DOI: https://doi.org/10.1007/s11738-025-03769-6
تاريخ النشر: 2025-01-23
المؤلف: Elcio Ferreira Santos وآخرون
الموضوع الرئيسي: السيلينيوم في الأنظمة البيولوجية
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة إمكانية تعزيز السيلينيوم (Se) في تحسين الجودة الغذائية وإنتاجية الفاصوليا السوداء (Vigna unguiculata)، وهي محصول حيوي في البلدان النامية. نظرًا لنقص Se الواسع في التربة والأنظمة الغذائية، قامت الدراسة بتقييم 20 نوعًا من الفاصوليا السوداء لاستجاباتها الفسيولوجية لتطبيق Se، مع التركيز على أصباغ التمثيل الضوئي، ومركبات النيتروجين، وتركيزات السكر في الحبوب. أظهرت النتائج أن مكملات Se زادت بشكل ملحوظ من إنتاجية الفاصوليا السوداء، وتركيزات السكروز والسكر الكلي في الحبوب، ومستويات أصباغ التمثيل الضوئي في الأوراق. علاوة على ذلك، عزز تطبيق Se تثبيت النيتروجين، كما يتضح من زيادة تركيزات الألانطوين، وحمض الألانطويك، واليوريدات الكلية عبر جميع الأنواع.
تسلط النتائج الضوء على سبعة أنواع (خمسة، سبعة، ثمانية، اثنا عشر، ثلاثة عشر، أربعة عشر، وعشرون) باعتبارها واعدة بشكل خاص لبرامج تعزيز Se، حيث أظهرت أداءً متفوقًا في الإنتاجية، وتراكم Se، وتعزيز الأيض النيتروجيني. أظهرت هذه الأنواع زيادة في مستويات الكلوروفيل والكاروتينات، إلى جانب تحسين محتوى السكر، مما يشير إلى ملاءمتها لجهود تعزيز التغذية التي تهدف إلى معالجة النقص الغذائي. من خلال دمج هذه الأنواع في برامج التربية، تؤكد الدراسة على الإمكانية لمكافحة الجوع الخفي وتحسين القيمة الغذائية العامة لحبوب الفاصوليا السوداء مع تعزيز الإنتاجية الزراعية في الوقت نفسه.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الدور الأساسي للسيلينيوم (Se) في صحة الإنسان ووظائفه الفسيولوجية، بما في ذلك تخليق الغدة الدرقية، ودعم جهاز المناعة، وخصائصه المضادة للأكسدة. بينما يعزز Se نمو النبات ويزيد من تحمل الإجهاد، يمكن أن يؤدي التطبيق المفرط إلى السمية من خلال الإفراط في إنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية. يرتبط نقص Se في البشر بمشاكل صحية متنوعة، مما يبرز الحاجة إلى تناول غذائي كافٍ، والذي يُوصى به عادةً عند 45-55 ميكروغرام في اليوم. ظهرت الزراعة الزراعية كاستراتيجية قابلة للتطبيق لمعالجة الجوع الخفي من خلال إثراء المحاصيل بـ Se، خاصة في التربة التي تعاني من نقص العناصر الغذائية، مما يحسن الجودة الغذائية للطعام.
تركز الورقة على الفاصوليا السوداء (Vigna unguiculata)، وهي مصدر حيوي للعناصر الغذائية والبروتين للسكان ذوي الدخل المنخفض والمتوسط، خاصة في مناطق مثل شمال شرق البرازيل. أظهرت الدراسات السابقة أن تعزيز Se يمكن أن يزيد بشكل كبير من تركيزات Se في بذور الفاصوليا السوداء، مما قد يزيد من تناول الإنسان اليومي بمقدار 13 إلى 14 ميكروغرام. تهدف الدراسة إلى استكشاف التباين الجيني في تراكم Se بين 20 نوعًا من الفاصوليا السوداء وتأثيراته على الاستجابات الفسيولوجية، بما في ذلك تعزيز صبغات التمثيل الضوئي، والأيض النيتروجيني، وتركيز السكر في الحبوب. تفترض الفرضية أن تعزيز Se سيؤثر إيجابيًا على هذه الصفات الفسيولوجية، مما يسهم في تحسين إنتاجية المحاصيل والجودة الغذائية، وبالتالي معالجة قضية الجوع الخفي.
