DOI: https://doi.org/10.1186/s12870-024-05282-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38890566
تاريخ النشر: 2024-06-19
المؤلف: Mirza Hasanuzzaman وآخرون
الموضوع الرئيسي: السيلينيوم في الأنظمة البيولوجية
نظرة عامة
تدرس الدراسة تأثير إجهاد الجفاف على القمح (Triticum aestivum L.) وتستكشف الآثار المحتملة لتخفيف الإجهاد الناتج عن تطبيقات الأوراق من جزيئات السيلينيوم النانوية (Se(np)) وسيلينات الصوديوم (Na₂SeO₄). أجريت التجربة في بيئة محكومة، حيث تم استخدام تصميم عشوائي بالكامل مع مستويات مختلفة من إجهاد الجفاف (خفيف، معتدل، وشديد) بدأت بعد 30 يومًا من الزراعة. أظهرت النتائج أن إجهاد الجفاف أثر بشكل كبير على نمو النبات، ومحتوى الكلوروفيل، ومستويات مضادات الأكسدة، بينما زادت تطبيقات Se(np) وSe بشكل ملحوظ من هذه المعايير. على وجه الخصوص، أدى علاج Se(np) إلى زيادة بمقدار 1.23 مرة في إجمالي محتوى الكلوروفيل، بينما حسّن علاج Se من نشاط إنزيمات مضادات الأكسدة وقلل من تسرب الإلكتروليت، مما خفف من الإجهاد التأكسدي.
تؤكد النتائج على الأدوار الوقائية للسيلينيوم وجزيئاته النانوية في تخفيف الإجهاد الناتج عن الجفاف في نباتات القمح. ساعدت الأنشطة المعززة لإنزيمات مضادات الأكسدة الرئيسية، بما في ذلك أسكوربات بيروكسيداز (APX) وجلايكسالاز، في التخلص السريع من الأنواع التفاعلية للأكسجين (ROS) وتقليل سمية الميثيل غليكوكزال. تستنتج هذه الدراسة أن السيلينيوم، خاصة في شكل الجسيمات النانوية، يحسن بشكل فعال من نمو النبات والاستجابات الفسيولوجية تحت ظروف الجفاف من خلال تعديل آليات التخلص من ROS وتنشيط نظام الجلايكسالاز. تشير الفعالية المتفوقة لـ Se(np) مقارنة بـ Se إلى طريق واعد لمزيد من البحث في الآليات الجزيئية ومسارات الإشارة التي تعزز تحمل الإجهاد في النباتات.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحديات الحرجة التي تفرضها ندرة المياه وتغير المناخ على إنتاج المحاصيل العالمية، مع التركيز بشكل خاص على القمح (Triticum aestivum L.)، وهو غذاء أساسي يُزرع على حوالي 220.76 مليون هكتار. تهدد الجفاف الموسمي، الذي تفاقم بسبب تغير المناخ، عوائد القمح، مع تخفيضات محتملة تزيد عن 50% خلال مراحل النمو الحرجة مثل الإزهار وملء الحبوب. تحذر الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ (IPCC) من زيادة تكرار وشدة الجفاف، مما يعطل التوازن الخلوي في النباتات، مما يؤدي إلى الإفراط في إنتاج الأنواع التفاعلية للأكسجين (ROS) التي تسبب أضرارًا فسيولوجية كبيرة.
لمكافحة إجهاد الجفاف، تؤكد الدراسة على دور إنزيمات مضادات الأكسدة الداخلية، بما في ذلك سوبر أكسيد ديسموتاز (SOD) وكاتالاز (CAT) وبيروكسيداز (POD)، التي تساعد في إدارة مستويات ROS. تقترح أن اختيار أنواع القمح ذات النشاط المعزز لمضادات الأكسدة يمكن أن يحسن من تحمل الجفاف. ومع ذلك، فإن الطبيعة متعددة العوامل للجفاف والتنوع الجيني المحدود في القمح تعقد جهود التربية. وبالتالي، تكتسب استراتيجيات إدارة المحاصيل البديلة، مثل تطبيق السيلينيوم (Se) وجزيئات السيلينيوم النانوية (Se(np))، زخمًا. لقد أظهرت هذه العلاجات أنها تعزز أنظمة مضادات الأكسدة وتحسن من مرونة النبات تجاه الجفاف. تهدف الدراسة الحالية إلى التحقيق في تأثيرات Se وSe(np) على النمو ومستويات مضادات الأكسدة في القمح تحت ظروف الجفاف، مع معالجة فجوة في فهم فوائدها المحتملة.
