文 | 小魏档案

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甘蔗是一种具有巨大潜力的主要经济作物。它被广泛认为是全球最重要的能源和糖作物。甘蔗主要种植在热带和亚热带地区，全球年产量约为16万吨。

研究表明，甘蔗的生长发育已知与高养分吸收有关，主要是硅肥料与其他养分相比，约占700公斤公顷。−1每年的Si。这种现象归因于对非生物和生物胁迫的诱导抵抗力。

一、Si在植物代谢和生理过程中的作用

Si被认为是地壳中仅次于氧气的第二丰富的元素，约占土壤质量的70%。Si也被认为是植物发育和生长的非必需元素。

然而，研究表明，Si具有明显的优势，不仅可以减轻不同植物物种的非生物和生物胁迫的有害后果，还可以提高作物产量，养分吸收。

例如，Savant等人指出，用硅肥改良的甘蔗诱导了对Al，Mn和Fe毒性的抗性减轻，病虫害抗性，提高了磷的可用性，减少了倒伏，改善了茎和叶的直立性和抗冻性。

数十年的研究表明，Si在植物代谢和生理过程中也起着至关重要的作用。

二、非靶向代谢组学的功能

植物在其发育阶段产生结构和功能多样化的代谢物库，以减轻不同非生物和生物因素的负面影响。

代谢物被认为是生物体表型的基础，可以帮助更有效和直观地了解植物生物过程及其机制。植物生物活性化合物有助于它们适应不断变化的环境条件，并增强其整体农艺参数。

研究表明，在高等植物中，苯丙烷代谢途径是主要的次级代谢途径之一，由许多产物组成，如类黄酮、羟基肉桂酰胺和木质素，它们是植物生长发育的主要因素。

甘蔗研究界在鉴定和表征甘蔗中生物活性成分的功能方面取得了重大进展。例如，Ezz等人报告说，在甘蔗汁和糖蜜中检测到42种代谢物，包括1种脂肪酸，10种类黄酮和22种甾醇。

在一项相关研究中，在甘蔗鲜叶中平均检测到6mg总类黄酮/g植物材料。

在了解特定甘蔗组织中的生物活性成分方面取得进展，但在Si改良土壤下甘蔗和土壤不同区室中代谢产物生态位分化的响应尚未得到解答，特别是中国广泛栽培的甘蔗品种之一ZZ品种。

为了解决这一知识差距，采用了非靶向代谢组学工具，目的是破译不同甘蔗和土壤区间代谢物丰度和群落组成的异同。

鉴定代谢物的区室特异性表达模式，并评估它们与甘蔗生长参数和雪白因子的关联，研究甘蔗参数和雪花因子对硅的响应改良土壤。

三、硅在植物生长发育中的作用

数十年的研究在很大程度上认为硅是植物生长发育的非必需营养素。与此相反，我们观察到Si压倒性地增加了甘蔗的高度和理论产量，但对生物活性化合物没有显着影响。

这一结果与Meyer和Keeping和Raid等人记录的发现一致，其中据报道Si大大增加了甘蔗参数。

尽管支持这种现象的机制尚无定论，但研究表明，它可以归因于一系列因素，即防止真菌病虫害，提高水分利用效率，高磷吸收，通过光合作用有效和高效地利用阳光。

先前的研究结果也证实，Si具有通过刺激代谢物产生诱导的天然防御机制来增强植物病虫抗性的潜力，Si利用可对edaphic因子产生积极的结果。

相应地，土壤Si含量显著提高了24.8倍和27.0%，而土壤AK含量分别增加了3.07倍和2.67倍。还注意到根际土壤中的AP大幅增加了105.5%。

因此，我们推测活性Si可能对腐殖化产生直接的积极影响，从而形成由富含Si和土壤有机质诱导的土壤有机矿物化合物，从而增强土壤养分。

四、代谢组学的功能

代谢组学被广泛认为是用于鉴定、分类和检查植物代谢物表达谱的有力方法。例如，GC-TOF-MS技术允许检测黑穗病易感的巴西商业甘蔗品种“RB73”中的925345种主要代谢物。

