘毒性。研究成果為硅強化紫花苜蓿修復鎘污染土壤的生理基礎提供理論支撐。

關鍵詞：鎘脅迫；硅調控；紫花苜蓿；滲透調節物質；生理閾值

鎘污染引發的植物根系毒性效應嚴重制約作物生長與生態修復效率，硅作為有益元素在緩解重金屬脅迫中展現潛在調控功能，但硅介導的鎘解毒途徑與紫花苜蓿滲透調節物質積累的協同機制尚未系統解析。紫花苜蓿作為典型的豆科修復植物，其根系滲透調節能力在鎘脅迫下的動態響應與硅調控的關聯性缺乏定量研究，尤其硅濃度閾值對滲透保護效應的影響亟待明確。本研究以水培紫花苜蓿為對象，設計梯度硅添加與鎘脅迫耦合實驗，結合脯氨酸、可溶性糖及甜菜堿的生理生化檢測，探究硅吸收對鎘積累的抑制效應及其與滲透調節代謝的互作規律，并利用主成分分析與閾值模型揭示硅緩解鎘毒性的關鍵調控節點。實驗聚焦硅-鎘交互作用對根系代謝酶的激活機制，闡明硅通過優化滲透物質合成強化紫花苜蓿鎘抗性的生理路徑，為硅強化植物修復技術的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與處理設計

實驗選用紫花苜蓿（Medicago sativa L.）耐鎘品種“中苜1號”為材料，基于預實驗篩選確定硅（Na2SiO3·9H2O）濃度梯度為0、1、2、

4 mmol·L-1，鎘脅迫條件為50 μmol·L-1CdCl2，設置硅單獨處理、鎘單獨處理及硅-鎘復合處理共12組，每組3次生物學重復[1]。紫花苜蓿種子經消毒后播種于Hoagland營養液，幼苗生長至三葉期進行同步化處理，轉移至含鎘及梯度硅的改良營養液中培養21 d，光周期16 h/8 h（25℃/18℃），濕度70%。實驗創新性體現在硅-鎘交互作用的動態監測設計，每48 h采集根系樣品，結合根系活力（TTC法）與膜透性（電導率法）評估處理時效性，明確硅緩解鎘毒性的臨界時間窗口。

1.2 根系滲透調節物質測定方法

根系滲透調節物質測定采用多指標同步分析策略：脯氨酸含量采用磺基水楊酸-茚三酮比色法，以標準曲線定量吸光度值（波長520 nm）；可溶性糖含量基于蒽酮-硫酸法測定，優化反應溫度（95℃）與時間（10 min）以提升檢測靈敏度；甜菜堿提取結合甲醇-氯仿混合溶劑萃取法，利用高效液相色譜（HPLC，C18柱）分離檢測，流動相為乙腈-水（70∶30），流速1.0 mL/min，檢測波長195 nm。實驗創新點在于同步解析脯氨酸、可溶性糖及甜菜堿的協同積累規律，結合酶活性檢測（谷氨酸合成酶GS、甜菜堿醛脫氫酶BADH），揭示硅調控滲透調節物質合成的代謝網絡驅動機制。

1.3 硅吸收與鎘積累的定量分析

采用電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）定量根系硅（Si）與鎘（Cd）含量，樣品經硝酸-雙氧水（5∶1，v/v）微波消解后，以銦（115In）為內標校正基體效應與信號漂移，優化射頻功率（1 550 W）及霧化氣流速（0.85 L/min）以提升檢測靈敏度（檢出限：Cd 0.02 μg/L，Si 0.5 μg/L）。基于硅吸收速率（Rsi=△Csi/△t， ug·g-1·h-1）與鎘積累量（Cd，μg/g DW）的負相關方程（Ccd=-k·Rsi+Co，R2＞0.90），定量表征硅-鎘拮抗效應，其中k為硅抑制鎘吸收的動力學系數，Co為無硅處理的鎘本底積累量[2]。結合掃描電鏡-能譜（SEM-EDS）驗證根表硅膠層（Si-O-Si網絡）的空間分布（面掃描分辨率1 μm2），明確硅通過物理屏障效應降低鎘的質外體轉運比例（Papoplast=1-e-λ·SS1，λ為硅沉積密度系數，Ssi為硅膠層覆蓋率）。同位素稀釋法（108Cd示蹤）進一步量化硅對共質體鎘吸收的抑制貢獻（Qsymplast=Qtotal·（1+△δ108CDsi/Cd）-1），其中△δ108CDsi/Cd為硅處理下鎘同位素分餾值，揭示硅競爭性占據跨膜離子通道（如Nramp5）的分子調控路徑。

