不同吸硅类型植物硅同位素分馏机理及其应用

本项目拟采用对硅吸收利用具有不同特点的典型植物，即喜硅单子叶植物竹子、水稻、玉米以及不喜硅双子叶植物黄瓜、冬瓜、番茄为研究材料，通过野外调查和实验室培养两种方式，调查环境-植物体系以及植物各自器官间和组织伤流液中的硅稳定同位素分布规律，建立植物硅同位素分馏模型。同时根据上述两类植物在生长过程中可能存在的硅同位素分馏差异，结合植物硅营养特征，探讨造成不同物种对硅吸收和利用差异的内在机制。本项目不仅首次系统研究高等植物硅同位素分馏规律和分馏机理，而且对了解植物吸收和利用硅的内在机制，探讨硅在植物体内的生理生化作用具有重要的理论意义，并可为利用硅同位素信息研究土壤-植物体系和全球硅生物地球化学循环提供宝贵的基础实验数据，同时也对利用硅、碳、氧、氮等多重同位素信息在植物生理和生态研究中的同步分析具有较高的科学价值，对硅肥研制、生产和合理施用也具有重要的实践指导意义。

本项目采用对硅吸收利用具有不同特点的典型植物，即喜硅单子叶植物水稻、中度喜硅的禾本科植物玉米和不喜硅双子叶植物黄瓜、冬瓜、番茄作为试验材料，通过野外调查和实验室培养两种方式，对野外多点采集的玉米、黄瓜、冬瓜、番茄植株各器官硅含量和硅同位素组成，以及生长环境、土壤硅含量对植物硅同位素分馏的影响做了研究，发现不同器官的硅含量以及δ30Si值都满足“末端分布规律”，即从下部器官到上部器官逐渐增加的趋势，喜硅植物各器官中的硅含量及δ30Si值均大于不喜硅植物，且各器官之间差异显著；喜硅植物玉米叶片中硅含量最高，种子中硅含量最低，其原因可能是大量硅以沉淀硅形态积累在茎叶中，导致其向生殖器官的转移受到抑制，而种子的δ30Si值却是最高的，其原因可能是植物根部优先吸收轻硅同位素，而大部分重硅同位素积累在种子中；喜硅植物不同器官之间的硅含量以及δ30Si值均受生长环境、土壤中有效硅含量影响，差异显著。对不同硅浓度条件下的水稻、黄瓜营养液和植株样品以及茎部伤流液中的硅含量及其同位素组成作了研究，发现水稻和黄瓜各器官中硅含量随硅浓度增加而升高，在高浓度处理中显著高于中、低浓度处理；在低浓度供硅条件下，水稻和黄瓜木质部中硅含量高于外界硅浓度，对硅的吸收均以主动吸收方式为主，而在高浓度供硅条件下，水稻和黄瓜木质部中硅含量低于或接近外界硅浓度，可能存在被动质流、扩散等吸收方式；随着供硅浓度的提高，水稻营养液和根部中的δ30Si值逐渐升高，但地上部的δ30Si值逐渐降低：而黄瓜随着供硅浓度的提高，营养液的δ30Si值逐渐降低，但根部和地上部的δ30Si值均逐渐升高。由此可知，被动吸硅型植物黄瓜营养液和地上部δ30Si值变化趋势与主动吸硅型植物水稻相反，但根部与水稻变化规律一致，且主动吸硅型植物δ30Si值分馏变化范围大于被动吸硅型植物，二者均符合同位素动力学分馏理论。以正常水稻为对照，对硅吸收采用低温和代谢抑制剂处理水稻在植株与环境、以及植株内部不同组织间的硅同位素分馏差异作了探讨，发现低温和代谢抑制剂均能减少水稻对硅的吸收，植株地上部硅含量和δ30Si值明显降低，但是仍然存在硅的吸收和转运。由于低温和代谢抑制剂主要抑制水稻对硅的主动吸收，本试验结果表明，喜硅型植物水稻可能同时存在主动和被动二种吸硅方式，而后者利于轻硅同位素吸收。