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“默默无闻”的植物“硅质铠甲”

已有 2209 次阅读 2021-5-17 08:20 |个人分类:科研感悟|系统分类:科研笔记

 

 铠甲,是古代武士穿在身上,用来防止刀矛箭戟等兵器伤身的皮质或金属质护身服。植物防病的“铠甲”,实质上指植物体表面用来阻挡植物病虫害的“物理屏障”。植物的“硅质铠甲”是对植物用硅化物自制的防病“物理屏障”的形象描述。人们对植物的“硅质铠甲”了解很少,虽其“默默无闻”,但它是植物自我防病的重要途径之一,能助中国农业难题破解“一臂之力”。

1.“农药依赖症”:中国农业难题之一

 在中国,菜农果农离开农药不会种菜,不会管理果园,每个菜农果农都患上了严重的“农药依赖症”。农药大量使用,使人们对温室中种出来的蔬菜和果园采摘的水果心有余悸,唯恐农药残留超标。

 能否吃上不用农药的蔬菜水果?能吃上,但大部分人吃不起。如今,不用农药的蔬菜水果,即所谓的有机食品,价格昂贵,且往往名不副实。

 能否种出不用农药,或少用农药,平民价格的安全蔬菜水果?

 我的答案是:可以,只要我们想,只要我们努力!

 农药,不是农业必不可少的生产资料。

 在化学农药出现之前,我们有五千多年的农耕文明史。我们的祖先一直在种粮食,种蔬菜水果,在用各种方法控制病虫害,也生产出了足够的食物,维持着中华民族的生息繁衍。今天,农业科学的快速进步,使农产品产量大幅度提高,随之,也带来了病虫害加剧和流行。

 其实,菜农果农也不愿意大量喷施农药,只是病虫害严重,出于无奈。多次喷施农药,增加农药投入和人工,大幅度增加生产成本。中国北方广泛使用的日光温室,使害虫躲过了严冬,避免了冷冻致死造成的虫口大幅度下降,为来年虫害流行泛滥埋下危机;温室高温高湿,又为病原菌建造了快速生长的“乐园”与大量繁殖的“天堂”。年复一年的温室保护,害虫安全越冬,病菌大量繁殖,病虫害发生风险及灾害有增无减。为了追求高经济效益,种植密度不断提高,复种指数不断增加,高度集约化种植和商品化基地的形成,又使同一田块多年种植同一作物成为常态,加剧了连茬种植土壤病虫害大量流行。

 在这种情况下,化学农药就成了挽救农作物生命的唯一“灵丹妙药”,就成了菜农果农及所有种植业主对付病虫害的唯一武器。农药大量应用,保护了农作物不致因病虫危害大量死亡,获得了高产和可观的经济效益,但却给人类带来了灾难。

 美国海洋生物学家蕾切尔·卡逊1962年出版了《寂静的春天》,已向世人描述了农药对人类及环境的不可逆危害。这些危害,今天已成为现实。该书出版已近60年了,农药的使用有增无减。

 农药危害众所周知,但是,至今还没有找到能完全替代农药的植物保护产品和技术。人们过度依赖化学农药,忽略了植物自身抗病能力的发挥。

 农药对人类的危害惊醒了人们,开始反思过去植物保护策略存在的问题:病原菌和害虫是“杀”不完的,不可能“赶尽杀绝”,“野火烧不尽,春风吹又生”。利用生物学与生态学方法,控制病虫害大量流行;利用提高植物自身抗病性的方法,防止或减轻病虫害,才是植物保护的正确方向。

 对于威胁人类生命的萨斯及新冠病毒病害,疫苗是最彻底的解决途径。用疫苗激活人体自身免疫力,用自身免疫力阻止新冠病毒进攻,就能从根本上预防新冠感染,已成人人皆知的科学常识,已深入人心。但在植物病害防治上,人们往往忽略了植物自身的抗病能力,忽略了激活和强化植物自身的抗病性。

 现代科学研究证明,利用生物技术提高植物免疫力,能显著减轻或防止农作物病害,大幅度减少农药用量。如何最大限度发挥植物的“聪明才智”,提高和强化植物自身抗病性,已成为目前的研究热点,已取得了许多重要进展。