الطرق
أُجريت الدراسة على مدار موسمين زراعيين (2020 و2021) في المعهد الفيدرالي لماتو غروسو دو سول (IFMS) في نوفا أندريدينا-MS، البرازيل، على تربة Typic Quartzipsamment. تم جمع عينات التربة من الطبقة العليا بعمق 20 سم، مما كشف عن تركيبة حبيبية تتكون من 100 جرام كجم\(^{-1}\) طين، 60 جرام كجم\(^{-1}\) سلت، و840 جرام كجم\(^{-1}\) رمل. أظهرت التحليلات الكيميائية أن الرقم الهيدروجيني كان 4.6 ومستويات مختلفة من العناصر الغذائية، بما في ذلك الفوسفور (0.9 ملغ دسم\(^{-3}\))، والبوتاسيوم (0.5 مليمولc دسم\(^{-3}\))، والسيلينيوم الكلي (32 ميكروغرام كجم\(^{-1}\)). تم تقييم الخصائص الكيميائية للتربة وفقًا للطرق الموضحة من قبل Raij وآخرون (1997).
استخدم التصميم التجريبي تصميم كتلة عشوائية كاملة مع ثلاث كتل، تتضمن مخططًا عامليًا من 20 نوعًا من الفاصوليا السوداء ومستويين من إمداد السيلينيوم (Se)، مما أسفر عن 120 قطعة. تم تقييم أنواع الفاصوليا السوداء، المستمدة من بنك الجينات EMBRAPA، تحت ظروف التحكم ومع 50 جرام هكتار\(^{-1}\) من Se المطبق كـ سيلينيت الصوديوم عبر التطبيق الورقي في مرحلة الإزهار الكامل، بعد 45 يومًا من الزراعة. تم اختيار سيلينيت الصوديوم بناءً على فعاليته من حيث التكلفة وتطبيقاته الناجحة السابقة في الدراسات ذات الصلة. تم تحضير معالجة Se عن طريق تخفيف الكمية المطلوبة في 6 لترات من الماء، والتي تم تطبيقها بعد ذلك في ثلاث حصص من 2 لتر لكل منها لضمان توزيع متساوٍ عبر القطع.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى أن التسميد الورقي بالسيلينيوم (Se) أثر بشكل كبير على الإنتاجية وتراكم العناصر الغذائية في أنواع الفاصوليا السوداء المختلفة عبر عامين زراعيين. أظهرت الأنواع الأربعة، والسبعة، والثمانية، والثلاثة عشر، والثمانية عشر أعلى إنتاجية (حوالي 200 كجم هكتار⁻¹) بدون تطبيق Se، بينما زاد تطبيق Se من الإنتاجية في الأنواع خمسة، والسبعة، والثمانية، والاثني عشر، والثلاثة عشر، والرابعة عشر، والعشرون، محققًا إنتاجية تقريبًا ضعف تلك الخاصة بمجموعة التحكم. كما زاد تطبيق Se من تركيزات السيلينيوم في كل من الأوراق والبذور، حيث كانت المستويات في النباتات المعالجة أعلى بحوالي ثلاث مرات من تلك غير المعالجة. ومن الجدير بالذكر أن الأنواع اثنان، وأربعة، وخمسة، وسبعة، وثمانية، واثنا عشر، وثلاثة عشر، وأربعة عشر، وثمانية عشر، وتسعة عشر أظهرت أعلى تراكم لـ Se.
