أثر معالجة البذور بجزيئات السيلينيوم النانوية على إنبات ونمو شتلات الطماطم Impact of seed priming with Selenium nanoparticles on germination and seedlings growth of tomato

المجلة: Scientific Reports، المجلد: 14، العدد: 1
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-57049-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38509209
تاريخ النشر: 2024-03-20

أثر معالجة البذور بجزيئات السيلينيوم النانوية على إنبات ونمو شتلات الطماطم

إزيكييل غارسيا-لوكاسيو، إدغاردو I. فالينزويلا وبابل سيرفانتس-أفيليس

الملخص

يمكن أن تؤدي ضعف الإنبات ونمو الشتلات إلى خسائر اقتصادية كبيرة للمزارعين، لذلك هناك حاجة ماسة لاستراتيجيات زراعية مستدامة لتحسين الإنبات والنمو المبكر للمحاصيل. كان الهدف من هذا العمل هو تقييم جزيئات السيلينيوم النانوية (Se NPs) كعوامل تنشيط نانوية لبذور الطماطم (Solanum lycopersicum) التي نمت دون ظروف ضغط في كل من الأطباق وصواني الإنبات. تم تحديد جودة الإنبات، ونمو الشتلات، والتآزر-التضاد بين السيلينيوم وعناصر أخرى، ومصير جزيئات السيلينيوم النانوية، كدالة لتركيزات مختلفة من جزيئات السيلينيوم النانوية (1، 10 و50 جزء في المليون). أشارت النتائج إلى أن معدل الإنبات في الأطباق قد تحسن عند 10 جزء في المليون، بينما قدمت صواني الإنبات أفضل النتائج عند 1 جزء في المليون، بزيادة قدرها 10 و ، على التوالي. لذلك، تم قياس نمو الشتلات فقط في صناديق الإنبات. انخفض محتوى البرولين حتى مع 10 جزء في المليون، بينما بالنسبة لنفس المعالجة، زادت السعة الإجمالية لمضادات الأكسدة (TAC) ومحتوى الكلوروفيل الكلي حتى و ، على التوالي. التوترات بين السيلينيوم مع وتم تأكيد وجود Mo في البذور. في حالة الشتلات، انخفض محتوى النيتروجين مع زيادة محتوى السيلينيوم. أكدت صور المجهر الإلكتروني الناقل (TEM) أن جزيئات السيلينيوم النانوية كانت تحيط بالبلاستيدات في خلايا البذور. من خلال هذه النتيجة، يمكن استنتاج أن جزيئات السيلينيوم النانوية يمكن أن تصل إلى الجنين، وهو ما تدعمه التنافسية بين السيلينيوم والمواد الغذائية المهمة المشاركة في تكوين الجنين، مثل و Fe ، وأسفر عن جودة إنبات أفضل. علاوة على ذلك، يمكن تفسير التأثير الإيجابي لجزيئات السيلينيوم النانوية على الكلوروفيل الكلي و TAC، والارتباط السلبي مع محتوى البرولين مع محتوى السيلينيوم في البذور، من خلال تفاعلات جزيئات السيلينيوم النانوية مع البروبلستيدات وغيرها من العضيات داخل الخلايا، مما أدى إلى أطول طول وأعلى وزن طازج عندما تعرضت البذور لتركيز 1 جزء في المليون.

الكلمات الرئيسية: النانو-المبيدات الزراعية، سولانوم ليكوبيرسيكوم، الكلوروفيل، السعة الكلية لمضادات الأكسدة، البرولين
يتطلب تحقيق الأمن الغذائي العالمي ومنع المزيد من تدهور البيئة تنفيذ ممارسات زراعية مستدامة. في الواقع، الزراعة ضرورية للأعمدة الثلاثة للاستدامة: البيئة، والمجتمع، والاقتصاد. البندورة هي محصول محوري في الزراعة، فهي ثاني أهم محصول خضار والأكثر زراعة في عائلة الباذنجانيات. لذلك، ركز الباحثون على تطوير ممارسات زراعية مستدامة، بما في ذلك إضافة المواد الكيميائية النانوية الزراعية للطماطم والمحاصيل المهمة الأخرى. في الزراعة، يمكن أن تقدم المواد الكيميائية النانوية الزراعية مزايا مقارنة بالمواد الكيميائية الزراعية التقليدية، مثل تقليل الأثر السلبي على البيئة، وزيادة مقاومة النباتات للإجهاد البيولوجي وغير البيولوجي، وتقليل التلوث، واستخدام كميات أقل من الماء. . ترتبط هذه الفوائد أيضًا بطريقة التوصيل، حيث تعتبر التطبيقات الورقية والتطبيقات في التربة من أكثر الطرق شيوعًا لتوصيل النانو كيميائيات الزراعية تحضير البذور هو طريقة مبتكرة لتوصيل المواد الكيميائية النانوية الزراعية التي يمكن استخدامها لتعزيز قدرة الامتصاص والنظام الأيضي للبذور لزيادة الإنبات، والقدرة على تحمل الضغوط، أو مقاومة الآفات. ركزت الدراسات الحديثة حول تنشيط البذور على تحسين مقاومة الإجهاد لمختلف المحاصيل، على سبيل المثال، تم الإبلاغ مؤخرًا عن أن تنشيط بذور البازلاء (Pisum sativum) باستخدام جزيئات أكسيد الحديد النانوية قد حسن من النمو والمعايير الكيميائية الحيوية وإنتاجية المحاصيل تحت ظروف الإجهاد الناتج عن الجفاف. علاوة على ذلك، تم الإبلاغ عن نتائج إيجابية مماثلة في تجارب تحضير البذور للكانولا (Brassica napus) المعرضة لجزيئات أكسيد الكالسيوم (CaO NPs)، والتي زادت من نسبة الإنبات ووزن الشتلات الطازج. .
تم استخدام النانوكيماويات الزراعية في الطماطم كنانوبستيدات ونانومخصبات. تشمل النانومخصبات محسنات البذور وتهدف إلى زيادة معدلات الإنبات والنمو لتحسين مقاومة نباتات الطماطم للإجهاد غير الحيوي، مثل الجفاف والحرارة والملوحة، من بين أمور أخرى. بينما تم اختبار النانو مبيدات الحشرات أيضًا ضد أهم مسببات الأمراض النباتية لهذه المحاصيل، مثل فوساريوم أوكسي سبوروم ف. سب. ليكوبيرسي، زانثوموناس بيرفورانس، بseudomonas syringae، بوتريتيس سينيريا، فيتوفثورا إنفستانس، وكلافباكتير ميتشيغانينس، مع نشاط ممتاز مضاد للبكتيريا والفطريات مقارنةً بنظيراتها التقليدية. . من بين المواد النانوية المستخدمة لمحاصيل الطماطم، تم اختبار العديد من التركيبات الكيميائية كسماد نانوي ومبيد نانوي لمحاصيل الطماطم مع نتائج متناقضة، مثل و Se، بما في ذلك أكثر أنواع الجسيمات النانوية شيوعًا مثل الجسيمات النانوية المعتمدة على النحاس والجسيمات النانوية المعتمدة على الزنك . كانت هذه التركيبات الأخيرة أكثر ارتباطًا بالنتائج الإيجابية كعوامل تحفيز في بذور الطماطم، مما زاد من معدل الإنبات وجودة الإنبات بشكل عام. بشكل عام، تشمل بعض الفوائد المبلغ عنها للجزيئات النانوية في الطماطم، ولكن لا تقتصر على، معدل إنبات أعلى، وزيادات في كمية الكتلة الحيوية، ومحتوى الكلوروفيل، والمحصول. كما تم الإبلاغ عن آثار سلبية، مثل تثبيط الإنبات، وانخفاض محتوى الكلوروفيل، والإجهاد التأكسدي، من بين أمور أخرى. ومع ذلك، قد تختلف آثار الجزيئات النانوية بناءً على التركيب الكيميائي الآخر بسبب التركيز والخصائص الفيزيائية والكيميائية للجزيئات النانوية، وطريقة التوصيل المستخدمة، وظروف التعرض.
لقد وُجد أن نانو الجسيمات السيلينيوم (Se NPs) مفيدة كسماد نانو لمختلف المحاصيل مثل (التركيز الأمثل بين قوسين): اللفت (Brassica napus) (28.34 جزء في المليون) خيار (Cucumis sativus) (25 جزء في المليون) القهوة (Coffea arabica) (120 جزء في المليون) الرمان (Punica granatum) (0.378 جزء في المليون ، من بين أمور أخرى. في الطماطم، تم استخدام نانو الجسيمات السيلينيوم لتخفيف أعراض الإجهاد والأمراض، على سبيل المثال، تم الإبلاغ مؤخرًا عن أن الصفر التكافؤ تطبيق الجسيمات النانوية على واجهة التربة-الجذر في أسفرت عن زيادات طفيفة في معايير النمو في نباتات الطماطم المتعرضة للإجهاد الحراري، على الرغم من أن العلاجات بتركيز 1 و25 جزء في المليون كانت تفتقر إلى الكفاءة. ساعدت الجسيمات النانوية من السيلينيوم التي تم تصنيعها حيوياً أيضًا في زيادة مقاومة واستجابة دفاع نباتات الطماطم ضد مرض العفن المتأخر (Phytophthora infestans) من خلال تنشيط البذور بتركيز 100 جزء في المليون، مما حقق حتى الحماية ضد الفطريات النباتية وتأثيرات ثانوية إيجابية أخرى، مثل زيادة الإنبات بواسطة زادت بذور الطماطم المعالجة بنانو مركب من جزيئات السيلينيوم المسامية من معدل إنباتها حتى عند 100 جزء في المليون، بينما أظهر النانو مركب كفاءة مضادة للفطريات كبيرة ضد مرض العفن الرمادي للطماطم (Botrytis cinerea). على الرغم من الإبلاغ عن التأثيرات الإيجابية لجزيئات السيلينيوم النانوية في الطماطم، إلا أن الدراسات قد ركزت على تخفيف الإجهاد، والوقاية من الأمراض وعلاجها عندما تكون النباتات في مرحلة النمو الخضري، بينما الدراسات التي تتعلق بإنبات بذور الطماطم دون إجهاد غير حيوي أو حيوي نادرة جداً ومطلوبة. سيساعد تطبيق جزيئات السيلينيوم النانوية كعامل تنشيط نانوي في بذور الطماطم الصحية دون إجهاد مُستحث على فهم تأثيراتها في الظروف الطبيعية. كان الهدف الرئيسي من هذه الدراسة هو التحقيق في تأثيرات تنشيط بذور الطماطم بجزيئات السيلينيوم النانوية كوظيفة لجودة الإنبات، ونمو الشتلات، والتآزر-التضاد بين السيلينيوم وعناصر أخرى، وإيجاد التركيز الأمثل لجزيئات السيلينيوم النانوية لتنشيط بذور الطماطم. كما تم تحديد مصير جزيئات السيلينيوم النانوية في البذور المنشطة نانوياً من خلال تصوير المجهر الإلكتروني الناقل.

المواد والطرق

مصدر وتوصيف الجسيمات النانوية السيلينيوم

تم الحصول على جزيئات نانوية من العناصر من ID Nano (المكسيك) بحجم جزيء أساسي تم تحديد شكل الجسيمات النانوية بواسطة المجهر الإلكتروني الناقل (TEM، JEOL JEM 1010). تم قياس القطر الهيدروديناميكي و تم قياس الجهد بواسطة تشتت الضوء الديناميكي (DLS، Zetasizer Lab، Malvern Panalytical). تم تحديد الرنين البلازمي السطحي المحلي (LSPR) بواسطة مطياف الأشعة فوق البنفسجية والمرئية (Jenway، كانت تركيزات تعليق جزيئات السيلينيوم النانوية (Se NPs) في المخزون 4000 جزء في المليون، والتي تم تخفيفها بماء الميلي Q إلى 1 و10 و50 جزء في المليون، وهي التركيزات التجريبية نظرًا لأن القيم من 1 إلى 100 جزء في المليون أظهرت تأثيرات إيجابية في الطماطم والمحاصيل الأخرى عند تطبيقها عبر أنظمة توصيل مختلفة كما ذُكر في المقدمة. تم تفريق المخزونات والتعليقات التجريبية بواسطة الموجات فوق الصوتية لمدة 30 دقيقة عند 185 واط (Branson 5510). بعد الموجات فوق الصوتية، تم تعقيم جزيئات السيلينيوم النانوية بواسطة الإشعاع فوق البنفسجي لمدة 60 دقيقة (Labconco Purifier، الفئة الثانية، النوع A2، BSC). .

تجارب تنشيط بذور الطماطم

تم الحصول على بذور الطماطم التجارية من نوع فلوراديد من الولايات المتحدة الأمريكية. تم تعقيم البذور بمحلول هيبوكلوريت الصوديوم عند لمدة 10 دقائق، ثم تم غسلها على الفور ثلاث مرات بماء MilliQ. بعد ذلك، تمت إضافة البذور إلى المعالجة المقابلة لها من 1 و10 و50 جزء في المليون من نانو جزيئات السيلينيوم العنصري (1000 مل من المحلول لكل معالجة) وتم هزها بقوة عند 250 دورة في الدقيقة لمدة 180 دقيقة في درجة حرارة الغرفة (IKA KS 4000 ic control). تم إنبات البذور المعالجة باستخدام طريقتين، أطباق بتري وصناديق إنبات. تم إدخال البذور إلى أطباق بتري مع ماء مقطر أو إلى صناديق إنبات مع الفيرميكوليت والبيرلايت. ) كركيزة. تم إجراء كل معالجة تجريبية بأربعة تكرارات، باستخدام 40 بذور لكل معالجة. تم اعتبار ماء MilliQ كوسيلة تحكم لتهيئة البذور. تم الاحتفاظ بالبذور في ظروف مظلمة لمدة 7 أيام وتم قياس معايير الإنبات في اليوم الثامن. يتم تحديد مصير نانو الجسيمات السيلينيوم داخل البذور من خلال المجهر الإلكتروني الناقل (TEM)، بينما تم قياس محتوى العناصر غير العضوية في البذور بواسطة مطيافية الكتلة مع البلازما المقترنة بالحث (ICP-MS). بالنسبة لهذه التحليلات، تم هضم البذور في 10 مل من في باستخدام نظام فرن الميكروويف (مارس 6، شركة CEM)، حيث تم زيادة درجة الحرارة تدريجياً إلى تم الاحتفاظ بها لمدة 10 دقائق، ثم تركت لتبرد تدريجياً إلى درجة حرارة الغرفة.

قياس إنبات البذور

تشمل المعلمات المقاسة معدل الإنبات (GR، المعادلة (1))، إمكانات الإنبات (GP، المعادلة (2))، متوسط وقت الإنبات (MGT، المعادلة (3))، مؤشر الإنبات (GI، المعادلة (4))، ومؤشر الحيوية (VI، المعادلة (5)) .

مصير جزيئات النانو Se في بذور الطماطم المهيأة

تم إجراء إجراءات TEM القياسية للتحقق مما إذا كانت جزيئات السيلينيوم النانوية قد اخترقت غلاف البذور. تم غسل عينات بذور الطماطم جيدًا بماء ميلي كيو وتم تثبيتها مسبقًا في جلوتارالدهيد لمدة ساعة واحدة في درجة حرارة الغرفة. ثم، تم غسل العينات في محلول بافر كاكوديلات الصوديوم، وتم تثبيتها بعد ذلك في أكسيد الأوزميوم الرباعي في لمدة 24 ساعة. تم غسل العينات بمحلول سكرات الصوديوم وتم تجفيفها في سلسلة متدرجة من الإيثانول ( ). أخيرًا، تم تضمين العينات في راتنج الإيبوكسي (EPON 812)، وتم قطعها باستخدام ميكروتوم فائق الدقة إلى بسمك، ووُضعت في شبكات قائمة على النحاس للملاحظة باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ (TEM، JEOL JEM 1010) .