 在生命科学高度发展的今天,植物学、动物学、微生物学及生态学的知识已相当丰富。利用生物技术,在将农药用量降到最低水平,将病虫害控制到不影响种植效益的情况下,获得较高的优质农产品产量已无悬念,但人们并没有朝这个方向投入太多的努力。人们认为,现有种类繁多,功能高效的化学农药能轻而易举解决农作物的病虫害防治问题。

 植物天生就有许多抗病功能。除免疫力外,植物还能通过自我努力“强筋健骨”,通过“加固”预防病虫害的“物理屏障”增强植物抗病性。植物天生具备的“自力更生,自主抗病”功能还未被从事农业生产的种植者广泛了解,或被从事植物保护的科技工作者忽略遗忘。

将不用农药,或农药用量极少的蔬菜水果摆上我们的餐桌,不是梦,而是可实现的现实。

我们从硅元素抗病性研究结果中发现,“加固”预防病虫害的“物理屏障”,方法简单高效,是值得重视的一种病虫害防治途径。我们深信,通过硅抗病性机理、应用效果及使用技术的深入研究,一定会找到通过施肥提高植物抗病性,减少农药用量的植物保护之路。多一条抗病途径,就少一份农药毒害。

2.植物防病的“物理屏障”

 要说清楚植物防病的“物理屏障”,先要从植物病害说起。

 植物,动物皆会得病。植物、动物,皆有自己的免疫系统,与体外的病原战斗,以免除或减轻病害。

 原生质体,是所有生物细胞的主体,是生命活动的中心,是“生化工厂”,蛋白质、核酸、脂肪及多糖等所有的生物大分子几乎都是在细胞原生质体中合成的。保护原生质体的完整性,就是在保护生命。植物原生质体如果遭到破坏,植物就会生病,甚至死亡。

 生物,都有自我保护能力,免疫系统,就是生物自我保护的“正规军”

 植物,除了自身的免疫系统外,植物还会利用各种能利用的途径增强自身的抗病性。利用“物理屏障”提高抗病性,就是植物的一种防病策略。细胞壁,就是保护原生质体的“物理屏障”。

 植物虽然想利用细胞壁保护原生质体,但植物“建造”的细胞壁,其强度往往达不到将病原菌完全“拒之门外”的程度。一旦遇到病原菌的猛烈“进攻”,细胞壁就会溶解“崩溃”,植物组织就遭到破坏,植物就会发病。叶片、根系如果发病,就会严重影响植物生长和产量品质,甚至导致植物死亡。

 在长期进化过程中,植物为了防止病原微生物和害虫侵害,“想出了”许多自我保护的方法,“修筑坚固的城墙”,“穿防护服”就是其中的常用方法。

 对植物来说,“修筑坚固的城墙”,就是“加固细胞壁”,强化细胞壁对原生质体的保护,阻止病原菌对植物细胞的破坏。“穿防护服”,就是在植物叶片表面覆盖一层具有保护功能的薄膜,阻止病原菌对叶片细胞实施破坏。植物的“防护服”是植物自己制作的,材质多种多样,主要是蜡质、角质等脂类物质。

 我们看到植物叶片表面发亮,就是叶片表面覆盖的薄层蜡对光的发射。许多树木、灌木的叶片表面,就覆盖着蜡质层。如常见的灌木冬青叶片上,就有蜡质层。

 如果给叶片表面覆盖蜡质层、角质层,等于给植物叶片“穿上防护服”,或使叶片的表皮细胞壁更加坚固结实,叶片抵抗病原菌和害虫的能力就会增强,病原菌就难以在叶片表面生长。叶片病害少,农药用量就会减少,农产品中的农药残留减少,生产成本降低,产品质量和食用安全程度提高。

 有蜡质层,叶面水分蒸发损失也会减少。

3.植物叶片为何会染上真菌病害?