1.4 數據處理與統計分析

試驗數據（來源于紫花苜蓿根系在硅-鎘互作處理下的多維度檢測結果）經三次生物學重復驗證后，采用單因素方差分析（ANOVA）與Duncan多重比較檢驗差異顯著性（P＜0.05），利用Pearson相關性系數解析滲透調節物質與硅/鎘含量的關聯性[3]。創新性體現在多變量數據整合分析：基于主成分分析（PCA）降維提取硅調控鎘脅迫的關鍵響應因子（累計貢獻率

＞85%），結合隨機森林模型篩選滲透調節物質積累的核心驅動參數（變量重要性評分≥0.8）。閾值模型構建采用分段回歸分析，以硅濃度為自變量，鎘毒性緩解效率（滲透調節物質增量/鎘積累降幅）為因變量，確定硅有效調控的臨界濃度閾值（95%置信區間）。所有分析基于R語言（v4.2.0）與OriginPro 2023完成，確保方法學的前沿性與結果的可重復性。

2 結果與分析

2.1 不同硅濃度對根系滲透調節物質積累的影響

硅添加顯著改變紫花苜蓿根系滲透調節物質積累模式：無硅條件下，鎘脅迫（50 μmol·L?1）導致脯氨酸、可溶性糖及甜菜堿含量分別提升至對照組的2.1倍、1.8倍與1.5倍，表明鎘激活滲透保護響應；添加1～4 mmol·L-1硅后，三種物質積累呈現先增后降趨勢，2 mmol·L-1硅處理下脯氨酸、可溶性糖及甜菜堿含量達到峰值（P＜0.05），且顯著高于鎘單獨處理組（表1）。

硅對滲透調節物質的調控呈現劑量依賴性，2 mmol·L?1為最佳濃度閾值，其通過激活GS-BADH酶網絡優先驅動脯氨酸合成，為硅肥抗鎘應用提供量化依據。酶活性分析顯示，2 mmol·L?1硅處理下谷氨酸合成酶（GS）與甜菜堿醛脫氫酶（BADH）活性分別提升至鎘脅迫組的1.6倍與1.4倍（P＜0.01），證實硅通過增強代謝酶活性驅動滲透調節物質合成。閾值模型進一步表明，硅濃度gt;1.5 mmol·L?1時滲透調節物質積累速率趨緩，提示硅劑量效應存在飽和區間，為硅肥田間施用提供優化參數。

2.2 鎘脅迫下紫花苜蓿滲透調節響應的動態變化

時間序列分析揭示鎘脅迫下紫花苜蓿根系滲透調節物質呈現時序性積累差異：脯氨酸與可溶性糖在脅迫初期（7 d內）快速升高，甜菜堿響應滯后并于第14天達到峰值，表明不同物質在鎘脅迫防御中存在代謝優先級分化[4]。硅處理（2 mmol·L-1）顯著改變響應動力學，脯氨酸與可溶性糖積累啟動時間提前至第3天，甜菜堿峰值出現時間縮短4 d，且峰值水平高于鎘單獨處理組。動態模型擬合顯示，硅處理組脯氨酸與可溶性糖的積累速率常數（kpro=0.15day-1，ksugar=0.12day-1）較鎘脅迫組提升1.8倍，同步降低根系膜透性并維持細胞完整性。根系活力（TTC還原量）與滲透調節物質積累的動態曲線呈強正相關（r＞0.85），表明硅通過增強代謝活性緩沖鎘誘導的膜脂過氧化損傷。硅介導的滲透調節響應加速機制與谷氨酸合成酶（GS）及甜菜堿醛脫氫酶（BADH）活性動態上調直接關聯，酶活性峰值與物質積累拐點時序吻合，驗證硅通過代謝酶網絡重編程優化脅迫防御的時間效率。

