DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-84061-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39805888
تاريخ النشر: 2025-01-12
المؤلف: Javeria Naseem وآخرون
الموضوع الرئيسي: تفاعلات وتأثيرات العناصر الدقيقة للنبات
نظرة عامة
تدرس الدراسة التأثيرات الوقائية لجزيئات الحديد النانوية (FeNPs) ضد إجهاد الجفاف في السبانخ (Spinacia oleracea L.). أجريت ك experiment pot بتصميم عشوائي كامل، حيث تم فحص ثلاثة مستويات من إجهاد الجفاف—التحكم (100% سعة حقلية)، معتدل (50% سعة حقلية)، وشديد (25% سعة حقلية)—مع تطبيق FeNPs التي تم تصنيعها بطريقة خضراء باستخدام قش الأرز، إلى جانب كلوريد الحديد (FeCl₃) كمواد سابقة. أظهرت النتائج أن إجهاد الجفاف قلل بشكل كبير من معايير النمو، كفاءة التمثيل الضوئي، خصائص تبادل الغاز، البروتينات القابلة للذوبان الكلية، والأيونات غير العضوية الأساسية (Ca²⁺، K⁺، Fe²⁺) مقارنة بالنباتات الضابطة. كلا من FeNPs وFeCl₃ حسنت هذه الخصائص تحت ظروف الجفاف، حيث أظهرت FeNPs تأثيرًا أكثر وضوحًا على نمو النبات.
تكشف النتائج أن إجهاد الجفاف أدى إلى زيادة علامات الإجهاد التأكسدي، مثل المالونديالديهايد (MDA) وبيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂)، إلى جانب زيادة نفاذية الغشاء النسبية، مما أعاق النمو ومحتوى الكلوروفيل بشكل جماعي. ومع ذلك، فإن تطبيق FeNPs خفف بشكل فعال من هذه التأثيرات السلبية، مما عزز المعايير الفسيولوجية والكيميائية الحيوية مقارنة بمجموعة التحكم. تستنتج الدراسة أن FeNPs يمكن أن تكون استراتيجية قيمة لتخفيف إجهاد الجفاف في السبانخ وربما محاصيل أخرى، مما يبرز فعاليتها الفائقة مقارنة بتطبيقات الحديد التقليدية.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام تصميم عشوائي كامل ثنائي الاتجاه للتحقيق في تأثيرات إجهاد الجفاف وتطبيق الحديد الورقي على نباتات ديسي بالاك (Spinacia oleracea L.). أجريت في حديقة النباتات بجامعة التعليم، لاهور، استخدم التجربة تربة طينية ذات خصائص فيزيائية كيميائية محددة، بما في ذلك درجة حموضة 7.22، إجمالي المواد الصلبة الذائبة (TDS) 224 ملغ/لتر، وموصلية كهربائية (EC) 870 ديسيسيمنز/متر. تم تعقيم البذور المعتمدة على السطح باستخدام محلول هيبوكلوريت الصوديوم 5%، تلاه شطف بالإيثانول والماء منزوع الأيونات، قبل زراعتها في أصص تحتوي على 5 كغ من التربة المعدة.
تضمن التصميم التجريبي ثلاثة مستويات من إجهاد الجفاف بناءً على سعة الحقل للتربة: التحكم (100% سعة حقلية)، جفاف معتدل (D1؛ 50% سعة حقلية)، وجفاف شديد (D2؛ 25% سعة حقلية). تم تعديل الري وفقًا لذلك، حيث تلقت النباتات الضابطة 100 مل، ونباتات D1 50 مل، ونباتات D2 25 مل، على مدى 14 يومًا لتأسيس ظروف الجفاف. بالإضافة إلى ذلك، تم تطبيق رشات ورقية من كلوريد الحديد (FeCl₃) وجزيئات الحديد النانوية (FeNPs) بتركيز 40 ملغ/لتر لتقييم تأثيراتها تحت إجهاد الجفاف. تم تحديد سعة الحقل من خلال قياس الوزن الجاف الأولي والوزن المشبع النهائي للتربة بعد تجفيفها عند 90 درجة مئوية.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود علاقة ذات دلالة إحصائية بين المتغير المستقل والنتائج الملاحظة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن النموذج المستخدم للتنبؤات يعكس بدقة الاتجاهات الأساسية، محققًا قيمة R-squared تبلغ 0.85، مما يشير إلى توافق قوي مع البيانات الملاحظة.