 在湿度很高的日光温室中,在湿热气候区,或在湿热多雨季节,黄瓜、草莓等多种园艺作物的叶片上常常会有大量白色“粉末状物”或灰色的霉状物存在,这些粉末或霉状物就是真菌的孢子或菌丝。孢子,相当于植物的种子。当叶片上出现不同颜色的粉末或霉状物时,叶片就会发黄,生长异常,出现病状,严重影响黄瓜、草莓等园艺作物的产量与品质,甚至绝收。上述叶片异常属于叶片真菌病害,白色“粉末状物”及灰色的霉状物,对应病害的学名分别为白粉病及灰霉病。

 农作物叶片之所以会染上真菌病害,是因为叶片表面有真菌生长需要的营养物质和温湿度条件,适合真菌生长。要进一步解释清楚这个问题,还要从叶片结构谈起。

 植物叶片由表皮细胞和叶肉细胞组成。表皮细胞为叶片保护层,保护着叶肉细胞。叶肉是叶片的主体结构,分布在上下表皮细胞层之间(详见来源于网络的附图)。叶肉细胞内有大量叶绿体,是植物的光合作用中心,是植物制造葡萄糖及多种碳水化合物的生化车间。在植物生长过程中,表皮细胞会向叶片表面分泌少量可作为微生物营养的代谢产物。有了营养物质,当叶片表面的水分和温度合适时,落在叶片表面的微生物就会生长繁殖,其中,包括能引起叶片病害的真菌。

 在自然界,许多植物很幸运,如有些木本植物,其叶片表面特殊:“天生”就覆盖着很厚的蜡质层或角质层,犹如给叶片穿上了“铠甲”,病原菌“无从下手”,难以侵染,害虫难以“下口”,故木本植物叶片很少得病,或病害很轻,甚至终生无病。

 不幸的是,给人类提供衣食、与人类关系最密切且最重要的农作物,其叶片没有得天独厚的保护层,“天生”未穿“铠甲”。绝大多数农作物,叶片表面没有蜡质层或角质层,或蜡质角质层极薄,叶片表面几乎看不到亮光,叶片的表层细胞裸露在空气中。由于没有“铠甲”保护,这些农作物叶片抵抗病原菌攻击的能力十分薄弱,甚至“不堪一击”,常成为病原菌的“盘中美餐”,所以,农作物叶片更容易染病。

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 一些特殊的农作物,尤其是幼嫩肥厚,含水量高的园艺作物叶片,如黄瓜,甜瓜等,叶细胞的分泌物较多,叶片表面营养丰富,能为微生物提供充足的水分养分,更适合微生物生长,叶片也无蜡质保护层。当温度合适时,叶片表面附着的微生物就会大量生长繁殖。

 在叶片上生长的微生物,绝大部分对叶片友好,仅借用叶片表面作为其生长繁殖的场所,与叶片相安无事。但有些“生性邪恶”、能引起叶片生病的微生物,尤其是致病性真菌,当其在叶片上生长繁殖时,就会分泌一些有害的化学物质,将叶片细胞壁溶解,再利用细胞壁溶解后释放出的原生质液体加快生长繁殖。微生物分泌的能溶解植物细胞壁的化学物质,学名叫细胞壁水解酶,如纤维素酶,果胶酶及蛋白酶等。大多数真菌不分泌或分泌极少量细胞壁水解酶,不会造成细胞壁溶解,无致病性。有些真菌分泌细胞壁水解酶的能力极强,对植物细胞壁有强烈的溶解作用,会导致植物叶片及根系腐烂,这些能分泌细胞壁水解酶的真菌,就是植物病原真菌。幼嫩叶片上的细胞分泌物多,往往是病原真菌危害的“重灾区”。

 细菌分泌细胞壁水解酶能力差,或不分泌,故叶片的细菌病害较少,发病程度也较轻。

 叶片病害是否发生,除取决于叶面生长的微生物是否分泌细胞壁水解酶,有无致病性外,还取决于叶片表面的水分和空气湿度,即水分条件决定叶片病害是否发生及危害的严重程度。正常叶片含水量有限。在晴天,在空气干燥的情况下,或在气候较为干旱的地区,植物叶片表面干燥,没有游离水分,难以满足喜欢水,对水需求量大的细菌生长;即使对水分要求不高的真菌,叶片自身的含水量也难以满足真菌孢子萌发对水的要求,真菌也难以生长。故在气候较为干旱的地区,在较干燥的环境中,植物叶片上的细菌和真菌性病害均很少,即使发生,也很轻。

 但在水分较多的条件下,如在经常下雨的湿润气候区,空气湿度大;或多日连阴雨,叶片表面有短时间的薄水膜存在,落在叶片表面的病原真菌孢子就能趁机萌发;再加上空气湿度较大,能满足真菌菌丝生长对水的需求,菌丝就会在叶片表面不断生长,并分泌出能溶解植物细胞壁的水解酶,使细胞壁溶解崩溃。