طرق البحث
في هذه الدراسة، بحث المؤلفون في تأثيرات جزيئات السيلينيوم النانوية (Se(np)) على القمح (Triticum aestivum L.) تحت ظروف جفاف مختلفة. تم الحصول على بذور صنف BARI Gom 30 من معهد أبحاث الزراعة في بنغلاديش وتم إعدادها للزراعة في تربة رملية مخصبة معقمة داخل بيئة دفيئة محكومة، مع الحفاظ على متوسط درجات حرارة 24.5 °م و15.4 °م، ورطوبة نسبية تبلغ حوالي 52.5%. تم تصنيع جزيئات السيلينيوم النانوية باستخدام حمض الأسكوربيك لتقليل سيلينات الصوديوم (Na₂SeO₄)، وتمت مراقبة التفاعل طيفيًا للتأكد من اكتماله. تم توصيف الجزيئات الناتجة عبر المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والمجهر الإلكتروني الناقل (TEM).
شمل تصميم التجربة ثلاثة مستويات من إجهاد الجفاف – خفيف (50% من سعة الحقل)، معتدل (25%)، وشديد (12.5%) – تم تطبيقها من 30 يومًا بعد الزراعة حتى النضج الفسيولوجي. تم ري النباتات الضابطة حسب الحاجة. تم تطبيق علاجات الأوراق من سيلينات الصوديوم وSe(np) (25 ميكرومول) بدءًا من 27 يومًا بعد الزراعة، وتكررت على فترات أسبوعية حتى 55 يومًا بعد الزراعة. استخدمت الدراسة تصميمًا عشوائيًا بالكامل مع أربع تكرارات، وتم تقييم معايير مورفولوجية وفسيولوجية وكيميائية حيوية متنوعة بعد 60 يومًا من الزراعة لتقييم تأثير العلاجات.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي أجريت. يسلط الضوء على النتائج المهمة التي تم ملاحظتها، بما في ذلك أي بيانات إحصائية، أو اتجاهات، أو أنماط ظهرت من الدراسة. عادةً ما يتم توضيح النتائج من خلال الجداول أو الرسوم البيانية أو الأشكال لتعزيز الوضوح والفهم.
في هذا القسم، قد يناقش المؤلفون أيضًا تداعيات نتائجهم فيما يتعلق بالفرضيات أو أسئلة البحث المطروحة سابقًا في الورقة. علاوة على ذلك، يتم تناول أي نتائج غير متوقعة أو شذوذ، مما يوفر نظرة شاملة على مساهمات الدراسة في المعرفة الحالية. بشكل عام، يعد هذا القسم مكونًا حيويًا في التحقق من صحة البحث وتوجيه التحقيقات المستقبلية.
المناقشة
يسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التأثير الضار لإجهاد الجفاف على نمو القمح، كما يتضح من الانخفاضات الكبيرة في ارتفاع النبات، والوزن الطازج، والوزن الجاف عبر ظروف الجفاف المختلفة (D1، D2، D3). على وجه الخصوص، أدى إجهاد الجفاف إلى انخفاضات تصل إلى 55% في الوزن الطازج و51% في الوزن الجاف مقارنةً بالضوابط غير المعالجة. ومع ذلك، فإن تطبيق السيلينيوم (Se) وعلاجات السيلينيوم النانوية (Se(np)) قد خفف بشكل فعال من هذه الآثار السلبية، مما أدى إلى تحسين ارتفاع النبات والكتلة الحيوية، مع زيادات قدرها 23% و26% في الارتفاع، على التوالي، تحت ظروف الجفاف الشديد.
بالإضافة إلى ذلك، تفيد الدراسة بأن إجهاد الجفاف أدى إلى إجهاد تأكسدي، كما يتضح من ارتفاع مستويات المالونديالديهايد (MDA) وبيروكسيد الهيدروجين (H2O2)، والتي تم تقليلها بشكل كبير بواسطة علاجات Se وSe(np). كما عززت هذه العلاجات من محتوى الكلوروفيل، مما خفف من تدهور الكلوروفيل المرتبط بالجفاف. علاوة على ذلك، أثرت تطبيقات الأوراق بشكل إيجابي على محتوى البرولين، وأنشطة إنزيمات مضادات الأكسدة، ونظام الجلايكسالاز، مما يشير إلى أن Se وSe(np) لم تحسن فقط من مقاييس النمو ولكن أيضًا عززت من مرونة النباتات الفسيولوجية ضد الأضرار التأكسدية والاضطرابات الأيضية الناتجة عن الإجهاد. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانية تطبيقات السيلينيوم كاستراتيجية لتعزيز نمو القمح وتخفيف الآثار السلبية لإجهاد الجفاف.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12870-024-05282-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38890566
Publication Date: 2024-06-19
Author(s): Mirza Hasanuzzaman et al.
Primary Topic: Selenium in Biological Systems
Overview
The study investigates the impact of drought stress on wheat (Triticum aestivum L.) and explores the potential mitigation effects of foliar applications of selenium nanoparticles (Se(np)) and sodium selenate (Na₂SeO₄). Conducted in a controlled environment, the experiment employed a completely randomized design with varying levels of drought stress (mild, moderate, and severe) initiated at 30 days after sowing. The results indicated that drought stress significantly impaired plant growth, chlorophyll content, and antioxidant levels, while the application of Se(np) and Se notably enhanced these parameters. Specifically, Se(np) treatment resulted in a 1.23-fold increase in total chlorophyll content, and Se treatment improved antioxidant enzyme activities and reduced electrolyte leakage, thereby mitigating oxidative stress.
