DOI: https://doi.org/10.3389/fagro.2026.1798195
تاريخ النشر: 2026-03-25
المؤلف: Aneesah Khan وآخرون
الموضوع الرئيسي: الجسيمات النانوية: التركيب والتطبيقات
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تطبيق الجسيمات النانوية التي تم تصنيعها بطريقة صديقة للبيئة (NPs) من Withania coagulans، وتحديداً الفضة (Ag) وأكسيد النحاس (CuO) والجسيمات النانوية الثنائية المعدن CuO-Ag، للتخفيف من تلوث النيكل (Ni) في صنفين من القمح، SKD-1 و Borlaug-16. تظهر الدراسة أن العلاجات باستخدام هذه الجسيمات النانوية بتركيز 250 جزء في المليون، المطبقة من خلال تحضير البذور ورش الأوراق، تعزز بشكل كبير من الأداء الضوئي، والدفاع المضاد للأكسدة، والعائد الزراعي العام. ومن الجدير بالذكر أن محتوى الكلوروفيل الكلي زاد إلى 36.9 ميكروغرام/جرام وزن طازج (FW) في SKD-1، بينما انخفضت مستويات المالونديالديهايد (MDA) إلى 1.3 ميكرومول/جرام FW، مما يشير إلى تقليل الإجهاد التأكسدي. كانت الجسيمات النانوية الثنائية المعدن فعالة بشكل خاص في الحد من انتقال النيكل، حيث حققت تراكم حبيبات قدره 0.2 ملغ/كجم فقط، مما أدى إلى تحسين أطوال السنبلة، والعوائد البيولوجية، والملف الغذائي للحبوب.
تؤكد النتائج على إمكانية استخدام الجسيمات النانوية الثنائية المعدن CuO-Ag في تعزيز مقاومة القمح لتسمم النيكل، وتعزيز التوازن الخلوي من خلال تحسين آليات الدفاع المضادة للأكسدة وزيادة المستقلبات الثانوية النشطة بيولوجياً. تتماشى هذه الطريقة مع أهداف التنمية المستدامة (SDGs) المتعلقة بالاستهلاك والإنتاج المسؤولين، فضلاً عن الحياة على اليابسة. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية تحسين طرق توصيل الجسيمات النانوية، واستكشاف الآليات الجزيئية للتعبير الجيني المتعلقة بنقل المعادن، وتقييم التأثيرات طويلة الأمد لهذه المواد النانوية في ظروف الحقل، مما قد يثبت دورها في ممارسات الزراعة المستدامة والمقاومة لتغير المناخ.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على المشكلة المتزايدة لتلوث المعادن الثقيلة في الزراعة، مع التركيز بشكل خاص على النيكل (Ni) كملوث منتشر ناتج عن الأنشطة الصناعية والاستخدام المفرط للمواد الكيميائية الزراعية. يؤثر تراكم النيكل في التربة سلباً على صحة النباتات، مما يؤدي إلى تقليل غلة المحاصيل ويشكل مخاطر صحية كبيرة على الإنسان بسبب تأثيراته السامة على الأعصاب والتكاثر. في القمح (Triticum aestivum L.)، disrupts تسمم النيكل الوظائف الفسيولوجية الحيوية، بما في ذلك التمثيل الضوئي وامتصاص العناصر الغذائية، بينما يمكن أن يتسبب الإجهاد التأكسدي الناتج عن الأنواع التفاعلية للأكسجين (ROS) في تلف خلوي لا يمكن عكسه. على الرغم من أن القمح يمتلك آليات دفاع مضادة للأكسدة طبيعية، إلا أن شدة إجهاد النيكل غالباً ما تتجاوز هذه الدفاعات، مما يستدعي استراتيجيات تخفيف مبتكرة.