نمو شتلات الطماطم

تم قياس طول النبات وقيم الوزن الطازج بعد 21 يومًا من الزراعة (21 يومًا بعد الزراعة) لشتلات الطماطم التي نمت في الصناديق. تم حساب قيم الطول باستخدام خيط ومقياس. ) وتم التعبير عنها بالسنتيمترات. تم تحديد قيم الوزن الطازج باستخدام ميزان تحليلي (Ohaus Adventurer) وتم التعبير عنها بالميليغرامات .

إجمالي القدرة المضادة للأكسدة (TAC)

تم قياس TAC في الأنسجة الهوائية وفقًا لطريقة معيار تروكس المعادلة. باختصار، قمنا بإعادة تكوين محلول قياسي من تروكس باستخدام ثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO) لإعداد منحنى المعايرة. ثم تم إدخال المحلول القياسي المحضر في لوحة تحتوي على 96 بئرًا و المعد تم إضافة الحل. علاوة على ذلك، تم تخفيف عينات من الأنسجة الهوائية الكاملة للشتلات مع قناع البروتين، و المعد تم إضافة المحلول. تم حضانة جميع العينات والمعايير والعينة الفارغة (نفس المواد الكيميائية بدون نسيج نباتي) في الظلام لمدة 90 دقيقة في درجة حرارة الغرفة. أخيرًا، تم قياس الامتصاص عند 570 نانومتر وتم حساب مكافئات تروكس. مع المعادلة (6)، حيث تمثل C معادلات التروlox في هو مكافئ تروكس لعينة من منحنى القياس، و هو حجم العينة في تُحوَّل قيم TAC وتُعبر عنها بـ لكل جرام من الوزن الطازج.

محتوى الكلوروفيل

تم تحديد محتوى الكلوروفيل الكلي بناءً على طريقة وينترمان ودي موتس. . على وجه التحديد، تم أخذ 100 ملغ من الأنسجة الهوائية الكاملة الطازجة (الساق) من كل معالجة وغمرها في 5 مل من الإيثانول في ثم تم طحن العينات وتركها طوال الليل لاستخراج الأصباغ. تم طرد الخليط مركزيًا لمدة 3 دقائق عند تم قياس الامتصاص عند 654 في جهاز الطيف الضوئي (جينواي، 6715 UV). تم الحصول على تقدير الكلوروفيل الكلي باستخدام المعادلة (7) وتم التعبير عنه بالملليجرامات من الكلوروفيل الكلي لكل جرام من الوزن الطازج.

محتوى البرولين

تم تقييم محتوى البرولين في شتلات الطماطم وفقًا للطريقة القياسية تم إعداد منحنى قياسي باستخدام L-برولين ). علاوة على ذلك، قمنا بتحضير وتخفيف وطرد العينات الكاملة من الأنسجة الهوائية للحصول على 2 مل من الراشح، وأضفنا 2 مل من حمض النينهدين و2 مل من حمض الأسيتيك الجليدي. تم تحضير عينة فارغة (نفس المواد الكيميائية بدون أنسجة نباتية). تم وضع جميع العينات في حمام مائي وغليها لمدة 60 دقيقة، ثم تم تبريدها على الفور باستخدام الثلج. بعد ذلك، أضيف 4 مل من التولوين وتم هز المحلول بقوة. أخيرًا،
تم قياس الامتصاص في الكروموفور عند 520 نانومتر وتم حساب محتوى البرولين باستخدام المعادلة (8) والتعبير عنه في من البرولين لكل جرام من الوزن الطازج.

تحديد النيتروجين

تم تحديد محتوى النيتروجين الكلي وفقًا لطريقة هضم البيرسلفات باختصار، تم استخدام مفاعل HI 839800 (أدوات هانا) و10 مل من حمض الكبريتيك لهضم الأنسجة الهوائية والجذرية من شتلات الطماطم في لـ تم إضافة أكياس مسحوق البيرسلفات إلى قوارير كاشف هضم الهيدروكسيد p مع إضافة 0.5 مل من العينات المهضومة (0.5 مل من الماء المقطر للفراغ). ثم تم هز القوارير بقوة لمدة 30 ثانية ووضعها في مفاعل حراري لمدة 30 دقيقة عند واتركه ليبرد إلى درجة حرارة الغرفة. كاشف TN تمت الإضافة، وتم هز القوارير لمدة 30 ثانية، بينما حدث تفاعل لمدة 3 دقائق. بعد ذلك، تمت إضافة كاشف TN B إلى القوارير التي تم هزها لمدة 15 ثانية، بينما حدثت تفاعل. ثم، تم استخراج 2 مل وأضيفت إلى قوارير كاشف TN C. تم بدء البرنامج “394 N، إجمالي HR TNT” في جهاز الطيف الضوئي DR 1900 (شركة هاش). أخيرًا، تم إدخال القارورة الفارغة في حامل الخلية وتعيينه كـ “صفر”، ثم يتم قراءة محتوى النيتروجين لكل عينة في يتم تحويل تقدير محتوى النيتروجين الكلي إلى جرامات ( ) وضربه في 1000 للتعبير عنه بالجرام لكل كيلوغرام من الوزن الطازج.

تحديد المعادن

تم تحديد فحص المعادن بما في ذلك المغذيات الكبيرة والصغيرة في البذور وأنسجة الشتلات الكاملة من الطماطم. قبل التحليل، تم تجفيف البذور والأنسجة حتى الوصول إلى وزن ثابت ثم تم إخضاعها لهضم حمضي في نظام فرن ميكروويف (Mars 6، شركة CEM). ثم تم تخفيف العينات المهضومة باستخدام الماء منزوع الأيونات وتم تحليلها بواسطة مطيافية الكتلة المقترنة بالتحليل الطيفي.ICP.MS) في جهاز ICP-MS Agilent 7800 يتم تحويل محتوى العناصر من ppb إلى ملليغرام لكل كيلوغرام من الوزن الجاف.

التحليل الإحصائي

تم تحليل جودة الإنبات، ونمو الشتلات، والمعايير البيوكيميائية، ومحتوى النيتروجين إحصائيًا باستخدام تحليل التباين الأحادي (ANOVA) مع برنامج Origin Pro، مع اعتبار تركيز نانو الجسيمات السيلينيوم كعامل متغير. كما تم تحليل محتويات المعادن باستخدام مصفوفات ارتباط بيرسون. تم إجراء جميع إجراءات المقارنة المتعددة بين الأزواج باستخدام طريقة هولم-سيداك، وتستند الفروق المعنوية بين المعالجات والشاهد إلى احتمال ما لم يُذكر خلاف ذلك. تُعرض البيانات كمتوسط الأخطاء المعيارية ما لم يُنص على خلاف ذلك.

النتائج

توصيف جزيئات السيلينيوم النانوية

أشارت قياسات DLS إلى أن متوسط توزيع حجم جزيئات السيلينيوم النانوية كان 143.9 نانومتر (الشكل 1A) مع مؤشر تباين قدره 0.0908، وهو ما يتعارض مع صور TEM. طول يمكن أن تكون الفروق في حجم جزيئات السيلينيوم النانوية التي تم الحصول عليها بواسطة قياس انتشار الضوء الديناميكي (DLS) والمجهر الإلكتروني النافذ (TEM) ناتجة عن التجمع المحتمل للجزيئات النانوية في المحلول.
الشكل 1. توصيف جزيئات السيلينيوم النانوية كدالة لتوزيع الحجم، وLSPR، وصور TEM. (أ) أظهرت قياسات DLS توزيع حجم جزيئات السيلينيوم النانوية من 75 إلى 320 نانومتر (المتوسط ). (B) قمة LSPR سجلت أعلى امتصاص في منطقة UV-C عند 190 نانومتر. (C) صورة مجهر TEM لجزيئات السيلينيوم النانوية ذات الشكل غير المنتظم. طول عرض).
تم قياسها من خلال DLS. تم الكشف عن قمة LSPR (الشكل 1B)، التي تم تحديدها لفهم النشاط الضوئي التحفيزي لجزيئات النانو، في منطقة UV-C عند 190 نانومتر. كشفت صور TEM أن جزيئات السيلينيوم كانت ذات شكل غير منتظم (الشكل 1C)، مما يمكن أن يساهم أيضًا في اختلافات حجم التكتلات. كانت الموصلية المتوسطة لجزيئات السيلينيوم هي و الـ تمت ملاحظة الجهد عند -48.19 مللي فولت، مما يشير إلى أن جزيئات السيلينيوم النانوية كانت لها تشتت مستقر في الماء.

إنبات بذور الطماطم المعالجة بجزيئات السيلينيوم النانوية

البيانات المعروضة في الشكل 2 كشفت أن تنشيط بذور الطماطم باستخدام جزيئات السيلينيوم النانوية قد حسن من جودة الإنبات. في أطباق بتري، أدى تنشيط البذور بتركيز 10 جزء في المليون إلى زيادة معدل الإنبات حتى مقارنةً بالتحكم (الشكل 2A)، بينما زاد potencial الإنبات حتى تم الحصول على نتائج أفضل مع الأطباق ذات الجرعة المنخفضة (الشكل 2B)، حيث ارتفع معدل الإنبات (الشكل 2F) والإمكانات حتى مع 1 جزء في المليون (الشكل 2G)، مقارنةً بالتحكم. كما زاد متوسط وقت الإنبات وفقًا لذلك لكلتا الطريقتين بسبب العدد الأكبر من البذور التي تنبت. وقد أدى ذلك إلى وقت إنبات يصل إلى 6 أيام (الشكل 2C) في أطباق بتري عند 10 أجزاء في المليون، و4.8 أيام في صواني الإنبات عند 1 جزء في المليون (الشكل 2H). علاوة على ذلك، زاد مؤشر الإنبات حتى في أطباق بتري بتركيز 10 جزء في المليون (الشكل 2D)، بينما أظهرت الصواني كفاءة أعلى عند 1 جزء في المليون، مما زاد من مؤشر الإنبات حتى مقارنةً بالتحكم (الشكل 2I). كما تم تعزيز مؤشر الحيوية بشكل كبير في الأطباق (الشكل 2J)، حيث زاد حتى مقارنةً بالتحكم. في أطباق بتري، زادت 10 جزء في المليون من مؤشر الحيوية حتى (الشكل 2E)، ومع ذلك، كانت النتائج مشابهة إحصائيًا للمجموعة الضابطة. في كلا طريقتي الإنبات وجميع المعايير المقاسة، كانت النتائج التي تم الحصول عليها من معالجة بذور الطماطم بالنانو بريمينغ بتركيز 50 جزء في المليون إما عدم وجود اختلافات إحصائية، أو حتى انخفاضات مقارنة بالمجموعات الضابطة.

مصير جزيئات النانو Se داخل بذور الطماطم المهيأة

تظهر الشكل 3 صور مجهرية TEM لبذور الطماطم المعالجة بالنانو المعززة المعرضة لجزيئات السيلينيوم النانوية. تم تأكيد اختراق جزيئات السيلينيوم النانوية من خلال غلاف البذور (الأسهم الحمراء). علاوة على ذلك، يمكن ملاحظة جزيئات السيلينيوم النانوية بالقرب من غشاء البروبلستيد داخل البذور، مما يثير تفاعلات وآليات غير معروفة في تكوين البلاستيدات الخضراء وغيرها من العضيات.
الشكل 2. جودة إنبات بذور الطماطم المنبتة في أطباق بتري (اللوحات اليسرى) وصناديق الإنبات (اللوحات اليمنى) كدالة لتركيزات مختلفة من نانو جزيئات السيلينيوم. (A,F) معدل الإنبات. (B,G) إمكانات الإنبات. (C,H) متوسط وقت الإنبات. (D,I) مؤشر الإنبات. (E,J) مؤشر الحيوية. كل نتيجة هي متوسط 4 تكرارات. تم إجراء التحليل الإحصائي باستخدام اختبار هولم-سيداك بشكل منفصل لكل طريقة إنبات ومعلمة. الفروق ذات الدلالة الإحصائية ( ) بين الوسائل ممثلة بحروف مختلفة في أعمدة العلاج. تمثل الخطوط العمودية الحمراء مع الأغطية خطأ قياسي.
الشكل 3. أكدت صور المجهر الإلكتروني الماسح (TEM) اختراق جزيئات السيلينيوم النانوية (Se NPs) من خلال غلاف بذور الطماطم المعالجة نانوياً ووجودها داخل الأندوسبرم. جزيئات السيلينيوم النانوية في الصورة اليسرى تشير إليها رؤوس الأسهم الحمراء. البلاستيدات الأولية في الصورة اليمنى تشير إليها رؤوس الأسهم الصفراء.

نمو الشتلات

نبتات الطماطم التي تم تحفيزها بالنانو التي نمت في الصناديق أظهرت زيادات ملحوظة في الطول الكلي (21 يوم بعد الزراعة). زاد الطول الكلي حتى و على التوالي لـ 1 و 10 جزء في المليون من نانو جزيئات السيلينيوم، مقارنةً بالتحكم (الشكل 4A). ومع ذلك، لم يكن للنانو جزيئات أي تأثير على الوزن الطازج للشتلات (الشكل 4B).
الشكل 4. المعايير الفسيولوجية لشتلات الطماطم المزروعة في الصناديق (21 يوم بعد الزراعة). (أ) الطول. (ب) الوزن الطازج. (ج) TAC. (د) محتوى الكلوروفيل الكلي. (هـ) محتوى البرولين. (و) محتوى النيتروجين الكلي. كل نتيجة هي متوسط 4 تكرارات، وتم إجراء التحليل الإحصائي باستخدام اختبار هولم-سيداك بشكل منفصل لكل معيار. الفروق ذات دلالة إحصائية ( ) بين الوسائل ممثلة بحروف مختلفة في أعمدة العلاج. تمثل الخطوط الرأسية ذات الأغطية خطأ قياسي.

إجمالي القدرة المضادة للأكسدة

قيم TAC للأنسجة الهوائية الكاملة في شتلات الطماطم المعالجة بالنانو (21 يوم بعد الزراعة) التي نمت في الأواني زادت بشكل ملحوظ عندما تعرضت البذور لتركيزات 10 و 50 جزء في المليون من نانو سيلينيوم. كما هو موضح في الشكل 4C، أظهرت النتائج التي تم الحصول عليها مع 1 جزء في المليون تشابهًا إحصائيًا مع المعالجات 10 و 50 جزء في المليون، ومجموعة التحكم. تم الحصول على أعلى قيم TAC عند 10 جزء في المليون، مع زيادات تصل إلى مقارنةً بالتحكم، بينما بالنسبة لـ 50 جزء في المليون، زادت TAC من شتلات الطماطم حتى .

محتوى الكلوروفيل

زاد إجمالي محتوى الكلوروفيل المستخلص من الأنسجة الهوائية الكاملة في شتلات الطماطم المعالجة بالنانو (21 يومًا بعد الزراعة) التي نمت في الأطباق بشكل ملحوظ ولكن فقط مع 10 جزء في المليون من نانو جزيئات السيلينيوم، كما هو موضح في الشكل 4D، حيث بلغت الزيادات حتى . على العكس، فإن معالجة 1 جزء في المليون خفضت محتوى الكلوروفيل الكلي حتى بينما أظهر علاج 50 جزء في المليون تشابهات مع كل من المجموعة الضابطة و1 جزء في المليون، لكن لم تُلاحظ أي تخفيضات ملحوظة.

