DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1523174
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39963528
تاريخ النشر: 2025-02-03
المؤلف: Haixu Liu وآخرون
الموضوع الرئيسي: السيلينيوم في الأنظمة البيولوجية
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تأثيرات سماد السيلينيوم النانوي على محاصيل البطاطس، مع التركيز بشكل خاص على دوره في تعزيز مقاومة الأمراض ضد بقع البطاطس الناتجة عن *Streptomyces spp.*، بالإضافة إلى تأثيره على الإنتاجية، وجودة الدرنات، ونشاط إنزيمات مضادات الأكسدة، ومجتمعات البكتيريا في منطقة الجذور. وجدت الدراسة أن تطبيق السيلينيوم النانوي مرتين خلال مرحلة الشتلات قلل بشكل كبير من مؤشر المرض لبقع البطاطس وحسن الإنتاجية وجودة الدرنات، بما في ذلك مقاييس مثل المادة الجافة، وفيتامين C، والبروتين الخام، ومحتوى السيلينيوم. بالإضافة إلى ذلك، تم تعزيز أنشطة إنزيمات مضادات الأكسدة، بما في ذلك الجلوتاثيون بيروكسيداز، وبيروكسيداز، وأكسيداز البوليفينول، وسوبر أكسيد ديسموتاز، وPhenylalanine Ammonia Lyase.
علاوة على ذلك، أثر تطبيق السيلينيوم النانوي بشكل إيجابي على تنوع مجتمع البكتيريا في منطقة الجذور، مما أدى إلى شبكة تعايش أكثر تعقيدًا. تم العثور على الكائنات الدقيقة المفيدة، وخاصة تلك من جنس *Bacillus*، في تربة منطقة الجذور، حيث كانت وفرتها النسبية تتوافق بشكل كبير مع جودة الدرنات، والإنتاجية، ومؤشر شدة المرض، ونشاط إنزيمات مضادات الأكسدة. توفر النتائج أساسًا نظريًا لتطوير نظام تكنولوجيا غني بالسيلينيوم للبطاطس وتقدم إرشادات علمية للاستخدام الفعال للسيلينيوم النانوي في الزراعة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور الأساسي للسيلينيوم في صحة الإنسان، مع التأكيد على مساهماته في وظيفة المناعة، ومضادات الأكسدة، وتأخير الشيخوخة، ومنع الأورام. من الضروري تناول حوالي 200 ملغ يوميًا، ونظرًا لأن السيلينيوم لا يمكن تصنيعه بواسطة الجسم، فإن المصادر الغذائية مثل المنتجات الزراعية الغنية بالسيلينيوم تعتبر حيوية. تُعتبر البطاطس، وهي محصول أساسي ذو فوائد غذائية كبيرة، معروفة بتراكمها المنخفض من السيلينيوم، المتأثر بالعوامل الوراثية والبيئية. وبالتالي، فإن تعزيز البطاطس بالسيلينيوم، وخاصة من خلال أسمدة السيلينيوم النانوية، هو مجال واعد للبحث نظرًا لإمكاناته في تعزيز كل من محتوى السيلينيوم وجودة المحاصيل مع تقليل الأثر البيئي.
تناقش الفقرة أيضًا مزايا السيلينيوم النانوي مقارنة بأسمدة السيلينيوم غير العضوية التقليدية، بما في ذلك انخفاض السمية وتقليل الاضطراب البيئي. كما تتناول إمكانية السيلينيوم في تحسين إنتاجية وجودة البطاطس، بالإضافة إلى تأثيراته المثبطة على مسببات الأمراض النباتية مثل *Streptomyces spp.*، التي تسبب بقع البطاطس. تهدف الدراسة إلى استكشاف طرق التطبيق المثلى للسيلينيوم النانوي في البطاطس، وتأثيراته على مقاومة الأمراض، والإنتاجية، وجودة الدرنات، ومجتمع الميكروبات في منطقة الجذور. يتم وضع هذا البحث كخطوة مهمة نحو تطوير تكنولوجيا تعزيز السيلينيوم المستدامة للبطاطس، مع آثار على الممارسات الزراعية وسلامة الغذاء.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم زراعة صنف البطاطس Dongnong 310 في قاعدة التجارب التجريبية في شيانغيانغ في هاربين، مقاطعة هيلونغجيانغ، الصين، باستخدام جزيئات السيلينيوم النانوي (Se₀) بحجم يتراوح بين 50-78 نانومتر وتركيز 1500 ملغ/لتر. تضمنت تصميم التجربة تخطيط كتلة عشوائية كاملة مع ثلاث تكرارات، حيث كانت كل قطعة قياس 16 م² وتتكون من أربعة تلال. شملت تطبيقات الأسمدة اليوريا، والفوسفات ثنائي الأمونيوم، وكبريتات البوتاسيوم بمعدلات محددة، وتم تسجيل خصائص التربة، مما يشير إلى نوع تربة تشيرنوزيم بمستويات مغذية كافية.