2.3 硅-鎘交互作用對根系生理代謝的調控效應

硅-鎘互作顯著抑制紫花苜蓿根系鎘積累，硅吸收速率（Rsi）與鎘含量（Ccd）的負相關動力學方程（Ccd=-2.35Rsi+78.6，R2=0.93）揭示了硅劑量依賴的鎘拮抗機制[5]。公式原理：方程中斜率項（-2.35）表征硅吸收速率對鎘積累的抑制效率（即每增加1 ug·g-1·h-1

的硅吸收，鎘積累減少2.35μg·g-1·h-1），截距項（78.6）反映無硅處理時根系對鎘的固有富集能力。SEM-EDS表征顯示硅在根表形成連續硅膠層，基于質外體鎘轉運抑制模型（Papoplast=1-e-λ·SS1），硅膠層覆蓋率（Ssi）與鎘質外體轉運比例（Papoplast）呈指數衰減關系，λ為硅沉積密度系數，體現硅物理阻隔的非線性效應（如Ssi＞60%時，Papoplast＜5%）。同位素稀釋法（108Cd）量化硅對共質體鎘吸收的抑制率，結合Nramp5基因表達下調（qPCR驗證），表明硅通過競爭性占據跨膜離子通道（如Nramp5）抑制鎘的主動轉運。硅處理同步激活谷氨酸合成酶（GS）與甜菜堿醛脫氫酶（BADH）活性，驅動脯氨酸-甜菜堿代謝網絡協同增效，驗證硅通過物理屏障（硅膠層阻隔）與生化調控（代謝酶激活）的雙重機制緩解鎘毒性，為跨尺度解析硅-鎘互作提供定量化理論框架。

2.4 硅介導的滲透保護與鎘解毒相關性分析

主成分分析（PCA）提取前兩個主成分（累計方差貢獻率＞85%），PC1由脯氨酸、谷氨酸合成酶（GS）活性及硅吸收速率顯著主導，PC2關聯可溶性糖與甜菜堿醛脫氫酶（BADH）活性，揭示硅調控滲透調節代謝的核心響應軸。隨機森林模型篩選顯示硅濃度、GS活性及鎘積累量為滲透調節物質積累的核心驅動因子，變量重要性評分排序明確硅劑量與代謝酶活性的優先級調控作用。Pearson相關性網絡證實脯氨酸與硅吸收速率呈強正相關，與鎘積累量負相關，甜菜堿積累與BADH活性高度耦合，表明硅通過代謝網絡協同增強鎘解毒效率。分段回歸模型界定硅濃度1.5 mmol·L?1為滲透保護與鎘解毒協同效應的臨界閾值，高于此濃度時硅介導的毒性緩解效率顯著提升，低于此閾值時響應無統計學意義，為硅肥精準施用提供量化邊界條件。

3 結論

外源硅通過激活谷氨酸合成酶（GS）與甜菜堿醛脫氫酶（BADH）活性，驅動紫花苜蓿根系脯氨酸、可溶性糖及甜菜堿的協同積累，并抑制鎘在根系的吸收與轉運。硅在根表形成連續硅膠層，阻斷鎘的質外體遷移路徑，同時下調Nramp5基因表達抑制共質體鎘內流，實現物理阻隔與離子競爭的雙重拮抗效應。主成分分析（PCA）與隨機森林模型篩選表明，硅吸收速率、GS活性及脯氨酸代謝網絡是硅調控鎘毒性的核心驅動因子。分段回歸界定硅濃度1.5 mmol·L-1為滲透保護與鎘解毒協同效應的臨界閾值，動態模型揭示硅處理顯著縮短滲透調節響應時間窗口并提升脅迫防御效率。研究結果從代謝網絡調控、離子轉運抑制及硅-鎘互作動力學角度，為硅基植物修復技術的劑量優化與時效管理提供理論支撐。

參考文獻

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