The findings underscore the protective roles of selenium and its nanoparticles in alleviating drought-induced stress in wheat plants. Enhanced activities of key antioxidant enzymes, including ascorbate peroxidase (APX) and glyoxalases, facilitated the rapid scavenging of reactive oxygen species (ROS) and reduced methylglyoxal toxicity. This study concludes that selenium, particularly in nanoparticle form, effectively improves plant growth and physiological responses under drought conditions by modulating ROS-scavenging mechanisms and activating the glyoxalase system. The superior efficacy of Se(np) over Se suggests a promising avenue for further research into the molecular mechanisms and signaling pathways that enhance stress tolerance in plants.
Introduction
The introduction highlights the critical challenges posed by water scarcity and climate change on global crop production, particularly focusing on wheat (Triticum aestivum L.), a staple food grown on approximately 220.76 million hectares. Seasonal drought, exacerbated by climate change, threatens wheat yields, with potential reductions of over 50% during critical growth stages such as flowering and grain filling. The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) warns of increasing drought frequency and severity, which disrupts cellular homeostasis in plants, leading to the overproduction of reactive oxygen species (ROS) that cause significant physiological damage.
To combat drought stress, the study emphasizes the role of intrinsic antioxidant enzymes, including superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT), and peroxidase (POD), which help manage ROS levels. It suggests that selecting wheat genotypes with enhanced antioxidant activity could improve drought tolerance. However, the multifactorial nature of drought and the limited genetic diversity in wheat complicate breeding efforts. Consequently, alternative crop management strategies, such as the foliar application of selenium (Se) and selenium nanoparticles (Se(np)), are gaining traction. These treatments have been shown to enhance antioxidant systems and improve plant resilience to drought. The current study aims to investigate the effects of Se and Se(np) on growth and antioxidant levels in wheat under drought conditions, addressing a gap in the understanding of their potential benefits.
Methods
In this study, the authors investigated the effects of selenium nanoparticles (Se(np)) on wheat (Triticum aestivum L.) under varying drought conditions. Seeds of the BARI Gom 30 variety were sourced from the Bangladesh Agricultural Research Institute and prepared for sowing in sterilized sandy loam soil within a controlled greenhouse environment, maintaining average temperatures of 24.5 °C and 15.4 °C, and a relative humidity of approximately 52.5%. Selenium nanoparticles were synthesized using ascorbic acid to reduce sodium selenate (Na₂SeO₄), with the reaction monitored spectrophotometrically to confirm completion. The resulting nanoparticles were characterized via scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM).
The experimental design included three levels of drought stress—mild (50% field capacity), moderate (25%), and severe (12.5%)—applied from 30 days after sowing until physiological maturity. Control plants were irrigated as necessary. Foliar applications of both sodium selenate and Se(np) (25 µM) were administered starting at 27 days after sowing, repeated at weekly intervals until 55 days after sowing. The study employed a completely randomized design with four replications, and various morphological, physiological, and biochemical parameters were assessed at 60 days after sowing to evaluate the impact of the treatments.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments or analyses. It highlights the significant outcomes that were observed, including any statistical data, trends, or patterns that emerged from the study. The results are typically illustrated through tables, graphs, or figures to enhance clarity and comprehension.
In this section, the authors may also discuss the implications of their findings in relation to the hypotheses or research questions posed earlier in the paper. Furthermore, any unexpected results or anomalies are addressed, providing a comprehensive overview of the study’s contributions to the existing body of knowledge. Overall, this section serves as a critical component in validating the research and guiding future investigations.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the detrimental impact of drought stress on wheat growth, evidenced by significant reductions in plant height, fresh weight, and dry weight across varying drought conditions (D1, D2, D3). Specifically, drought stress led to decreases of up to 55% in fresh weight and 51% in dry weight compared to untreated controls. However, the application of selenium (Se) and nano-selenium (Se(np)) foliar treatments effectively alleviated these negative effects, resulting in improved plant height and biomass, with increases of 23% and 26% in height, respectively, under severe drought conditions.
Additionally, the study reports that drought stress induced oxidative stress, as indicated by elevated levels of malondialdehyde (MDA) and hydrogen peroxide (H2O2), which were significantly reduced by Se and Se(np) treatments. These treatments also enhanced chlorophyll content, thereby mitigating chlorophyll degradation associated with drought. Furthermore, the foliar applications positively influenced the proline content, antioxidant enzyme activities, and the glyoxalase system, suggesting that Se and Se(np) not only improved growth metrics but also bolstered the plants’ physiological resilience against oxidative damage and stress-induced metabolic disruptions. Overall, the findings underscore the potential of selenium applications as a strategy to enhance wheat growth and mitigate the adverse effects of drought stress.