بالإضافة إلى ذلك، أدى تطبيق Se إلى زيادة تركيزات أصباغ التمثيل الضوئي، والسكروز، والسكريات الكلية في حبوب جميع أنواع الفاصوليا السوداء. كانت الأنواع اثنا عشر لديها أعلى تركيزات السكر عند معالجتها بـ Se. وجدت الدراسة أيضًا علاقة إيجابية بين المركبات النيتروجينية والإنتاجية، حيث أدى تطبيق Se إلى زيادات كبيرة في تركيزات الألانطوين، وحمض الألانطويك، وتركيزات اليوريدات الكلية، مما يشير إلى تعزيز محتمل لعمليات تثبيت النيتروجين البيولوجي (BNF). تتماشى هذه النتائج مع الدراسات السابقة حول تعزيز Se في البقوليات، مما يبرز دور العنصر في تحسين نمو النبات، وامتصاص العناصر الغذائية، وجودة المنتجات الزراعية بشكل عام. تؤكد البحث على أهمية Se في تحسين الأيض النيتروجيني وزيادة تراكم السكر في حبوب الفاصوليا السوداء، مما قد يسهم في تحسين تناول السيلينيوم الغذائي في السكان الذين يعتمدون على الفاصوليا السوداء كغذاء أساسي.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم أنواع الفاصوليا السوداء من حيث إمكانياتها في تعزيز السيلينيوم (Se)، مع التركيز على إنتاجيتها، وتراكم Se، وتركيزات أصباغ التمثيل الضوئي، ومحتوى السكر، والأيض النيتروجيني. تم الزراعة في موسمين زراعيين، مع بروتوكول تسميد موحد وأخذ عينات دقيقة من الأوراق والبذور للتحليل اللاحق. تضمنت المنهجيات الرئيسية استخراج المركبات النيتروجينية باستخدام محلول الميثانول-كلوروفورم-ماء، وتقدير الكلوروفيل عبر الطيف الضوئي، وتحليل العناصر الغذائية من خلال مطيافية الانبعاث الضوئي بالتحفيز البلازمي (ICP-OES).
أشارت النتائج إلى أن الأنواع خمسة، والسبعة، والثمانية، والاثنا عشر، والثلاثة عشر، والرابعة عشر، والعشرون أظهرت أكثر الصفات الواعدة لتعزيز Se، حيث أظهرت إنتاجية متفوقة وتركيزات Se في كل من الأوراق والحبوب. كما أظهرت هذه الأنواع نشاطًا ضوئيًا معززًا، مما ينعكس في زيادة مستويات الكلوروفيل والكاروتينات، بالإضافة إلى زيادة تركيزات السكروز والسكر الكلي. علاوة على ذلك، تم إثبات تحسين تثبيت النيتروجين والأيض من خلال مستويات أعلى من المركبات النيتروجينية. من المتوقع أن يؤدي دمج هذه الأنواع في برامج تعزيز التغذية إلى تحسين الجودة الغذائية لحبوب الفاصوليا السوداء بشكل كبير والمساهمة في تخفيف الجوع الخفي مع تحسين الإنتاجية الزراعية.
DOI: https://doi.org/10.1007/s11738-025-03769-6
Publication Date: 2025-01-23
Author(s): Elcio Ferreira Santos et al.
Primary Topic: Selenium in Biological Systems
Overview
This study investigates the potential of selenium (Se) biofortification in enhancing the nutritional quality and yield of cowpea (Vigna unguiculata), a crucial crop in developing countries. Given the widespread deficiency of Se in soils and diets, the research evaluated 20 cowpea genotypes for their physiological responses to Se application, focusing on photosynthetic pigments, nitrogen compounds, and sugar concentrations in grains. The results indicated that Se supplementation significantly increased cowpea yields, sucrose and total sugar concentrations in grains, and levels of photosynthetic pigments in leaves. Furthermore, the application of Se enhanced nitrogen fixation, as evidenced by elevated concentrations of allantoin, allantoic acid, and total ureides across all genotypes.
The findings highlight seven genotypes (five, seven, eight, twelve, thirteen, fourteen, and twenty) as particularly promising for Se biofortification programs, demonstrating superior performance in yield, Se accumulation, and enhanced nitrogen metabolism. These genotypes exhibited increased chlorophyll and carotenoid levels, alongside improved sugar content, suggesting their suitability for biofortification efforts aimed at addressing nutritional deficiencies. By integrating these genotypes into breeding programs, the study underscores the potential to combat hidden hunger and improve the overall nutritional value of cowpea grains while simultaneously boosting agricultural productivity.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the essential role of selenium (Se) in human health and its physiological functions, including thyroid synthesis, immune system support, and antioxidant properties. While Se promotes plant growth and enhances stress tolerance, excessive application can lead to toxicity through reactive oxygen species overproduction. The deficiency of Se in humans is linked to various health issues, emphasizing the need for adequate dietary intake, typically recommended at 45-55 μg per day. Agronomic biofortification has emerged as a viable strategy to address hidden hunger by enriching crops with Se, particularly in nutrient-deficient soils, thereby improving the nutritional quality of food.
