DOI: https://doi.org/10.1186/s40538-024-00609-6
تاريخ النشر: 2024-08-05
المؤلف: Selda Daler وآخرون
الموضوع الرئيسي: السيلينيوم في الأنظمة البيولوجية
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تأثيرات جزيئات السيلينيوم النانوية (Se-NPs) على شتلات العنب تحت ضغط الجفاف، وهو تحدٍ غير حيوي كبير يؤثر على نمو النباتات وإنتاجيتها. طبقت الدراسة جزيئات Se-NPs بتركيزات مختلفة (0، 1، 10، و100 جزء في المليون) عبر الرش الورقي على أصناف العنب تحت ظروف الري الجيد وظروف الجفاف. أظهرت النتائج أن تركيز 10 جزء في المليون من جزيئات Se-NPs عزز بشكل كبير معايير النمو، ومحتوى الماء النسبي (RWC)، وموصلية الثغور بينما قلل من علامات الإجهاد التأكسدي مثل مستويات بيروكسيد الهيدروجين والمالونديالديهايد. بالمقابل، أظهرت التركيزات الأقل (1 جزء في المليون) تأثيرات محدودة، بينما أدت التركيزات الأعلى (100 جزء في المليون) إلى سمية نباتية، خاصة تحت ظروف الجفاف.
تشير النتائج إلى أن 10 جزء في المليون من جزيئات Se-NPs تحسن بشكل فعال من تحمل الجفاف في العنب من خلال تعزيز الدفاعات المضادة للأكسدة وتعزيز تراكم البرولين والبروتين. تبرز هذه الدراسة إمكانيات النانوتكنولوجيا في الزراعة، خاصة لتخفيف ضغط الجفاف على المحاصيل ذات الأهمية الاقتصادية. ومع ذلك، تؤكد على الحاجة إلى تقييمات السلامة المتعلقة بالكائنات غير المستهدفة وتدعو إلى مزيد من البحث لاستكشاف التفاعلات بين جزيئات النانو المختلفة، وأنظمة الري، وأصناف العنب، فضلاً عن الآليات الجزيئية التي تكمن وراء هذه التأثيرات.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على التأثير الكبير لتغير المناخ، وخاصة الاحترار العالمي، على القطاعات الزراعية، مع التركيز بشكل خاص على زراعة العنب. مع توقع ارتفاع درجات الحرارة العالمية بين 1 و4.5 درجة مئوية، من المتوقع أن تواجه مناطق زراعة العنب التقليدية جفافًا أكثر حدة، مما يستلزم زيادة الري ويؤدي إلى استنزاف موارد المياه العذبة. تؤكد الدراسة على الدور الحاسم للمياه في إنتاجية النباتات، خاصة بالنسبة للعنب المائدة، حيث يؤثر الجفاف سلبًا على الإنتاجية وجودة الثمار. وبالتالي، هناك حاجة ملحة لممارسات إدارة المياه المستدامة في زراعة العنب.
تناقش الورقة استراتيجيات إدارة الكروم المختلفة التي تهدف إلى تعزيز كفاءة استخدام المياه وتخفيف ضغط الجفاف، بما في ذلك الزراعة الجافة، والري الناقص، واستخدام الأصناف والأصول المقاومة. تقدم النانوتكنولوجيا (NT) كنهج واعد لتحسين مرونة النباتات ضد الضغوط البيئية، خاصة من خلال تطبيق جزيئات النانو (NPs). كما تم الإشارة إلى الخصائص المضادة للأكسدة للسيلينيوم (Se) لقدرتها المحتملة على حماية النباتات من الأضرار التأكسدية تحت الضغط غير الحيوي. تهدف الدراسة إلى التحقيق في تأثيرات جزيئات Se-NPs التي تم تصنيعها بشكل أخضر على شتلات العنب تحت ظروف الجفاف، مع التركيز على تأثيرها على الاستجابات الشكلية والفيزيولوجية والكيميائية الحيوية، وتحديد التركيزات المثلى لجزيئات النانو لتعزيز تحمل الجفاف. تتناول هذه الأبحاث فجوة كبيرة في الأدبيات المتعلقة باستخدام جزيئات Se-NPs في العنب، بهدف تقديم رؤى أساسية حول دورها في آليات الدفاع ضد الضغوط.