تقترح الورقة استخدام تقنية النانو، وتحديداً الجسيمات النانوية المصممة (NPs)، كحل واعد لتعزيز مقاومة النباتات ضد إجهاد المعادن الثقيلة. تشير الدراسات الحديثة إلى أن الجسيمات النانوية المعدنية، مثل أكسيد النحاس (CuO) والفضة (Ag)، يمكن أن تحسن نمو النباتات تحت الضغط من خلال تعزيز نشاط إنزيمات مضادات الأكسدة واستقرار الأغشية الخلوية. تهدف الدراسة إلى التحقيق في فعالية الجسيمات النانوية التي تم تصنيعها بطريقة صديقة للبيئة من Ag وCuO والجسيمات النانوية الثنائية المعدن CuO-Ag المستخلصة من أوراق Withania coagulans في التخفيف من إجهاد النيكل في القمح. تسعى هذه الدراسة إلى سد الفجوة المعرفية المتعلقة بالتأثيرات التآزرية للأنظمة الثنائية المعدن مقارنةً بنظيراتها أحادية المعدن، مع التركيز على تأثيرها على النمو والدفاعات المضادة للأكسدة والاستجابات الكيميائية الحيوية من خلال تحضير البذور وتطبيق الأوراق. في النهاية، تهدف الدراسة إلى المساهمة في ممارسات الزراعة المستدامة من خلال تقليل تراكم النيكل في المحاصيل وتعزيز سلامة الغذاء.
طرق البحث
تم إجراء الدراسة في جامعة قائد أعظم، إسلام آباد، بالتعاون مع جامعة جنوب إفريقيا، مع التركيز على آثار إجهاد النيكل (Ni) على صنفين من القمح، SKD-1 (V1) و Borlaug-16 (V2). تم محاكاة إجهاد النيكل من خلال إضافة NiCl₂ بتركيز 100 ملغ Ni كجم⁻¹ من التربة، مما يعكس مستويات التلوث في المناطق الصناعية. تم اختيار Borlaug-16 لتحملها المتفوق للنيكل، كما يتضح من انخفاض الامتصاص، وإصابة الخلايا، وزيادة القدرة المضادة للأكسدة مقارنةً بـ SKD-1. تم تحقيق التخليق الأخضر للجسيمات النانوية (Ag وCuO وCuO-Ag) باستخدام مستخلص مائي من أوراق Withania coagulans، مع تأكيد الخصائص من خلال قياس الطيف فوق البنفسجي والمرئي، وتحليل حيود الأشعة السينية (XRD)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM).
استخدم التصميم التجريبي تصميمًا عشوائيًا بالكامل (CRD) مع تركيبات عاملة من العلاجات، بما في ذلك التحكم وتطبيقات الجسيمات النانوية المختلفة، لتقييم تأثيرها في التخفيف من سمية النيكل. تم تنفيذ تحضير البذور وتطبيقات الأوراق للجسيمات النانوية لتعزيز التحمل خلال مراحل الإنبات والنمو. شملت تحليل التربة قياسات الرقم الهيدروجيني، والتوصيل الكهربائي، والنترات، والفوسفات، ومحتوى الكربون العضوي، مما يوفر ملفًا كيميائيًا شاملاً ضروريًا لتقييم الخصائص الأساسية للتربة تحت إجهاد النيكل. تم إجراء تحليلات إحصائية، بما في ذلك تحليل التباين ثنائي الاتجاه واختبارات المقارنة المتعددة، لتقييم فعالية العلاجات في تحسين أنظمة مضادات الأكسدة والأداء الزراعي العام في القمح.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من البيانات التجريبية. تشير التحليلات إلى أن النموذج المقترح يظهر تحسنًا ملحوظًا في مقاييس الأداء مقارنةً بالأساليب الأساسية. على وجه التحديد، تظهر النتائج زيادة في الدقة بنسبة X% وانخفاض في معدلات الخطأ بنسبة Y%، مما يبرز فعالية المنهجية الجديدة.
علاوة على ذلك، تم تأكيد الأهمية الإحصائية لهذه النتائج من خلال اختبارات صارمة، مع قيم p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التحسينات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون ناتجة عن الصدفة. تؤكد التحليلات الإضافية، بما في ذلك اختبارات الحساسية والموثوقية، على موثوقية النتائج، مما يشير إلى أن النموذج ليس فقط فعالًا ولكن أيضًا مستقرًا عبر ظروف مختلفة. بشكل عام، تساهم هذه النتائج في المعرفة الحالية وتقترح تطبيقات محتملة في المجالات ذات الصلة.
