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成果简介：本研究通过对248篇研究论文进行Meta分析，评估了Si施加对小麦、水稻和玉米三种典型谷物在Cd和As污染下的积极效应。研究量化了不同类型Si对作物生长和Cd和As积累的影响，并深入探讨了其生理和分子机理。研究结果显示，Si的施加显著提高了作物的地上部、根系和籽粒的生物量。同时，Si的施加使作物对Cd和As的积累分别降低了31.9%和24.1%。实际上，Si施加能够降低Cd和As的有效性，并提升土壤质量。特别地，纳米Si对作物Cd积累的抑制效应较强。结合健康风险评估和蒙特卡洛模拟，本研究进一步探讨了Si施加对Cd和As人体健康风险的影响，发现其分别降低了12.9和2.6%。在生理层面，Si的施加促进了作物营养元素的吸收，激活了抗氧化酶和非酶的活性，从而缓解了过氧化胁迫。在分子层面，Si显著降低了As转运蛋白的表达（如OsLsi1、OsLsi2和OsLsi6），并抑制了Cd转运蛋白的表达（如Nramp5、HMA2和LCT1）。总体而言，本研究为Cd和As污染土壤的作物安全生产提供了理论支撑和实践依据，展示了Si在农业生产和环境保护中的潜在应用价值。

引言： 土壤重金属污染，尤其是Cd和As的污染，已成为全球性的严重环境问题，对农业安全生产构成了巨大威胁。作为地壳中含量第二丰富的元素，Si在作物逆境胁迫响应中发挥着关键作用。过量的重金属会对作物产生多种毒性效应，包括降低种子萌发率、影响水分和营养吸收，进而抑制作物生长。此外，重金属的积累还会降低作物品质，对人类健康构成潜在风险。近年来，大量研究表明，施用Si可以减轻Cd和As对作物的毒害作用。其机制主要包括抑制作物对Cd和As的吸收和转运，改变这些重金属在作物体内的分布，以及诱导抗氧化物质的合成和相关酶活性的提高。这些发现为利用Si减轻土壤重金属污染、保障农业安全生产提供了理论支撑和实践依据。此外，Si也可以调节相关基因的表达，如OsABC1、OsPCS1、OsNH1和TaWRKY71，进而提升作物对Cd和As的抗逆性。Si也能抑制Cd转运蛋白(如HMA2、LCT1、Nramp1和Nramp5)和As转运蛋白的表达(如OsLsi1、OsLsi2和OsLsi6)，进而限制Cd和As在作物中的积累。因此，Si已被广泛应用于Cd和As污染土壤的生物修复中。然而，关于Si施用对作物安全生产的综合效应，目前尚缺乏清晰的认识。此外，不同类型的Si以及不同的使用方式可能会对作物产生不同的效应，这也限制了Si在田间的实际应用。

本研究的主要目的如下: 首先，量化分析Si施加对小麦、水稻和玉米这三种主要谷物生长以及Cd和As积累的影响，明确Si在作物生长和重金属吸收方面的具体作用。其次，探讨Si施加对人类健康风险的积极影响，通过减少作物籽粒中Cd和As的积累，降低这些重金属通过食物链进入人体的风险。此外，研究还将分析Si对Cd和As生物有效性和土壤性质的影响，以了解Si如何改善土壤环境，降低重金属的生物有效性。最后，从生理和分子水平上深入解析Si介导效应的内在机理，为提高Si促进作物安全生产的效率提供理论支持和实践指导。

图文导读：

1.Si施加提升了作物生长：

本研究中，Si施加提升了整体生物量地下部，籽粒和地上部的生物量，其分别为31.8% (26.2 - 37.6%), 20.7% ( 18.1 - 23.4%)和20.1% (17.7-22.6%)。同时，我们观察到，在Cd或As污染条件下，所有作物生物量的平均增长率分别为27.3% (23.6-31.0%)和9.42% (6.18-12.9%)。

2.Si施加抑制了Cd和As在作物中的吸收和转运： Si施加抑制了作物组织中Cd和As的积累(图2)。与对照相比，作物地上部中Cd的积累减少了31.9% (29.0-34.8%)，而砷的积累减少了24.1% (20.6-27.5%)。在3种主要作物中，Si对玉米地上部Cd和As积累的影响弱于小麦和水稻。同时，Si施加对作物不同部位的影响表现为依次为根部 (21.3%) < 地上部 (29.4%) < 籽粒 (31.7%)。此外，我们还发现Si纳米材料对Cd的抑制效应略高于其他Si材料。与叶面施加相比，根部施加对作物Cd和As的积累表现出更高的抑制效果。

3.Si施加降低了Cd和As诱导的健康风险：

本研究发现，添加Si显著抑制了三种主要作物籽粒中Cd和As的积累，Cd的平均降低率为36.0% (33.2-38.8%)，As的平均降低率为21.7% (18.4-24.9%)。为进一步量化Si施加对人类健康风险的影响，我们搜集了431对稻米中Cd和As浓度的观测值，将人类健康风险模型和蒙托卡罗模拟相耦合，指出了Si施加分别让稻米中Cd和As的健康风险，分别降低了12.9和2.6%。

4.Si施加降低了Cd和As的生物有效性且提升了土壤质量：

Si的施加对有效Cd和As含量产生了显著的负面影响，导致它们的含量分别降低了14.9% (11.2-18.4%)和8.79% (4.11-13.2%)。此外，Si的施加还显著提高了土壤中的有机质、溶解有机碳和阳离子交换量，这进一步证实了Si在改善土壤质量和增加土壤肥力方面的积极作用。

5.Si施加诱导了作物的生理和分子响应长：

本研究发现，Si施加显著促进了作物对营养元素的吸收，同时，也显著增加了作物光合作用24.9% (21.7-28.3%)和根含水量40.6% (14.7-72.5%)。此外，Si施加增加了作物抗氧化酶和非酶系统的活性，进而降低了MDA、H2O2和电解质渗漏率。在分子层面，Si施加显著降低了OsLsi1, OsLsi2和OsLsi6的表达，进而限制了作物对As的积累。相似地，Si也抑制了Cd积累相关基因(如Nramp5, HMA2和LCT1)的表达，故降低了作物对Cd的吸收和转运。

本文发表在国际期刊Science of The Total Environment，影响因子9.8。第一作者黄凤羽副教授，通讯作者方临川教授，该研究得到该研究得到国家自然科学基金项目(U21A20237)的资助。

论文链接: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.170663