الطرق
أُجريت الدراسة من 2023 إلى 2024 في مركز تطبيقات العلوم والتكنولوجيا والبحث (BİLTEM) وكلية الزراعة، جامعة يوزغات بوزوك، باستخدام شتلات العنب من *Vitis vinifera* L. cv. Crimson Seedless المطعمة على أصول أمريكية مختلفة معروفة بتحملها للجفاف. تضمنت عملية التطعيم خطوات معالجة مسبقة محددة، بما في ذلك النقع في مياه معالجة بمبيدات الفطريات والعلاج الحراري، تلاها طريقة التطعيم على طاولة أوميغا (Ω). بعد التطعيم، تم وضع الشتلات في بيئة محكومة في دفيئة، حيث تلقت ريًا يوميًا بمحلول مغذي حتى تم تطبيق ضغط الجفاف على مدى ثلاثة أشهر.
استخدم التصميم التجريبي تصميمًا عشوائيًا تمامًا ثلاثي العوامل (CRD) مع ثلاث تكرارات، كل منها تحتوي على تسع نباتات. تضمنت العوامل تركيبات الأصول/الطعم، وأنظمة الري، وتركيزات جزيئات النانو (NP). تم تحليل البيانات باستخدام تحليل التباين الثلاثي عبر IBM SPSS الإصدار 22.0، مع إجراء مقارنات بعدية باستخدام اختبار نطاق دنكان المتعدد عند مستوى دلالة 5% (p ≤ 0.05). بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء تحليل الارتباط وتحليل المكونات الرئيسية (PCA) لتوضيح العلاقات بين الصفات المدروسة، مدعومًا بخريطة حرارية للتجميع الهرمي لتصور العلاقات بين العوامل والصفات.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. يوضح النتائج التي توصلت إليها الدراسة، مع تسليط الضوء على الاتجاهات البيانية المهمة، والتحليلات الإحصائية، وأي علاقات ملحوظة بين المتغيرات. عادةً ما يتم توضيح النتائج من خلال الجداول أو الرسوم البيانية أو الأشكال، مما يوفر تمثيلًا بصريًا للبيانات لتعزيز الفهم.
قد يناقش القسم أيضًا تداعيات النتائج، مقارنًا إياها بالأدبيات الحالية لوضع النتائج في سياق أوسع لمجال الدراسة. يتم تناول أي شذوذ أو نتائج غير متوقعة، مما يوفر رؤى حول الأسباب المحتملة لهذه الانحرافات. بشكل عام، تساهم النتائج في الاستنتاجات العامة للبحث، داعمة أو رافضة الفرضيات الأولية التي طرحها المؤلفون.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تحقيق التخليق الأخضر لجزيئات السيلينيوم النانوية (Se-NPs) بنجاح باستخدام مستخلصات أوراق العنب كعوامل مختزلة. تضمنت عملية التخليق إعداد محلول سيلينيت الصوديوم، الذي تم مزجه مع مستخلص الأوراق وتعرضه للإشعاع الميكروويف. تم إجراء توصيف لجزيئات Se-NPs التي تم تصنيعها باستخدام مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية، حيود الأشعة السينية (XRD)، المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، ومطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX)، مما أكد تشكيل جزيئات نانوية متبلورة جيدًا بحجم يتراوح تقريبًا بين 28-50 نانومتر.
أثر تطبيق جزيئات Se-NPs قبل ضغط الجفاف بشكل كبير على الخصائص الشكلية والفيزيولوجية والكيميائية الحيوية لشتلات العنب. أظهرت النتائج أن معالجة جزيئات Se-NP حسنت من طول الساق، والوزن الطازج، والوزن الجاف، خاصة عند تركيز 10 جزء في المليون تحت ظروف الري الجيد. أثر ضغط الجفاف سلبًا على هذه المعايير، لكن تطبيق جزيئات Se-NPs خفف من بعض الآثار السلبية، مما يظهر إمكاناتها كعلاج مفيد لتعزيز مرونة النباتات ضد ندرة المياه. تؤكد النتائج على أهمية تركيز جزيئات النانو وأنظمة الري في تحسين نمو النباتات واستجابة الإجهاد.
DOI: https://doi.org/10.1186/s40538-024-00609-6
Publication Date: 2024-08-05
Author(s): Selda Daler et al.
Primary Topic: Selenium in Biological Systems
Overview
The research investigates the effects of selenium nanoparticles (Se-NPs) on grapevine saplings under drought stress, a significant abiotic challenge affecting plant growth and yield. The study applied Se-NPs at varying concentrations (0, 1, 10, and 100 ppm) via foliar spray to grapevine varieties under both well-irrigated and drought conditions. Results indicated that a concentration of 10 ppm Se-NPs significantly enhanced growth parameters, relative water content (RWC), and stomatal conductance while reducing oxidative stress markers such as hydrogen peroxide and malondialdehyde levels. In contrast, lower concentrations (1 ppm) showed limited effects, and higher concentrations (100 ppm) resulted in phytotoxicity, particularly under drought conditions.