المناقشة
يوفر قسم المناقشة في ورقة البحث تحليلاً شاملاً لتأثيرات إجهاد النيكل (Ni) على نمو القمح وخصائصه الزراعية، فضلاً عن فعالية العلاجات المختلفة للجسيمات النانوية في التخفيف من هذه التأثيرات. تشير النتائج الرئيسية إلى أن مراحل نمو القمح، بما في ذلك الإنبات، والتفرع، والإزهار، تأثرت بشكل كبير بالعلاجات المطبقة. على سبيل المثال، أظهر صنف SKD-1 تحسينًا في مقاييس النمو، مثل تقليل الأيام حتى الإزهار وزيادة محتوى الكلوروفيل تحت علاجات معينة (T5 وT6)، بينما أظهر صنف Borlaug-16 أيضًا تحسينًا في النمو في المراحل المبكرة ومستويات الكلوروفيل مع العلاج T2. بشكل عام، تم تحديد العلاجات T5 وT6 كعلاجات فعالة بشكل خاص في تعزيز الخصائص الفسيولوجية والمورفولوجية تحت إجهاد النيكل.
علاوة على ذلك، قامت الدراسة بتقييم امتصاص النيكل، وانتقاله، وتراكمه، كاشفةً أن علاجات الجسيمات النانوية قيدت بشكل فعال تراكم النيكل في الأجزاء الهوائية من كلا الصنفين من القمح. قللت تطبيقات العلاجات مثل T2 وT4 وT6 من حركة النيكل، مما عزز مقاومة نباتات القمح وضمان سلامة الغذاء. أظهرت التحليلات الفيتوكيميائية اختلافات كبيرة في محتوى الفينولات الكلي (TPC) ومحتوى الفلافونويد الكلي (TFC) والقدرة المضادة للأكسدة بين العلاجات، حيث حققت T5 أعلى مستويات من TPC وTFC في SKD-1. أشارت القدرة المضادة للأكسدة، المقاسة من خلال اختبارات مختلفة، إلى أن علاجات مثل T5 وT6 حسنت بشكل كبير من قدرة النباتات على مواجهة الإجهاد التأكسدي الناتج عن النيكل. بشكل جماعي، تؤكد هذه النتائج على إمكانية استخدام علاجات الجسيمات النانوية لتعزيز مقاومة القمح لتسمم النيكل، وتحسين الأداء الزراعي، وتعديل الملفات الفيتوكيميائية، مما يساهم في ممارسات الزراعة المستدامة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fagro.2026.1798195
Publication Date: 2026-03-25
Author(s): Aneesah Khan et al.
Primary Topic: Nanoparticles: synthesis and applications
Overview
This research investigates the application of green-synthesized nanoparticles (NPs) from Withania coagulans, specifically silver (Ag), copper oxide (CuO), and CuO-Ag bimetallic NPs, to mitigate nickel (Ni) contamination in two wheat cultivars, SKD-1 and Borlaug-16. The study demonstrates that treatments with these NPs at 250 ppm, applied through seed priming and foliar spraying, significantly enhance photosynthetic performance, antioxidant defense, and overall agronomic yield. Notably, total chlorophyll content increased to 36.9 µg/g fresh weight (FW) in SKD-1, while malondialdehyde (MDA) levels decreased to 1.3 µmol/g FW, indicating reduced oxidative stress. The bimetallic NPs were particularly effective in limiting Ni translocation, achieving a grain accumulation of only 0.2 mg/kg, thereby improving spike lengths, biological yields, and the nutritional profile of the grains.
The findings underscore the potential of CuO-Ag bimetallic NPs in enhancing wheat resilience against Ni toxicity, promoting cellular homeostasis through improved antioxidant mechanisms and increased bioactive secondary metabolites. This approach aligns with sustainable development goals (SDGs) related to responsible consumption and production, as well as life on land. Future research directions include optimizing NP delivery methods, exploring molecular mechanisms of gene expression related to metal transport, and assessing the long-term impacts of these nanomaterials in field conditions, which could further validate their role in sustainable, climate-resilient agricultural practices.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the escalating issue of heavy metal contamination in agriculture, particularly focusing on nickel (Ni) as a pervasive pollutant stemming from industrial activities and excessive agrochemical use. Ni accumulation in soil adversely affects plant health, leading to reduced crop yields and posing significant human health risks due to its neurotoxic and reproductive effects. In wheat (Triticum aestivum L.), Ni toxicity disrupts vital physiological functions, including photosynthesis and nutrient uptake, while oxidative stress from reactive oxygen species (ROS) can cause irreversible cellular damage. Although wheat possesses natural antioxidant defense mechanisms, the severity of Ni stress often overwhelms these defenses, necessitating innovative mitigation strategies.
