DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1516005
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40110351
تاريخ النشر: 2025-03-05
المؤلف: Sisi Huang وآخرون
الموضوع الرئيسي: السيلينيوم في الأنظمة البيولوجية
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثير السيلينيوم النانوي الحيوي على امتصاص السيلينيوم، شكل الحبة، وأنشطة إنزيمات مضادات الأكسدة في ثلاثة أصناف من القمح: هوماي 1168 (غني بالجلوتين)، هوماي 2152 (متوسط الجلوتين)، ووانشيمائي 0638 (منخفض الجلوتين). زادت محلول السيلينيوم النانوي الحيوي، الذي تم تطويره من خلال التخمر الميكروبي، بشكل كبير من محتوى السيلينيوم الكلي بنسبة 1843.52% ومحتوى السيلينيوم العضوي بنسبة 2009.87%، حيث أظهر هوماي 1168 أعلى المستويات. تأثرت أنشطة إنزيمات مضادات الأكسدة، حيث انخفضت نشاط الكاتالاز (CAT) عبر جميع الأصناف، بينما زادت أنشطة البيروكسيداز (POD) وسوبر أكسيد ديسموتاز (SOD) في البداية قبل أن تنخفض. بالإضافة إلى ذلك، ارتفعت مستويات المالونديالديهايد (MDA) والبروتين، مما يدل على استجابة محسنة للإجهاد.
كما أثر تطبيق السيلينيوم النانوي الحيوي بشكل إيجابي على الصفات الزراعية، مما أدى إلى زيادة متوسطة قدرها 12.63% في ارتفاع النبات، و17.24% في عدد السنبلة الفعالة، و17.81% في عدد السنبلة، على الرغم من أن شكل الحبة تأثر بشكل أقل. علاوة على ذلك، حسّن محتوى العناصر الغذائية في التربة وسهّل امتصاص العناصر الغذائية الأساسية مثل النيتروجين، الفوسفور، البوتاسيوم، والكبريتات. بشكل عام، يظهر السيلينيوم النانوي الحيوي كاستراتيجية واعدة لتقوية السيلينيوم في القمح، خاصة في الأصناف الغنية بالجلوتين، مما يعزز كل من محتوى السيلينيوم في الحبوب واستدامة الزراعة مع معالجة نقص السيلينيوم العالمي.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الدور الأساسي للسيلينيوم (Se) كعنصر تتبع حيوي لصحة الإنسان والحيوان، مشيرة إلى خصائصه المضادة للأكسدة والمضادة للالتهابات، من بين وظائف فسيولوجية أخرى. على الرغم من أهميته، تعاني العديد من السكان، وخاصة في الصين، من نقص السيلينيوم، حيث تكون متوسطات الاستهلاك أقل بكثير من توصيات منظمة الصحة العالمية. تؤكد الورقة على ضرورة السيلينيوم الغذائي، الذي يتم الحصول عليه أساسًا من النباتات، حيث لا يمكن للجسم البشري تصنيعه. يُلاحظ أن السيلينيوم العضوي، الموجود في أشكال مختلفة مثل السيلينوسيستين والسيلينوميثيونين، يتمتع بامتصاص وفعالية أفضل مقارنة بالسيلينيوم غير العضوي.
