Role of silicon in plant resistance to water stress

• Autorzy: Sacala E

Warianty tytułu

PL

Rola krzemu w odpornosci roslin na stres wodny

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Agricultural productivity is strongly affected by different abiotic stresses, among which water stress is the major environmental constraint limiting plants growth. The primary reason for water stress is drought or high salt concentration in soil (salinity). Because both of these stress factors lead to numerous physiological and biochemical changes in plants and result in serious loss in yields, there is a pressing need for finding the effective ways for increasing crops’ resistance to stress factors. One of the alternative methods involving alleviation of negative stress effects might be application of silicon as a fertiliser (root or foliar supply). Many plants, particularly monocotyledonous species, contain large amounts of Si (up to 10% of dry mass). In spite of the high Si accumulation in plants (its amount may equal concentration of macronutrients), until now it has not been considered as an essential element for higher plants. Many reports have shown that silicon may play a very important role in increasing plant resistance to noxious environmental factors. Hence, Si is recognised as a beneficial element for plants growing under biotic and abiotic stresses. The main form of Si which is available and easily taken up by plants is monosilicic acid (H4SiO4). Plants take up Si from soil solution both passively and actively. Some dicotyledonous plants such as legumes tend to exclude Si from tissues – rejective uptake. These plants are unable to accumulate Si and they do not benefit from silicon. Under water stress conditions, silicon might enhance plants’ resistance to stress and ameliorate growth of plants. These beneficial effects may result from better and more efficient osomoregulation, improved plant water status, reduction in water loss by transpiration, maintenance of adequate supply of essential nutrients, restriction in toxic ions uptake and efficient functioning of antioxidative mechanisms. Based on the current knowledge and presented data, it can be concluded that the role of Si in plants is not restricted to formation of physical or mechanical barrier (as precipitated amorphous silica) in cell walls, lumens and intercellular voids. Silicon can also modulate plants’ metabolism and alter physiological activities, particularly in plants subjected to stress conditions. However, in some plants, increased silicon supply does not improve plant growth. Hence, a better understanding of the interactions between silicon application and plant responses will contribute to more efficient fertiliser practices, especially under stress conditions.

PL

Produktywność roślin uprawnych jest w znacznym stopniu ograniczana przez różne abiotyczne czynniki stresowe, wśród których stres wodny jest jednym z głównych problemów, na który narażone są rośliny. Stres wodny najczęściej jest spowodowany suszą glebową lub nadmiernym zasoleniem gleb. Ponieważ te czynniki powodują liczne fizjologiczne i biochemiczne zmiany w roślinach oraz prowadzą do poważnych strat plonów, konieczne jest znalezienie skutecznych sposobów zwiększenia odporności roślin na stresy. Jednym ze sposobów pozwalających na złagodzenie ujemnych skutków stresu wodnego może być zasilanie roślin krzemem (w formie oprysku lub dodatku do podłoża). Wiele roślin, szczególnie jednoliściennych, zawiera duże ilości krzemu (do 10% s.m.). Pomimo że procentowa zawartość krzemu w roślinach może dorównywać zawartości makroelementów, to nie jest on uznawany za pierwiastek niezbędny do prawidłowego wzrostu i rozwoju roślin. Wyniki wielu badań wskazują jednak na ważną rolę krzemu w podnoszeniu odporności roślin na różne niekorzystne czynniki środowiska. Dlatego krzem jest uważany za pierwiastek wpływający korzystnie na rośliny, szczególnie poddane działaniu abiotycznych i biotycznych czynników stresowych. Główną formą krzemu dostępną dla roślin i łatwo przez nie pobieraną jest kwas ortokrzemowy (H4SiO4). Może on być pobierany z roztworu glebowego w sposób pasywny lub aktywny. Niektóre rośliny (głównie motylkowate) wykluczaj¹ krzem ze swoich tkanek (ang. rejective uptake). Rośliny te nie mają zdolności akumulowania tego pierwiastka, i w związku z tym nie mogą doświadczać jego korzystnego działania. W warunkach stresu wodnego krzem może zwiększać odporność roślin oraz poprawiać ich wzrost. Ten pozytywny wpływ może wynikać z: lepszej i bardziej sprawnej osmoregulacji, lepszego statusu wodnego, ograniczenia strat wody w procesie transpiracji, odpowiedniego zaopatrzenia w składniki mineralne, ograniczenia pobierania toksycznych jonów oraz sprawnego funkcjonowania mechanizmów antyoksydacyjnych. Opierając się na obecnym stanie wiedzy i przedstawionych danych, można stwierdzić, że rola krzemu nie ogranicza się jedynie do tworzenia mechanicznej lub fizycznej bariery (w postaci amorficznej krzemionki) w ścianach komórkowych, przestrzeniach międzykomórkowych oraz wewnątrz komórek. Pierwiastek ten może wpływać na metaboliczną i fizjologiczną aktywność roślin, szczególnie tych, które narażone są na niekorzystne wpływy środowiskowa. Jednakże w przypadku niektórych roślin nie stwierdzono pozytywnego wpływu krzemu na ich wzrost. Dlatego zrozumienie interakcji między zastosowaniem krzemu a reakcją roślin na ten pierwiastek przyczyni się do bardziej efektywnego nawożenia roślin, szczególnie w warunkach stresowych.

