DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-63987-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38849601
تاريخ النشر: 2024-06-07
المؤلف: Muneeba Anum Nazir وآخرون
الموضوع الرئيسي: تفاعلات وتأثيرات العناصر الدقيقة للنبات
نظرة عامة
هدفت الدراسة إلى تطوير نانوأسمدة أكسيد الزنك (ZnO) الصديقة للبيئة باستخدام مستخلص خام من *Withania coagulans* كعامل اختزال للتخليق الأخضر لجزيئات ZnO النانوية (NPs). تم إجراء توصيف لجزيئات ZnO النانوية التي تم تخليقها حيوياً من خلال مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية، حيود الأشعة السينية (XRD)، مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، وكروماتوغرافيا الغاز-مطيافية الكتلة (GC-MS). تم تحليل تأثيرات تركيزات مختلفة من جزيئات ZnO النانوية (0، 25، 50، 100، 200 ملغ/ل) وأسيتات الزنك (100 ملغ/ل) على *Triticum aestivum* (القمح)، مع التركيز على تراكم الكتلة الحيوية، الخصائص الشكلية، المعايير الكيميائية الحيوية، والتعديلات التشريحية. أشارت النتائج إلى أن تركيزات معينة من جزيئات ZnO النانوية عززت بشكل كبير معايير النمو، محتوى الكلوروفيل، نشاط إنزيمات مضادات الأكسدة، والبنية التشريحية العامة لنباتات القمح.
تشير النتائج إلى أن جزيئات ZnO النانوية، وخاصة عند تركيز 25 ملغ/ل، تحسن بشكل فعال الجوانب الشكلية، الفسيولوجية، والكيميائية الحيوية لنمو القمح، مما يؤدي إلى زيادة الإنتاج وتعزيز الزنك. يرتبط مؤشر الأداء المحسن في النباتات المعالجة بتحسين الكيمياء الضوئية الأولية وتراكم الكتلة الحيوية. تسلط هذه الدراسة الضوء على إمكانيات جزيئات ZnO النانوية كممارسة زراعية مستدامة تقلل من التلوث البيئي بينما تعزز العوائد الأعلى وجودة التغذية المحسنة للمحاصيل. يمكن أن توجه تداعيات هذه النتائج المزارعين وصانعي السياسات في اعتماد ممارسات تقلل من الآثار البيئية السلبية وتعزز استدامة الأنظمة الزراعية، مما يعود بالنفع على كل من الاقتصاد والنظام البيئي.
طرق
في هذه الدراسة، تم الحصول على بذور Triticum aestivum من جامعة الإسلاميا في باهوالبور من معهد تشولستان لدراسات الصحراء (CIDS) في باكستان. لضمان تعقيم السطح، خضعت البذور لعلاج بمحلول هيبوكلوريت الصوديوم بنسبة 10% لمدة 10 دقائق، تلاها ثلاث شطفات بالماء منزوع الأيونات. سمح هذا التحضير للبذور بأن تكون نموذجًا للتحقيق في تأثيرات جزيئات أكسيد الزنك النانوية (ZnO NPs) على نمو النباتات وتطورها.
اتبعت الدراسة جميع الإرشادات المؤسسية والوطنية والدولية ذات الصلة، بالإضافة إلى التشريعات المحلية في باكستان، لضمان الامتثال الأخلاقي في زراعة وعينة النباتات المستخدمة في التجارب.
نتائج
تشير النتائج إلى أن تكنولوجيا النانو، وخاصة استخدام جزيئات أكسيد الزنك النانوية (ZnO NPs)، تحمل وعدًا كبيرًا لتعزيز الزراعة المستدامة على مستوى العالم. تفوقت جزيئات ZnO النانوية على الأسمدة التقليدية من الزنك في تحسين المعايير الفيزيائية لمجموعة متنوعة من المحاصيل، بما في ذلك القمح، الأرز، فول الصويا، والشعير، تحت ظروف الضغط الحيوي وغير الحيوي. تسلط الدراسة الضوء على ثلاث طرق لتحضير الجسيمات النانوية—كيميائية، فيزيائية، وبيولوجية—مؤكدة أن الطريقة البيولوجية، المتوافقة مع مبادئ الكيمياء الخضراء، تقدم بديلاً أكثر أمانًا وكفاءة approaches التقليدية، التي غالبًا ما تكون مستهلكة للوقت وخطرة.