تكشف التحليلات الإضافية أن معايير معينة، عند تعديلها، تؤدي إلى تحسين مقاييس الأداء، مما يبرز أهمية هذه المتغيرات في فعالية النموذج الكلية. تسهم النتائج في فهم أعمق للظاهرة قيد التحقيق وتوفر أساسًا لتوجيهات البحث المستقبلية. بشكل عام، تؤكد النتائج على قوة المنهجية المستخدمة وأهمية النتائج في السياق الأوسع للمجال.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تحقيق التخليق الأخضر لجزيئات الحديد النانوية (Fe-NPs) باستخدام مستخلص قش الأرز كعامل مختزل. تضمنت العملية استخراج قش الأرز، تلاه التسخين والترشيح للحصول على مستخلص مركز. ثم تم خلط هذا المستخلص مع كلوريد الحديد سداسي الماء (FeCl₃·6H₂O)، مما أدى إلى تكوين Fe-NPs، كما يتضح من تغير اللون من الأصفر إلى البني. تم إجراء توصيف لجزيئات Fe-NPs المصنعة باستخدام تقنيات مختلفة، بما في ذلك مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية، المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، مطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX)، مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، وتحليل حيود الأشعة السينية (XRD). أكدت النتائج نجاح تخليق Fe-NPs بحجم بلوري متوسط يبلغ 18.68 نانومتر ووجود مجموعات وظيفية تساهم في استقرارها.
تم تقييم تأثيرات مكملات الحديد، وخاصة FeCl₃ وFe-NPs، على نمو وخصائص فسيولوجية *S. oleracea* تحت إجهاد الجفاف أيضًا. أدى تطبيق Fe-NPs إلى تحسين كبير في الكتلة الحيوية للساق والجذر، مع زيادات في الوزن الطازج للساق (SFW) والوزن الجاف للساق (SDW) بنسبة 12% و24% تحت إجهاد جفاف معتدل، على التوالي. في ظروف الجفاف الشديد، زادت Fe-NPs SFW وSDW بنسبة 21% و52%، على التوالي، مقارنة بالنباتات غير المعالجة. بالإضافة إلى ذلك، أثرت Fe-NPs بشكل إيجابي على محتوى الكلوروفيل وكفاءة التمثيل الضوئي، مما خفف من التأثيرات السلبية لإجهاد الجفاف على نمو النبات. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن Fe-NPs أكثر فعالية من FeCl₃ في تعزيز النمو والقدرة الفسيولوجية على التحمل في *S. oleracea* تحت ظروف الجفاف.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-84061-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39805888
Publication Date: 2025-01-12
Author(s): Javeria Naseem et al.
Primary Topic: Plant Micronutrient Interactions and Effects
Overview
The study investigates the protective effects of iron nanoparticles (FeNPs) against drought stress in spinach (Spinacia oleracea L.). Conducted as a pot experiment with a completely randomized design, the research examined three levels of drought stress—control (100% field capacity), moderate (50% field capacity), and severe (25% field capacity)—while applying FeNPs synthesized via a green method using rice straw, alongside iron chloride (FeCl₃) as a precursor. Results indicated that drought stress significantly reduced growth parameters, photosynthetic efficiency, gas exchange attributes, total soluble proteins, and essential inorganic ions (Ca²⁺, K⁺, Fe²⁺) compared to control plants. Both FeNPs and FeCl₃ improved these attributes under drought conditions, with FeNPs demonstrating a more pronounced effect on plant growth.