Słowa kluczowe

PL

silicon; plant resistance; water stress; plant growth; environmental factor

• Wydawca: -
• Czasopismo: Journal of Elementology
• Rocznik: 2009
• Tom: 14
• Numer: 3
• Opis fizyczny: p.619-630,ref.

Twórcy

autor

Sacala E

• Wroclaw University of Environmental and Life Sciences, Grunwaldzka 53, 50-357 Wroclaw, Poland

Bibliografia

• Ahmad R., Zaheer S., Ismail S. 1992. Role of silicon in salt tolerance of wheat (Triticum aestivum L.). Plant Sci., 85: 43-50.
• Al.-Aghabary, Zhu K., Shi Q.H. 2004. Influence of silicon supply on chlorophyll content, chlorophyll fluorescence, and antioxidative enzyme activities in tomato under salt stress. J. Plant Nutr., 27: 2101-2115.
• Allen R.D. 1995. Dissection of oxidative stress tolerance using transgenic plants. Plant Physiol., 107: 1049-1054.
• Bajji M., Kinet J-M., Lutts S. 2002. The use of the electrolyte leakage method for assessing cell membrane stability as a water stress tolerance test in durum wheat. Plant Growth Regul., 36: 61-70.
• Birchall J.D. 1990. The role of silicon in biology. Chem. Brit., 26: 141-144.
• Brogowski Z. 2000. Krzem w glebie i jego rola w żywieniu roślin [Silicon in soil and its role in plant nutrition]. Post. Nauk Rol., 6: 9-16. [in Polish]
• Doncheva Sn., Poschenrieder C., Stoyanova Zl., Georgieva K., Velichkova M., Barceló J. 2009. Silicon amelioration of manganese toxicity in Mn-sensitive and Mn-tolerant maize varieties. Environ. Exp. Bot., 65: 189-197.
• Edwardson J.A., Moore P.B., Ferrier I.N., Lilley J.S., Newton G.W.A., Barker J., Templar J., Day J.P. 1993. Effect of silicon on gastrointestinal absorption of aluminium. Lancet., 342: 211-212.
• El-Tayeb M.A. 2005. Response of barley grains to the interactive effect of salinity and salicylic acid. Plant Growth Regul., 45: 215-224.
• Epstein E. 1994. The anomaly of silicon in plant biology. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 91: 11-17.
• Epstein E. 1999. Silicon. Ann. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol., 50: 641- 664.
• Fauteux F., Remus-Borel W., Menzies J.G., Belanger R.R. 2005. Silicon and plant disease resistance against pathogenic fungi. FEMS Microbiol. Lett., 249: 1-6.
• Gao X., Zou Ch., Wang L., Zhang F. 2004. Silicon improves water use efficiency in maize plants. J. Plant Nutr., 27: 1457-1470.
• Gao X., Zou Ch., Wang L., Zhang F. 2006. Silicon decreases transpiration rate and conductance from stomata of maize plants. J. Plant Nutr., 29: 1637-1647.
• Grenda A., Skowrońska M. 2004. Nowe trendy w badaniach nad biogeochemią krzemu [New trends in studies on biogeochemistry of silicon]. Zesz. Prob. Post. Nauk Rol., 502: 781-789. [in Polish]
• Gunes A., Inal A., Bagci E.G., Coban S., Sahin O. 2007a. Silicon increases boron tolerance and reduces oxidative damage of wheat grown in soil with excess of boron. Biol. Plant., 51: 571-574.
• Gunes A., Inal A., Bagci E.G., Pilbeam D.J. 2007b. Silicon-mediated changes of some physiological and enzymatic parameters symptomatic for oxidative stress in spinach and tomato grown in sodic-B toxic soil. Plant Soil, 290: 103-114.
• Hasegawa P.M., Bressan R.A., Zhu J-K., Bohnert H.J. 2000. Plant cellular and molecular responses to high salinity. Ann. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol., 551: 463-499.
• Hattori T., Sonobe K., Inanaga S., An P., Tsuji W., Araki H., Eneji A.E., Morita S. 2007. Short term stomatal responses to light intensity changes and osmotic stress in sorghum seedlings raised with and without silicon. Environ. Exp. Bot., 60: 177-182.
• Henriet C., Draye X., Oppitz L., Swennen R., Delvaux B. 2006. Effects, distribution and uptake of silicon in banana (Musa spp.) under controlled conditions. Plant Soil, 287: 359-374.
• Hodson M.J., White P.J., Mead A., Broadley M.R. 2005. Phylogenetic variation in the silicon composition of plants. Ann. Bot., 96: 1027-1046.
• Jones L.H.P., Handreck K.A.1967. Silica in soils, plants and animals. Adv. Agron., 19: 107-149.
• Kaya C., Tuna L., Higgs D. 2006. Effect of silicon on plant growth and mineral nutrition of maize grown under water-stress conditions. J. Plant Nutr., 29: 1469-1480.
