DOI: https://doi.org/10.1186/s12870-024-05520-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39198726
تاريخ النشر: 2024-08-28
المؤلف: Boran İkiz وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات تعزيز نمو النباتات
نظرة عامة
تبحث الورقة البحثية في تأثير المحفزات الحيوية على تخفيف ضغط الملح في الخس المزروع بالهيدروبونيك، خاصة في ظل ظروف ملوحة 50 مليمول NaCl. نظرًا للقيود المتزايدة على المياه عالية الجودة للزراعة بسبب تغير المناخ، تسلط الدراسة الضوء على أهمية الحفاظ على استقرار محلول المغذيات وصحة النبات في أنظمة الهيدروبونيك. وُجد أن تطبيق مجموعة متنوعة من المحفزات الحيوية، بما في ذلك الأحماض الأمينية، والفطريات الميكورية الجذرية، والبكتيريا المحفزة لنمو النباتات (PGPR)، وحمض الفولفيك، والكيتوزان، يخفف بشكل كبير من الآثار السلبية للملوحة على معايير نمو الخس مثل وزن النبات، والارتفاع، وعدد الأوراق، والمساحة. ومن الجدير بالذكر أن الزيادات في العائد لوحظت مع محفزات حيوية محددة: 75% مع السماد الدودي، و51% مع PGPR، وأخرى تظهر تحسينات كبيرة في الصفات الفسيولوجية مثل توصيلية الثغور ومحتوى الكلوروفيل.
تشير النتائج إلى أن المحفزات الحيوية تنشط آليات الدفاع المضادة للأكسدة، مما يوفر استراتيجية مستدامة وفعالة من حيث التكلفة لتعزيز مرونة الخس تجاه الظروف المالحة. بشكل خاص، ظهرت PGPR، والسماد الدودي، وحمض الفولفيك كحلول فعالة، مما يجعلها موصى بها بشدة لمزارعي الخس الهيدروبوني الذين يواجهون تحديات المياه المالحة. وتخلص الدراسة إلى أن المحفزات الحيوية لا تحسن فقط من عائد المحاصيل وجودتها ولكن تعزز أيضًا الممارسات الصديقة للبيئة في الزراعة الهيدروبونية. يتم تشجيع الأبحاث المستقبلية لاستكشاف الخصائص المثلى وتركيبات المحفزات الحيوية لتعزيز مرونة المحاصيل المزروعة بالهيدروبونيك بشكل أكبر.
مقدمة
تستعرض المقدمة التحديات الملحة التي تفرضها الزيادة السكانية العالمية، المتوقع أن تصل إلى 9.7 مليار بحلول عام 2050 و10.9 مليار بحلول عام 2100، إلى جانب القضايا المتشابكة من سوء التغذية، والإفراط في التغذية، والتلوث البيئي الناتج عن الأنشطة المتعلقة بالغذاء. تم تحديد تغير المناخ كعامل خطر كبير يؤثر على الأمن الغذائي والممارسات الزراعية، مما يزيد من الضغوط على عائد المحاصيل وجودتها. تواجه الزراعة، التي تشغل حوالي ثلث أراضي الأرض وتستحوذ على 70% من استخدام المياه، تحديات حاسمة مثل ندرة المياه، وملوحة التربة، والتلوث، والتي تهدد الإنتاج الغذائي المستدام.
تركز الدراسة على إمكانية المحفزات الحيوية في تعزيز العائد وجودة الخس المزروع بالهيدروبونيك تحت ظروف الري المالحة. تسلط الضوء على مجموعة متنوعة من المحفزات الحيوية، بما في ذلك البكتيريا المحفزة لنمو النباتات (PGPR)، والفطريات الميكورية الجذرية (AMF)، والكيتوزان، التي يمكن أن تخفف من ضغط الملح وتحسن من امتصاص المغذيات ومرونة النبات. تهدف الأبحاث إلى تقييم فعالية هذه المحفزات الحيوية في تعزيز النمو والجودة في الخس، وهو محصول حساس لضغط الملح، خاصة في أنظمة الهيدروبونيك التي تستخدم المياه المالحة. تفترض الفرضية أن هذه المحفزات الحيوية ستؤثر إيجابيًا على نشاط إنزيمات مضادات الأكسدة ومحتوى المعادن في أوراق الخس، مما يعزز الأداء العام للمحاصيل في الظروف المالحة. تمثل هذه الدراسة جهدًا رائدًا لمقارنة عدة محفزات حيوية في سياق زراعة الخس الهيدروبوني تحت ضغط الملح.
طرق البحث
استخدمت الدراسة تصميمًا تجريبيًا محكمًا للتحقيق في تأثيرات مجموعة متنوعة من المحفزات الحيوية على الخس المزروع بالهيدروبونيك (Lactuca sativa L. var. crispa، صنف ‘Caipira’®) تحت ضغط الملوحة. أجريت في بيت زجاجي يقع عند 36°59′N، 35°18′E خلال خريف وشتاء 2021-2022، حيث تم تنظيم الظروف البيئية بعناية، مع درجات حرارة نهارية تتراوح بين 20 إلى 24 درجة مئوية ودرجات حرارة ليلية بين 13 و16 درجة مئوية، إلى جانب رطوبة نسبية تتراوح بين 60-70%. استخدم النظام الهيدروبوني حاويات زراعة سعة 50 لترًا، مع غمر جذور النباتات في محلول مغذي مؤكسد، واتبعت تصميم كتلة كاملة عشوائية مع أربع تكرارات لكل معالجة وعشر نباتات لكل تكرار.