The findings suggest that 10 ppm Se-NPs effectively improve drought tolerance in grapevines by enhancing antioxidant defenses and promoting proline and protein accumulation. This study highlights the potential of nanotechnology in agriculture, particularly for mitigating drought stress in economically important crops. However, it emphasizes the need for safety assessments regarding non-target organisms and calls for further research to explore the interactions between different nanoparticles, irrigation regimes, and grapevine varieties, as well as molecular mechanisms underlying these effects.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significant impact of climate change, particularly global warming, on agricultural sectors, with a specific focus on viticulture. As global temperatures are projected to rise between 1 and 4.5 °C, traditional viticulture regions are expected to experience more severe droughts, necessitating increased irrigation and leading to the depletion of freshwater resources. The study emphasizes the critical role of water in plant productivity, particularly for table grapes, where drought adversely affects yield and berry quality. Consequently, there is an urgent need for sustainable water management practices in viticulture.
The paper discusses various vineyard management strategies aimed at enhancing water use efficiency and mitigating drought stress, including dry farming, deficit irrigation, and the use of tolerant varieties and rootstocks. It introduces nanotechnology (NT) as a promising approach to improve plant resilience against environmental stressors, particularly through the application of nanoparticles (NPs). The antioxidant properties of selenium (Se) are also noted for their potential to protect plants from oxidative damage under abiotic stress. The study aims to investigate the effects of green-synthesized Se-NPs on grapevine saplings under drought conditions, focusing on their influence on morphological, physiological, and biochemical responses, and to identify optimal NP concentrations for enhancing drought tolerance. This research addresses a significant gap in the literature regarding the use of Se-NPs in grapevines, aiming to provide foundational insights into their role in stress defense mechanisms.
Methods
The study was conducted from 2023 to 2024 at the Science and Technology Application and Research Center (BİLTEM) and the Faculty of Agriculture, Yozgat Bozok University, utilizing grapevine saplings of *Vitis vinifera* L. cv. Crimson Seedless grafted onto various American rootstocks known for differing drought tolerances. The grafting process involved specific pre-treatment steps, including soaking in fungicide-treated water and thermotherapy, followed by the Omega (Ω) bench-grafting method. After grafting, the saplings were subjected to a controlled environment in a greenhouse, where they received daily irrigation with a nutrient solution until drought stress was applied over a three-month period.
The experimental design employed a three-factor completely randomized design (CRD) with three replicates, each containing nine plants. The factors included rootstock/scion combinations, irrigation regimes, and nanoparticle (NP) concentrations. Data were analyzed using three-way ANOVA via IBM SPSS vrs. 22.0, with post hoc comparisons made using Duncan’s multiple range test at a significance level of 5% (p ≤ 0.05). Additionally, correlation analysis and principal component analysis (PCA) were performed to elucidate relationships among the traits studied, complemented by a hierarchical clustering heatmap to visualize associations between factors and traits.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments or analyses. It details the outcomes of the study, highlighting significant data trends, statistical analyses, and any observed relationships between variables. The results are typically illustrated through tables, graphs, or figures, providing a visual representation of the data to enhance understanding.
The section may also discuss the implications of the findings, comparing them with existing literature to contextualize the results within the broader field of study. Any anomalies or unexpected outcomes are addressed, offering insights into potential reasons for these deviations. Overall, the results contribute to the overarching conclusions of the research, supporting or refuting the initial hypotheses posited by the authors.
Discussion
In this study, the green synthesis of selenium nanoparticles (Se-NPs) was successfully achieved using grapevine leaf extracts as reducing agents. The synthesis involved preparing a sodium selenite solution, which was mixed with the leaf extract and subjected to microwave irradiation. Characterization of the synthesized Se-NPs was performed using UV-Vis spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), confirming the formation of well-crystallized nanoparticles with a size range of approximately 28-50 nm.
The application of Se-NPs prior to drought stress significantly influenced the morphological, physiological, and biochemical characteristics of grapevine saplings. Results indicated that Se-NP treatments improved shoot length, fresh weight, and dry weight, particularly at a concentration of 10 ppm under well-irrigated conditions. Drought stress adversely affected these parameters, but the application of Se-NPs mitigated some of the negative impacts, demonstrating their potential as a beneficial treatment to enhance plant resilience against water scarcity. The findings underscore the importance of nanoparticle concentration and irrigation regimes in optimizing plant growth and stress response.