The paper focuses on cowpea (Vigna unguiculata), a vital source of nutrients and protein for low- and middle-income populations, particularly in regions like Northeast Brazil. Previous studies have demonstrated that Se biofortification can significantly enhance Se concentrations in cowpea seeds, potentially increasing daily human intake by 13 to 14 µg. The research aims to explore the genotypic variation in Se accumulation among 20 cowpea genotypes and its effects on physiological responses, including photosynthetic pigment enhancement, nitrogen metabolism, and sugar concentration in grains. The hypothesis posits that Se biofortification will positively influence these physiological traits, contributing to improved crop yield and nutritional quality, thereby addressing the issue of hidden hunger.
Methods
The study was conducted over two growing seasons (2020 and 2021) at the Federal Institute of Mato Grosso do Sul (IFMS) in Nova Andradina-MS, Brazil, on Typic Quartzipsamment soil. Soil samples were collected from the uppermost 20 cm layer, revealing a granulometric composition of 100 g kg\(^{-1}\) clay, 60 g kg\(^{-1}\) silt, and 840 g kg\(^{-1}\) sand. Chemical analyses indicated a pH of 4.6 and various nutrient levels, including phosphorus (0.9 mg dm\(^{-3}\)), potassium (0.5 mmolc dm\(^{-3}\)), and total selenium (32 μg kg\(^{-1}\)). The soil’s chemical attributes were assessed following the methods outlined by Raij et al. (1997).
The experimental design employed a randomized complete block design with three blocks, incorporating a factorial scheme of 20 cowpea genotypes and two selenium (Se) supply levels, resulting in 120 plots. The cowpea genotypes, sourced from the EMBRAPA germplasm bank, were evaluated under control conditions and with 50 g ha\(^{-1}\) of Se applied as sodium selenite via foliar application at the full bloom stage, 45 days post-sowing. The choice of sodium selenite was based on its cost-effectiveness and previous successful applications in related studies. The Se treatment was prepared by diluting the required amount in 6 L of water, which was then applied in three portions of 2 L each to ensure uniform distribution across the plots.
Results
The results of the study indicate that selenium (Se) foliar fertilization significantly influenced the yield and nutrient accumulation in various cowpea genotypes across two agricultural years. Genotypes four, seven, eight, thirteen, and eighteen exhibited the highest yields (approximately 200 kg ha⁻¹) without Se application, while the application of Se enhanced yields in genotypes five, seven, eight, twelve, thirteen, fourteen, and twenty, achieving yields approximately double those of the control group. Se application also increased selenium concentrations in both leaves and seeds, with levels in treated plants being approximately three times higher than in untreated ones. Notably, genotypes two, four, five, seven, eight, twelve, thirteen, fourteen, eighteen, and nineteen showed the highest Se accumulation.
Additionally, the application of Se resulted in increased concentrations of photosynthetic pigments, sucrose, and total sugars in the grains of all cowpea genotypes. Genotype twelve had the highest sugar concentrations when treated with Se. The study also found a positive correlation between nitrogenous compounds and yield, with Se application leading to significant increases in allantoin, allantoic acid, and total ureide concentrations, suggesting a potential enhancement of biological nitrogen fixation (BNF) processes. These findings align with previous studies on Se biofortification in legumes, highlighting the element’s role in improving plant growth, nutrient uptake, and overall agricultural product quality. The research underscores the importance of Se in optimizing nitrogen metabolism and enhancing sugar accumulation in cowpea grains, which could contribute to improved dietary selenium intake in populations reliant on cowpeas as a staple food.
Discussion
In this study, cowpea genotypes were evaluated for their potential in selenium (Se) biofortification, focusing on their yield, Se accumulation, photosynthetic pigment concentrations, sugar content, and nitrogen metabolism. Sowing occurred in two growing seasons, with a standardized fertilization protocol and careful sampling of leaves and seeds for subsequent analysis. Key methodologies included the extraction of nitrogen compounds using a methanol-chloroform-water solution, chlorophyll quantification via spectrophotometry, and nutrient analysis through inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES).
The findings indicated that genotypes five, seven, eight, twelve, thirteen, fourteen, and twenty exhibited the most promising traits for Se biofortification, demonstrating superior yield and Se concentrations in both leaves and grains. These genotypes also showed enhanced photosynthetic activity, reflected in increased chlorophyll and carotenoid levels, as well as elevated sucrose and total sugar concentrations. Furthermore, improved nitrogen fixation and metabolism were evidenced by higher levels of nitrogenous compounds. The integration of these genotypes into biofortification programs is expected to significantly enhance the nutritional quality of cowpea grains and contribute to alleviating hidden hunger while improving agricultural productivity.