امتدت فترة التجربة على مدى عامين، مع الزراعة في 9 مايو 2022 و2 مايو 2023، والحصاد في 26 سبتمبر 2022 و28 سبتمبر 2023، على التوالي. في السنة الأولى، تم تطبيق معالجة الرش الورقي لمحلول السيلينيوم النانوي المخفف بترددات مختلفة (مرة واحدة، مرتين، أو ثلاث مرات) بدءًا من مرحلة الشتلات. ركزت تجربة السنة الثانية على تطبيق السيلينيوم النانوي في مراحل نمو مختلفة من البطاطس، بما في ذلك مرحلة الشتلات، وبدء تكوين الدرنات، وتضخم الدرنات، ومرحلة نضوج الدرنات، مع حدوث تطبيق ثانٍ بعد سبعة أيام من المعالجة الأولية. لم تتلق مجموعة التحكم أي معالجة بالسيلينيوم النانوي، مما سمح بإجراء تحليل مقارن لتأثيرات على جودة درنات البطاطس.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. يوضح النتائج التي توصلت إليها الدراسة، مع تسليط الضوء على النقاط البيانية الرئيسية والتحليلات الإحصائية التي تدعم الفرضيات أو أسئلة البحث المطروحة سابقًا في الورقة. عادةً ما يتم توضيح النتائج من خلال الجداول أو الرسوم البيانية أو الأشكال، مما يوفر تمثيلًا بصريًا للبيانات من أجل الوضوح.
يؤكد القسم على الاتجاهات المهمة، أو العلاقات، أو الاختلافات الملحوظة في البيانات، وغالبًا ما تكون مصحوبة بقيم p أو فترات الثقة للإشارة إلى الأهمية الإحصائية للنتائج. بالإضافة إلى ذلك، يتم مناقشة أي نتائج غير متوقعة أو شذوذ، مما يوفر رؤى حول آثارها المحتملة على سياق البحث الأوسع. بشكل عام، يخدم هذا القسم لتأكيد ادعاءات البحث بالأدلة التجريبية، مما يمهد الطريق للنقاش والتفسير اللاحق.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في تأثيرات السيلينيوم النانوي على بقع البطاطس، والإنتاجية، وجودة الدرنات، ومجتمعات الميكروبات في منطقة الجذور. قلل تطبيق السيلينيوم النانوي بشكل كبير من مؤشر المرض لبقع البطاطس وحسن الإنتاجية، حيث كانت المعالجة الأكثر فعالية هي الرش المطبق مرتين خلال مراحل النمو. على وجه التحديد، انخفض مؤشر المرض من 33.62 في مجموعة التحكم إلى 24.34 مع ثلاث رشات، بينما زادت الإنتاجية بنسبة 4.66% و5.28% للرشين والثلاث رشات، على التوالي. تم أيضًا تعزيز مؤشرات جودة الدرنات، بما في ذلك المادة الجافة، وفيتامين C، ومحتوى البروتين الخام، خاصة في المعالجة ذات الرشتين، التي حققت أعلى قيمة دالة للعضوية للجودة.
كشفت الدراسة أيضًا أن تطبيق السيلينيوم النانوي أثر على أنشطة إنزيمات مضادات الأكسدة في الدرنات، مع زيادات كبيرة في أنشطة الجلوتاثيون بيروكسيداز، وسوبر أكسيد ديسموتاز، وبيروكسيداز. بالإضافة إلى ذلك، أظهر مجتمع الميكروبات في منطقة الجذور زيادة في التنوع والتعقيد، خاصة في مرحلة الشتلات، والتي ارتبطت بتحسين مقاومة الأمراض. ومن الجدير بالذكر أن البكتيريا المفيدة مثل تلك من جنس *Bacillus* كانت غنية، مما يشير إلى دورها في قمع مسببات الأمراض وتعزيز صحة النبات. تشير النتائج إلى أن التطبيق الأمثل للسيلينيوم النانوي يمكن أن يعزز كل من جودة وإنتاجية البطاطس بينما يؤثر بشكل إيجابي على المجتمعات الميكروبية المرتبطة في منطقة الجذور.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1523174
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39963528
Publication Date: 2025-02-03
Author(s): Haixu Liu et al.
Primary Topic: Selenium in Biological Systems
Overview
The research investigates the effects of nano-selenium fertilizer on potato crops, specifically focusing on its role in enhancing disease resistance against potato scab caused by *Streptomyces spp.*, as well as its impact on yield, tuber quality, antioxidant enzyme activity, and rhizosphere soil bacterial communities. The study found that applying nano-selenium twice during the seedling stage significantly reduced the disease index of potato scab and improved yield and tuber quality, including metrics such as dry matter, Vitamin C, crude protein, and selenium content. Additionally, antioxidant enzyme activities, including glutathione peroxidase, peroxidase, polyphenol oxidase, superoxide dismutase, and phenylalanine ammonia lyase, were enhanced.
