DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1690421
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41584665
تاريخ النشر: 2026-01-09
المؤلف: Mohammad Mukarram وآخرون
الموضوع الرئيسي: آثار السيليكون في الزراعة
نظرة عامة
تستعرض هذه المراجعة دور السيليكون (Si) في تعديل عملية التمثيل الضوئي وتعزيز مقاومة الإجهاد في النباتات العليا، على الرغم من عدم تصنيف السيليكون كعنصر أساسي. يقوم المؤلفون بتلخيص النتائج الحديثة حول تأثير السيليكون على جوانب مختلفة من التمثيل الضوئي، بما في ذلك استقرار الكلوروفيل، وكفاءة نظام الضوء، ونقل الإلكترونات، وتوصيل الثغور، وتوازن المغذيات. يبرزون التفاعلات بين السيليكون والهرمونات النباتية مثل حمض الأبسيسيك (ABA)، وأكسيد النيتريك (NO)، وأنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، التي تنظم بشكل جماعي وظيفة خلايا الحراسة وكفاءة التمثيل الضوئي تحت ظروف الإجهاد. يتم التأكيد على دمج دراسات متعددة الأوميات وجزيئات السيليكون النانوية (SiNPs) كوسيلة لتوضيح التغيرات النسخية والتمثيلية التي يسببها السيليكون للحفاظ على أداء التمثيل الضوئي.
يستنتج المؤلفون أن السيليكون يؤثر على التمثيل الضوئي من خلال التفاعلات الكيميائية الحيوية، والتعزيز الميكانيكي، وإعادة برمجة النسخ. يشيرون إلى أن السيليكون يعزز باستمرار إزالة السموم من أنواع الأكسجين التفاعلية وتوازن المغذيات عبر مختلف الضغوط، بينما يقوم دوره التنظيمي في إشارات الثغور بضبط كفاءة التمثيل الضوئي. ومع ذلك، لا تزال هناك عدة أسئلة حاسمة بلا إجابة تتعلق بالفوائد المباشرة مقابل غير المباشرة للسيليكون على التمثيل الضوئي، وتفاعله مع الهرمونات بمرور الوقت، وإمكانية استخدام أساليب الأوميات لتحديد علامات استجابة السيليكون العالمية. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على دمج بيانات متعددة الأوميات مع التصوير المتقدم والتقييمات الفسيولوجية لفهم آليات السيليكون في التمثيل الضوئي بشكل أفضل، مع استكشاف إمكانية إضافة السيليكون والهندسة الوراثية لتطوير محاصيل مقاومة للمناخ.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور الحاسم لعملية التمثيل الضوئي في إنتاجية النباتات والأمن الغذائي العالمي، مع التأكيد على التأثير الضار لتغير المناخ والضغوط غير الحيوية على هذه العملية. يمكن أن تؤدي هذه الضغوط إلى تقليص كبير في غلات المحاصيل، قد يصل إلى 50% للمحاصيل الغذائية الرئيسية (Vogel et al., 2019). استجابةً لهذه التحديات، يستكشف الباحثون استراتيجيات مبتكرة لتعزيز كفاءة التمثيل الضوئي، مع التركيز بشكل خاص على تطبيق السيليكون (Si) في الزراعة. يُعترف بالسيليكون كعنصر شبه أساسي يقدم فوائد متعددة، بما في ذلك تعزيز الهيكل الخلوي للجدران، وتحسين توازن المغذيات، وزيادة المقاومة ضد الضغوط البيئية (Ahmed et al., 2023; Manivannan et al., 2023).
يؤثر السيليكون بشكل إيجابي على الآلات التمثيلية الضوئية من خلال استقرار أغشية الثايلاكويد، والحفاظ على مستويات الكلوروفيل، وتحسين تبادل الغازات، مما يعزز كفاءة التفاعل الضوئي والعائد الكمي لنظام الضوء II (PSII) (Song et al., 2014; Zhang et al., 2018). بالإضافة إلى ذلك، يعزز السيليكون امتصاص المغذيات ويخفف من آثار الجفاف والملوحة من خلال تحسين إمكانات الماء في الأوراق وتوازن الأيونات (Thorne et al., 2020; Manivannan et al., 2016). أظهرت التقدمات الحديثة في تطبيقات السيليكون النانوي وعدًا في تحسين التكيفات التمثيلية الضوئية تحت ظروف الإجهاد (Soundararajan et al., 2014). تهدف المراجعة إلى تلخيص المعرفة الحالية حول الشبكات التنظيمية للسيليكون في التمثيل الضوئي، مع تسليط الضوء على تفاعلاته مع جزيئات الإشارة وإمكاناته كأداة مستدامة لتحسين المحاصيل من خلال التأثيرات الوقائية على الآلات التمثيلية الضوئية ومسارات استجابة الإجهاد.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على الدور المتعدد الأوجه للسيليكون (Si) في تعزيز الأداء التمثيلي الضوئي تحت ظروف مثالية وظروف إجهاد. تحت الظروف الفسيولوجية، يُقترح أن يؤثر السيليكون على جوانب مختلفة من التمثيل الضوئي، بما في ذلك نقل الإلكترونات، وهيكل البلاستيدات الخضراء، والتعبير عن الجينات المتعلقة بالتمثيل الضوئي. ومع ذلك، يمكن أن تختلف آثار السيليكون بشكل كبير بناءً على تركيزه، وشكله، وطريقة تطبيقه. من الجدير بالذكر أنه بينما تشير بعض الدراسات إلى أن السيليكون لا يؤثر على محتوى الكلوروفيل تحت ظروف عدم الإجهاد، تظهر دراسات أخرى أن تطبيق السيليكون يمكن أن يعزز مستويات الكلوروفيل وكفاءة التفاعل الضوئي، خاصة تحت الضغط.