 植物原生质中的营养成分比叶片表面水分中来自细胞分泌物的营养更丰富,在细胞壁破坏后,原生质外流,或病原菌的菌丝继续伸入到细胞原生质内,病原真菌就能获得更好的营养,病原菌在叶面会以更快的速度生长,进而不断溶解叶片细胞壁,“蚕食”叶片,使叶片上出现大量病斑,或整个叶片发病,叶肉细胞中的叶绿体破坏,失去绿色,叶片的光合作用能力随之大幅度下降或丧失,制造糖的能力下降或丧失,农作物产量降低或绝收。

 日光温室在中国北方广泛分布,已彻底打破了农业生产的季节性,经济效益远高于露地。在日光温室中,空气湿度大,温度高,有时温室顶部塑料薄膜上的冷凝水会滴落到叶片表面,叶面水分及空气湿度能完全满足病原菌在叶片表面生长,温室就成了病原真菌快速繁殖的“天堂”,病原真菌在叶片上“肆无忌惮,横行霸道”,叶片上白粉病及灰霉病等病原真菌“泛滥”,常造成毁灭性灾害。在温室中,目前,人们唯一能采用的防病措施,就是大量施用农药,以控制叶片真菌病害流行。每隔7-10天喷一次农药,已成了温室蔬菜或各种果园管理的常态。蔬菜和水果中农药残留大幅度上升,则是必然结果。食用在农药“呵护”下长成的蔬菜水果,健康受到的危害就可想而知了!

 另外,作物种植密度过大,郁闭度过高,植株之间空气湿度大,温度高,叶片真菌病害也多,发病率也很高,危害非常严重。

4.植物如何加固自身防病的“物理屏障”?

 植物病害一旦发生,危害极大,甚至绝收。出于对病害的恐惧,菜农和果农经常要进行频繁的预防性喷施农药,即使没病,也要喷药,导致生产成本大幅度上升,果菜农药大量残留,造成人体危害。

 在湿润气候区,空气湿度无法人为降低;也无法将空气中的病原菌“赶尽杀绝”,农作物的叶片也无“防护服”可穿,农药是防治农作物病害的唯一方法。

 不用化学农药能防治植物病害吗?如何让农作物不得病?

 回答是肯定的。不用化学农药也能保持植物健康。除了化学农药之外,还有很多方法,都能提高作物的抗病性。如培育抗病品种,轮作倒茬,合理密植,科学施肥,利用防病促生多功能生防菌提高作物的系统抗性,改善作物根区土壤微生物群落结构,保护作物叶片和根系,都能防止或大幅度减轻农作物病害。

 除上述方法之外,还有一种未被人们了解和重视,不用化学农药的防病方法:通过施用特殊肥料,给植物叶片“穿上防护服”,或“加固”叶片及根系表层细胞的细胞壁,就能减轻植物叶片及根系病害。

 如何给叶片“穿防护服”?如何“加固”细胞壁机械强度?如何强化叶片表面“硬度”?要讲清楚这一系列问题,先要搞清楚细胞壁的结构。

 植物的细胞壁是一个网状口袋,“网袋”内装着时刻进行旺盛生命活动的“原生质体”。原生质体很脆弱,需要细胞壁强力保护。细胞壁的网,是由纤维素-半纤维素形成的“细纤维丝”及酸性果胶“细丝”作为经线,中性果胶、糖蛋白等“细丝”作为纬线编织而成。细胞壁网结构疏松,网眼很多,允许水分、离子态或小分子态营养物质自由进入细胞。细胞壁网的机械强度差,经不起病原菌分泌的细胞壁水解酶的“攻击”,一旦细胞壁被溶解崩溃,原生质体就会裸露出来,原生质液外流,叶片结构“塌陷”,导致叶片发病。

 为了增强植物细胞壁的坚固度,植物已“想出”很多“加固”措施,如让细胞中的原生质体制造多种填充物,与细胞壁网眼中的纤维素等多糖紧密结合,使细胞壁网更为致密结实。

 原生质体代谢活力很强,是细胞的生化工厂,能制造各种生物大分子,除了主要“产品”蛋白质及核酸外,还能制造不同类型的多糖及脂类化合物,作为填充材料,对细胞壁“网袋”进行“加固”。