Furthermore, the application of nano-selenium positively influenced the diversity of the rhizosphere bacterial community, leading to a more complex symbiotic network. Beneficial microorganisms, particularly those from the genus *Bacillus*, were found to be enriched in the rhizosphere soil, with their relative abundance correlating significantly with tuber quality, yield, disease severity index, and antioxidant enzyme activity. The findings provide a theoretical foundation for developing a selenium-enriched technology system for potatoes and offer scientific guidance for the effective use of nano-selenium in agriculture.
Introduction
The introduction highlights the essential role of selenium in human health, emphasizing its contributions to immune function, antioxidation, aging delay, and tumor inhibition. A daily intake of approximately 200 mg is necessary, and since selenium cannot be synthesized by the body, dietary sources such as selenium-rich agricultural products are crucial. Potatoes, a staple crop with significant nutritional benefits, are noted for their low selenium accumulation, influenced by genetic and environmental factors. Consequently, the biofortification of potatoes with selenium, particularly through nano-selenium fertilizers, is a promising area of research due to its potential to enhance both selenium content and crop quality while minimizing environmental impact.
The section further discusses the advantages of nano-selenium over traditional inorganic selenium fertilizers, including lower toxicity and reduced ecological disruption. It also addresses the potential of selenium to improve potato yield and quality, as well as its inhibitory effects on plant pathogens like Streptomyces spp., which cause potato scab. The study aims to explore the optimal application methods for nano-selenium in potatoes, its effects on disease resistance, yield, tuber quality, and the rhizosphere microbial community. This research is positioned as a significant step towards developing a sustainable potato selenium-enrichment technology, with implications for agricultural practices and food safety.
Methods
In this study, the potato variety Dongnong 310 was cultivated at the Xiangyang experimental demonstration base in Harbin, Heilongjiang Province, China, utilizing nano-selenium (Se₀) nanoparticles with a size range of 50-78 nm and a concentration of 1500 mg/L. The experimental design involved a randomized complete block layout with three replicates, where each plot measured 16 m² and consisted of four ridges. Fertilizer applications included urea, diammonium phosphate, and potassium sulfate at specified rates, and the soil characteristics were recorded, indicating a chernozem type with adequate nutrient levels.
The experimental timeline spanned two years, with planting on May 9, 2022, and May 2, 2023, and harvesting on September 26, 2022, and September 28, 2023, respectively. In the first year, a foliar spraying treatment of the diluted nano-selenium solution was applied at varying frequencies (once, twice, or thrice) starting from the seedling stage. The second year’s experiment focused on applying nano-selenium at different growth stages of the potatoes, including seedling, tuber initiation, tuber bulking, and tuber maturity stages, with a second application occurring seven days post-initial treatment. The control group did not receive any nano-selenium treatment, allowing for comparative analysis of the effects on potato tuber quality.
Results
The “Results” section of the research paper presents the findings derived from the conducted experiments or analyses. It details the outcomes of the study, highlighting key data points and statistical analyses that support the hypotheses or research questions posed earlier in the paper. The results are typically illustrated through tables, graphs, or figures, providing a visual representation of the data for clarity.
The section emphasizes significant trends, correlations, or differences observed in the data, often accompanied by p-values or confidence intervals to indicate the statistical significance of the findings. Additionally, any unexpected results or anomalies are discussed, offering insights into their potential implications for the broader research context. Overall, this section serves to substantiate the research claims with empirical evidence, laying the groundwork for subsequent discussion and interpretation.
Discussion
In this study, the effects of nano-selenium on potato scab, yield, tuber quality, and rhizosphere microbial communities were investigated. The application of nano-selenium significantly reduced the disease index of potato scab and improved yields, with the most effective treatment being a spray applied twice during the growth stages. Specifically, the disease index decreased from 33.62 in the control group to 24.34 with three sprays, while yields increased by 4.66% and 5.28% for two and three sprays, respectively. Tuber quality indicators, including dry matter, vitamin C, and crude protein content, were also enhanced, particularly in the treatment with two sprays, which yielded the highest membership function value for quality.
The study further revealed that nano-selenium application influenced the antioxidant enzyme activities in tubers, with significant increases in glutathione peroxidase, superoxide dismutase, and peroxidase activities. Additionally, the rhizosphere microbial community exhibited increased diversity and complexity, particularly at the seedling stage, which correlated with enhanced disease resistance. Notably, beneficial bacteria such as those from the genus Bacillus were enriched, suggesting a role in suppressing pathogens and promoting plant health. The findings indicate that optimal application of nano-selenium can enhance both the quality and yield of potatoes while positively influencing the associated microbial communities in the rhizosphere.