محتوى البرولين

تم تقليل محتوى البرولين (علامة إجهاد مهمة) في الأنسجة الهوائية الكاملة لشتلات الطماطم المعالجة بالنانو (21 يومًا بعد الزراعة) التي نمت في الأواني بشكل ملحوظ عندما تعرضت البذور لـ 10 و 50 جزء في المليون من نانو سيلينيوم. كانت المعالجة الأكثر فعالية هي 10 جزء في المليون، مع انخفاض قدره بينما حقق 50 جزء في المليون تقليلاً من مقارنةً بالتحكم. تم الحصول على نتائج متطابقة تقريبًا من 1 جزء في المليون والتحكم (الشكل 4E)، مما يظهر عدم وجود اختلافات في مستوى هذا الأسموليت.

محتوى النيتروجين

يرتبط محتوى النيتروجين في النباتات بنمو الشتلات ونشاطها الضوئي. في شتلات الطماطم المعالجة بالنانو (21 يومًا بعد الزراعة)، لوحظت زيادات ملحوظة مع 1 و10 جزء في المليون من نانو جزيئات السيلينيوم. تم الحصول على أفضل النتائج مع 10 جزء في المليون، حيث زاد محتوى النيتروجين حتى بينما كانت الزيادة التي تم الحصول عليها مع 1 جزء في المليون تصل إلى ، مقارنةً بالتحكم. إحصائيًا، لم تكن هناك اختلافات بين التحكم و50 جزء في المليون، مما يعني أن محتوى النيتروجين ظل عند مستويات مشابهة، كما هو موضح في الشكل 4F.

محتوى المعدن

أدت الجسيمات النانوية من السيلينيوم إلى تغييرات كبيرة في محتوى المعادن للبذور والشتلات (21 يوم بعد الزراعة) (الجدول 1). في بذور الطماطم المعالجة بالجسيمات النانوية من السيلينيوم، زاد محتوى السيلينيوم وفقًا لعلاجات الجسيمات النانوية من السيلينيوم، ( ) و . ومع ذلك، انخفض تركيز الكالسيوم والنحاس بشكل كبير في وجود جزيئات السيلينيوم النانوية. تم تقليل محتوى الكالسيوم في البذور في جميع المعالجات بين 31.95 و ، بينما انخفض محتوى النحاس بين (الجدول 1). وبالمثل، في شتلات الطماطم (21 يوم بعد الزراعة)، انخفض محتوى الكالسيوم والنحاس في جميع المعاملات في نطاق من ، و ، على التوالي. علاوة على ذلك، انخفض محتوى الموليبدينوم والبوتاسيوم أيضًا بين 42.86 و ، و على التوالي (الجدول 2). لم يتم ملاحظة هذا الاتجاه في محتوى السيلينيوم في شتلات الطماطم، حيث أدت جميع المعاملات إلى عدم وجود اختلافات ذات دلالة إحصائية مقارنة بالتحكم. علاوة على ذلك، تم تأكيد التأثيرات التنافسية للسيلينيوم مع العناصر الغذائية المعدنية الأخرى في بذور الطماطم المعالجة بجزيئات نانوية من السيلينيوم من خلال مصفوفة ارتباط بيرسون كما هو موضح في المعلومات التكميلية (SI، الجدول S1) التي تبرز التأثيرات التنافسية على ، وCu. على العكس من ذلك، أظهرت جزيئات السيلينيوم (Se NPs) التي تم تحضيرها لشتلات الطماطم (21 يومًا بعد الزراعة) ارتباطًا تآزريًا بين محتوى السيلينيوم والعناصر الغذائية المهمة، مثل وزنك (SI، الجدول S2).
تحكم 1 جزء في المليون 10 جزء في المليون 50 جزء في المليون
سي
لا
مغنيسيوم
ال
ك
كا
تي
من
حديد
نحاس
زن
مو
الجدول 1. تأثير جزيئات السيلينيوم النانوية على محتوى السيلينيوم والعناصر الغذائية المعدنية الأخرى في بذور الطماطم المعالجة (ملغ/كغ وزن جاف) تمثل البيانات المتوسط والانحراف المعياري لثلاثة تكرارات تجريبية. يتم الإشارة إلى الأهمية الإحصائية بواسطة (هولم-سيداك مقابل التحكم).
تحكم 1 جزء في المليون 10 جزء في المليون 50 جزء في المليون
سي
لا
مغنيسيوم
ال
ك
كا
تي
من
حديد
نحاس
زن
مو
الجدول 2. تأثير جزيئات السيلينيوم النانوية على محتوى السيلينيوم والعناصر المعدنية الغذائية الأخرى في شتلات الطماطم المعالجة (ملغ/كغ وزن جاف) تمثل البيانات المتوسط والانحراف المعياري لثلاث تكرارات تجريبية. الدلالة الإحصائية موضحة بواسطة (هولم-سيداك مقابل التحكم).

المناقشة

أدى معالجة بذور الطماطم بجزيئات السيلينيوم النانوية إلى زيادات كبيرة في جودة الإنبات في الأطباق والأطباق الزجاجية، مما عزز معدل الإنبات، والحيوية، ومؤشرات الإنبات. في الأطباق، تجاوزت فعالية جزيئات السيلينيوم النانوية كعوامل معالجة النتائج التي تم الحصول عليها في الأطباق الزجاجية، حيث زادت معدل الإنبات بنسبة مع 1 جزء في المليون ومؤشرات الإنبات والحيوية بين 54.16 و لجميع تركيزات جزيئات السيلينيوم النانوية المختبرة. علاوة على ذلك، تم تحقيق النتائج الإيجابية في الأطباق مع 1 جزء في المليون من جزيئات السيلينيوم النانوية، بينما تم تسجيل التأثيرات الإيجابية لجزيئات السيلينيوم النانوية في الأطباق الزجاجية مع 10 أجزاء في المليون. خلال ظهور الجذور، كانت السويقات والسويقات العلوية للبذور المنبتة في الأطباق الزجاجية مشوهة بسبب غياب الركيزة، مما أدى إلى موت الشتلات أثناء الزراعة. هذه النتائج والكفاءة الأعلى التي تم تحقيقها بواسطة الأطباق دفعت لإجراء المزيد من التجارب على الشتلات المنبتة في الأطباق.
يمكن أن تكون جودة الإنبات الناتجة لكل طريقة بسبب اختلافات صغيرة في العوامل البيئية، مثل درجة الحرارة، والرطوبة، وظروف الضوء، والركيزة . النتائج التي تم الحصول عليها تتماشى مع الدراسات الحديثة حول معالجة النانو باستخدام جزيئات السيلينيوم النانوية. على سبيل المثال، زادت نسبة الإنبات والحيوية لبذور الطماطم المعالجة بالنانو المتأثرة بمرض العفن المتأخر بنسبة 22 و مع 100 جزء في المليون من جزيئات السيلينيوم النانوية، على التوالي . علاوة على ذلك، في نباتات الطماطم المتعرضة للإجهاد الحراري، كانت تركيزات جزيئات السيلينيوم النانوية التي حققت أفضل النتائج على معلمات النمو هي 5 و10 أجزاء في المليون، بينما أظهرت 20 جزء في المليون علامات سميّة للنباتات . في بذور الشعير (Hordeum vulgare) المعالجة بالنانو باستخدام جزيئات السيلينيوم النانوية، كانت أفضل معالجة لجودة الإنبات في الأطباق الزجاجية أيضًا 5 أجزاء في المليون، بينما أدت 10 أجزاء في المليون إلى أعلى عدد وسمك للجذور . وفقًا لهذه الدراسات، وجدنا أن تركيزات جزيئات السيلينيوم النانوية المماثلة حققت أفضل النتائج في تجربتنا لمعالجة النانو لبذور الطماطم. الاختلاف الرئيسي مع الدراسات المبلغ عنها هو أننا قمنا بذلك دون ظروف إجهاد مستحثة. في ظل ظروف غير مضغوطة، كانت أفضل المعالجات لزيادة جودة الإنبات في بذور الطماطم المعالجة بالنانو هي 1 جزء في المليون و10 أجزاء في المليون في الأطباق والأطباق الزجاجية، على التوالي. بينما في الأطباق، حققت معالجة 10 أجزاء في المليون أفضل النتائج على نمو شتلات الطماطم.
يمكن أن تؤدي تحسين جودة الإنبات إلى زيادة أكثر كفاءة في امتصاص العناصر الغذائية والماء من قبل الشتلات، مما يعزز القدرة على التحمل ضد الضغوط الحيوية وغير الحيوية . على الرغم من أن السيلينيوم عنصر غير أساسي للنباتات ، فقد أفادت الدراسات السابقة أن جزيئات السيلينيوم النانوية يمكن أن تساعد في تحسين الإنبات والنمو والقدرة على التحمل ضد الضغوط لمختلف المحاصيل . على الرغم من أن الآليات الدقيقة لمثل هذه التحسينات باستخدام جزيئات السيلينيوم النانوية لا تزال غير معروفة، فقد تم اقتراح أن معدل إنبات بذور مختلفة يمكن أن يزيد بسبب إنشاء الجزيئات النانوية لثقوب نانوية من خلال اختراقها، مما يزيد بالتالي من امتصاص الماء بواسطة البذور. أيضًا، يمكن أن تساعد النفاذية الانتقائية لثقوب سطح البذور في إدخال أو تقييد امتصاص . قد يفسر هذا سبب ملاحظتنا لجزيئات السيلينيوم النانوية داخل النسيج الجنيني لبذور الطماطم المعالجة بالنانو. علاوة على ذلك، وُجدت علاقة خطية إيجابية بين المعالجات ( من جزيئات السيلينيوم النانوية) ومحتوى السيلينيوم في البذور (SI، الشكل S1)، بينما كشفت صور المجهر الإلكتروني الماسح عن جزيئات السيلينيوم النانوية بالقرب من بروبلستيد. علاوة على ذلك، من الممكن نقل جزيئات السيلينيوم النانوية داخل أنسجة النبات عبر المسار السيمبلاستي، بسبب اختراقها المحتمل من خلال الغشاء البلازمي . هذا يعني أن جزيئات السيلينيوم النانوية لا تخترق فقط غلاف البذور ولكن أيضًا الجنين، مما يحفز تفاعلات غير معروفة مع البروبلستيدات، التي يمكن أن تتحول إلى بلاستيدات خضراء وأعضاء أخرى خلال عملية التخليق الحيوي. في هذه العملية الحيوية الأخيرة، يمكن أن يحدث إنتاج الكلوروفيل، ومضادات الأكسدة (بما في ذلك إنزيمات مضادات الأكسدة مثل سوبر أكسيد ديسموتاز، وكاتالاز، وغلوتاثيون بيروكسيداز، ومضادات الأكسدة مثل الغلوتاثيون، وحمض الأسكوربيك، وحمض 4-أمينوبوتيريك، -توكوفيرول، وحمض الفيروليك، من بين آخرين) ، البرولين، ومركبات مهمة أخرى. أدت هذه الأنشطة الأيضية إلى زيادة محتوى الكلوروفيل الكلي، وTAC في الأنسجة الهوائية لشتلات الطماطم المعالجة بالنانو، بينما تم تقليل محتوى البرولين (وهو أسموليت مهم) بشكل كبير في شتلات الطماطم المعالجة بالنانو.
كانت هناك علاقة إيجابية بين الكلوروفيل الكلي وTAC مع محتوى السيلينيوم في البذور (SI، الشكل S4)، بالإضافة إلى علاقة سلبية لمحتوى البرولين مع محتوى السيلينيوم في البذور (SI، الشكل S4). هذه العلاقات مهمة لأن الكلوروفيل هو جزيء أساسي مرتبط بالنشاط الضوئي ونمو الشتلات . بالإضافة إلى ذلك، فإن النظام المضاد للأكسدة في النباتات هو شبكة معقدة متعددة المستويات، تشمل إنزيمات
دورة الغلوتاثيون-حمض الأسكوربيك التي تعمل على الحفاظ على التوازن داخل الخلية ومواجهة الأنواع التفاعلية من الأكسجين (ROS)، من بين أمور أخرى . يلعب تراكم البرولين أيضًا أدوارًا مهمة في تحمل الضغوط للعديد من أنواع النباتات ، بما في ذلك الأدوار في النمو الخضري للشتلات كأحد الأيضات وجزيئات الإشارة . على الرغم من أن الآليات الدقيقة والتفاعلات التي يمكن أن تزيد بها جزيئات السيلينيوم النانوية من محتوى الكلوروفيل الكلي وTAC، وتقلل من محتوى البرولين لا تزال غير معروفة، فإننا نفترض أن النتائج التي تم الحصول عليها قد تفسر من خلال زيادة جزيئات السيلينيوم النانوية لمحتوى الغلوتاثيون في الطماطم. أكثر من من إجمالي محتوى الغلوتاثيون في شكل مختزل (GSH)، تم اختزاله بواسطة النشاط المعتمد على NADPH لإنزيم الغلوتاثيون ريدوكتاز (GR)، بينما أقل من في شكله المؤكسد وهو ثنائي كبريتيد الغلوتاثيون (GSSG) . إن إنزيم الغلوتاثيون بيروكسيداز (GPX) المعتمد على السيلينيوم متورط في الأيض النباتي، وإشارات الأكسدة، وأنظمة الدفاع . في دورة حمض الأسكوربيك-الغلوتاثيون، يتم أكسدة GSH إلى GSSG، ثم يتم اختزاله مرة أخرى إلى GSH بواسطة GR. تتضمن هذه الدورة كل من الأشكال المختزلة والمؤكسدة للغلوتاثيون، ويحتفظ التوازن بين GSH ومحتوى حمض الأسكوربيك بالحالة الحمراء الخلوية في النباتات .
من خلال جمع ثلاثة معلمات مراقبة مثل TAC، والكلوروفيل، والبرولين، وجدنا أن الثلاثة جميعًا والسيلينيوم مرتبطون بالغلوتامات التي تعتبر ضرورية لدورة الغلوتاثيون. في الواقع، تم الإبلاغ عن أن السيلينيوم الأيوني يمكن أن يزيد من محتوى الغلوتاثيون في أنسجة أوراق الطماطم . الغلوتاثيون هو ثلث الغلوتامات، وهو أمر حيوي في المسار الأيضي لتخليق الكلوروفيل في البلاستيدات الخضراء وأغشية الثايلاكويد . الغلوتاثيون هو مضاد أكسدة غير إنزيمي يمنع أكسدة الدهون ويحمي الغشاء البلازمي . علاوة على ذلك، تتطلب البلاستيدات الخضراء إنزيم الغلوتاثيون ريدوكتاز للحفاظ على كفاءة عملية التمثيل الضوئي ونمو النبات . لذلك، قد تزيد جزيئات السيلينيوم النانوية من محتوى الكلوروفيل الكلي من خلال زيادة الأيضات المشاركة في المسار الأيضي لتخليق الكلوروفيل. في الواقع، تم اقتراح أيضًا أن السيلينيوم يمكن أن يتبع مسار نقل الغلوتاثيون سلفهيدريل (GST)، بسبب الأدلة على أن السيلينيوم والأنثوسيانين يشتركان في نفس عوامل النسخ في القمح . بالإضافة إلى ذلك، تعمل إنزيمات نقل الغلوتاثيون (GSTs) كبروتينات حاملة غير تحفيزية تشارك في امتصاص الأنثوسيانين في الطماطم ومحاصيل أخرى . علاوة على ذلك، وُجد أن الأنثوسيانين الفردية لها مساهمات مهمة في TAC في محاصيل أخرى، حيث يظهر البيلارجونيدين 3-غلوكوزيد (Pg-3-G) أعلى قيم TAC . إن إنزيمات دورة الغلوتاثيون-حمض الأسكوربيك هي الأكثر ارتباطًا بنظام مضادات الأكسدة في النباتات . قد يفسر هذا الزيادات الكبيرة في TAC من خلال معالجة بذور الطماطم بجزيئات السيلينيوم النانوية ويمكن أن يكون مرتبطًا ارتباطًا وثيقًا بزيادات محتوى الكلوروفيل الكلي. علاوة على ذلك، يمثل مسار الغلوتامات معظم تراكم البرولين في النباتات خلال الإجهاد الأسموزي . تشارك البلاستيدات الخضراء، والميتوكوندريا، والسيتوبلازم في أيض البرولين . وكذلك في أيض الكلوروفيل ومضادات الأكسدة . مما يعني أن تفاعلات نانو الجسيمات السيلينيوم داخل الخلية قد تؤدي إلى تقليل محتوى البرولين، وهو ما يتماشى مع الزيادات في محتوى الكلوروفيل الكلي والسعة المضادة للأكسدة. يمكن دعم ذلك بشكل أكبر من خلال الأدلة على التفاعلات المتضادة لنانو الجسيمات السيلينيوم مع العناصر المعدنية الغذائية المهمة الأخرى. تم الحصول على قيم السعة المضادة للأكسدة ومحتوى البرولين من الأنسجة الهوائية الكاملة لأن كتلة الجذور كانت في الحد الأدنى، ومع ذلك، يجب أن تأخذ الدراسات المستقبلية في الاعتبار قيم الجذور وقيم الشتلات الكاملة لتقييم تأثيرات نانو الجسيمات السيلينيوم على تطور الشتلات بشكل صحيح.
من خلال مصفوفات معامل الارتباط لبييرسون، لاحظنا أن محتوى السيلينيوم الناتج عن معالجة بذور الطماطم بنانو الجسيمات السيلينيوم أدى إلى تأثيرات متضادة على العناصر الغذائية الأساسية الكبيرة والصغيرة في البذور، مثل ومو. يتماشى هذا مع دراسات أخرى أفادت بتأثيرات متضادة للسيلينيوم الأيوني على محتوى مو، والحديد، والمنغنيز، والنحاس في جذور الطماطم . علاوة على ذلك، يتوافق اتجاه تدفق السيلينيوم داخل أنسجة النبات مع مسارات النقل لـ ، بينما تم الإبلاغ عن التفاعلات المتضادة للسيلينيوم مع الكبريت، والزرنيخ، في وقت مبكر من القرن الماضي . أيضًا، تميل النباتات الزهرية مثل الطماطم إلى أن يكون لديها نسب سيلينيوم/كبريت مشابهة، بينما يتشارك السيلينيوم والكبريت في نفس الأيض الأساسي . يمكن تفسير كل هذا من خلال التشابهات الكيميائية بين السيلينيوم والكبريت و . على الرغم من أن عواقب مثل هذه التأثيرات المتضادة للسيلينيوم مع العناصر الغذائية المهمة الأخرى غير واضحة، إلا أنه من الواضح أن الزيادات في جودة الإنبات لا تتعلق بالتفاعل مع العناصر الغذائية الأخرى. على العكس، تم العثور على تأثيرات تآزرية لمحتوى السيلينيوم في شتلات الطماطم المعالجة بنانو الجسيمات السيلينيوم مع العناصر الغذائية المهمة، مثل ، والزنك. العنصر الوحيد الذي استمرت فيه التأثيرات المتضادة للسيلينيوم هو مو. علاوة على ذلك، اختلف محتوى السيلينيوم في الشتلات بشكل كبير مع محتوى السيلينيوم في البذور، ونفترض أن هذا ناتج عن آليات الإفراز لشتلات الطماطم التي تطرد نانو الجسيمات السيلينيوم إلى الركيزة، بالإضافة إلى عدم استيعاب الشتلات للكمية الكلية من السيلينيوم التي اخترقت الأندوسبرم .
على الرغم من أنه لا يزال غير واضح ما هي الآليات الدقيقة لنانو الجسيمات السيلينيوم التي تعزز إنبات ونمو شتلات الطماطم، فقد تم اقتراح الميتابولوميات و”أوميات” أخرى لتوضيح التعبيرات المختلفة للمواد الأيضية في النباتات، والتي يمكن أن تفسر التأثيرات الإيجابية لنانو الجسيمات في النمط الظاهري لمثل هذه النباتات . يمكن أن تساعد الميتابولوميات في فهم الاختلافات في المسارات الأيضية للكربوهيدرات، والفيتامينات، والأحماض الأمينية، والجلوكوسينولات، من بين أمور أخرى، والتي يمكن أن تكون مفيدة لتقييم الحالة الفسيولوجية للنباتات . بينما ركز هذا العمل على الإنبات والنمو الخضري المبكر للطماطم، يُوصى بإجراء دراسات دورة حياة أطول تتضمن الجينوميات، والترانسكريبتوميات، والبروتيوميات، والميتابولوميات، لفهم استجابة نباتات الطماطم لنانو الجسيمات السيلينيوم، وآلياتها وتفاعلاتها التي تحفز مثل هذه الاستجابات.