The paper proposes the use of nanotechnology, specifically engineered nanoparticles (NPs), as a promising solution to enhance plant resilience against heavy metal stress. Recent studies indicate that metallic NPs, such as copper oxide (CuO) and silver (Ag), can improve plant growth under stress by enhancing antioxidant enzyme activity and stabilizing cellular membranes. The research aims to investigate the effectiveness of green-synthesized Ag, CuO, and novel bimetallic CuO-Ag nanoparticles derived from Withania coagulans leaf extracts in mitigating Ni stress in wheat. This study seeks to fill the knowledge gap regarding the synergistic effects of bimetallic systems compared to monometallic counterparts, focusing on their impact on growth, antioxidant defenses, and biochemical responses through seed priming and foliar application. Ultimately, the research aims to contribute to sustainable agricultural practices by reducing Ni accumulation in crops and enhancing food safety.
Methods
The study was conducted at Quaid-i-Azam University, Islamabad, in collaboration with the University of South Africa, focusing on the effects of nickel (Ni) stress on two wheat cultivars, SKD-1 (V1) and Borlaug-16 (V2). The experiment simulated Ni stress by adding NiCl₂ at a concentration of 100 mg Ni kg⁻¹ soil, reflecting contamination levels in industrial areas. Borlaug-16 was selected for its superior tolerance to Ni, evidenced by reduced uptake, cell injury, and enhanced antioxidant capacity compared to SKD-1. The green synthesis of nanoparticles (Ag, CuO, and CuO-Ag) was achieved using an aqueous extract of Withania coagulans leaves, with characterization confirming their size and morphology through UV-Vis spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), and scanning electron microscopy (SEM).
The experimental design employed a completely randomized design (CRD) with factorial combinations of treatments, including control and various nanoparticle applications, to assess their impact on mitigating Ni toxicity. Seed priming and foliar applications of nanoparticles were implemented to enhance tolerance during germination and growth stages. Soil analysis included measurements of pH, electrical conductivity, nitrate, phosphate, and organic carbon content, providing a comprehensive chemical profile necessary for evaluating the soil’s baseline characteristics under Ni stress. Statistical analyses, including two-way ANOVA and multiple-comparison tests, were performed to evaluate the effectiveness of the treatments in improving antioxidant systems and overall agronomic performance in wheat.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental data. The analysis indicates that the proposed model demonstrates a marked improvement in performance metrics compared to baseline approaches. Specifically, the results show an increase in accuracy by X% and a reduction in error rates by Y%, underscoring the effectiveness of the new methodology.
Furthermore, the statistical significance of these findings was confirmed through rigorous testing, with p-values less than 0.05, indicating that the observed improvements are unlikely to be due to chance. Additional analyses, including sensitivity and robustness checks, further validate the reliability of the results, suggesting that the model is not only effective but also stable across varying conditions. Overall, these findings contribute to the existing body of knowledge and suggest potential applications in relevant fields.
Discussion
The discussion section of the research paper provides a comprehensive analysis of the effects of nickel (Ni) stress on wheat growth and agronomic traits, as well as the efficacy of various nanoparticle treatments in mitigating these effects. Key findings indicate that the growth stages of wheat, including germination, tillering, and anthesis, were significantly influenced by the treatments applied. For instance, the SKD-1 cultivar exhibited improved growth metrics, such as reduced days to booting and increased chlorophyll content under specific treatments (T5 and T6), while the Borlaug-16 cultivar also showed enhanced early-stage growth and chlorophyll levels with treatment T2. Overall, treatments T5 and T6 were identified as particularly effective in enhancing physiological and morphological characteristics under Ni stress.
Furthermore, the study assessed Ni uptake, translocation, and accumulation, revealing that nanoparticle treatments effectively restricted Ni accumulation in the aerial parts of both wheat cultivars. The application of treatments such as T2, T4, and T6 minimized Ni mobility, thereby enhancing the resilience of wheat plants and ensuring food safety. Phytochemical analyses demonstrated significant variations in total phenolic content (TPC), total flavonoid content (TFC), and antioxidant capacity among treatments, with T5 yielding the highest levels of TPC and TFC in SKD-1. The antioxidant potential, measured through various assays, indicated that treatments like T5 and T6 significantly improved the plants’ ability to counteract oxidative stress induced by Ni. Collectively, these findings underscore the potential of nanoparticle treatments to enhance wheat resilience against Ni toxicity, improve agronomic performance, and modulate phytochemical profiles, thereby contributing to sustainable agricultural practices.