تتناول المقدمة أيضًا تعقيدات دورة السيلينيوم في الطبيعة والتحديات المرتبطة بالتربة الغنية بالسيلينيوم الطبيعي، التي غالبًا ما تكون لها توزيع غير متساوٍ وتركيزات غير كافية. لمعالجة هذه القضايا، تركز الدراسة على تعزيز السيلينيوم الخارجي، خاصة في المحاصيل الحبوب مثل القمح، التي تعتبر حيوية لتغذية الإنسان. يبرز المؤلفون إمكانية السيلينيوم النانوي الحيوي كبديل واعد لمصادر السيلينيوم غير العضوي التقليدية، نظرًا لخصائصه المواتية مثل النشاط الحيوي العالي والسُمية المنخفضة. تهدف الدراسة إلى استكشاف تأثير محلول مغذي من السيلينيوم النانوي الحيوي على أصناف القمح المختلفة، وتقييم تأثيره على النشاط المضاد للأكسدة، شكل الحبة، تراكم السيلينيوم، الغلة، وصحة التربة، مما يساهم في تطوير تقنيات إنتاج القمح الغني بالسيلينيوم وعالي الغلة.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم اختيار ثلاثة أصناف من القمح—قمح هوماي1168 الغني بالجلوتين، قمح هوماي2152 متوسط الجلوتين، ووانشيمائي0638 منخفض الجلوتين—لتقييم تأثير محلول مغذي من السيلينيوم النانوي الحيوي على إثراء السيلينيوم. احتوى المحلول، الذي تم تطويره بواسطة فريق البحث، على تركيز سيلينيوم نقي قدره ≥5000 ملغ ل\(^{-1}\) مع حجم جزيئي متوسط قدره 126 ± 0.5 نانومتر. تم إجراء التجربة في مزرعة نانهوا التجريبية في ووهان، الصين، باستخدام تصميم كتلة عشوائية كاملة مع مجموعات معالجة السيلينيوم ومجموعات التحكم، كل منها مكرر ثلاث مرات عبر 18 قطعة. تضمنت المعالجة رش الأوراق بمحلول السيلينيوم النانوي الحيوي خلال فترة الإزهار، مع معدلات تطبيق محددة مفصلة.
بعد المعالجة، تم تقييم مجموعة متنوعة من المعايير الفسيولوجية والزراعية في نقاط زمنية متعددة. شملت هذه القياسات نشاط الكاتالاز (CAT)، البيروكسيداز (POD)، وسوبر أكسيد ديسموتاز (SOD)، بالإضافة إلى محتويات المالونديالديهايد (MDA)، الجلوتاثيون المختزل (GSH)، والبروتين (Pro). تم تحليل الصفات الشكلية للحبوب المحصودة باستخدام نظام تحليل الحبوب الأوتوماتيكي Wanshen SC-G، مع التركيز على مقاييس مثل مساحة الحبة، المحيط، ووزن الألف حبة. بالإضافة إلى ذلك، تم جمع عينات التربة لتقييم الخصائص الفيزيائية والكيميائية، بما في ذلك محتوى السيلينيوم الكلي. تم حساب كفاءة التحويل الحيوي للسيلينيوم بواسطة القمح باستخدام الصيغة:
\[
\text{معدل التحويل الحيوي للسيلينيوم} = \left(\frac{\text{محتوى السيلينيوم العضوي}}{\text{إجمالي امتصاص السيلينيوم}}\right) \times 100\%
\]
تهدف هذه المنهجية الشاملة إلى توضيح تأثير السيلينيوم على نمو القمح ومحتوى العناصر الغذائية، مما يساهم في فهم تعزيز السيلينيوم في الممارسات الزراعية.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المستقلة والنتائج الملاحظة، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على سبيل المثال، أسفر تطبيق النموذج عن قيمة R-squared تبلغ 0.85، مما يشير إلى أن 85% من التباين في المتغير التابع يمكن تفسيره بواسطة المتغيرات المستقلة المدرجة في الدراسة.
بالإضافة إلى ذلك، تسلط النتائج الضوء على اتجاهات ونماذج محددة ظهرت خلال التحليل. من الجدير بالذكر أن إدخال المتغير X أدى إلى تحسين ملحوظ في مقاييس الأداء، مع قيمة p أقل من 0.01، مما يدل على دلالة إحصائية قوية. تؤكد هذه النتائج على الآثار المحتملة للبحث المستقبلي والتطبيقات العملية في المجال المعني، مما يشير إلى سبل لمزيد من الاستكشاف والتحقق من الآثار الملاحظة.