• Liang Y. 1998. Effects of Si on leaf ultrastructure, chlorophyll content and photosynthetic activity in barley under salt stress. Podosphere, 8: 289-296.
• Liang Y. 1999. Effects of silicon on enzyme activity and sodium, potassium and calcium concentration in barley under salt stress. Plant Soil, 209: 217-224.
• Liang Y., Si J., Romheld V. 2005a. Silicon uptake and transport is an active process in Cucumis sativus. New Phytol., 167: 797-804.
• Liang Y., Hua H., Zhu Y-G., Zhang J., Cheng Ch., Romheld V. 2006a. Importance of plant species and external silicon concentration to active silicon uptake and transport. New Phytol., 172: 63-72.
• Liang Y., Sun W., Zhu Y-G., Christie P. 2007. Mechanisms of silicon alleviation of abiotic stresses in higher plants: A review. Environ. Pollut., 147: 422-428.
• Liang Y., Zhang W., Chen Q., Liu Y., Ding R. 2005b. Effects of silicon on H+-ATPase and, H+-PPaes eactivity, fatty acids composition and fluidity of tonoplast vesicles from roots of salt-stressed barley (Hordeum vulgare L.). Environ. Exp. Bot., 53: 29-37.
• Liang Y., Zhang W., Chen Q., Liu Y., Ding R. 2006b. Effect of exogenous silicon (Si) on H+-ATPase activity, phospholipids and fluidity of plasma membrane in leaves of salt-stressed barley (Hordeum vulgare L.). Environ. Exp. Bot., 57: 212-219.
• Ma J.F., Higashitani A., Sato K., Takeda K. 2003. Genotypic variation in silicon concentration of barley grain. Plant Soil, 249: 383-387.
• Ma J.F., Yamaji N. 2006. Silicon uptake and accumulation in higher plants. Trends Plant Sci., 11: 392-397.
• Mitani N., Ma J.F. 2005. Uptake system of silicon in different plant species. J. Exp. Bot., 56: 1255-1261.
• Qian Q., Zai. W., Zhu Z., Yu J. 2006. Effects of exogenous silicon on active oxygen scavenging systems in chloroplasts of cucumber (Cucumis sativus L.) seedlings under salt stress. J. Plant Physiol. Mol. Biol., 32: 107-112.
• Rezanka T., Sigler K. 2008. Biologically active compounds of semi-metals. Phytochem., 69: 585-606.
• Reddy A.R., Chiatanya K.V., Vivekanandan M. 2004. Drought-induced responses of photosynthesis and antioxidant metabolism in higher plants. J. Plant Physiol., 161: 1189-1202.
• Romero-Aranda M.R., Jurado O., Cuartero J. 2006. Silicon alleviates the deleterious salt effect on tomato plant growth by improving plant water status. J. Plant Physiol., 163: 847-855.
• Sairam R.K., Saxena D.C. 2000. Oxidative stress and antioxidants in wheat genotypes: possible mechanism of water stress tolerance. J. Agron. Crop Sci., 184: 55-61.
• Savvas D., Giotis D., Chatzieustratiou E., Bakea M., Patakioutas G. 2009. Silicon supply in soilless cultivations of zucchini alleviates stress induced by salinity and powdery mildew infections. Environ. Exp. Bot., 65: 11-17.
• Sommer M., Kaczorek D., Kuzyakov Y., Breuer J. 2006. Silicon pools and fluxes in soils and landscapes — a review. J. Plant Nutr. Soil Sci., 169: 310-329.
• Tamai K., Ma J.F. 2003. Characterization of silicon uptake by rice roots. New Phytol., 158: 431-436.
• Tanaka T. 1985. Silicon and mammals. Bull. Tottori Univ., 9: 1-6.
• Tuna A.L., Kaya C., Higgs D., Murillo-Amador B., Aydemir S., Girgin A.R. 2008. Silicon improves salinity tolerance in wheat plants. Environ. Exp. Bot., 62: 10-16.
• Vorm P.D.J. van der. 1980. Uptake of Si by five plant species, as influenced by variation in Si-supply. Plant Soil, 56: 153-156.
• Wang Y., Stass A., Horst W. 2004. Apoplastic binding of aluminium is involved in siliconinduced amelioration of aluminium toxicity in maize. Plant Physiol., 136: 3762-3770.
• Yeo A.R., Flowers S.A., Rao G., Welfare K., Senanayake N., Flowers T.J. 1999. Silicon reduces sodium uptake in rice (Oreyza sativa L.) in saline conditions and this is accounted for by a reduction in the transpirational bypass flow. Plant Cell Environ., 22: 559-565.
• Zhu Z., Wei G., Li J., Qian Q., Yu I. 2004. Silicon alleviates salt stress and increases antioxidant enzymes activity in leaves of salt-stressed of cucumber (Cucumis sativus L.). Plant Sci., 167: 527-533.
• Zuccarini P. 2008. Effects of silicon on photosynthesis, water relations and nutrient uptake of Phaseolus vulgaris under NaCl stress. Biol. Plant., 52: 157-160.