植物-土壤体系硅同位素分馏规律及其调控

AS we all know that people has reached a consensus on the silicon isotope fractionation mechanism for siliconphile plants, but some factors that influence the silicon isotope fractionation between plants and their growth environment still don’t make a quantitative study. This project intends to adopt the typical plants with different characteristics of silicon uptake, namely the siliconphile monocots (rice) and non-siliconphile dicots (cucumber, wax gourd, tomato) as research material, through field investigation and laboratory cultivation with bacteria or not, combined with the existing research results, to further explore the influence of different soil types and biological factors on the silicon fractionation coefficient between plant-soil system and form a more explicit regulatory mechanism of environmental factors on silicon fractionation in plants. This project is not only the first systematic study of multiple environmental factors on silicon isotope fractionation regulation and fractionation mechanism in higher plants, and the first attempt to reveal the influence of different environmental factors on the intrinsic regulation mechanism of silicon isotope fractionation from the perspective of biological factors. This is conducive to a comprehensive exposition which different ambient conditions affects the nature of silicon isotope fractionation, and provide more theoretical basis for the study of plant-soil system and the global silicon biogeochemical cycle.

迄今人们对高等植物的硅同位素分馏已有共识，但对植物与其生长环境之间硅同位素分馏及其影响因素尚未清楚。本项目拟采用对硅吸收利用具有不同特点的典型植物，即喜硅单子叶植物水稻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有菌、无菌培养两种方式，结合已有的研究结果，进一步深入探讨不同土壤类型和生物因素对植物-土壤体系硅同位素分馏系数的影响，阐述环境因子对植物-土壤硅同位素分馏的调控机制。本项目不仅首次系统研究多个环境因子对高等植物硅同位素分馏规律和分馏机理的影响，而且首次尝试从生物因素的角度揭示不同环境因子对植物硅同位素分馏的内在调控机理，这有利于全面阐述不同的外界环境条件对硅同位素分馏的本质影响，并可为研究植物-土壤体系和全球硅生物地球化学循环提供更多的科学依据。

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、中度喜硅单子叶植物玉米，中间型双子叶植物黄瓜和拒硅番茄为材料，通过盆栽试验和水培试验，对收获后的水稻、玉米、黄瓜、番茄植株各器官硅含量和硅同位素组成做了研究。研究发现，种植在不同土壤上的水稻地上部的硅含量以及δ30Si均表现出从下部器官到上部器官逐渐上升的趋势。不同类型土壤对水稻硅同位素分馏效应具有显著影响。相关性分析表明，水稻整株δ30Si值以及叶片δ30Si值与土壤pH值、有机质含量、有效硅含量之间呈现出极显著的正相关关系（P <0.01），与游离氧化铁含量、游离氧化铝含量之间呈现出极显著的负相关关系（P <0.01），其中土壤游离氧化铁、游离氧化铝含量随着土壤风化程度的增加而升高，因此水稻硅同位素组成可能主要受土壤pH值、有机质含量、有效硅含量以及土壤风化程度的影响。对吸硅有缺陷的突变体（lsi1，lsi2）及其相对应的野生型（Lsi1，Lsi2）不同器官的硅含量和硅同位素组成做了研究。研究发现，在野生型水稻和突变体水稻中，硅含量最低的部位均为籽粒，在野生型水稻中，硅含量最高的部位是地上部，而在突变体水稻中最高的部位是根部。Lsi1、lsi1、Lsi2、lsi2整株水稻相比较土壤水溶硅来说存在30Si亏缺，说明水稻优先吸收轻硅同位素。经典同位素化学理论表明，当植物以载体蛋白的方式吸收硅时，会导致重硅同位素优先进入植物体内，当植物以通道运输（Lsi1）和质子泵（Lsi2）的方式吸收硅时，会导致轻硅同位素优先进入植物体内，这个理论很好的解释了野生型水稻相比于水稻突变体更加喜好轻硅的现象。在不同供硅浓度下对不同吸硅作物水稻、黄瓜、番茄进行了植物硅同位素分馏对外界供硅浓度的响应研究。研究发现，在不同供硅条件下，水稻和黄瓜根系细胞液硅含量高于外界营养液硅含量，番茄根系细胞液硅含量低于或者接近于外界营养液硅含量，表明水稻和黄瓜在不同供硅条件下硅的主动吸收占优势地位，而番茄在不同供硅条件下硅的被动吸收占主导地位。