《Journal of Cotton Research》：Silicon-based adaptive approaches to enhance cotton (Gossypium hirsutum L.) resilience under salinity stress
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棉花（Gossypium hirsutum L.）在干旱和盐碱土壤中的生产受到多种非生物胁迫和生物胁迫的严重制约。为增强抗逆性，本研究评估了三种制剂——Aminosid-Aton、Bionitrogen和基于硅的Aminosid-Silicon——对盐胁迫下棉
棉花（Gossypium hirsutum L.）在干旱和盐碱土壤中的生产受到多种非生物胁迫和生物胁迫的严重制约。为增强抗逆性，本研究评估了三种制剂——Aminosid-Aton、Bionitrogen和基于硅的Aminosid-Silicon——对盐胁迫下棉花品种Bukhara-8的生理和生化效应。在实验室条件下，与未处理对照相比，所有制剂均增强了幼苗早期活力，其中Aminosid-Silicon的响应最强，株高增加约2.50倍，根长增加2.70倍。在盐碱田间条件下，种子发芽率从对照的78.30%分别提高至Aminosid-Aton、Bionitrogen和Aminosid-Silicon处理的88.80%、93.10%和96.30%，增幅分别为10.5、14.8和18.0个百分点。所有制剂均显著增强了抗氧化酶活性。与对照相比，过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）和苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性分别最高增加12.60%、26.20%和82.50%，且最高值均出现在Aminosid-Silicon处理幼苗中。所有处理下黄酮类和脯氨酸积累量均增加，其中Aminosid-Silicon处理记录最高值，黄酮类和脯氨酸含量分别比对照增加15.40%和28.80%。硅施用强烈刺激了棉花种皮早期发育阶段的超氧化物歧化酶（SOD）活性。SOD活性在处理后20天增加14.80%，在处理后30天达到最大值86.13 U·mg?1 protein，比对照增加10.00%。这种抗氧化活性的早期增强与纤维起始比未处理植株提前约10天相关。此外，硅基处理显著改善了纤维品质参数，包括纺纱一致性指数（SCI）增加8个单位、上半部平均长度（UHML）增加1.7 mm、纤维强度增加2.3 cN·tex?1，同时降低了短纤维指数（SFI）。制剂施用，特别是Aminosid-Silicon，显著降低了害虫侵害，总侵害率从对照的22.4%降至11.7%。在盐碱和干旱田间条件下，籽棉产量从对照的3830 kg·hm?2提高至Aminosid-Silicon处理地块的4620 kg·hm?2，增幅为20.6%。
本研究发表于《Journal of Cotton Research》，旨在探讨基于硅的农业技术方法在增强棉花对非生物和生物胁迫耐受性方面的有效性。
研究背景方面，全球气候变化已成为影响植物和土壤的重要胁迫因素，土壤退化过程在全球范围内加剧，尤其在干旱和半干旱地区。棉花生产受到高温、干旱、盐渍化等非生物胁迫以及病原微生物、寄生线虫和昆虫害虫等生物胁迫的严重影响。在这些胁迫条件下，植物产生活性氧（ROS）过量积累，导致氧化应激，损伤蛋白质、脂质和DNA。植物通过激活抗氧化防御系统来维持细胞稳态，其中酶促抗氧化系统发挥核心作用，包括过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）和超氧化物歧化酶（SOD）等。同时，非酶促抗氧化物质如黄酮类和渗透保护物质如脯氨酸也在胁迫响应中起重要作用。近年来，硅基制剂作为增强土壤生物活性、恢复土壤肥力和提高植物抗逆性的适应性工具受到关注。因此，本研究假设硅施用能够增强抗氧化防御系统并促进脯氨酸积累，从而改善棉花的胁迫耐受性以及产量和纤维品质。