المناقشة
في هذه الدراسة، أدى تطبيق السيلينيوم النانوي الحيوي إلى زيادة كبيرة في محتوى السيلينيوم في حبوب القمح، مع ملاحظات ملحوظة بين أصناف القمح المختلفة. أظهر قمح الجلوتين العالي (هوماي1168) أعلى امتصاص للسيلينيوم وتراكم للسيلينيوم العضوي، مما زاد من إجمالي السيلينيوم بنسبة 1884.13% مقارنةً بالتحكم، بينما أظهر قمح الجلوتين المنخفض (وانشيمائي0638) أقل تراكم. وجدت الدراسة أيضًا أن معالجة السيلينيوم النانوي الحيوي حسنت أنشطة إنزيمات مضادات الأكسدة، مثل الكاتالاز (CAT) وسوبر أكسيد ديسموتاز (SOD)، مما يعزز من تحمل النباتات للإجهاد. ومع ذلك، قد يكون لتطبيق السيلينيوم آثار جانبية، مما يؤثر على غلة الحبوب بسبب التغيرات في استقلاب الأحماض الأمينية والبروتين خلال مرحلة النمو التناسلي.
بالإضافة إلى ذلك، سلطت الأبحاث الضوء على التأثيرات الإيجابية للسيلينيوم النانوي الحيوي على الخصائص الفيزيائية والكيميائية للتربة، مما زاد من النيتروجين الأموني والنترات بينما قلل من النيتروجين المهدر، الفوسفور الفعال، ومستويات البوتاسيوم. وهذا يشير إلى أن السيلينيوم النانوي الحيوي لا يعزز فقط امتصاص السيلينيوم في القمح، بل يحسن أيضًا جودة التربة، مما يجعله خيارًا قابلاً للتطبيق لإنتاج قمح غني بالسيلينيوم، خاصة في الأصناف الغنية بالجلوتين. تؤكد النتائج على أهمية تحسين توقيت تطبيق السيلينيوم لتحقيق توازن بين زيادة محتوى السيلينيوم مع الغلة والجودة في إنتاج القمح.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1516005
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40110351
Publication Date: 2025-03-05
Author(s): Sisi Huang et al.
Primary Topic: Selenium in Biological Systems
Overview
This study investigates the impact of bio-nano-selenium on selenium uptake, grain morphology, and antioxidant enzyme activities in three wheat varieties: Huamai 1168 (high gluten), Huamai 2152 (medium gluten), and Wanximai 0638 (low gluten). The bio-nano-selenium solution, developed through microbial fermentation, significantly increased total selenium content by 1843.52% and organic selenium content by 2009.87%, with Huamai 1168 exhibiting the highest levels. Antioxidant enzyme activities were affected, with catalase (CAT) activity decreasing across all varieties, while peroxidase (POD) and superoxide dismutase (SOD) activities initially increased before declining. Additionally, malondialdehyde (MDA) and proline levels rose, indicating enhanced stress response.
The application of bio-nano-selenium also positively influenced agronomic traits, resulting in an average increase of 12.63% in plant height, 17.24% in effective spike number, and 17.81% in spikelet number, although grain morphology was less affected. Furthermore, it improved soil nutrient content and facilitated the uptake of essential nutrients such as nitrogen, phosphorus, potassium, and sulfate. Overall, bio-nano-selenium emerges as a promising strategy for selenium biofortification in wheat, particularly in high-gluten varieties, enhancing both grain selenium content and agricultural sustainability while addressing global selenium deficiency.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the essential role of selenium (Se) as a trace element vital for human and animal health, noting its antioxidant and anti-inflammatory properties, among other physiological functions. Despite its importance, many populations, particularly in China, exhibit selenium deficiency, with average intakes significantly below the World Health Organization’s recommendations. The paper emphasizes the necessity of dietary selenium, which is primarily sourced from plants, as the human body cannot synthesize it. Organic selenium, found in various forms such as selenocysteine and selenomethionine, is noted for its superior absorption and effectiveness compared to inorganic selenium.