في البيئات المجهدة، يظهر السيليكون تأثيرات وقائية من خلال الحفاظ على سلامة البلاستيدات الخضراء وتعزيز تنظيم الثغور، وامتصاص المغذيات، وتوازن الأكسدة والاختزال. على سبيل المثال، خلال إجهاد الجفاف، يحسن السيليكون كفاءة استخدام الماء ويخفف من الآثار الضارة على الآلات التمثيلية الضوئية، مثل تدهور الكلوروفيل وانخفاض العائد التمثيلي الضوئي. وبالمثل، تحت ضغط الملوحة، يقلل السيليكون من امتصاص الأيونات الضارة مثل Na⁺ و Cl⁻، مما يدعم وظيفة الكلوروفيل وكفاءة التمثيل الضوئي بشكل عام. تناقش الورقة أيضًا دور السيليكون في تخفيف سمية المعادن (أو المعادن)، حيث يساعد على عكس التأثيرات الضارة على التمثيل الضوئي التي تسببها عناصر مثل Cu و Cd. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانية السيليكون كمنظم حاسم لمقاومة التمثيل الضوئي، خاصة تحت ظروف الإجهاد غير الحيوي، من خلال تعزيز الدفاعات المضادة للأكسدة، وديناميات المغذيات، ومسارات إشارات الثغور.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1690421
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41584665
Publication Date: 2026-01-09
Author(s): Mohammad Mukarram et al.
Primary Topic: Silicon Effects in Agriculture
Overview
This review examines the role of silicon (Si) in modulating photosynthesis and enhancing stress resilience in higher plants, despite Si not being classified as an essential element. The authors synthesize recent findings on Si’s influence on various aspects of photosynthesis, including chlorophyll stability, photosystem efficiency, electron transport, stomatal conductance, and nutrient homeostasis. They highlight the interactions between Si and phytohormones such as abscisic acid (ABA), nitric oxide (NO), and reactive oxygen species (ROS), which collectively regulate guard cell function and photosynthetic efficiency under stress conditions. The integration of multi-omics studies and silicon nanoparticles (SiNPs) is emphasized as a means to elucidate the transcriptional and metabolic changes that Si induces to maintain photosynthetic performance.
The authors conclude that Si affects photosynthesis through biochemical interactions, mechanical reinforcement, and transcriptional reprogramming. They note that Si consistently enhances reactive oxygen species detoxification and nutrient homeostasis across various stressors, while its regulatory role in stomatal signaling fine-tunes photosynthetic efficiency. However, several critical questions remain unanswered regarding the direct versus indirect benefits of Si on photosynthesis, its interaction with hormones over time, and the potential of omics approaches to identify universal Si-responsive markers. Future research should focus on integrating multi-omics data with advanced imaging and physiological assessments to better understand Si’s mechanisms in photosynthesis, while exploring the potential of Si supplementation and genetic engineering to develop climate-resilient crops.
Introduction
The introduction highlights the critical role of photosynthesis in plant productivity and global food security, emphasizing the detrimental impact of climate change and abiotic stresses on this process. These stresses can lead to significant reductions in crop yields, potentially by up to 50% for major food crops (Vogel et al., 2019). In response to these challenges, researchers are exploring innovative strategies to enhance photosynthetic efficiency, with a particular focus on the application of silicon (Si) in agriculture. Si is recognized as a quasi-essential element that offers multiple benefits, including structural reinforcement of cell walls, improved nutrient balance, and enhanced resilience against environmental stresses (Ahmed et al., 2023; Manivannan et al., 2023).
Si positively influences photosynthetic machinery by stabilizing thylakoid membranes, maintaining chlorophyll levels, and optimizing gas exchange, thereby promoting photochemical efficiency and the quantum yield of photosystem II (PSII) (Song et al., 2014; Zhang et al., 2018). Additionally, Si enhances nutrient uptake and mitigates the effects of drought and salinity by improving leaf water potential and ion balance (Thorne et al., 2020; Manivannan et al., 2016). Recent advances in nanosilicon applications have shown promise in improving photosynthetic adaptations under stress conditions (Soundararajan et al., 2014). The review aims to synthesize current knowledge on Si’s regulatory networks in photosynthesis, highlighting its interactions with signaling molecules and its potential as a sustainable tool for crop improvement through protective effects on the photosynthetic apparatus and stress response pathways.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the multifaceted role of silicon (Si) in enhancing photosynthetic performance under both optimal and stress conditions. Under physiological conditions, Si is suggested to influence various aspects of photosynthesis, including electron transport, chloroplast structure, and the expression of photosynthesis-related genes. However, the effects of Si can vary significantly based on its concentration, form, and application method. Notably, while some studies indicate that Si does not affect chlorophyll content under non-stress conditions, others demonstrate that Si application can enhance chlorophyll levels and photochemical efficiency, particularly under stress.
In stressful environments, Si exhibits protective effects by preserving chloroplast integrity and enhancing stomatal regulation, nutrient uptake, and redox homeostasis. For instance, during drought stress, Si improves water use efficiency and mitigates the adverse effects on photosynthetic machinery, such as chlorophyll degradation and reduced photosynthetic yield. Similarly, under salinity stress, Si reduces the uptake of harmful ions like Na⁺ and Cl⁻, thereby supporting chlorophyll functionality and overall photosynthetic efficiency. The paper also discusses Si’s role in alleviating metal(oid) toxicity, where it helps to reverse the detrimental impacts on photosynthesis caused by elements like Cu and Cd. Overall, the findings underscore Si’s potential as a critical modulator of photosynthetic resilience, particularly under abiotic stress conditions, by enhancing antioxidant defenses, nutrient dynamics, and stomatal signaling pathways.