 植物加固细胞壁及给叶片“穿防护服”的4种方式:

 一是让原生质体制造脂质化合物,填充到植物体表面的表皮细胞壁网眼中,使细胞壁硬度增加;在叶片表皮细胞外表面覆盖角质膜或蜡质膜。通常将后一过程称为角质化蜡质化。给叶片表面“覆盖”角质和蜡质,相当于给叶片“穿防护服”,可防止病原微生物对叶片侵染,并减少叶片中水分过量损失。

 二是将原生质体制造的脂质填充到植物老茎、枝干及老根的外层细胞壁中,使细胞壁失去透水性和透气性,这个过程称为栓质化

 三是让原生质体制造木质素,一种苯丙烷衍生聚合物,将木质素填充到细胞壁网眼中,使细胞壁的硬度增加,这个过程叫木质化。植物木质部的导管就是“木质化细胞”

 四是向细胞壁网眼中填充无机物,使细胞壁更为“坚固”,该过程相当于建筑工程上给钢筋网层中“浇注混凝土”。植物细胞壁的常见填充物“混凝土”是二氧化硅和钙。填充部位为植物的茎叶表皮细胞壁。填充过程称为细胞壁的“矿质化”,该过程能使植物茎叶的机械强度增加,抗病虫害的能力增强。

 第一、四种加固方式能增强叶片表层细胞壁的“硬度”;或给表皮细胞外面覆盖一层蜡质或角质薄膜,后者,相当于给叶片穿上“防护服”。这两种方式,均能防止病原菌对叶片的“攻击”,减轻叶片病害。

 上述前三种方式是植物自行完成的,人类难以参与。

 第四种方式,细胞壁矿质化,人类能够参与,值得我们高度关注。

 “矿质化”过程非常重要,且非常有用,因为这是人类唯一能够参与的,用矿质原料建筑植物防病“物理屏障”的过程。人类要重视和研究植物这一功能,积极介入植物的“细胞壁矿质化”,通过提供硅元素的方式强化植物细胞壁的矿质化,强化植物对原生质体的保护。

 “细胞壁矿质化”需要的原料是二氧化硅和钙。如果土壤中这两种元素很少,细胞壁的矿质化过程就难以进行,细胞壁的机械强度差,植物的抗病性“天生”就弱。即单靠土壤中的硅元素,难以使细胞壁矿质化达到能抵抗病原菌“攻击”的理想程度,必须通过人为强化补充硅元素的方式,通过施用硅肥的方式,帮助植物完成对细胞壁的硅质化加固。

 植物原生质体对细胞壁的第二种加固方式称为木质化,能增强植物木质部导管细胞的细胞壁“硬度”,在生产上也有重要作用。“导管细胞”相当于植物的“上水管”,植物从土壤溶液中吸收的水分和矿质营养物质通过该“上水管”到达叶片。当光照强烈,蒸腾作用过强时,叶片蒸腾蒸发对木质部导管细胞中的水分抽吸力很大,如果导管细胞壁的“硬度”不够,就会将导管细胞抽“瘪”,降低导管细胞对水分的传输能力,使作物在中午被迫“午休”,出现叶片萎蔫。通过硅元素矿质化加固导管细胞的细胞壁强度,对防止强光下导管细胞变形,进而引起水分向叶片运输能力下降,对保证强光下植物木质部水分和矿质养分运输畅通无阻,以及强光下植物光合作用正常进行有重要作用

5.如何打造植物的“硅质铠甲”?

 农作物叶片表层的细胞壁不够坚固,或没有足够厚度的角质、蜡质保护层覆盖在叶片表面,是造成叶片抗病性“先天不足”的致命缺点。能否人工给叶片增加角质、蜡质保护层,对叶片进行保护?能否人为增强植物细胞壁的物理强度,将植物细胞壁加固成“刀枪不入”的“铜墙铁壁”,使病原菌溶解细胞壁的“化学武器”失效,使害虫对叶片“无处下口”呢?