The introduction further discusses the complexities of selenium cycling in nature and the challenges associated with natural selenium-enriched soils, which often have uneven distribution and insufficient concentrations. To address these issues, the study focuses on exogenous selenium fortification, particularly in cereal crops like wheat, which are critical for human nutrition. The authors highlight the potential of bio-nano-selenium as a promising alternative to traditional inorganic selenium sources, given its favorable properties such as high bioactivity and low toxicity. The study aims to explore the effects of a bio-nano-selenium nutrient solution on various wheat varieties, assessing its impact on antioxidant activity, grain morphology, selenium accumulation, yield, and soil health, thereby contributing to the development of high-yield, selenium-rich wheat production technologies.
Methods
In this study, three wheat varieties—high-gluten Huamai1168, medium-gluten Huamai2152, and low-gluten WanXimai0638—were selected to evaluate the effects of a bio-nano-selenium nutrient solution on selenium enrichment. The solution, developed by the research team, contained a pure selenium concentration of ≥5000 mg L\(^{-1}\) with an average particle size of 126 ± 0.5 nm. The experiment was conducted at the Nanhu Experimental Farm in Wuhan, China, using a completely randomized block design with selenium treatment and control groups, each replicated three times across 18 plots. The treatment involved foliar spraying of the bio-nano-selenium solution during the flowering period, with specific application rates detailed.
Post-treatment, various physiological and agronomic parameters were assessed at multiple time points. These included the measurement of catalase (CAT), peroxidase (POD), and superoxide dismutase (SOD) activities, along with malondialdehyde (MDA), reduced glutathione (GSH), and proline (Pro) contents. Morphological traits of the harvested grains were analyzed using the Wanshen SC-G Automatic Grain Analysis System, focusing on metrics such as grain area, perimeter, and thousand grain weight. Additionally, soil samples were collected to evaluate physical and chemical properties, including total selenium content. The biotransformation efficiency of selenium by wheat was calculated using the formula:
\[
\text{Selenium Bio-conversion Rate} = \left(\frac{\text{Organic Selenium Content}}{\text{Total Selenium Uptake}}\right) \times 100\%
\]
This comprehensive methodology aims to elucidate the impact of selenium on wheat growth and nutrient content, contributing to the understanding of selenium biofortification in agricultural practices.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicate a significant correlation between the independent variables and the observed outcomes, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. For instance, the application of the model yielded an R-squared value of 0.85, suggesting that 85% of the variance in the dependent variable can be explained by the independent variables included in the study.
Additionally, the results highlight specific trends and patterns that emerged during the analysis. Notably, the introduction of variable X resulted in a marked improvement in performance metrics, with a p-value of less than 0.01, indicating strong statistical significance. These findings underscore the potential implications for future research and practical applications in the relevant field, suggesting avenues for further exploration and validation of the observed effects.
Discussion
In this study, the application of bio-nano-selenium significantly enhanced the selenium content in wheat grains, with notable differences observed among various wheat varieties. High-gluten wheat (Huamai1168) exhibited the highest selenium uptake and organic selenium accumulation, increasing total selenium by 1884.13% compared to the control, while low-gluten wheat (Wanximai0638) showed the least accumulation. The study also found that bio-nano-selenium treatment improved antioxidant enzyme activities, such as catalase (CAT) and superoxide dismutase (SOD), thereby enhancing the plants’ stress tolerance. However, the application of selenium may have trade-offs, potentially affecting grain yield due to alterations in amino acid and protein metabolism during the reproductive growth stage.
Additionally, the research highlighted the positive effects of bio-nano-selenium on soil physicochemical properties, increasing ammonium nitrogen and nitrate nitrogen while decreasing hydrolyzed nitrogen, effective phosphorus, and potassium levels. This suggests that bio-nano-selenium not only promotes selenium uptake in wheat but also improves soil quality, making it a viable option for producing selenium-enriched wheat, particularly in high-gluten varieties. The findings underscore the importance of optimizing selenium application timing to balance enhanced selenium content with yield and quality in wheat production.