الاستنتاجات

في هذا العمل، زادت معالجة بذور الطماطم بنانو الجسيمات السيلينيوم بشكل فعال من جودة الإنبات في كل من طرق الإنبات في الصواني وأطباق بتري. أظهرت المعالجات بتركيز 1 و10 جزء في المليون من نانو الجسيمات السيلينيوم أفضل أداء في الإنبات للصواني وأطباق بتري، على التوالي. أظهرت الصواني جودة إنبات أكبر من أطباق بتري وتم اختيارها لمزيد من التجارب. أظهرت شتلات الطماطم المعالجة بنانو الجسيمات السيلينيوم أفضل نمو مع 10 جزء في المليون من نانو الجسيمات السيلينيوم، مما زاد بشكل كبير من طولها الكلي. أسفر نفس العلاج عن أفضل النتائج لمحتوى الكلوروفيل الكلي والسعة المضادة للأكسدة في الأنسجة الهوائية الكاملة. علاوة على ذلك، فإن مثل هذه الزيادات في النمو الخضري تتماشى مع الانخفاض الكبير في محتوى البرولين. أفادت دراسات مختلفة بتقليل محتوى البرولين، بالإضافة إلى زيادة محتوى الكلوروفيل الكلي في محاصيل مختلفة
مع نانو الجسيمات من طبيعة مختلفة، لكن المعلومات حول تأثير معالجة البذور بنانو الجسيمات السيلينيوم في الطماطم دون ظروف إجهاد مستحثة نادرة. نستنتج أن نانو الجسيمات السيلينيوم يمكن استخدامها كعامل معالجة فعال لزيادة جودة الإنبات ونمو الطماطم، بسبب التأثير الإيجابي الموصوف سابقًا على الإنبات مع 1 جزء في المليون ونمو الشتلات مع 10 جزء في المليون. ومع ذلك، فإن الآليات التي تحفز بها نانو الجسيمات السيلينيوم مثل هذه الزيادات في جودة الإنبات ونمو الشتلات غير معروفة، لذلك، من الضروري توضيح تعقيدات تفاعلات نانو الجسيمات السيلينيوم مع الأنظمة النباتية المختلفة قبل تنفيذ استخدام نانو الجسيمات السيلينيوم في الزراعة المستدامة بشكل صحيح. لتحقيق ذلك، هناك حاجة إلى دراسات كمية مع الميتابولوميات تتناول مسار الجلوتاثيون لنباتات الطماطم المعالجة بنانو الجسيمات السيلينيوم. علاوة على ذلك، يمكن أيضًا استخدام الجينوميات، والترانسكريبتوميات، والبروتيوميات لفهم التفاعلات بين نانو الجسيمات السيلينيوم وأنسجة النبات على نطاق أعمق، بينما يمكن أن تكون دراسات دورة الحياة الكاملة للمحاصيل مفيدة أيضًا لتحديد ما إذا كانت نانو الجسيمات السيلينيوم يمكن أن تؤثر على البلاستيدات الخضراء وغيرها من العضيات داخل أنسجة النبات كوظيفة للوقت.

توفر البيانات

جميع البيانات التي تم إنشاؤها أو تحليلها مدرجة ضمن هذه المقالة أو في المعلومات التكميلية. البيانات متاحة من المؤلف المراسل عند الطلب المعقول.
تاريخ الاستلام: 28 ديسمبر 2023؛ تاريخ القبول: 13 مارس 2024
تم النشر عبر الإنترنت: 20 مارس 2024