在目前的研究中，LC-MS/MS分析用于鉴定和分类不同甘蔗和土壤区间的多种代谢物，我们在339个样品中检测到30种代谢物。

其中161种进行了分类和注释，包括有机氧化合物，羧酸及其衍生物，脂肪酰基，类黄酮，酚类以及苯和取代衍生物。

五、JA在植物中的作用

我们还观察到一些重要的代谢物的丰度非常高，这些代谢物在某些区室中是独一无二的。在根组织中，我们检测到一些显性代谢物，其中有一种重要的植物激素，JA。

JA是一种存在于许多植物中的有机化合物，被广泛认为是一种生长调节激素。根据Creelman和Mullet的说法，在大豆的花，叶和果实中发现了显着高的JA水平。

这一发现表明JA可能引发了甘蔗理论参数和高度的增殖。

六、5'-磷酸吡哆醛的功能

在叶片组织中，5'-磷酸吡哆醛在Si下达到峰值，5′-磷酸吡哆醛被认为是参与氨基酸Cα处碳离子稳定的辅助因子，也是氨基酸代谢的主要主导因子之一。

在Hennion进行的一项相关研究中，吡哆醛5′-磷酸盐在增强水稻农艺性状中起主要作用，我们认为其在增强甘蔗农艺性状中起着类似的作用。

七、芹菜素在植物发育中的作用

在茎组织中，龙胆酸和芹菜素在Si处理下与其他区室相比表现出显着增加。龙胆酸是阿司匹林的代谢产物，众所周知与植物防御有关。

Deseo等人将芹菜素归类为甘蔗糖蜜提取物中丰富的代谢物之一。芹菜素是一种类黄酮，存在于一系列蔬菜和草药香料中，即洋甘菊、欧芹、罗勒、香菜、牛至和塞勒。

它具有多种功能，包括调节植物发育，如甘蔗生长参数所示。这一现象进一步证实了在代谢物群落和丰度中观察到的变化是区室特异性的。

我们的研究结果与以前的研究一致，其中他们提到在代谢物群落中观察到的显着差异是组织特异性的。

八、Si对植物代谢和生理过程中的影响

三元图分析表明，两种处理下不同区室中绝大多数富集和耗尽的代谢物都是共同的。

但我们注意到一些关键代谢物，即L-岩藻糖和柚皮苷，以及叶片和茎中的棉子糖富集分别是Si处理所特有的。

L-岩藻糖还可以激活植物免疫系统、肽合成和气孔防御，并可以控制物理屏障的产生。

研究表明，L-岩藻糖在植物对盐胁迫等非生物因素的反应中起着至关重要的作用，并作为蛋白质糖基化的防御机制。柚皮苷是重要的天然类黄酮之一，主要存在于植物中。

它具有抗氧化潜力，在植物生理学的许多方面的生长和发育中起着至关重要的作用，即茎、叶、花和芽，这在甘蔗茎的高度和用Si修正的甘蔗的理论产量中很明显。

Sengupta等人提到棉子糖家族低聚糖被认为是植物中最重要的水溶性碳水化合物之一，并且众所周知可以执行干燥种子中的保护剂，储存糖和韧皮部汁液中的运输糖。

此外，Li等人证明棉子糖合酶通过棉子糖合成增强了植物的耐旱性。这些发现与先前研究中记录的报告一致，其中Si对植物代谢和生理过程有相当大的影响。

九、各个区室对代谢物群落的影响

双向方差分析表明，各个区室对代谢物群落有深远的影响。同样，在12个簇中，代谢物模式的组分特异性丰度和组成也很明显。

其中不同区室中的一些关键代谢物丰度表达模式与特定植物组织表现出显着的正相关。

例如，在叶组织中，亚油酸，棕榈酸，其次是龙胆酸，创伤酸，腺嘌呤，熊果苷，苯甲酸和L-核酮糖是一些主要代谢物。

对于根际隔室，D-葡萄糖6-磷酸，柚皮苷，其次是芦丁，尿酸和丙二酸，与其他隔室相比显着增加。

还观察到D-果糖，棉子糖，D-葡萄糖酸-1，5-内酯和吡哆醛5'-磷酸盐与其他隔室相比在茎中更为普遍。

D-核糖、丙二酸、丙酸、鸟苷、芹菜素和肌苷在块状土壤中比其他区域更明显，而胞苷、氨基葡萄糖和芹菜素和肌苷在根组织中显著达到峰值。

因此，这些结果进一步验证了代谢物丰度和群落组成的变化是组织特异性的。我们还使用皮尔逊相关性评估了这些代谢物与不同区域之间的关联。

观察到一些关键代谢物，即蔗糖、棉子糖和棕榈酸分别与甘蔗直径、高度和茎数呈正相关。因此，我们假设这些生物活性化合物可以在植物生长和发育中发挥关键作用。

十、氮与植物茎中的黄酮类化合物的关系

植物等土壤生物使用化合物，即代谢物来维持土壤肥力和健康，这使它们能够面对非生物胁迫。

Rodrıguez-Celma等人假设植物根系中存在并渗出到根际土壤中的特殊代谢物在不同必需营养素的可用性中起着关键作用。

在这里，我们还评估了差异代谢物与土壤性质之间的关系。人们注意到，绝大多数代谢物与块状和根际土壤的土壤性质呈负相关。

然而，土壤AP与棕榈酸表现出显著的正相关关系，这与Huang等人报道的发现部分一致，其中提到氮与植物茎中的黄酮类化合物显着相关。

十一、总结

作为全球重要的作物之一，甘蔗一直是进行代谢组研究的模式作物之一。

尽管许多研究都集中在了解特定甘蔗组织中的生物活性成分，但关于代谢物对生态位分化的反应的关键问题尚未得到解答，例如不同的甘蔗组织和硅改良土壤下的土壤区域。

本研究采用非靶向代谢物分析方法评估不同甘蔗和土壤区间代谢物丰度和群落组成的异同。

鉴定代谢物的区室特异性表达模式，以及它们与甘蔗农艺性状和edaphic因子的关联。研究甘蔗农艺性状和食用因子对Si改良土的响应。

我们假设Si利用可以表现出增强雪花因子和甘蔗农艺性状的优势，并且代谢物群落的变化具有组织特异性。

硅肥具有增强甘蔗农艺性状和土壤土壤水分因子的潜力，特别是在块状和根际土壤中。此外，本研究结果表明，不同土壤和植物区域的代谢物丰度和群落组成存在明显差异。

表明代谢物在不同植物组织中的定植是区室依赖性的。此外，一些关键的生物活性化合物与植物生长参数和土壤植物生长因子显著相关。

我们假设Si利用可以表现出改善甘蔗农艺性状的优势，并且代谢物群落的变化具有组织特异性。