DOI: https://doi.org/10.3389/fnano.2025.1621024
تاريخ النشر: 2025-07-24
المؤلف: A. Gomathi وآخرون
الموضوع الرئيسي: السيلينيوم في الأنظمة البيولوجية
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في استخدام جزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs) التي تم تصنيعها حيوياً من مستخلص أوراق Cassia auriculata لتعزيز تحمل الإجهاد الناتج عن الجفاف والجودة الغذائية في نباتات الأمارانثوس الصغيرة (النوع Arka Suguna). كشفت خصائص جزيئات SeNPs عن هيكلها البلوري وشكلها الكروي، مع ملاحظة تعزيز نمو مثالي عند تركيز 100 جزء في المليون، مما حسن بشكل كبير معدلات الإنبات (97.5%)، والعائد (330 ملغ)، وارتفاع النبات (5.6 سم)، والعديد من المعايير الكيميائية الحيوية، بما في ذلك البروتين الكلي (377.2 ملغ/100 غ)، والكربوهيدرات (951 ملغ/100 غ)، والفلافونويدات (11.4 ملغ/غ)، وفيتامين C (36.67 ملغ/100 غ). بالإضافة إلى ذلك، تم تعزيز أنشطة إنزيمات مضادات الأكسدة، مما يشير إلى تحسين آليات الدفاع ضد الإجهاد، بينما وصل تراكم السيلينيوم إلى 10.69 ملغ/غ من الوزن الجاف، مما يدل على فعالية التخصيب الحيوي.
تخلص الدراسة إلى أن تطبيق 100 جزء في المليون من جزيئات SeNPs من خلال معالجة البذور، وتطبيق التربة، ورش الأوراق يعزز بشكل كبير النمو والمحتوى الغذائي في النباتات الصغيرة، مما يضع جزيئات SeNPs كحل مستدام للأسمدة النانوية للزراعة الحديثة. تشير توافق جزيئات SeNPs مع الكائنات الحية الدقيقة المفيدة في التربة إلى فوائد بيئية أوسع، تدعم الأمن الغذائي في المناطق التي تعاني من نقص المياه. يجب أن تستكشف الأبحاث المستقبلية التأثيرات طويلة الأمد لجزيئات SeNPs على تطوير النباتات وإمكاناتها في تحفيز التعديلات الوراثية المتعلقة بتحمل الإجهاد، مع الاعتراف بالقيود التي تفرضها التجارب القصيرة الأمد في عكس ظروف الحقل.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية السيلينيوم (Se) كعنصر غذائي دقيق أساسي يتمتع بخصائص مضادة للأكسدة ومضادة للميكروبات ملحوظة، مما يجعله مصدراً قيماً في مجالات الزراعة والطب الحيوي. يتم التأكيد على جزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs) بسبب سمّيتها المنخفضة مقارنة بالأشكال التقليدية مثل السيلينات أو السيلينيت، بينما تعزز أيضاً نمو النباتات وتزيد من تراكم العناصر الغذائية. تعتبر طريقة تصنيع جزيئات SeNPs حاسمة، حيث يُفضل التصنيع الأخضر باستخدام مستخلصات نباتية على الطرق الكيميائية بسبب صديقته للبيئة وتحسين توافقه الحيوي، مما يعزز تأثيرات الجزيئات النانوية المضادة للأكسدة ومضادة للسرطان دون الإضرار بالخلايا السليمة.
تناقش هذه الفقرة أيضاً الإمكانيات التحولية للتكنولوجيا النانوية في الزراعة، خاصة من خلال استخدام الجزيئات النانوية لتحسين غلات المحاصيل واستدامتها. على الرغم من الفوائد، لا تزال التحديات مثل قابلية التوسع والتأثيرات البيئية قائمة. كما تشير المقدمة إلى أن جزيئات SeNPs يمكن أن تخفف من الإجهاد غير الحيوي في المحاصيل، مما يعزز العمليات الفسيولوجية مثل تخليق الكلوروفيل ونشاط إنزيمات مضادات الأكسدة، مما يحسن بشكل جماعي من مرونة النباتات. تتأثر فعالية جزيئات SeNPs بحجمها وطريقة تطبيقها، كما أنها تظهر خصائص مضادة للميكروبات، مما يبرز دورها المتعدد الأوجه في تعزيز الإنتاجية الزراعية وتحمل الإجهاد.