References

  1. Muhie, S. H. Novel approaches and practices to sustainable agriculture. J. Agric. Food Res. 10, 100446 (2022).
  2. Arora, S., Murmu, G., Mukherjee, K., Saha, S. & Maity, D. A comprehensive overview of nanotechnology in sustainable agriculture. J. Biotechnol. 355, 21-41 (2022).
  3. Altaf, M. A. et al. Melatonin alleviates salt damage in tomato seedling: A root architecture system, photosynthetic capacity, ion homeostasis, and antioxidant enzymes analysis. Sci. Hortic. 285, 110145 (2021).
  4. Kou, E. et al. Nitrogen and sulfur co-doped carbon dots enhance drought resistance in tomato and mung beans. ACS Appl. Bio Mater. 4, 6093-6102 (2021).
  5. Quinet, M. et al. Tomato fruit development and metabolism. Front. Plant Sci. https://doi.org/10.3389/fpls.2019.01554 (2019).
  6. Zulfiqar, F., Navarro, M., Ashraf, M., Akram, N. A. & Munné-Bosch, S. Nanofertilizer use for sustainable agriculture: Advantages and limitations. Plant Sci. 289, 110270. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2019.110270 (2019).
  7. Singh, R. P., Handa, R. & Manchanda, G. Nanoparticles in sustainable agriculture: An emerging opportunity. J. Controll. Release 329,1234-1248. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2020.10.051 (2021).
  8. Singh, B. K., Trivedi, P., Egidi, E., Macdonald, C. A. & Delgado-Baquerizo, M. Crop microbiome and sustainable agriculture. Nat. Rev. Microbiol. 18, 601-602. https://doi.org/10.1038/s41579-020-00446-y (2020).
  9. Talebian, S. et al. Facts and figures on materials science and nanotechnology progress and investment. ACS Nano 15, 15940-15952 (2021).
  10. Cervantes-Avilés, P., Huang, X. & Keller, A. A. Dissolution and aggregation of metal oxide nanoparticles in root exudates and soil leachate: Implications for nanoagrochemical application. Environ. Sci. Technol. 55, 13443-13451 (2021).
  11. Biswas, S., Seal, P., Majumder, B. & Biswas, A. K. Efficacy of seed priming strategies for enhancing salinity tolerance in plants: An overview of the progress and achievements. Plant Stress 9, 100186. https://doi.org/10.1016/j.stress.2023.100186 (2023).
  12. Eevera, T. et al. Unleashing the potential of nanoparticles on seed treatment and enhancement for sustainable farming. Environ. Res. 236, 116849. https://doi.org/10.1016/j.envres.2023.116849 (2023).
  13. Mazhar, M. W. et al. Seed priming with iron oxide nanoparticles improves yield and antioxidant status of garden pea (Pisum sativum L.) grown under drought stress. South Afr. J. Bot. 162, 577-587 (2023).
  14. Mazhar, M. W., Ishtiaq, M., Maqbool, M. & Akram, R. Seed priming with Calcium oxide nanoparticles improves germination, biomass, antioxidant defence and yield traits of canola plants under drought stress. South Afr. J. Bot. 151, 889-899 (2022).
  15. Zhao, L. et al. Nanobiotechnology-based strategies for enhanced crop stress resilience. Nat. Food 3, 829-836 (2022).
  16. Dangi, K. & Verma, A. K. Efficient & eco-friendly smart nano-pesticides: Emerging prospects for agriculture. Mater. Today Proc. 45, 3819-3824 (2020).
  17. Elsherbiny, A. S., Galal, A., Ghoneem, K. M. & Salahuddin, N. A. Novel chitosan-based nanocomposites as ecofriendly pesticide carriers: Synthesis, root rot inhibition and growth management of tomato plants. Carbohydr. Polym. 282, 119111 (2022).
  18. Ozcan, A. et al. Copper-fixed quat: A hybrid nanoparticle for application as a locally systemic pesticide (LSP) to manage bacterial spot disease of tomato. Nanoscale Adv. 3, 1473-1483 (2021).
  19. Keller, A. A. et al. Comparative environmental fate and toxicity of copper nanomaterials. NanoImpact 7, 28-40 (2017).
  20. Younes, N. A., Hassan, H. S., Elkady, M. F., Hamed, A. M. & Dawood, M. F. A. Impact of synthesized metal oxide nanomaterials on seedlings production of three Solanaceae crops. Heliyon 6, e03188 (2020).
  21. Liao, Y. Y. et al. Magnesium oxide nanomaterial, an alternative for commercial copper bactericides: Field-scale tomato bacterial spot disease management and total and bioavailable metal accumulation in soil. Environ. Sci. Technol. 55, 13561-13570 (2021).
  22. Carvalho, R., Duman, K., Jones, J. B. & Paret, M. L. Bactericidal activity of copper-zinc hybrid nanoparticles on copper-tolerant Xanthomonas perforans. Sci. Rep. https://doi.org/10.1038/s41598-019-56419-6 (2019).
  23. Singh, A., Singh, N. B., Hussain, I. & Singh, H. Effect of biologically synthesized copper oxide nanoparticles on metabolism and antioxidant activity to the crop plants Solanum lycopersicum and Brassica oleracea var. botrytis. J. Biotechnol. 262, 11-27 (2017).
  24. Malandrakis, A. A. et al. Metal nanoparticles: Phytotoxicity on tomato and effect on symbiosis with the Fusarium solani FsK strain. Sci. Total Environ. 787, 147606 (2021).
  25. Ahmed, B., Rizvi, A., Zaidi, A., Khan, M. S. & Musarrat, J. Understanding the phyto-interaction of heavy metal oxide bulk and nanoparticles: Evaluation of seed germination, growth, bioaccumulation, and metallothionein production. RSC Adv. 9, 4210-4225 (2019).
  26. El-Badri, A. M. et al. Selenium and zinc oxide nanoparticles modulate the molecular and morpho-physiological processes during seed germination of Brassica napus under salt stress. Ecotoxicol. Environ. Saf. 225, 112695 (2021).
  27. Shalaby, T. A. et al. Nano-selenium, silicon and H 2 O 2 boost growth and productivity of cucumber under combined salinity and heat stress. Ecotoxicol. Environ. Saf. 212, 111962 (2021).
  28. Mateus, M. P. B. et al. Selenium biofortification enhances ROS scavenge system increasing yield of coffee plants. Ecotoxicol. Environ. Saf. 209, 111772 (2021).
  29. Abid, S. et al. Synthesis and characterization of glycol chitosan coated selenium nanoparticles acts synergistically to alleviate oxidative stress and increase ginsenoside content in Panax ginseng. Carbohydr. Polym. 267, 118195 (2021).
  30. Gudkov, S. V. et al. Production and use of selenium nanoparticles as fertilizers. ACS Omega 5, 17767-17774 (2020).
  31. Joshi, S. M., De Britto, S. & Jogaiah, S. Myco-engineered selenium nanoparticles elicit resistance against tomato late blight disease by regulating differential expression of cellular, biochemical and defense responsive genes. J. Biotechnol. 325, 196-206 (2021).
  32. Liu, J. et al. Defense and inhibition integrated mesoporous nanoselenium delivery system against tomato gray mold. Environ. Sci. Nano 7, 210-227 (2020).
  33. Huang, X., Cervantes-Avilés, P., Li, W. & Keller, A. A. Drilling into the metabolomics to enhance insight on corn and wheat responses to molybdenum trioxide nanoparticles. Environ. Sci. Technol. 55, 13452-13464 (2021).
  34. Itroutwar, P. D., Kasivelu, G., Raguraman, V., Malaichamy, K. & Sevathapandian, S. K. Effects of biogenic zinc oxide nanoparticles on seed germination and seedling vigor of maize (Zea mays). Biocatal. Agric. Biotechnol. 29, 101778 (2020).
  35. Gong, C. et al. Responses of seed germination and shoot metabolic profiles of maize (: Zea mays L.) to Y2O3 nanoparticle stress. RSC Adv. 9, 27720-27731 (2019).
  36. Wang, Z. et al. Xylem- and phloem-based transport of CuO nanoparticles in maize (Zea mays L.). Environ. Sci. Technol. 46, 4434-4441 (2012).
  37. Cervantes-Avilés, P., Díaz Barriga-Castro, E., Palma-Tirado, L. & Cuevas-Rodríguez, G. Interactions and effects of metal oxide nanoparticles on microorganisms involved in biological wastewater treatment. Microsc. Res. Tech. 80, 1103-1112 (2017).
  38. Adhikary, S. et al. Seed priming with selenium and zinc nanoparticles modifies germination, growth, and yield of direct-seeded rice (Oryza sativa L.). Sci. Rep. https://doi.org/10.1038/s41598-022-11307-4 (2022).
  39. Pisoschi, A. M., Pop, A., Cimpeanu, C. & Predoi, G. Antioxidant capacity determination in plants and plant-derived products: A review. Oxidat. Med. Cell. Longev. 2016, 1-36. https://doi.org/10.1155/2016/9130976 (2016).
  40. Sigma-Aldrich Co. LLC. USA. Total Antioxidant Capacity Assay Kit. (2018).
  41. Wintermans, J. F. G. M. & De Mots, A. Spectrophotometric characteristics of chlorophylls a and b and their Pheophytins in Ethanol. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) Biophys. Incl. Photosynth. https://doi.org/10.1016/0926-6585(65)90170-6 (1965).
  42. Bates, L. S., Waldren, R. P. & Teare, I. D. Rapid determination of free proline for water-stress studies. Plant Soil https://doi.org/10. 1007/BF00018060 (1973).
  43. Hach Lange GmbH. USA. Total Nitrogen, Persulfate Digestion Method. (2015).
  44. Zhao, L., Hu, Q., Huang, Y. & Keller, A. A. Response at genetic, metabolic, and physiological levels of maize (Zea mays) exposed to a nanopesticide. ACS Sustain. Chem. Eng. 5, 8294-8301 (2017).
  45. Rohal, C. B., Adams, C. R., Martin, C. W., Tevlin, S. & Reynolds, L. K. Seed bank and germination ecology of sub-tropical Vallisneria americana. Aquat. Bot. 190, 103721 (2024).
  46. Nagdalian, A. A. et al. Effect of selenium nanoparticles on biological and morphofunctional parameters of barley seeds (Hordéum vulgáre L.). Sci. Rep. https://doi.org/10.1038/s41598-023-33581-6 (2023).
  47. Zhan, T. et al. Chitin combined with selenium reduced nitrogen loss in soil and improved nitrogen uptake efficiency in Guanxi pomelo orchard. Sci. Total Environ. 799, 149414 (2021).
  48. Abouelhamd, N., Gharib, F. A. E. L., Amin, A. A. & Ahmed, E. Z. Impact of foliar spray with Se, nano-Se and sodium sulfate on growth, yield and metabolic activities of red kidney bean. Sci. Rep. https://doi.org/10.1038/s41598-023-43677-8 (2023).
  49. Ghanbari, F., Bag-Nazari, M. & Azizi, A. Exogenous application of selenium and nano-selenium alleviates salt stress and improves secondary metabolites in lemon verbena under salinity stress. Sci. Rep. https://doi.org/10.1038/s41598-023-32436-4 (2023).
  50. Pereira, A. E. S., Oliveira, H. C. & Fraceto, L. F. Polymeric nanoparticles as an alternative for application of gibberellic acid in sustainable agriculture: A field study. Sci. Rep. https://doi.org/10.1038/s41598-019-43494-y (2019).
  51. Hubbard, J. D., Lui, A. & Landry, M. P. Multiscale and multidisciplinary approach to understanding nanoparticle transport in plants: Multiscale and multidisciplinary approach to understanding nanoparticle transport in plants. Curr. Opin. Chem. Eng. 30, 135-143. https://doi.org/10.1016/j.coche.2020.100659 (2020).
  52. Zhao, L., Huang, Y., Adeleye, A. S. & Keller, A. A. Metabolomics reveals nanopesticide-activated anti-oxidative pathways and decreased beneficial antioxidants in Spinach leaves. Environ. Sci. Technol. 51, 10184-10194 (2017).
  53. Tanaka, A. & Tanaka, R. Chlorophyll metabolism. Curr. Opin. Plant Biol. 9, 248-255 (2006).
  54. Dumanović, J., Nepovimova, E., Natić, M., Kuča, K. & Jaćević, V. The significance of reactive oxygen species and antioxidant defense system in plants: A concise overview. Front. Plant Sci. https://doi.org/10.3389/fpls.2020.552969 (2021).
  55. Verbruggen, N. & Hermans, C. Proline accumulation in plants: A review. Amino Acids 35, 753-759. https://doi.org/10.1007/ s00726-008-0061-6 (2008).
  56. Mattioli, R., Costantino, P. & Trovato, M. Proline accumulation in plants: Not only stress. Plant Signal. Behav. 4, 1016-1018. https:// doi.org/10.4161/psb.4.11.9797 (2009).
  57. Aaseth, J., Gerhardsson, L., Skaug, M. A. & Alexander, J. General chemistry of metal toxicity and basis for metal complexation. In Chelation Therapy in the Treatment of Metal Intoxication (ed. Aaseth, J.) 1-33 (Elsevier Inc., 2016). https://doi.org/10.1016/ B978-0-12-803072-1.00001-8.
  58. Noctor, G. et al. Glutathione in plants: An integrated overview. Plant Cell Environ. 35, 454-484 (2012).
  59. Salbitani, G., Vona, V., Bottone, C., Petriccione, M. & Carfagna, S. Sulphur deprivation results in oxidative perturbation in chlorella Sorokiniana (211/8k). Plant Cell Physiol. https://doi.org/10.1093/pcp/pcv015 (2015).
  60. Schiavon, M. et al. Selenium fertilization alters the chemical composition and antioxidant constituents of tomato (Solanum lycopersicon L.). J. Agric. Food Chem. 61, 10542-10554 (2013).
  61. Hasanuzzaman, M., Nahar, K., Anee, T. I. & Fujita, M. Glutathione in plants: Biosynthesis and physiological role in environmental stress tolerance. Physiol. Mol. Biol. Plants 23, 249-268. https://doi.org/10.1007/s12298-017-0422-2 (2017).
  62. Müller-Schüssele, S. J. et al. Chloroplasts require glutathione reductase to balance reactive oxygen species and maintain efficient photosynthesis. Plant J. 103, 1140-1154 (2020).
  63. Pu, Z. et al. Selenium and anthocyanins share the same transcription factors R2R3MYB and bHLH in wheat. Food Chem. 356, 129699 (2021).
  64. Csiszár, J. et al. Glutathione transferase supergene family in tomato: Salt stress-regulated expression of representative genes from distinct GST classes in plants primed with salicylic acid. Plant Physiol. Biochem. 78, 15-26 (2014).
  65. Romero, I., Sanchez-Ballesta, M. T., Escribano, M. I. & Merodio, C. Individual anthocyanins and their contribution to total antioxidant capacity in response to low temperature and high in stored Cardinal table grapes. Postharvest Biol. Technol. 49, 1-9 (2008).
  66. Hayat, S. et al. Role of proline under changing environments: A review. Plant Signal. Behav. 7, 1456-1466. https://doi.org/10.4161/ psb. 21949 (2012).
  67. Verslues, P. E. & Sharma, S. Proline metabolism and its implications for plant-environment interaction. Arabidopsis Book 8, e0140 (2010).
  68. White, P. J., Bowen, H. C., Marshall, B. & Broadley, M. R. Extraordinarily high leaf selenium to sulfur ratios define ‘Se-accumulator’ plants. Ann. Bot. 100, 111-118 (2007).
  69. White, P. J., Broadley, M. R., Bowen, H. C. & Johnson, S. E. Chapter 1010 Selenium and its Relationship with Sulfur (Springer, 2007).
  70. White, P. J. Selenium in soils and crops. In Molecular and Integrative Toxicology (ed. Michalke, B.) 29-50 (Springer Science + Business Media B.V., 2018). https://doi.org/10.1007/978-3-319-95390-8_2.
  71. White, P. J. Selenium metabolism in plants. Biochimica et Biophysica Acta Gen. Subj. 1862, 2333-2342. https://doi.org/10.1016/j. bbagen.2018.05.006 (2018).
  72. Tolu, J. et al. Understanding soil selenium accumulation and bioavailability through size resolved and elemental characterization of soil extracts. Nat. Commun. https://doi.org/10.1038/s41467-022-34731-6 (2022).
  73. Shrivastava, M. et al. Monitoring of engineered nanoparticles in soil-plant system: A review. Environ. Nanotechnol. Monit. Manag. 11, 100218. https://doi.org/10.1016/j.enmm.2019.100218 (2019).
  74. Majumdar, S. & Keller, A. A. Omics to address the opportunities and challenges of nanotechnology in agriculture. Crit. Rev. Environ. Sci. Technol. 51, 2595-2636 (2021).
  75. Kumari, M. et al. Omics-based mechanistic insight into the role of bioengineered nanoparticles for biotic stress amelioration by modulating plant metabolic pathways. Front. Bioeng. Biotechnol. https://doi.org/10.3389/fbioe.2020.00242 (2020).

الشكر والتقدير

يقر المؤلفون بتقنية مونتيري لتمويل الوصول المفتوح. يشكر EGL CONAHCYT وتقنية مونتيري على المنحة الممنوحة (1016970). يشكر PCA CONAHCYT (330129). يشكر المؤلفون لوردس بالما على الدعم الفني في وحدة المجهر في معهد علم الأعصاب في الجامعة الوطنية المستقلة في المكسيك (UNAM).

مساهمات المؤلفين

EGL: العمل العملي، التحليل الإحصائي، كتابة المسودة الأولى، الحصول على التمويل، ومراجعة هذه المخطوطة. EIV: التحليل الإحصائي، كتابة المسودة الأولى، ومراجعة هذه المخطوطة. PCA: العمل العملي، التحليل الإحصائي، كتابة المسودة الأولى، الحصول على التمويل، إدارة التمويل، الإشراف ومراجعة هذه المخطوطة.

التمويل

تم تمويل هذا العمل من قبل تقنية مونتيري، برنامج تمويل البحث القائم على التحديات، E051-EIC-GI10-A-T8-E.

المصالح المتنافسة

يعلن المؤلفون عدم وجود مصالح متنافسة.

معلومات إضافية

المعلومات التكميلية تحتوي النسخة عبر الإنترنت على مواد تكميلية متاحة على https://doi.org/ 10.1038/s41598-024-57049-3.
يجب توجيه المراسلات والطلبات للحصول على المواد إلى P.C.-A.
معلومات إعادة الطبع والتصاريح متاحة على www.nature.com/reprints.
ملاحظة الناشر تظل Springer Nature محايدة فيما يتعلق بالمطالبات القضائية في الخرائط المنشورة والانتماءات المؤسسية.
الوصول المفتوح هذه المقالة مرخصة بموجب رخصة المشاع الإبداعي للاستخدام والمشاركة والتكيف والتوزيع وإعادة الإنتاج في أي وسيلة أو شكل، طالما أنك تعطي الائتمان المناسب للمؤلفين الأصليين والمصدر، وتوفر رابطًا لرخصة المشاع الإبداعي، وتوضح ما إذا كانت قد تم إجراء تغييرات. الصور أو المواد الأخرى من طرف ثالث في هذه المقالة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي للمقالة، ما لم يُشار إلى خلاف ذلك في سطر ائتمان للمادة. إذا لم تكن المادة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي للمقالة واستخدامك المقصود غير مسموح به بموجب اللوائح القانونية أو يتجاوز الاستخدام المسموح به، ستحتاج إلى الحصول على إذن مباشرة من صاحب حقوق الطبع والنشر. لعرض نسخة من هذه الرخصة، قم بزيارة http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
© المؤلفون 2024
  1. مدرسة الهندسة والعلوم، تقنية مونتيري، احتياطي إقليمي أتلتيكايول، الرمز البريدي 72453 بويبلا، بويب، المكسيك. البريد الإلكتروني: pabel.cervantes@tec.mx

Journal: Scientific Reports, Volume: 14, Issue: 1
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-57049-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38509209
Publication Date: 2024-03-20

Impact of seed priming with Selenium nanoparticles on germination and seedlings growth of tomato

Ezequiel García-Locascio, Edgardo I.Valenzuela & Pabel Cervantes-Avilés

Abstract

Poor germination and seedlings growth can lead to significant economic losses for farmers, therefore, sustainable agricultural strategies to improve germination and early growth of crops are urgently needed. The objective of this work was to evaluate selenium nanoparticles (Se NPs) as nanopriming agents for tomato (Solanum lycopersicum) seeds germinated without stress conditions in both trays and Petri dishes. Germination quality, seedlings growth, synergism-antagonism of Se with other elements, and fate of Se NPs, were determined as function of different Se NPs concentrations (1, 10 and 50 ppm ). Results indicated that the germination rate in Petri dishes improved with 10 ppm , while germination trays presented the best results at 1 ppm, increasing by 10 and , respectively. Therefore, seedlings growth was measured only in germination trays. Proline content decreased up to with 10 ppm , while for same treatment, the total antioxidant capacity (TAC) and total chlorophyll content increased up to and , respectively. Antagonisms between Se with and Mo in the seed were confirmed. In the case of seedlings, the N content decreased as the Se content increased. Transmission Electron Microscopy (TEM) imaging confirmed that Se NPs surrounded the plastids of the seed cells. By this finding, it can be inferred that Se NPs can reach the embryo, which is supported by the antagonism of Se with important nutrients involved in embryogenesis, such as and Fe , and resulted in a better germination quality. Moreover, the positive effect of Se NPs on total chlorophyll and TAC, and the negative correlation with proline content with Se content in the seed, can be explained by Se NPs interactions with proplastids and other organelles within the cells, resulting with the highest length and fresh weight when seeds were exposed to 1 ppm.