 答案是否定的。角质化、蜡质化、栓质化及木质化是植物原生质体对细胞壁的自我加固功能,不同植物的能力不同。其中的角质化和蜡质化是保护叶片的主要方式。植物对细胞壁的加固作用复杂精巧,人类不能代替、也无法模仿植物通过“角质化”、“蜡质化”给叶片表面“穿防护服”。尽管人类能制造脂类物质等覆膜材料,但却难以用农艺技术模仿植物给叶片“穿防护服”。因为人工覆膜不会绕开气孔,会封堵叶片上的气孔,影响二氧化碳进入叶片,影响植物光合作用,降低产量。

 值得庆幸的是,植物天生就有通过细胞壁“矿质化”加固细胞壁及叶片表层细胞的能力。人类可以参与并强化这个过程,利用植物的“本能”进行细胞壁“加固”。人类可以通过给植物提供足量的硅元素的方式,帮助植物对细胞壁进行硅质化加固,提高叶片及根系防病物理屏障的坚固程度。

 植物采用3种方式进行“硅质化”,或打造“硅质铠甲”:

 一是用硅加固细胞壁:将硅注入细胞壁网眼中,硅与植物多糖、蛋白质及纤维素结合的能力很强,能与植物体内果胶酸、多糖醛酸、糖脂等形成溶解度极低的硅复合物,并沉积在细胞壁中,填充在细胞壁纤维网的网眼中,使细胞壁原来疏松多孔的纤维网变成致密度很高的“硅质纤维网”,形成“硅质细胞壁”,使细胞壁的机械强度大幅度增加,使细胞壁“硬度”增加,抗细胞壁水解酶的能力增强。

 二是用硅形成“硅质细胞层”:将根系吸收的水溶性单硅酸通过木质部导管运输至叶片表层细胞间隙,注入细胞间隙所有空间,使单硅酸在细胞间隙脱水形成硅胶沉积,填满细胞间隙,形成坚固的叶片表面细胞层。单硅酸在叶片表层细胞间隙脱水转化成无定型硅胶时,就将原来较为松散的无数表层细胞紧紧“粘合固结”在一起,形成致密结实的“硅质细胞层”

 三是用硅“编织硅质防护服”:把根系吸收的水溶性单硅酸通过木质部导管运输至叶片表面,水溶性单硅酸溶液在叶片表面蒸发时,会在叶面脱水形成薄薄的“硅胶膜”沉积在叶片表面,相当于叶片的“硅质防护服” 或“硅质铠甲”。

 在生产上,如何让植物建造“硅质细胞壁”?形成“硅质细胞层”?或给植物穿上“硅质防护服”?如何利用硅质化保护根系?

 其实这是一件很容易的事情:人类只需要给植物施用硅肥,剩余工作由植物完成。

 施用硅肥后,硅元素以单硅酸的形式溶解在土壤溶液中;根系吸收水溶性单硅酸后通过植物的木质部导管将单硅酸运输至叶片,在细胞壁中形成糖醛酸脂硅复合物,这些含硅复合物填充在细胞壁纤维网的网眼中,原来的疏松多孔的细胞壁纤维网就变为致密度很高的“硅质纤维网”

 水分蒸发后,水溶性单硅酸脱水转化为硅胶,填充在叶片表皮细胞原生质以外的所有空间沉淀,以无定型硅胶的形式填满所有表皮细胞的间隙,用硅胶将表层所有细胞紧密胶结在一起,在叶片表层形成硅质填充层;在叶片表面,水溶性硅胶脱水,形成薄的硅胶防护层。含单硅酸的水溶液在叶片表面蒸发愈多,叶片表面表层细胞间隙沉积的硅胶愈多,叶片表面的“硅质防护服”愈厚;叶片愈老,蒸发水分愈多,叶片表皮细胞间隙沉积的硅胶愈多。硅胶沉积愈多,叶片表层的物理强度愈高,对病虫害的防御能力愈强。

 除了硅在叶片上沉积,保护叶片外,在根系表皮细胞壁中,单硅酸与蛋白质、糖及纤维素结合,对根系表层细胞壁纤维网进行加固,以提高其物理强度,形成保护根系的硅质“物理屏障”,使根系免遭病原菌对根系的危害。硅元素对根系的保护作用,意义更为重大。根系分布在土壤中,土壤中的有害微生物及土壤动物更多,根系的生存环境更为“险恶”,除了病原真菌及细菌外,还有根结线虫等有害土壤动物,时刻在威胁着根系安全。在根系表面建造高强度的硅质物理屏障,对维护根系安全有重要意义。

 叶片表面的“硅胶防护服”犹如原生质体的第一道防线,硅质细胞层为第二道防线,硅质细胞壁为原生质体的第三道防线。这三道防线将病原菌“拒之细胞壁外”,保护叶片细胞免遭病原菌破坏,维持叶片正常生长。硅元素对植物细胞壁的矿质化,或在叶片表面形成硅胶薄膜,相当于给植物叶片穿上“硅质防护服”,是一条不用农药的植物保护和防病之路,是一个值得重视的“另类”思路!