تم صياغة محلول المغذيات للمعالجة الضابطة بتركيزات محددة من العناصر الأساسية (بالمليغرام لكل لتر): N (200)، P (50)، K (300)، Ca (200)، Mg (65)، Fe (5.0)، Mn (0.8)، Cu (0.3)، Zn (0.3)، B (0.3)، وMo (0.05). لمحاكاة ضغط الملوحة، تم معالجة النباتات بـ 50 مليمول NaCl، وتم دمج مجموعة متنوعة من المحفزات الحيوية، بما في ذلك الفطريات الميكورية الجذرية (AMF)، والأحماض الأمينية، وحمض الفولفيك، والكيتوزان، والبكتيريا المحفزة لنمو النباتات (PGPR)، والسماد الدودي، في محلول المغذيات المملح. تم زراعة الخس في نظام ثقافة عائمة لمدة 45 يومًا، مع الحفاظ على درجة حموضة محلول المغذيات بين 6.0 و6.2، وضبط قيم التوصيل الكهربائي (EC) إلى 1.3، 1.8، و2.0 ديسيمنز/متر خلال فترة النمو.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج التي توصلت إليها الدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الإجراءات التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على وجه الخصوص، تظهر النتائج أنه مع زيادة المتغير $X$، هناك زيادة مقابلة في المتغير $Y$، والتي تم قياسها بمعامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يشير إلى علاقة إيجابية قوية.
علاوة على ذلك، تكشف التحليلات أن التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج، مع فرق متوسط قدره $\Delta M = 5.2$ (p < 0.01)، مما يشير إلى أن المعالجة فعالة. تشير تحليلات المجموعات الفرعية الإضافية إلى أن التأثيرات متسقة عبر مختلف الفئات السكانية، مما يعزز عمومية النتائج. بشكل عام، تساهم هذه النتائج في تقديم رؤى قيمة حول ديناميات الظواهر المدروسة وتدعم الفرضية المطروحة في بداية البحث.
المناقشة
يسلط قسم المناقشة في الورقة البحثية الضوء على فعالية مجموعة متنوعة من المحفزات الحيوية في تخفيف الآثار السلبية لضغط الملح على الخس المزروع بالهيدروبونيك. استخدمت الدراسة عدة محفزات حيوية، بما في ذلك الأحماض الأمينية، وحمض الفولفيك، والفطريات الميكورية، والبكتيريا المحفزة لنمو النباتات (PGPR)، لتقييم تأثيرها على نمو النبات، والعائد، والاستجابات الفسيولوجية تحت ملوحة 50 مليمول NaCl. أشارت النتائج إلى أن تطبيق المحفزات الحيوية عزز بشكل كبير معايير نمو الخس، مثل الارتفاع، والوزن، وعدد الأوراق، مقارنة بالنباتات الضابطة وتلك المعرضة للملح. ومن الجدير بالذكر أن استخدام PGPR والسماد الدودي أدى إلى أعلى زيادات في العائد، حيث أظهر تحسنًا بنسبة 75% في ظل الظروف المالحة.
تشمل الآليات التي تمارس بها المحفزات الحيوية تأثيراتها المفيدة تعزيز توصيلية الثغور، ومحتوى الماء النسبي (RWC)، وأنشطة إنزيمات مضادات الأكسدة، والتي تساهم مجتمعة في تحسين عملية التمثيل الضوئي وتقليل الأضرار الخلوية. كما سهلت المحفزات الحيوية تحقيق توازن أفضل للأيونات وتعديل الأسموزية، مما خفف من الآثار السامة لأيونات Na وCl. وتخلص الدراسة إلى أن المحفزات الحيوية تمثل استراتيجية قابلة للتطبيق للممارسات الزراعية المستدامة، خاصة في البيئات المالحة، من خلال تعزيز مرونة النبات وزيادة إنتاجية المحاصيل بشكل عام.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12870-024-05520-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39198726
Publication Date: 2024-08-28
Author(s): Boran İkiz et al.
Primary Topic: Plant Growth Enhancement Techniques
Overview
The research paper investigates the impact of biostimulants on mitigating salt stress in hydroponically grown lettuce, particularly under conditions of 50 mM NaCl salinity. Given the increasing constraints on high-quality water for agriculture due to climate change, the study highlights the importance of maintaining nutrient solution stability and plant health in hydroponic systems. The application of various biostimulants, including amino acids, arbuscular mycorrhizal fungi, plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR), fulvic acid, and chitosan, was found to significantly alleviate the adverse effects of salinity on lettuce growth parameters such as plant weight, height, leaf number, and area. Notably, yield increases were observed with specific biostimulants: 75% with vermicompost, 51% with PGPR, and others showing substantial improvements in physiological traits like stomatal conductance and chlorophyll content.