طرق
في هذه الدراسة، تم الحصول على سيلينيت الصوديوم (Na\(_2\)SeO\(_3\)) من Hi Media، الهند، بينما تم جمع أوراق C. auriculata الطازجة من منطقة Tiruvannamalai، تاميل نادو، الهند. كانت نوعية الأمارانثوس المستخدمة هي Arka Suguna، التي تم الحصول عليها من المعهد الهندي لأبحاث البستنة (IIHR) في بنغالور.
شملت طرق تطبيق جزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs) المصنعة حيوياً نهجين رئيسيين. أولاً، تم تحضير بذور Arka Suguna المعقمة سطحياً عن طريق نقعها في محاليل SeNP بتركيز 25 أو 100 جزء في المليون بنسبة 1:2 من البذور إلى المحلول لمدة 60 دقيقة عند 25 دورة في الدقيقة ودرجة حرارة 25 °م ± 1 °م. بعد الإنبات، تم إجراء سقي منطقة الجذر بمحلول SeNP بتركيز 100 جزء في المليون (5 مل لكل خلية صينية) في اليوم الثالث بعد الإنبات (D3). بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء رش للأوراق بمحلول SeNP بتركيز 25 جزء في المليون (1 مل لكل خلية صينية) في مرحلة الورقة الحقيقية الأولى (D6) باستخدام رذاذ لتحسين الامتصاص خلال ذروة نشاط الثغور. تم إجراء جميع المعالجات تحت ظروف بيئية محكومة عند 28 °م ± 2 °م ورطوبة نسبية (RH) بنسبة 70%.
مناقشة
تسلط فقرة المناقشة في ورقة البحث الضوء على الاستخدام المبتكر لجزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs) المصنعة من مستخلص أوراق Cassia auriculata لتعزيز مرونة نباتات الأمارانثوس الصغيرة تحت ضغط الجفاف. على عكس الدراسات السابقة التي ركزت بشكل أساسي على المحاصيل التقليدية والجزيئات النانوية المصنعة كيميائياً، تؤكد هذه الدراسة على نهج التصنيع الأخضر واستراتيجية تطبيق شاملة تشمل تحضير البذور، وسقي التربة، ورش الأوراق. تشير النتائج إلى أن الظروف المثلى لتصنيع جزيئات SeNP—باستخدام 5% من مستخلص الأوراق و12 مللي مول من سيلينيت الصوديوم—أسفرت عن جزيئات نانوية مستقرة تتميز بامتصاص ذروة عند 230 نانومتر، مع حجم متوسط قدره 337.3 نانومتر.
تظهر الدراسة أيضاً أن تطبيق جزيئات SeNP البيولوجية يحسن بشكل كبير معايير النمو لنباتات الأمارانثوس الصغيرة تحت ظروف الجفاف المحفزة، محققة معدل إنبات قدره 96.67% وزيادات ملحوظة في ارتفاع النبات، والوزن الطازج، والوزن الجاف مقارنة بالمجموعات الضابطة. من المهم أن تكشف اختبارات التوافق الحيوي أن جزيئات SeNP تعزز نمو الكائنات الحية الدقيقة المفيدة في التربة، مما يشير إلى تأثير بيئي إيجابي. بشكل عام، تسهم هذه الدراسة في تقديم رؤى قيمة حول إمكانيات جزيئات SeNP لممارسات الزراعة المستدامة، خاصة في تعزيز مرونة المحاصيل في البيئات المحدودة بالمياه.
DOI: https://doi.org/10.3389/fnano.2025.1621024
Publication Date: 2025-07-24
Author(s): A. Gomathi et al.
Primary Topic: Selenium in Biological Systems
Overview
This research investigates the use of biosynthesized selenium nanoparticles (SeNPs) derived from Cassia auriculata leaf extract to enhance drought stress tolerance and nutritional quality in Amaranthus microgreens (var. Arka Suguna). Characterization of the SeNPs revealed their crystalline structure and spherical shape, with optimal growth promotion observed at a concentration of 100 ppm, which significantly improved germination rates (97.5%), yield (330 mg), plant height (5.6 cm), and various biochemical parameters, including total protein (377.2 mg/100 g), carbohydrates (951 mg/100 g), flavonoids (11.4 mg/g), and vitamin C (36.67 mg/100 g). Additionally, antioxidant enzyme activities were enhanced, indicating improved stress defense mechanisms, while selenium accumulation reached 10.69 mg/g dry weight, demonstrating effective biofortification.