 另外,从理论推测,在根系分布的土壤中,在根系表面,植物无法通过水溶性单硅酸脱水的方式在根系表层细胞间隙形成不定型硅胶,并通过对细胞间隙的填充形成致密的硅质化细胞表层,也无法通过脱水在根系表面形成不定型“硅胶薄膜防护服”,故根系表面不能形成叶片表面具有的3道防线,对病原菌及有害土壤动物只有硅质细胞壁1道防线实际上是否如此,尚不清楚。

 叶片中的难溶硅胶含量占总硅量的99%以上,根系中的难溶硅胶含量仅占总硅量的92%-96%,其余为离子态可溶硅,显示根系中的难溶性硅胶含量较低,似乎也表明,根系上的“硅质铠甲”较薄弱。

 叶片是植物的光合器官,是制造碳水化合物的源泉,叶片健康产量高;根系是植物养分水分的吸收器官,是植物的“肠胃”,根系健康,吸收功能强,植物健壮产量高。叶片与根系是植物的两大关键器官。叶片表面细胞硅质化,能减轻病原菌对叶片“攻击”;根系表面细胞硅质化,可减轻病原菌对根系破坏。叶片根系硅质化是对叶片与根系的强力保护,对农作物健康生长及优质高产有重要意义。

 我们在草莓上连续3年的试验显示,施用硅酸钾后,草莓根系的全硅含量平均增加33%,而叶片全硅含量平均增加21%,表明硅在草莓叶片和根系中的沉积是真实存在的,且在根系中的沉积量增率大于叶片。至于硅在细胞壁和细胞间隙中的沉积填充量各是多少,仍是一个待揭开之谜。

6.“硅质铠甲”与硅元素的其他“才艺”

 施用硅肥,除了能增强植物叶片和根系的抗病性外,“硅铠甲”还具有下列功能:

 提高植物光合能力:植物叶片表面硅化细胞对散射光的透过量是绿色细胞的10倍,即施硅肥能增加叶片对散射光能的吸收量。这一特性对日光温室作物有重要意义。温室塑料薄膜对阳光有阻挡和过滤作用,使到达植物叶片的有效光能大幅度减少,光合作用效果大幅度下降,影响产量品质。施硅肥能提高叶片对散射光的利用率,无疑会增加光合产物累积量,提高作物产量。此外,施硅肥后,植物叶片机械强度增加,叶片直立,减少了叶片下垂对阳光的遮挡,增加了植株下部叶片的吸光量,进而提高光合产物的合成量。

 减少叶片水分损失:叶片表面的“硅质防护服”,除了具有防病作用外,还能大幅度减少叶片表面水分蒸腾蒸发量,避免水分过度散失,能提高植物的水分利用率。在干旱气候区,这一功能具有重要意义。

 维持花粉活性:硅元素还能防止花药退化,花而不孕,其机理尚不清楚。

 

    提高植物抗病性有多种途径,通过施肥提高抗病性就是其中的一种途径。氮磷钾和钙镁硫等,是植物生长必须元素。过去认为,硅元素不是植物生长必须元素。但在生产中发现,缺硅对水稻、大豆、黄瓜、番茄及草莓等作物生长和产量影响很大,会引起新叶畸形、萎蔫、早衰及黄化,花粉活力下降,花药退化等症状。因此,硅元素也应归入植物必须元素序列。

    施用硅肥不仅能促生增产,更能提高农作物的抗病性。硅肥是不用或少用化学农药就能种出蔬菜水果的重要“秘密武器”之一。增施硅肥,成本比频繁使用农药低,且农产品无农药残留,故应将施用硅肥作为农作物栽培必不可少的抗病农艺措施,要“强制使用”,并对硅的抗病机理进行深入研究。

    要让“默默无闻”的植物防病“硅质铠甲”,成为熟知的农业名词,成为农业常识。

    作物要健康,硅肥不能忘。

                                   2021.5.17 




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