研究人员开展的这项研究中，样本来源于乌兹别克斯坦布哈拉 District 的棉花田，选用陆地棉（Gossypium hirsutum L.）品种Bukhara-8，该品种为耐旱、高产的IV型纤维品种。田间试验于2022至2024年三个连续生长季进行，试验总面积2公顷。研究采用的关键技术方法主要包括：（1）种子引发（seed priming）与叶面喷施处理，种子在暗条件下浸泡24小时后播种，随后在现蕾期和开花期进行叶面喷施；（2）分光光度法测定酶活性和生化指标，使用UV-1800分光光度计测定POD、CAT、PAL、SOD活性，以及黄酮类、总蛋白和游离脯氨酸含量；（3）硝基蓝四氮唑（NBT）组织化学染色法检测超氧阴离子积累；（4）田间形态表型观测，采用五点定性评分法评估根系发育、茎秆强度和叶片活力；（5）高容量仪器（HVI）系统分析纤维品质参数，包括纤维长度、整齐度指数、马克隆值、纤维强度和伸长率等。
研究结果部分：
"制剂对实验室条件下棉花幼苗早期发育的影响"：在实验室条件下，所有制剂均显著改善幼苗早期生长。对照幼苗株高13-14 cm、根长6-7 cm，根系弱、茎细、子叶脆弱。Aminosid-Aton处理使株高增至22-24 cm、根长12-14 cm；Bionitrogen处理进一步增至24-25 cm和14-15 cm；Aminosid-Silicon处理效果最显著，株高达33-34 cm、根长17-18 cm，根系发达、茎秆健壮、叶片发育良好。
"种子处理对盐碱田间条件下棉花发芽的影响"：田间试验表明所有种子处理均提高盐碱土壤中的发芽率。对照最终发芽率为78.3%，Aminosid-Aton和Bionitrogen分别达88.8%和93.1%，Aminosid-Silicon最高达96.3%。Aminosid-Silicon处理幼苗在盐碱田间条件下表现出更先进的早期生长，子叶更大、茎更粗、早期发育更旺盛。
"制剂对棉花幼苗抗氧化酶活性的影响"：抗氧化酶活性在各处理间差异显著，处理组均高于对照。POD活性（以蛋白计）从对照的134.96 U·mg
?1增至Aminosid-Silicon处理的152.01 U·mg
?1（+12.6%）；CAT活性从81.78增至103.21 U·mg
?1（+26.2%）；PAL活性增幅最大，从128.0增至233.6 U·mg
?1（+82.5%）。酶活性总体呈Aminosid-Silicon > Bionitrogen > Aminosid-Aton > 对照的趋势。
"制剂对棉花幼苗非酶促代谢物的影响"：黄酮类含量从对照的133.12 mg·g
?1鲜重增至Aminosid-Silicon处理的153.69 mg·g
?1（+15.4%）；脯氨酸含量从112.3增至144.7 μg·g
?1鲜重（+28.8%），Aminosid-Silicon效果最强。
"制剂对棉花幼苗虫害侵染的影响"：田间自然条件下，所有处理均降低害虫侵害。对照总侵害率为22.4%，Bionitrogen和Aminosid-Aton分别降至14.5%和14.3%，Aminosid-Silicon最低降至11.7%。主要害虫包括蓟马（Thysanoptera）、粉虱（Aleyrodinae）、二斑叶螨（Tetranychus urticae）和棉铃虫（Helicoverpa armigera）。