Keywords Nano-agrochemicals, Solanum lycopersicum, Chlorophyll, Total antioxidant capacity, Proline
Achieving global food security and preventing further environmental degradation requires the implementation of sustainable agricultural practices . In fact, agriculture is essential for the three pillars of sustainability: environment, society, and economy . Tomato is a pivotal crop in agriculture, it is the second most important vegetable crop and the most cultivated in the Solanaceae family . Therefore, researchers have focused on developing sustainable agricultural practices, including the addition of nanoagrochemicals for tomato and other important crops . In agriculture, nanoagrochemicals can offer advantages compared to conventional agrochemicals, such as reducing the negative impact to the environment, increasing plant resilience to biotic and abiotic stress, minimizing pollution, and using less water . These benefits are also related to the delivery method, with foliar and soil applications as the most common methods to deliver nanoagrochemicals . Seed priming is an innovative method to deliver the nanoagrochemicals that can be used to enhance the imbibition capacity and metabolic system of the seeds to increase germination, stress resilience, or pest resistance . Recent studies about seed priming have focused in improving the stress resilience of different crops, for instance, it was recently reported that nanopriming seeds of garden pea (Pisum sativum) with iron oxide NPs improved the growth, biochemical and yield parameters under drought stress conditions . Furthermore, similar positive results were reported in seed priming experiments of canola (Brassica napus) exposed to CaO nanoparticles (NPs), which increased the germination percentage and the seedling fresh weight .
Nanoagrochemicals in tomato have been applied as nanopesticides and nanofertilizers. Nanofertilizers include seed primers and aim to increase germination and growth parameters to improve tomato plants resilience to abiotic stress, such as drought, heat, and salt, among others . While nanopesticides have also been tested against the most important phytopathogens for this crop, such as Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici, Xanthomonas perforans, Pseudomonas syringae, Botrytis cinerea, Phytophthora infestans, and Clavibacter michiganensis, with excellent antibacterial and antifungal activity compared to their bulk counterparts . Amongst the NPs used for tomato crops, many different chemical compositions have been tested as nanofertilizers and nanopesticides for tomato crops with contradictory results, such as , and Se , including the most common NPs such as Cu-based, and Zn-based NPs . These last compositions have been more related to positive results as priming agents in tomato seeds, increasing the germination rate and overall germination quality . In general, some of the reported benefits of NPs in tomato include, but are not limited to, a higher germination rate, increases in biomass amount, chlorophyll content, and yield. Negative effects have also been reported, such as inhibition of germination, lower chlorophyll contents, oxidative stress, amongst others. However, the effects of NPs based on other chemical composition might differ due to concentration and physicochemical properties of the NPs, the delivery method used, and exposure conditions.
Se NPs have been found to be beneficial nanofertilizer for different crops such as (optimal concentration in parentheses): rapeseed (Brassica napus) ( 28.34 ppm , cucumber (Cucumis sativus) ( 25 ppm , coffee (Coffea arabica) ( 120 ppm , pomegranate (Punica granatum) ( 0.378 ppm , amongst others. In tomato, Se NPs have been used to alleviate stress symptoms and diseases, e.g., it was recently reported that zero-valent NPs applied to the soil-root interface at resulted in slight increases of growth parameters in tomato heatstressed plants, although treatments with 1 and 25 ppm lacked efficiency . Bio-synthesized Se NPs also helped to increase resistance and defense responses of tomato plants against late blight disease (Phytophthora infestans) through seed priming with 100 ppm , achieving up to protection against the phytopathogen and other positive secondary effects, such as increasing the germination by . Tomato seeds primed with a nanocomposite of mesoporous Se NPs also increased their germination up to at 100 ppm , while the nanocomposite exhibited great antifungal efficiency against tomato gray mold (Botrytis cinerea) disease . Although positive effects of Se NPs in tomato have been reported, studies have focused on stress alleviation, disease prevention and treatment when plants are in vegetative stage, while studies germinating tomato seeds without abiotic or biotic stress are very scarce and needed. The application of Se NPs as a nanopriming agent in healthy tomato seeds without induced stress will help to understand their effects under natural conditions. The main objective of this study was to investigate the effects of nanopriming tomato seeds with Se NPs as function of the germination quality, seedlings growth, synergism-antagonism of Se with other elements, and find the optimal concentration of Se NPs for tomato seed priming. The fate of Se NPs in nanoprimed seeds was also determined by transmission electron microscopy (TEM) imaging.

Materials and methods

Se NPs source and characterization

Elemental Se NPs were acquired from ID Nano (México) with a primary particle size of . The morphology of the NPs was determined by transmission electron microscopy (TEM, JEOL JEM 1010). The hydrodynamic diameter and the potential were measured by dynamic light scattering (DLS, Zetasizer Lab, Malvern Panalytical). The localized surface plasmon resonance (LSPR) was determined by UV-vis spectrophotometer (Jenway, . Se NPs stock suspension concentration was 4000 ppm , which was diluted with milliQ water to 1,10 and 50 ppm , which were experimental concentrations due to values from 1 to 100 ppm presented positive effects in tomato and other crops when applied via different delivery systems as mentioned in the introduction. Stock and experimental suspensions were dispersed by ultrasonication during 30 min at 185 W (Branson 5510). After ultrasonication, Se NPs were then sterilized by ultraviolet radiation for 60 min (Labconco Purifier, Class II, type A2, BSC) .

Tomato seed priming experiments

Commercial tomato Floradade var. seeds were procured from United States of America. The seeds were sterilized with sodium hypochlorite solution at for 10 min , and then immediately washed thrice with MilliQ water. Then, the seeds were added to their corresponding treatment of 1,10 and 50 ppm of elemental Se NPs ( 1000 mL of solution per treatment) and vigorously shaken at 250 rpm for 180 min at room temperature (IKA KS 4000 ic control). The primed seeds were germinated using two methods, Petri dishes and germination trays. The seeds were introduced to Petri dishes with distilled water or to germination trays with vermiculite and perlite ( ) as substrate. Each experimental treatment was performed in quadruplicate, using 40 seeds for each treatment. MilliQ water was established as the control media for seed priming. The seeds were maintained in dark conditions for 7 days and the germination parameters were measured on the 8th day . The fate of Se NPs within the seed is determined through transmission electron microscopy (TEM), while the content of the inorganic elements in the seeds was measured by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). For these analyses, seeds were digested in 10 mL of at using a microwave oven system (Mars 6, CEM corp.), where temperature was gradually increased to , maintained for 10 min , and then let gradually cool down to room temperature.

Measurement of seed germination

The parameters measured include germination rate (GR, Eq. (1)), germination potential (GP, Eq. (2)), mean germination time (MGT, Eq. (3)), germination index (GI, Eq. (4)), and vigor index (VI, Eq. (5)) .

Fate of Se NPs in tomato primed seeds

Standard TEM procedures were conducted to find if Se NPs penetrated the seed coat. Tomato seeds samples were thoroughly washed with MilliQ water and prefixed in glutaraldehyde for 1 h at room temperature. Then, samples were washed in sodium cacodylate buffer, and postfixed in osmium tetroxide at for 24 h . The samples were washed with sodium cacodylate buffer and dehydrated in a graded series of ethanol ( ). Finally, samples were embedded in epoxy resin (EPON 812), sectioned with an ultramicrotome to of thickness, and placed in Cu-based grids for TEM observation (TEM, JEOL JEM 1010) .

Tomato seedlings growth

Plant length and fresh weight values were measured 21 days after sowing ( 21 DAS) for tomato seedlings germinated in trays. Length values were calculated with a thread and a scale ( ) and expressed in centimeters. Fresh weight values were determined with an analytical balance (Ohaus Adventurer) and expressed in milligrams .

Total antioxidant capacity (TAC)

TAC was measured to aerial tissue following the Trolox equivalent standard method . Briefly, we reconstituted a Trolox standard solution with dimethyl sulfoxide (DMSO) to prepare a calibration curve. Then, the prepared standard was introduced into a 96 well plate and of prepared solution was added. Furthermore, samples from whole aerial tissue of the seedlings were diluted with protein mask, and of prepared solution was added. All samples, standards, and blank (same reagents without plant tissue) were incubated in darkness for 90 min at room temperature. Finally, absorbance was measured at 570 nm and Trolox equivalents were calculated with Eq. (6), where C represents the Trolox equivalents in is the Trolox equivalent of the sample from standard curve, and is the sample volume in . TAC values are converted and expressed in per gram of fresh weight.

Chlorophyll content

Total chlorophyll content was determined on the basis of Winterman & de Mots . Specifically, 100 mg of fresh whole aerial tissue (shoot) was taken from each treatment and immersed in 5 mL of ethanol at . The samples were then triturated and left overnight to extract the pigments. The mixture was centrifuged for 3 min at . Absorbance at 654 was measured in a spectrophotometer (Jenway, 6715 UV ). The estimation of total chlorophyll was obtained with Eq. (7) and expressed as milligrams of total chlorophyll per gram of fresh weight.

Proline content

The proline content in tomato seedlings was assayed according to the standard method . A standard curve was prepared with L-proline ( ). Furthermore, we prepared, diluted, and centrifuged whole aerial tissue samples to obtain 2 mL of filtrate, and we added 2 mL of acid ninhydrin and 2 mL of acetic acid glacial. A blank was prepared (same reagents without plant tissue). All samples were water bathed and boiled for 60 min , and immediately cooled with ice. Then, 4 mL of toluene was added and the solution was vigorously shaken. Finally,
the absorbance in the chromophore was measured at 520 nm and the proline content was calculated using the Eq. (8) and expressed in of proline per gram of fresh weight.

Nitrogen determination

Total nitrogen content was determined according to the persulfate digestion method . In brief, a HI 839800 reactor (HANNA instruments) and 10 mL of sulfuric acid were used to digest aerial and root tissues from tomato seedlings at for . Persulfate powder pillows were added to p hydroxide digestion reagent vials with 0.5 mL of the digested samples ( 0.5 mL of deionized water for blank) were added. Then, vials were vigorously shaken for 30 s and placed in a heating reactor for 30 min at and let to cool to room temperature. TN Reagent was added, and vials were shaken for 30 s , while a 3 -min reaction happened. After, TN Reagent B was added to the vials which were shaken for 15 s , while a reaction happened. Then, 2 mL were extracted and added to TN Reagent C vials. Program ” 394 N, Total HR TNT” was started in a DR 1900 spectrophotometer (Hach company). Finally, blank vial is inserted into the cell holder and set as “zero”, then each sample nitrogen content is read in . The total nitrogen content estimation is converted to grams ( ) and multiplied by 1000 to express in grams per kilogram of fresh weight.

Metals determination

A screening of metals including macro and micronutrients in seeds and whole seedling tissues from tomato were determined. Prior to analysis, seeds and tissues were dried until constant weight and then subjected to acid digestion in a microwave oven system (Mars 6, CEM corporation). The digested samples were then diluted using deionized water and analyzed by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP.MS) in Agilent 7800 ICP-MS . The elemental content is converted from ppb to milligrams per kilogram of dry weight.

Statistical analysis

The germination quality, seedlings growth, biochemical parameters, and nitrogen content were statistically analyzed using one-way analysis of variance (ANOVA) with Origin Pro, considering that Se NPs concentration was the variable factor. Metal contents were also analyzed with Pearson correlation matrices. All pairwise multiple comparison procedures were conducted with Holm-Sidak method, and significant differences between treatments and control are based on a probability of , unless otherwise specified. Data are presented as mean standard errors ( ), unless otherwise specified.

Results

Characterization of Se NPs

DLS measurements indicated that Se NPs mean size distribution was 143.9 nm (Fig. 1A) with a polydispersity index of 0.0908 , which disagrees with TEM micrographs ( length, width). Differences in the size of Se NPs obtained by DLS and TEM can be by the possible agglomeration of the NPs in the solution
Figure 1. Characterization of Se NPs as function of size distribution, LSPR, and TEM micrographs. (A) DLS measurement indicated Se NPs size distribution from 75 to 320 nm (mean ). (B) LSPR peak registered the highest absorbance in the UV-C region at 190 nm . (C) TEM micrograph of irregular shaped Se NPs ( length, width).
measured through DLS. The LSPR peak (Fig. 1B), which is determined to understand the photocatalytic activity of the NPs, was detected in the UV-C region at 190 nm . TEM images revealed that Se NPs had an irregular shape (Fig. 1C), which can also contribute to differences in size of the agglomerates. The mean conductivity of Se NPs was and the potential was observed at -48.19 mV , indicating that Se NPs had a stable dispersion in water.

Germination of tomato seeds primed with Se NPs

The data presented in Fig. 2 revealed that nanopriming tomato seeds with Se NPs improved the germination quality. In Petri dishes, nanopriming the seeds with 10 ppm increased the germination rate up to as compared to control (Fig. 2A), while the germination potential increased up to . Better results were obtained with trays with a lower dosage (Fig. 2B), where the germination rate (Fig. 2F) and potential increased up to with 1 ppm (Fig. 2G), as compared to control. The mean germination time also increased accordingly for both methods due to the higher number of seeds germinating. This resulted in germination time of up to 6 days (Fig. 2C) in Petri dishes at 10 ppm , and 4.8 days in germination trays at 1 ppm (Fig. 2H). Furthermore, the germination index increased up to in Petri dishes with 10 ppm (Fig. 2D), while trays presented a higher efficiency at 1 ppm , increasing the germination index up to as compared to control (Fig. 2I). The vigor index was also significantly enhanced in trays (Fig. 2J), increasing up to as compared to control. In Petri dishes, 10 ppm increased the vigor index up to (Fig. 2E), however, the results were statistically similar to the control. In both germination methods and all parameters measured, the results obtained from nanopriming tomato seeds with 50 ppm resulted in either no statistical differences, or even decreases as compared to control groups.

Fate of Se NPs within tomato primed seeds

Figure 3 shows TEM micrographs tomato nanoprimed seeds exposed to Se NPs. The penetration of Se NPs through the seed coat was confirmed (Red arrows). Moreover, Se NPs can be observed close to the membrane of a proplastid within the seed, prompting unknown interactions and mechanisms in the biogenesis of chloroplasts and other organelles.
Figure 2. Germination quality of tomato seeds germinated in Petri dishes (left panels) and germination trays (right panels) as function of different Se NPs concentration. (A,F) Germination rate. (B,G) Germination potential. (C,H) Mean germination time. (D,I) Germination index. (E,J) Vigor index. Each result is a mean of 4 replicates. Statistical analysis was carried out using Holm-Sidak test separately for each germination method and parameter. Significant differences ( ) between means are represented by different letters in treatment bars. Red vertical lines with caps represent the standard error.
Figure 3. TEM micrographs confirmed the penetration of Se NPs through the seed coat of tomato nanoprimed seeds and their presence within the endosperm. Se NPs in the left micrograph are pointed by red arrow heads. Proplastids in the right micrograph are pointed by yellow arrow heads.

Seedlings growth

The tomato nanoprimed seedlings germinated in trays presented significant increases in the total length (21 DAS). The total length increased up to and respectively for 1 and 10 ppm of Se NPs, as compared to control (Fig. 4A). However, NPs had no impact on the fresh weight of the seedlings (Fig. 4B).
Figure 4. Physiological parameters of tomato seedlings cultivated in trays (21 DAS). (A) Length. (B) Fresh weight. (C) TAC. (D) Total chlorophyll content. (E) Proline content. (F) Total Nitrogen content. Each result is a mean of 4 replicates, statistical analysis was carried out using Holm-Sidak test separately for each parameter. Significant differences ( ) between means are represented by different letters in treatment bars. Vertical lines with caps represent the standard error.

Total antioxidant capacity

TAC values of whole aerial tissues in tomato nanoprimed seedlings (21 DAS) germinated in trays significantly increased when seed were exposed to10 and 50 ppm of Se NPs. As shown in Fig. 4C, results obtained with 1 ppm show statistical similarity to the treatments of 10 and 50 ppm , and control group. The highest TAC values were obtained for 10 ppm , with increases up to as compared to control, while for 50 ppm the TAC of the tomato seedlings increased up to .

Chlorophyll content

The total chlorophyll content obtained from whole aerial tissues in tomato nanoprimed seedlings (21 DAS) germinated in trays increased significantly but only with 10 ppm of Se NPs, as shown in Fig. 4D, the increases achieved up to . Conversely, the treatment of 1 ppm decreased the total chlorophyll content up to , while the treatment of 50 ppm showed similarities with both control and 1 ppm , but no significant reductions were noted.

Proline content

The proline content (an important stress marker) in whole aerial tissues of tomato nanoprimed seedlings (21 DAS) germinated in trays was significantly reduced when seed were exposed to 10 and 50 ppm of Se NPs. The most effective treatment was 10 ppm , with a decrease of , while 50 ppm achieved a reduction of as compared to control. Almost identical results were obtained from 1 ppm and control (Fig. 4E), showing no differences in the level of this osmolyte.