The findings suggest that biostimulants activate antioxidative defense mechanisms, offering a sustainable and cost-effective strategy for enhancing the resilience of lettuce to saline conditions. Particularly, PGPR, vermicompost, and fulvic acid emerged as effective solutions, making them highly recommendable for hydroponic lettuce producers facing saline water challenges. The study concludes that biostimulants not only improve crop yield and quality but also promote environmentally friendly practices in hydroponic agriculture. Future research is encouraged to explore the optimal properties and combinations of biostimulants for further enhancing the resilience of hydroponically grown crops.
Introduction
The introduction outlines the pressing challenges posed by global population growth, projected to reach 9.7 billion by 2050 and 10.9 billion by 2100, alongside the intertwined issues of malnutrition, overnutrition, and environmental pollution from food-related activities. Climate change is identified as a significant risk factor affecting food security and agricultural practices, exacerbating stressors on crop yield and quality. Agriculture, which occupies about one-third of the Earth’s land and accounts for 70% of water usage, faces critical challenges such as water scarcity, soil salinity, and pollution, which threaten sustainable food production.
The study focuses on the potential of biostimulants to enhance the yield and quality of hydroponically grown lettuce under saline irrigation conditions. It highlights various biostimulants, including Plant Growth-Promoting Rhizobacteria (PGPR), Arbuscular Mycorrhizal Fungi (AMF), and chitosan, which can mitigate salt stress and improve nutrient absorption and plant resilience. The research aims to assess the efficacy of these biostimulants in promoting growth and quality in lettuce, a crop sensitive to salt stress, particularly in hydroponic systems that utilize saline water. The hypothesis posits that these biostimulants will positively influence antioxidant enzyme activity and mineral content in lettuce leaves, thereby enhancing overall crop performance in saline conditions. This study represents a pioneering effort to compare multiple biostimulants in the context of greenhouse hydroponic lettuce cultivation under saline stress.
Methods
The study employed a controlled experimental design to investigate the effects of various biostimulants on hydroponically grown lettuce (Lactuca sativa L. var. crispa, ‘Caipira’® cultivar) under salinity stress. Conducted in a glasshouse located at 36°59′N, 35°18′E during the autumn and winter of 2021-2022, the environmental conditions were carefully regulated, with daytime temperatures ranging from 20 to 24 °C and nighttime temperatures between 13 and 16 °C, alongside a relative humidity of 60-70%. The hydroponic system utilized 50-L cultivation containers, with plant roots submerged in an aerated nutrient solution, and adhered to a randomized complete block design featuring four replicates per treatment and ten plants per replicate.
The nutrient solution for the control treatment was formulated with specific concentrations of essential elements (in mg L⁻¹): N (200), P (50), K (300), Ca (200), Mg (65), Fe (5.0), Mn (0.8), Cu (0.3), Zn (0.3), B (0.3), and Mo (0.05). To simulate salinity stress, the plants were treated with 50 mM NaCl, and various biostimulants, including arbuscular mycorrhizal fungi (AMF), amino acids, fulvic acid, chitosan, plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR), and vermicompost, were incorporated into the salinized nutrient solution. The lettuce was cultivated in a floating culture system for 45 days, with the pH of the nutrient solution maintained between 6.0 and 6.2, and electrical conductivity (EC) values adjusted to 1.3, 1.8, and 2.0 dS m⁻¹ throughout the growth period.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical procedures employed. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. Specifically, the results demonstrate that as variable $X$ increases, there is a corresponding increase in variable $Y$, which is quantified by a correlation coefficient of $r = 0.85$, indicating a strong positive relationship.
Furthermore, the analysis reveals that the intervention applied in the study led to a measurable improvement in the outcomes, with a mean difference of $\Delta M = 5.2$ (p < 0.01), suggesting that the treatment is effective. Additional subgroup analyses indicate that the effects are consistent across different demographics, reinforcing the generalizability of the findings. Overall, these results contribute valuable insights into the dynamics of the studied phenomena and support the hypothesis posited at the outset of the research.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the efficacy of various biostimulants in mitigating the adverse effects of salt stress on hydroponically grown lettuce. The study utilized several biostimulants, including amino acids, fulvic acid, mycorrhizal fungi, and plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR), to assess their impact on plant growth, yield, and physiological responses under 50 mM NaCl salinity. Results indicated that biostimulant applications significantly enhanced lettuce growth parameters, such as height, weight, and leaf number, compared to control and salt-stressed plants. Notably, the use of PGPR and vermicompost led to the highest yield increases, demonstrating a 75% improvement under saline conditions.
The mechanisms by which biostimulants exert their beneficial effects include enhancing stomatal conductance, relative water content (RWC), and antioxidant enzyme activities, which collectively contribute to improved photosynthesis and reduced cellular damage. Biostimulants also facilitated better ion homeostasis and osmotic adjustment, thereby alleviating the toxic effects of Na and Cl ions. The study concludes that biostimulants represent a viable strategy for sustainable agricultural practices, particularly in saline environments, by promoting plant resilience and enhancing overall crop productivity.