"制剂对田间条件下棉花形态表型性状的影响"：6月至9月逐月评估显示，Aminosid-Silicon处理植株在各阶段均表现最优。6月株高32.9 cm、果枝7.3个、蕾6.7个；7月株高71.0 cm、果枝11.5个、蕾18.2个，并出现早花0.6朵、幼铃3.7个；8月株高95.4 cm、果枝16.5个、铃9.9个；9月平均铃数12.5个，其中完全开放铃2.89个、半开放铃2.3个，单铃重3.3 g。
"Aminosid-Silicon对棉花SOD活性和纤维发育的影响"：在胚珠发育20、30、40天时评估，Aminosid-Silicon处理在20天时SOD活性为54.18 U·mg
?1蛋白（+14.8%），30天时达最大值86.13 U·mg
?1（+10.0%），40天时下降。形态观察表明纤维起始比对照提前约10天。NBT染色显示，随着纤维发育推进，Aminosid-Silicon处理超氧阴离子积累逐渐减少，纤维约提前10天达到生理成熟。
"Aminosid-Silicon对棉花纤维品质参数的影响"：HVI分析显示，Aminosid-Silicon处理使SCI从129增至137，UHML从26.7增至28.4 mm，纤维强度从30.1增至32.4 cN·tex
?1，SFI从9.1%降至7.5%，亮度（Rd）从78.6%增至80.8%，黄度（+b）从7.1降至6.2，纤维成熟度和伸长率也有显著改善。
"制剂对胁迫条件下籽棉产量的影响"：对照籽棉产量最低，为3830 kg·hm
?2。Aminosid-Aton增至4380 kg·hm
?2，Bionitrogen为4260 kg·hm
?2，Aminosid-Silicon最高达4620 kg·hm
?2，比对照增加约20.6%。
讨论部分，研究人员指出硅作为有益营养元素，虽非必需元素，但能增强植物环境胁迫耐受性和整体农艺表现。Aminosid-Silicon对种子萌发和幼苗建正的积极作用伴随根系发育增强、子叶扩大和下胚轴加固，这与其作为结构成分增强组织完整性以及作为信号调节因子调控细胞活性的双重作用有关。早期活力增强与酶促和非酶促抗氧化防御系统的激活密切相关，表明硅作为引发剂（priming agent）在发育早期阶段激活防御系统。研究人员提出机制框架：硅应用首先通过刺激根伸长和根毛发育改善幼苗早期建正，促进水分吸收，减少盐碱条件下的渗透冲击；同时通过协调激活酶促防御（SOD、CAT、POD、PAL）和非酶促组分（黄酮类、脯氨酸）增强细胞抗氧化能力，限制盐诱导胁迫下膜脂和代谢酶的氧化损伤；在结构层面，硅在细胞壁中的沉积可能增强组织刚性和膜稳定性，减少离子渗漏，改善盐碱条件下的离子稳态；在后期发育阶段，这些保护效应延伸至纤维伸长和成熟，平衡的红氧调节和细胞壁可塑性支持纤维长度和整齐度的改善。此外，硅还通过表皮组织中的硅沉积形成物理屏障限制昆虫取食，并激活水杨酸和茉莉酸信号通路诱导系统抗性。纤维品质的改善，特别是UHML、SCI的提高和SFI的降低，强调了硅应用在提高纺纱性能和原棉品质方面的农学和工业意义。产量促进效应是改善萌发、增强胁迫耐受性、强化酶促保护、改善纤维品质等多种效应的累积结果，凸显了硅增强生物刺激剂作为气候变化诱导胁迫条件下可持续棉花生产系统有前景组成部分的潜力。未来研究需要在多环境田间条件下验证这些效益，并进一步阐明分子机制，特别是胁迫响应基因、信号通路和防御相关蛋白合成的调控。
研究结论部分翻译如下：本研究提供了基于硅的制剂Aminosid-Silicon显著改善盐胁迫下棉花生理、生化和形态表现的证据。处理幼苗表现出增强的发芽率、增加的幼苗活力和提高的胁迫条件下存活率，这与关键抗氧化酶活性的升高以及渗透保护物质如脯氨酸和黄酮类的更高积累相关。增强的代谢调节有效减少了氧化损伤，并强化了针对主要棉花害虫的结构和生化防御。该处理进一步改善了形态表型性状、纤维品质参数和最终产量，证实了硅在增强植物抗逆性中的作用。这些发现证实了硅补充缓解非生物和生物胁迫、支持可持续棉花生产并在退化和干旱环境中促进适应性农艺实践的假设。