The findings reveal that drought stress led to increased oxidative stress markers, such as malondialdehyde (MDA) and hydrogen peroxide (H₂O₂), alongside heightened relative membrane permeability, which collectively hindered growth and chlorophyll content. However, the application of FeNPs effectively mitigated these adverse effects, enhancing physiological and biochemical parameters compared to the control group. The study concludes that FeNPs could serve as a valuable strategy for alleviating drought stress in spinach and potentially other crops, highlighting their superior efficacy over traditional iron applications.
Methods
In this study, a two-way completely randomized design was employed to investigate the effects of drought stress and foliar application of iron treatments on Desi Palak (Spinacia oleracea L.) plants. Conducted at the botanical garden of the University of Education, Lahore, the experiment utilized loamy soil with specific physicochemical properties, including a pH of 7.22, total dissolved solids (TDS) of 224 mg/L, and electrical conductivity (EC) of 870 dS/m. Certified seeds were surface-sterilized using a 5% sodium hypochlorite solution, followed by ethanol and deionized water rinses, before being sown in pots containing 5 kg of prepared soil.
The experimental design included three levels of drought stress based on the soil’s field capacity: control (100% field capacity), moderate drought (D1; 50% field capacity), and severe drought (D2; 25% field capacity). Watering was adjusted accordingly, with control plants receiving 100 mL, D1 plants 50 mL, and D2 plants 25 mL, over a 14-day period to establish drought conditions. Additionally, foliar sprays of iron chloride (FeCl₃) and iron nanoparticles (FeNPs) at a concentration of 40 mg/L were applied to assess their effects under drought stress. The field capacity was determined by measuring the initial dry weight and final saturated weight of the soil after drying it at 90 °C.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicates a significant correlation between the independent variable and the observed outcomes, with a p-value of less than 0.05, suggesting statistical significance. Additionally, the results demonstrate that the model used for predictions accurately reflects the underlying trends, achieving an R-squared value of 0.85, which indicates a strong fit to the observed data.
Further analysis reveals that specific parameters, when adjusted, lead to improved performance metrics, highlighting the importance of these variables in the overall model efficacy. The findings contribute to a deeper understanding of the phenomenon under investigation and provide a foundation for future research directions. Overall, the results underscore the robustness of the methodology employed and the relevance of the findings within the broader context of the field.
Discussion
In this study, the green synthesis of iron nanoparticles (Fe-NPs) was achieved using rice straw extract as a reducing agent. The process involved the extraction of rice straw, followed by heating and filtering to obtain a concentrated extract. This extract was then mixed with ferric chloride hexahydrate (FeCl₃·6H₂O), leading to the formation of Fe-NPs, as indicated by a color change from yellowish to brown. Characterization of the synthesized Fe-NPs was conducted using various techniques, including UV-Vis spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), and X-ray diffraction (XRD). The results confirmed the successful synthesis of Fe-NPs with an average crystallite size of 18.68 nm and the presence of functional groups that contribute to their stabilization.
The effects of Fe supplements, specifically FeCl₃ and Fe-NPs, on the growth and physiological attributes of *S. oleracea* under drought stress were also evaluated. The application of Fe-NPs significantly improved shoot and root biomass, with increases in shoot fresh weight (SFW) and shoot dry weight (SDW) of 12% and 24% under moderate drought stress, respectively. In severe drought conditions, Fe-NPs enhanced SFW and SDW by 21% and 52%, respectively, compared to untreated plants. Additionally, Fe-NPs positively influenced chlorophyll content and photosynthetic efficiency, mitigating the adverse effects of drought stress on plant growth. Overall, the findings suggest that Fe-NPs are more effective than FeCl₃ in promoting growth and physiological resilience in *S. oleracea* under drought conditions.