Nitrogen content

The nitrogen content in plants is associated with the growth of the seedlings and their photosynthetic activity. In tomato nanoprimed seedlings (21 DAS), significant increases were noted with 1 and 10 ppm of Se NPs. The best results were obtained with 10 ppm , where the nitrogen content increased up to , while the increase obtained with 1 ppm was up to , as compared to control. Statistically, there were no differences between control and 50 ppm , meaning that the N content remained at similar levels, as shown in Fig. 4F.

Metal content

Se NPs induced significant variations of metals content for seeds and seedlings (21 DAS) (Table 1). In tomato nanoprimed seeds, the Se content increased accordingly to the treatments of Se NPs, ( ) and . However, Ca and Cu significantly decreased their concentration in presence of Se NPs. The Ca content in seeds was reduced in all treatments between 31.95 and , while the Cu content decreased between (Table 1). Similarly, in tomato seedlings ( 21 DAS ), Ca and Cu content decreased in all treatments in a range of , and , respectively. Furthermore, the Mo and K content also decreased between 42.86 and , and , respectively (Table 2 ). This tendency was not observed for Se content in the tomato seedlings, where all treatments resulted in either no significant differences with control. Furthermore, the antagonistic effects of Se with other mineral nutrients in tomato Se NPs primed seeds were confirmed by a Pearsons correlation matrix as shown in supplementary information (SI, Table S1) highlighting the antagonistic effects on , and Cu . Conversely, Se NPs primed tomato seedlings (21 DAS) showed a synergistic correlation between the Se content and important nutrients, such as and Zn (SI, Table S2).
Control 1 ppm 10 ppm 50 ppm
Se
Na
Mg
Al
K
Ca
Ti
Mn
Fe
Cu
Zn
Mo
Table 1. Effect of Se NPs on Se and other mineral nutrient content in tomato primed seeds (mg/kg dry weight) Data represent the mean and standard error of three experimental replicates. Statistical significance is indicated by (Holm-Sidak versus control).
Control 1 ppm 10 ppm 50 ppm
Se
Na
Mg
Al
K
Ca
Ti
Mn
Fe
Cu
Zn
Mo
Table 2. Effect of Se NPs on Se and other mineral nutrient content in tomato primed seedlings (mg/kg dry weight) Data represent the mean and standard error of three experimental replicates. Statistical significance is indicated by (Holm-Sidak versus control).

Discussion

Nanopriming tomato seeds with Se NPs resulted in significant increases in the germination quality in trays and Petri dishes, enhancing the germination rate, vigor, and germination indexes. In trays, the effectiveness of Se NPs as nanopriming agents exceeded the results obtained in Petri dishes, increasing the germination rate by with 1 ppm and the germination and vigor indexes between 54.16 and for all Se NPs concentrations tested. Furthermore, the positive results obtained in trays were achieved with 1 ppm of Se NPs, whereas the positive effects of Se NPs in Petri dishes were registered with 10 ppm . During the appearance of the radicle, the hypocotyl and epicotyl of seeds germinated in Petri dishes were deformed due to the absence of substrate, resulting in death of the seedlings during transplant. These results and the higher efficiency achieved by trays prompted the further experiments to be conducted on seedlings germinated in trays.
The resulting germination quality for each method can be due to small differences in environmental factors, such as temperature, moisture, light conditions, and the substrate . The results obtained are in accordance with recent nanopriming studies with Se NPs. For example, germination and vigor of tomato nanoprimed seeds affected by late blight disease increased by 22 and with 100 ppm of Se NPs, respectively . Moreover, in heat-stressed tomato plants, the concentrations of Se NPs with the best results on growth parameters were found to be 5 and 10 ppm , while 20 ppm showed signs of phytotoxicity . In Barley (Hordeum vulgare) nanoprimed seeds with Se NPs, the best treatment for the germination quality in Petri dishes was also 5 ppm , while 10 ppm resulted in the highest number and thickness of roots . In accordance with these studies, we found similar concentrations of Se NPs to have the best results in our nanopriming experiment for tomato seeds. The main difference with reported studies is that we did it without induced stress conditions. Under non-stressed conditions, the best treatments to increase the germination quality in nanoprimed tomato seeds were 1 ppm and 10 ppm in trays and Petri dishes, respectively. Whereas in trays, the treatment of 10 ppm achieved the best results on tomato seedling growth.
Improving the germination quality can result in a more efficient nutrient and water uptake of seedlings, enhancing the resilience to biotic and abiotic stress . Even though Se is a nonessential element for plants , previous studies have reported that Se NPs can help to improve the germination, growth, and stress resilience of different crops . Although the exact mechanisms of such improvements with Se NPs are still unknown, it has been proposed that the germination rate of different seeds can increase due to the NPs creating nanopores through their penetration, which consequently increases the imbibition of water by the seeds. Also, the selective permeability of the seed surface pores can help to internalize or restrict the uptake of . This could explain why we observed Se NPs within the endosperm of tomato nanoprimed seeds. Furthermore, a positive linear correlation was found between the treatments ( of Se NPs) and the seed Se content (SI, Fig. S1), while TEM micrographs revealed Se NPs near a proplastid. Furthermore, transport of Se NPs within plant tissues through the symplastic pathway is possible, due to their possible penetration through the plasma membrane . This means that Se NPs not only penetrate the seed coat but also the embryo, prompting unknown interactions with proplastids, which can transform into chloroplasts and other organelles during biosynthesis. In this last bioprocess, the production of chlorophyl, antioxidants (including antioxidant enzymes such as superoxide dismutase, catalase, glutathione peroxidase, and antioxidants such as glutathione, ascorbic acid, 4 -aminobutyric acid, -tocopherol, ferulic acid, amongst others) , proline, and other important compounds can occur. Such metabolic activities resulted in a higher total chlorophyll content, and TAC in aerial tissues of nanoprimed tomato seedlings, while the proline content (an important osmolyte) was significantly reduced in nanoprimed tomato seedlings.
There was positive correlation of total chlorophyll and TAC with the seed Se content (SI, Fig. S4), as well as a negative correlation of proline content with seed Se content (SI, Fig. S4). These correlations are important because chlorophyll is an essential molecule associated with photosynthetic activity and growth of the seedlings . Besides, the antioxidative system in plants is a complex multilevel network, including enzymes of
the glutathione-ascorbate cycle which serve to maintain homeostasis within the cell and counteract reactive oxygen species (ROS), among others . Proline accumulation also plays important roles in stress tolerance for many plants species , including the roles in vegetative growth of seedlings as a metabolite and signal molecule . Although the exact mechanisms and interactions in which Se NPs can increase the total chlorophyll and TAC content, and reduce the proline content remain unknown, we speculate that the results obtained might be explained by Se NPs increasing the content of glutathione in tomato. More than of total glutathione content is in reduced form (GSH), reduced by the NADPH-dependent activity of glutathione reductase (GR), while less than is in its oxidized form which is glutathione disulfide (GSSG) . The Se-dependent glutathione peroxidase (GPX) is involved in the plant metabolism, redox signaling, and defense systems . In the ascorbate-glutathione cycle, GSH is oxidized to GSSG, and then reduced again to GSH by GR. This cycle involved both the reduced and oxidized forms of glutathione, and the balance between GSH and the ascorbate content maintains the cellular redox state in plants .
Bringing together three monitored parameters such as TAC, chlorophyll, and proline, we found that all three and Se are related with glutamate which is essential for the glutathione cycle. In fact, it has been reported that ionic Se can increase the content of glutathione in tomato leaf tissues . Glutathione is one-third glutamate, which is vital in the metabolic pathway of chlorophyll biosynthesis in the chloroplasts and thylakoid membranes . Glutathione is a non-enzymatic antioxidant that prevents lipid peroxidation and protects the plasma membrane . Furthermore, chloroplasts require glutathione reductase to maintain an efficient photosynthesis and plant growth . Therefore, Se NPs might increase the total chlorophyll content by increasing metabolites involved in the metabolic pathway of chlorophyll biosynthesis. In fact, it has also been proposed that Se can follow the glutathione sulfhydryl transferase (GST) transfer pathway, due to the evidence that Se and anthocyanins shared the same transcription factors in wheat . In addition, glutathione transferases (GSTs) serve as non-catalytic carrier proteins involved in the vacuolar uptake of anthocyanins in tomato and other crops . Furthermore, it was found that individual anthocyanins have important contributions to TAC in other crops, with pelargonidin 3-glucoside (Pg-3-G) displaying the highest TAC values . The enzymes of the glutathione-ascorbate cycle are the most closely related to the antioxidant system in plants . This could explain the significant increases in TAC by nanopriming tomato seeds with Se NPs and can be closely related to the total chlorophyll content increases. Furthermore, the glutamate pathway accounts for the most proline accumulation in plants during osmotic stress . The chloroplasts, mitochondria and cytoplasm are involved in the proline metabolism . As well as in the chlorophyll and antioxidants metabolisms . Meaning that interactions of Se NPs within the cell could result in a reduction in proline content, which is in accordance with the increases in total chlorophyll content and TAC. This could be further supported by the evidence of antagonisms of Se NPs with other important mineral nutrients. The TAC values and proline content were obtained from whole aerial tissues because the biomass of the roots was minimum, however, future studies should consider the roots values and whole seedling values to properly assess the effects of Se NPs on the seedling development.
Through Pearson correlation coefficient matrices, we observed that the Se content resulting from nanopriming tomato seeds with Se NPs resulted in antagonistic effects over essential macro and microelements in the seed, such as and Mo . This is consistent with other studies that have reported antagonistic effects of ionic Se over Mo, Fe, Mn, and Cu content in tomato roots . Furthermore, the flow direction of Se within plant tissues coincides with the transport pathways of , while antagonisms of Se with S , and As, have been reported early in the previous century . Also, angiosperms such as tomato, tend to have similar shoot Se/S quotients, while Se and S share the same primary metabolism . All of this might be explained by the chemical similarities of Se with S and . Although the consequences of such antagonistic effects of Se with other important nutrients are unclear, it is evident that the increases in germination quality are not related to the interaction with other nutrients. Conversely, synergistic effects of Se content in nanoprimed tomato seedlings were found with important nutrients, such as , and Zn . The only element in which antagonistic effects of Se persisted was Mo. Furthermore, the Se content in the seedlings differed significantly with the Se content in the seeds, we speculate this was caused by the exudation mechanisms of the tomato seedlings expelling Se NPs into the substrate, as well as the seedlings not internalizing the total amount of Se that penetrated the endosperm .
Although it remains unclear which are the exact mechanisms of Se NPs promoting the germination and growth of tomato seedlings, metabolomics and other “omics” have been proposed to elucidate the different expressions of metabolites in plants, which could explain the positive effects of NPs in the phenotype of such plants . Metabolomics can help to understand the differences in metabolic pathways of carbohydrates, vitamins, amino acids, glucosinolates, amongst others, which can be helpful to assess the physiological status of the plants . While this work focused on germination and early vegetative growth of tomato, longer life cycle studies which implement genomics, transcriptomic, proteomics, and metabolomics, are recommended for future work, to completely understand the response of tomato plants to Se NPs, and their mechanisms and interactions which prompt such responses.

Conclusions

In this work, nanopriming tomato seeds with Se NPs effectively increased the germination quality in both germination methods trays and Petri dishes. The treatments of 1 and 10 ppm of Se NPs exhibited the best performance on germination for trays and Petri dishes, respectively. Trays showed a greater germination quality than Petri dishes and were selected for further experimentation. Nanoprimed tomato seedlings showed the best growth with 10 ppm of Se NPs, significantly increasing their total length. The same treatment resulted in the best results for total chlorophyll content and antioxidant capacity in whole aerial tissues. Furthermore, such increases in vegetative growth are consistent with the significant reduction in proline content. Various studies have reported a reduction of proline content, as well as increases in total chlorophyll content in different crops
with NPs of different nature, but information of the impact of seed priming with Se NPs in tomato without induced stress conditions is scarce. We conclude that Se NPs can be used as an effective nanopriming agent to increase the germination quality and growth of tomato, because of the positive impact previously described on the germination with 1 ppm and the seedlings growth with 10 ppm . However, the mechanisms in which Se NPs prompt such increases in the germination quality and seedling growth are unknown, therefore, it is essential to elucidate the intricacies of Se NPs interactions with the different plant systems before properly implementing the use of Se NPs in sustainable agriculture. To achieve this, quantitative studies with metabolomics addressing the glutathione pathway of tomato plants treated with Se NPs are needed. Furthermore, genomics, transcriptomics and proteomics can also be utilized to understand the interactions between Se NPs and plant tissues on a deeper scale, while full life cycle studies of crops can also be useful to determine if the Se NPs can impact chloroplasts and other organelles within plant tissue as function of time.

Data availability

All data generated or analyzed are included within this article or in supplementary information. The data are available from the corresponding author upon reasonable request.
Received: 28 December 2023; Accepted: 13 March 2024
Published online: 20 March 2024