The study concludes that the application of 100 ppm SeNPs through seed treatment, soil application, and foliar spray significantly boosts growth and nutritional content in microgreens, positioning SeNPs as a sustainable nanofertilizer solution for modern agriculture. The compatibility of SeNPs with beneficial soil microorganisms suggests broader ecological benefits, supporting food security in water-scarce regions. Future research should explore the long-term effects of SeNPs on plant development and their potential for inducing epigenetic modifications related to stress tolerance, while acknowledging the limitations of short-term controlled trials in reflecting field conditions.
Introduction
The introduction highlights the significance of selenium (Se) as an essential micronutrient with notable antioxidant and antimicrobial properties, making it a valuable resource in agricultural and biomedical fields. Selenium nanoparticles (SeNPs) are emphasized for their lower toxicity compared to traditional forms like selenate or selenite, while also promoting plant growth and enhancing nutrient accumulation. The synthesis method of SeNPs is critical, with green synthesis using plant extracts being preferred over chemical methods due to its eco-friendliness and improved biocompatibility, which enhances the nanoparticles’ antioxidant and anticancer effects without harming healthy cells.
The section further discusses the transformative potential of nanotechnology in agriculture, particularly through the use of nanoparticles to improve crop yields and sustainability. Despite the benefits, challenges such as scalability and environmental impacts remain. The introduction also notes that SeNPs can mitigate abiotic stress in crops, enhancing physiological processes like chlorophyll biosynthesis and antioxidant enzyme activity, which collectively improve plant resilience. The efficacy of SeNPs is influenced by their size and application method, and they also exhibit antimicrobial properties, underscoring their multifaceted role in enhancing agricultural productivity and stress tolerance.
Methods
In this study, sodium selenite (Na\(_2\)SeO\(_3\)) was sourced from Hi Media, India, while fresh leaves of C. auriculata were collected from Tiruvannamalai district, Tamil Nadu, India. The Amaranthus variety used was Arka Suguna, obtained from the Indian Institute of Horticultural Research (IIHR) in Bangalore.
The application methods for the biosynthesized selenium nanoparticles (SeNPs) involved two primary approaches. First, surface-sterilized Arka Suguna seeds were nano-primed by incubating them in 25 or 100 ppm SeNP solutions at a 1:2 seed-to-solution ratio for 60 minutes at 25 rpm and a temperature of 25 °C ± 1 °C. Following germination, a root zone drenching with a 100 ppm SeNP solution (5 mL per tray cell) was performed on day 3 post-germination (D3). Additionally, foliar spraying of a 25 ppm SeNP solution (1 mL per tray cell) was conducted at the first true leaf stage (D6) using an atomizer to optimize uptake during peak stomatal activity. All treatments were carried out under controlled environmental conditions of 28 °C ± 2 °C and 70% relative humidity (RH).
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the innovative use of selenium nanoparticles (SeNPs) synthesized from Cassia auriculata leaf extract to enhance the resilience of Amaranthus microgreens under drought stress. Unlike previous studies that primarily focused on conventional crops and chemically synthesized nanoparticles, this research emphasizes a green synthesis approach and a comprehensive application strategy involving seed priming, soil drenching, and foliar spraying. The findings indicate that the optimized conditions for SeNP synthesis—using 5% leaf extract and 12 mM sodium selenite—resulted in stable nanoparticles characterized by a peak absorbance at 230 nm, with an average size of 337.3 nm.
The study further demonstrates that the application of biogenic SeNPs significantly improves growth parameters of Amaranthus microgreens under induced drought conditions, achieving a germination rate of 96.67% and notable increases in plant height, fresh weight, and dry weight compared to control groups. Importantly, the biocompatibility assays reveal that the SeNPs promote the growth of beneficial soil microorganisms, suggesting a positive ecological impact. Overall, this research contributes valuable insights into the potential of SeNPs for sustainable agricultural practices, particularly in enhancing crop resilience in water-limited environments.