References

  1. Muhie, S. H. Novel approaches and practices to sustainable agriculture. J. Agric. Food Res. 10, 100446 (2022).
  2. Arora, S., Murmu, G., Mukherjee, K., Saha, S. & Maity, D. A comprehensive overview of nanotechnology in sustainable agriculture. J. Biotechnol. 355, 21-41 (2022).
  3. Altaf, M. A. et al. Melatonin alleviates salt damage in tomato seedling: A root architecture system, photosynthetic capacity, ion homeostasis, and antioxidant enzymes analysis. Sci. Hortic. 285, 110145 (2021).
  4. Kou, E. et al. Nitrogen and sulfur co-doped carbon dots enhance drought resistance in tomato and mung beans. ACS Appl. Bio Mater. 4, 6093-6102 (2021).
  5. Quinet, M. et al. Tomato fruit development and metabolism. Front. Plant Sci. https://doi.org/10.3389/fpls.2019.01554 (2019).
  6. Zulfiqar, F., Navarro, M., Ashraf, M., Akram, N. A. & Munné-Bosch, S. Nanofertilizer use for sustainable agriculture: Advantages and limitations. Plant Sci. 289, 110270. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2019.110270 (2019).
  7. Singh, R. P., Handa, R. & Manchanda, G. Nanoparticles in sustainable agriculture: An emerging opportunity. J. Controll. Release 329,1234-1248. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2020.10.051 (2021).
  8. Singh, B. K., Trivedi, P., Egidi, E., Macdonald, C. A. & Delgado-Baquerizo, M. Crop microbiome and sustainable agriculture. Nat. Rev. Microbiol. 18, 601-602. https://doi.org/10.1038/s41579-020-00446-y (2020).
  9. Talebian, S. et al. Facts and figures on materials science and nanotechnology progress and investment. ACS Nano 15, 15940-15952 (2021).
  10. Cervantes-Avilés, P., Huang, X. & Keller, A. A. Dissolution and aggregation of metal oxide nanoparticles in root exudates and soil leachate: Implications for nanoagrochemical application. Environ. Sci. Technol. 55, 13443-13451 (2021).
  11. Biswas, S., Seal, P., Majumder, B. & Biswas, A. K. Efficacy of seed priming strategies for enhancing salinity tolerance in plants: An overview of the progress and achievements. Plant Stress 9, 100186. https://doi.org/10.1016/j.stress.2023.100186 (2023).
  12. Eevera, T. et al. Unleashing the potential of nanoparticles on seed treatment and enhancement for sustainable farming. Environ. Res. 236, 116849. https://doi.org/10.1016/j.envres.2023.116849 (2023).
  13. Mazhar, M. W. et al. Seed priming with iron oxide nanoparticles improves yield and antioxidant status of garden pea (Pisum sativum L.) grown under drought stress. South Afr. J. Bot. 162, 577-587 (2023).
  14. Mazhar, M. W., Ishtiaq, M., Maqbool, M. & Akram, R. Seed priming with Calcium oxide nanoparticles improves germination, biomass, antioxidant defence and yield traits of canola plants under drought stress. South Afr. J. Bot. 151, 889-899 (2022).
  15. Zhao, L. et al. Nanobiotechnology-based strategies for enhanced crop stress resilience. Nat. Food 3, 829-836 (2022).
  16. Dangi, K. & Verma, A. K. Efficient & eco-friendly smart nano-pesticides: Emerging prospects for agriculture. Mater. Today Proc. 45, 3819-3824 (2020).
  17. Elsherbiny, A. S., Galal, A., Ghoneem, K. M. & Salahuddin, N. A. Novel chitosan-based nanocomposites as ecofriendly pesticide carriers: Synthesis, root rot inhibition and growth management of tomato plants. Carbohydr. Polym. 282, 119111 (2022).
  18. Ozcan, A. et al. Copper-fixed quat: A hybrid nanoparticle for application as a locally systemic pesticide (LSP) to manage bacterial spot disease of tomato. Nanoscale Adv. 3, 1473-1483 (2021).
  19. Keller, A. A. et al. Comparative environmental fate and toxicity of copper nanomaterials. NanoImpact 7, 28-40 (2017).
  20. Younes, N. A., Hassan, H. S., Elkady, M. F., Hamed, A. M. & Dawood, M. F. A. Impact of synthesized metal oxide nanomaterials on seedlings production of three Solanaceae crops. Heliyon 6, e03188 (2020).
  21. Liao, Y. Y. et al. Magnesium oxide nanomaterial, an alternative for commercial copper bactericides: Field-scale tomato bacterial spot disease management and total and bioavailable metal accumulation in soil. Environ. Sci. Technol. 55, 13561-13570 (2021).
  22. Carvalho, R., Duman, K., Jones, J. B. & Paret, M. L. Bactericidal activity of copper-zinc hybrid nanoparticles on copper-tolerant Xanthomonas perforans. Sci. Rep. https://doi.org/10.1038/s41598-019-56419-6 (2019).
  23. Singh, A., Singh, N. B., Hussain, I. & Singh, H. Effect of biologically synthesized copper oxide nanoparticles on metabolism and antioxidant activity to the crop plants Solanum lycopersicum and Brassica oleracea var. botrytis. J. Biotechnol. 262, 11-27 (2017).
  24. Malandrakis, A. A. et al. Metal nanoparticles: Phytotoxicity on tomato and effect on symbiosis with the Fusarium solani FsK strain. Sci. Total Environ. 787, 147606 (2021).
  25. Ahmed, B., Rizvi, A., Zaidi, A., Khan, M. S. & Musarrat, J. Understanding the phyto-interaction of heavy metal oxide bulk and nanoparticles: Evaluation of seed germination, growth, bioaccumulation, and metallothionein production. RSC Adv. 9, 4210-4225 (2019).
  26. El-Badri, A. M. et al. Selenium and zinc oxide nanoparticles modulate the molecular and morpho-physiological processes during seed germination of Brassica napus under salt stress. Ecotoxicol. Environ. Saf. 225, 112695 (2021).
  27. Shalaby, T. A. et al. Nano-selenium, silicon and H 2 O 2 boost growth and productivity of cucumber under combined salinity and heat stress. Ecotoxicol. Environ. Saf. 212, 111962 (2021).
  28. Mateus, M. P. B. et al. Selenium biofortification enhances ROS scavenge system increasing yield of coffee plants. Ecotoxicol. Environ. Saf. 209, 111772 (2021).
  29. Abid, S. et al. Synthesis and characterization of glycol chitosan coated selenium nanoparticles acts synergistically to alleviate oxidative stress and increase ginsenoside content in Panax ginseng. Carbohydr. Polym. 267, 118195 (2021).
  30. Gudkov, S. V. et al. Production and use of selenium nanoparticles as fertilizers. ACS Omega 5, 17767-17774 (2020).
  31. Joshi, S. M., De Britto, S. & Jogaiah, S. Myco-engineered selenium nanoparticles elicit resistance against tomato late blight disease by regulating differential expression of cellular, biochemical and defense responsive genes. J. Biotechnol. 325, 196-206 (2021).
  32. Liu, J. et al. Defense and inhibition integrated mesoporous nanoselenium delivery system against tomato gray mold. Environ. Sci. Nano 7, 210-227 (2020).
  33. Huang, X., Cervantes-Avilés, P., Li, W. & Keller, A. A. Drilling into the metabolomics to enhance insight on corn and wheat responses to molybdenum trioxide nanoparticles. Environ. Sci. Technol. 55, 13452-13464 (2021).
  34. Itroutwar, P. D., Kasivelu, G., Raguraman, V., Malaichamy, K. & Sevathapandian, S. K. Effects of biogenic zinc oxide nanoparticles on seed germination and seedling vigor of maize (Zea mays). Biocatal. Agric. Biotechnol. 29, 101778 (2020).
  35. Gong, C. et al. Responses of seed germination and shoot metabolic profiles of maize (: Zea mays L.) to Y2O3 nanoparticle stress. RSC Adv. 9, 27720-27731 (2019).
  36. Wang, Z. et al. Xylem- and phloem-based transport of CuO nanoparticles in maize (Zea mays L.). Environ. Sci. Technol. 46, 4434-4441 (2012).
  37. Cervantes-Avilés, P., Díaz Barriga-Castro, E., Palma-Tirado, L. & Cuevas-Rodríguez, G. Interactions and effects of metal oxide nanoparticles on microorganisms involved in biological wastewater treatment. Microsc. Res. Tech. 80, 1103-1112 (2017).
  38. Adhikary, S. et al. Seed priming with selenium and zinc nanoparticles modifies germination, growth, and yield of direct-seeded rice (Oryza sativa L.). Sci. Rep. https://doi.org/10.1038/s41598-022-11307-4 (2022).
  39. Pisoschi, A. M., Pop, A., Cimpeanu, C. & Predoi, G. Antioxidant capacity determination in plants and plant-derived products: A review. Oxidat. Med. Cell. Longev. 2016, 1-36. https://doi.org/10.1155/2016/9130976 (2016).
  40. Sigma-Aldrich Co. LLC. USA. Total Antioxidant Capacity Assay Kit. (2018).
  41. Wintermans, J. F. G. M. & De Mots, A. Spectrophotometric characteristics of chlorophylls a and b and their Pheophytins in Ethanol. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) Biophys. Incl. Photosynth. https://doi.org/10.1016/0926-6585(65)90170-6 (1965).
  42. Bates, L. S., Waldren, R. P. & Teare, I. D. Rapid determination of free proline for water-stress studies. Plant Soil https://doi.org/10. 1007/BF00018060 (1973).
  43. Hach Lange GmbH. USA. Total Nitrogen, Persulfate Digestion Method. (2015).
  44. Zhao, L., Hu, Q., Huang, Y. & Keller, A. A. Response at genetic, metabolic, and physiological levels of maize (Zea mays) exposed to a nanopesticide. ACS Sustain. Chem. Eng. 5, 8294-8301 (2017).
  45. Rohal, C. B., Adams, C. R., Martin, C. W., Tevlin, S. & Reynolds, L. K. Seed bank and germination ecology of sub-tropical Vallisneria americana. Aquat. Bot. 190, 103721 (2024).
  46. Nagdalian, A. A. et al. Effect of selenium nanoparticles on biological and morphofunctional parameters of barley seeds (Hordéum vulgáre L.). Sci. Rep. https://doi.org/10.1038/s41598-023-33581-6 (2023).
  47. Zhan, T. et al. Chitin combined with selenium reduced nitrogen loss in soil and improved nitrogen uptake efficiency in Guanxi pomelo orchard. Sci. Total Environ. 799, 149414 (2021).
  48. Abouelhamd, N., Gharib, F. A. E. L., Amin, A. A. & Ahmed, E. Z. Impact of foliar spray with Se, nano-Se and sodium sulfate on growth, yield and metabolic activities of red kidney bean. Sci. Rep. https://doi.org/10.1038/s41598-023-43677-8 (2023).
  49. Ghanbari, F., Bag-Nazari, M. & Azizi, A. Exogenous application of selenium and nano-selenium alleviates salt stress and improves secondary metabolites in lemon verbena under salinity stress. Sci. Rep. https://doi.org/10.1038/s41598-023-32436-4 (2023).
  50. Pereira, A. E. S., Oliveira, H. C. & Fraceto, L. F. Polymeric nanoparticles as an alternative for application of gibberellic acid in sustainable agriculture: A field study. Sci. Rep. https://doi.org/10.1038/s41598-019-43494-y (2019).
  51. Hubbard, J. D., Lui, A. & Landry, M. P. Multiscale and multidisciplinary approach to understanding nanoparticle transport in plants: Multiscale and multidisciplinary approach to understanding nanoparticle transport in plants. Curr. Opin. Chem. Eng. 30, 135-143. https://doi.org/10.1016/j.coche.2020.100659 (2020).
  52. Zhao, L., Huang, Y., Adeleye, A. S. & Keller, A. A. Metabolomics reveals nanopesticide-activated anti-oxidative pathways and decreased beneficial antioxidants in Spinach leaves. Environ. Sci. Technol. 51, 10184-10194 (2017).
  53. Tanaka, A. & Tanaka, R. Chlorophyll metabolism. Curr. Opin. Plant Biol. 9, 248-255 (2006).
  54. Dumanović, J., Nepovimova, E., Natić, M., Kuča, K. & Jaćević, V. The significance of reactive oxygen species and antioxidant defense system in plants: A concise overview. Front. Plant Sci. https://doi.org/10.3389/fpls.2020.552969 (2021).
  55. Verbruggen, N. & Hermans, C. Proline accumulation in plants: A review. Amino Acids 35, 753-759. https://doi.org/10.1007/ s00726-008-0061-6 (2008).
  56. Mattioli, R., Costantino, P. & Trovato, M. Proline accumulation in plants: Not only stress. Plant Signal. Behav. 4, 1016-1018. https:// doi.org/10.4161/psb.4.11.9797 (2009).
  57. Aaseth, J., Gerhardsson, L., Skaug, M. A. & Alexander, J. General chemistry of metal toxicity and basis for metal complexation. In Chelation Therapy in the Treatment of Metal Intoxication (ed. Aaseth, J.) 1-33 (Elsevier Inc., 2016). https://doi.org/10.1016/ B978-0-12-803072-1.00001-8.
  58. Noctor, G. et al. Glutathione in plants: An integrated overview. Plant Cell Environ. 35, 454-484 (2012).
  59. Salbitani, G., Vona, V., Bottone, C., Petriccione, M. & Carfagna, S. Sulphur deprivation results in oxidative perturbation in chlorella Sorokiniana (211/8k). Plant Cell Physiol. https://doi.org/10.1093/pcp/pcv015 (2015).
  60. Schiavon, M. et al. Selenium fertilization alters the chemical composition and antioxidant constituents of tomato (Solanum lycopersicon L.). J. Agric. Food Chem. 61, 10542-10554 (2013).
  61. Hasanuzzaman, M., Nahar, K., Anee, T. I. & Fujita, M. Glutathione in plants: Biosynthesis and physiological role in environmental stress tolerance. Physiol. Mol. Biol. Plants 23, 249-268. https://doi.org/10.1007/s12298-017-0422-2 (2017).
  62. Müller-Schüssele, S. J. et al. Chloroplasts require glutathione reductase to balance reactive oxygen species and maintain efficient photosynthesis. Plant J. 103, 1140-1154 (2020).
  63. Pu, Z. et al. Selenium and anthocyanins share the same transcription factors R2R3MYB and bHLH in wheat. Food Chem. 356, 129699 (2021).
  64. Csiszár, J. et al. Glutathione transferase supergene family in tomato: Salt stress-regulated expression of representative genes from distinct GST classes in plants primed with salicylic acid. Plant Physiol. Biochem. 78, 15-26 (2014).
  65. Romero, I., Sanchez-Ballesta, M. T., Escribano, M. I. & Merodio, C. Individual anthocyanins and their contribution to total antioxidant capacity in response to low temperature and high in stored Cardinal table grapes. Postharvest Biol. Technol. 49, 1-9 (2008).
  66. Hayat, S. et al. Role of proline under changing environments: A review. Plant Signal. Behav. 7, 1456-1466. https://doi.org/10.4161/ psb. 21949 (2012).
  67. Verslues, P. E. & Sharma, S. Proline metabolism and its implications for plant-environment interaction. Arabidopsis Book 8, e0140 (2010).
  68. White, P. J., Bowen, H. C., Marshall, B. & Broadley, M. R. Extraordinarily high leaf selenium to sulfur ratios define ‘Se-accumulator’ plants. Ann. Bot. 100, 111-118 (2007).
  69. White, P. J., Broadley, M. R., Bowen, H. C. & Johnson, S. E. Chapter 1010 Selenium and its Relationship with Sulfur (Springer, 2007).
  70. White, P. J. Selenium in soils and crops. In Molecular and Integrative Toxicology (ed. Michalke, B.) 29-50 (Springer Science + Business Media B.V., 2018). https://doi.org/10.1007/978-3-319-95390-8_2.
  71. White, P. J. Selenium metabolism in plants. Biochimica et Biophysica Acta Gen. Subj. 1862, 2333-2342. https://doi.org/10.1016/j. bbagen.2018.05.006 (2018).
  72. Tolu, J. et al. Understanding soil selenium accumulation and bioavailability through size resolved and elemental characterization of soil extracts. Nat. Commun. https://doi.org/10.1038/s41467-022-34731-6 (2022).
  73. Shrivastava, M. et al. Monitoring of engineered nanoparticles in soil-plant system: A review. Environ. Nanotechnol. Monit. Manag. 11, 100218. https://doi.org/10.1016/j.enmm.2019.100218 (2019).
  74. Majumdar, S. & Keller, A. A. Omics to address the opportunities and challenges of nanotechnology in agriculture. Crit. Rev. Environ. Sci. Technol. 51, 2595-2636 (2021).
  75. Kumari, M. et al. Omics-based mechanistic insight into the role of bioengineered nanoparticles for biotic stress amelioration by modulating plant metabolic pathways. Front. Bioeng. Biotechnol. https://doi.org/10.3389/fbioe.2020.00242 (2020).

Acknowledgements

Authors acknowledge to Tecnologico de Monterrey for open access funding. EGL thanks to CONAHCYT and Tecnologico de Monterrey for the scholarship granted (1016970). PCA thanks to CONAHCYT (330129). Authors thank to Lourdes Palma for technical support in the Microscopy Unit in the Neurobiology Institute at National Autonomous University of Mexico (UNAM).

Author contributions

EGL: Practical work, statistical analysis, writing first draft, funding acquisition, and revising this manuscript. EIV: Statistical analysis, writing first draft, and revising this manuscript. PCA: Practical work, statistical analysis, writing first draft, funding acquisition, funding administration, supervision and revising this manuscript.

Funding

This work was funded by Tecnologico de Monterrey, Challenge-Based Research Funding Program, E051-EIC-GI10-A-T8-E.

Competing interests

The authors declare no competing interests.

Additional information

Supplementary Information The online version contains supplementary material available at https://doi.org/ 10.1038/s41598-024-57049-3.
Correspondence and requests for materials should be addressed to P.C.-A.
Reprints and permissions information is available at www.nature.com/reprints.
Publisher’s note Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.
Open Access This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License, which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons licence, and indicate if changes were made. The images or other third party material in this article are included in the article’s Creative Commons licence, unless indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the article’s Creative Commons licence and your intended use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain permission directly from the copyright holder. To view a copy of this licence, visit http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
© The Author(s) 2024
  1. Escuela de Ingeniería y Ciencias, Tecnologico de Monterrey, Reserva Territorial Atlixcáyotl, CP 72453 Puebla, Pue, México. email: pabel.cervantes@tec.mx