أظهرت تطبيقات الجسيمات النانوية التي تم تخليقها بطريقة خضراء فوائد محتملة في الإنتاج الزراعي، مثل تحسين إنبات النباتات، وتعزيز النمو، وزيادة المقاومة للضغوط البيئية. علاوة على ذلك، توضح البحث تطبيقات متنوعة لتكنولوجيا النانو في الزراعة، بما في ذلك التركيبات النانوية للمبيدات والأسمدة، وأجهزة الاستشعار النانوية لاكتشاف الأمراض، والأجهزة النانوية للتوصيل المستهدف للمدخلات الزراعية. نظرًا للزيادة المتزايدة في الطلب على الغذاء بسبب النمو السكاني، تؤكد النتائج على الحاجة الملحة لاعتماد مثل هذه التقنيات المبتكرة لتعزيز الإنتاجية الزراعية. تتضمن الدراسة أيضًا توضيحًا تخطيطيًا للإعداد التجريبي والنتائج المتعلقة بتوصيف القمح استجابةً لجزيئات ZnO النانوية التي تم تخليقها في النبات.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم استكشاف التخليق الأخضر لجزيئات أكسيد الزنك النانوية (ZnO NPs) باستخدام مستخلص *Withania coagulans*، تلاها تحقيق في تأثيراته على نمو القمح (Triticum aestivum) والمعايير الفسيولوجية. شمل تحضير مستخلص النبات غسل، تجفيف، وطحن البذور، التي تم غليها بعد ذلك مع الماء المقطر لإنشاء عامل اختزال لتخليق جزيئات ZnO النانوية. تم توصيف الجسيمات النانوية باستخدام مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية، حيود الأشعة السينية (XRD)، ومجهر المسح الإلكتروني (SEM)، مما يؤكد نجاح تخليقها وبنيتها البلورية.
أظهر تجربة الأصص أن تركيزات مختلفة من جزيئات ZnO النانوية أثرت بشكل كبير على معايير نمو القمح، بما في ذلك ارتفاع النبات، عدد الأوراق، والكتلة الحيوية. بشكل ملحوظ، أدى تركيز 25 ملغ/ل إلى أعلى زيادة في ارتفاع النبات (23%) ومساحة الورقة (153%) مقارنة بالنباتات الضابطة. بالإضافة إلى ذلك، عزز تطبيق جزيئات ZnO النانوية محتوى الكلوروفيل والكاروتينويد، مما يشير إلى تحسين الكفاءة الضوئية. كما أفادت الدراسة بزيادة نشاط إنزيمات مضادات الأكسدة (SOD، POD، وCAT)، مما يشير إلى أن جزيئات ZnO النانوية قد تعزز دفاع النبات ضد الإجهاد التأكسدي. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن جزيئات ZnO النانوية يمكن أن تعمل كمنشطات حيوية فعالة، تعزز النمو وتحسن الاستجابات الفسيولوجية في القمح.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-63987-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38849601
Publication Date: 2024-06-07
Author(s): Muneeba Anum Nazir et al.
Primary Topic: Plant Micronutrient Interactions and Effects
Overview
The study aimed to develop eco-friendly zinc oxide (ZnO) nanofertilizers using a crude extract of *Withania coagulans* as a reducing agent for the green synthesis of ZnO nanoparticles (NPs). Characterization of the biosynthesized ZnO NPs was conducted through UV-Vis spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), and gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). The effects of varying concentrations of ZnO NPs (0, 25, 50, 100, 200 mg/l) and zinc acetate (100 mg/l) on *Triticum aestivum* (wheat) were analyzed, focusing on biomass accumulation, morphological attributes, biochemical parameters, and anatomical modifications. The results indicated that specific concentrations of ZnO NPs significantly enhanced growth parameters, chlorophyll content, antioxidant enzyme activity, and overall anatomical structure of the wheat plants.
The findings suggest that ZnO NPs, particularly at a concentration of 25 mg/l, effectively improve the morphological, physiological, and biochemical aspects of wheat growth, leading to increased yield and zinc biofortification. The enhanced performance index in treated plants correlates with improved primary photochemistry and biomass accumulation. This research highlights the potential of ZnO NPs as a sustainable agricultural practice that minimizes environmental contamination while promoting higher yields and improved crop nutritional quality. The implications of these findings could guide farmers and policymakers in adopting practices that reduce negative environmental impacts and enhance the sustainability of agricultural systems, ultimately benefiting both the economy and the ecosystem.
Methods
In this study, Triticum aestivum seeds were sourced from The Islamia University of Bahawalpur’s Cholistan Institute of Desert Studies (CIDS) in Pakistan. To ensure surface sterility, the seeds underwent a treatment with a 10% sodium hypochlorite solution for 10 minutes, followed by three rinses with deionized water. This preparation allowed the seeds to serve as a model for investigating the effects of zinc oxide nanoparticles (ZnO NPs) on plant growth and development.
The research adhered to all relevant institutional, national, and international guidelines, as well as domestic legislation in Pakistan, ensuring ethical compliance in the cultivation and sampling of the plants used in the experiments.
Results
The results indicate that nanotechnology, particularly the use of zinc oxide nanoparticles (ZnO NPs), holds significant promise for enhancing sustainable agriculture globally. ZnO NPs outperformed conventional zinc fertilizers in improving the physical parameters of various crops, including wheat, rice, soybean, and barley, under both biotic and abiotic stress conditions. The study highlights three methods for nanoparticle preparation—chemical, physical, and biological—emphasizing that the biological method, aligned with green chemistry principles, offers a safer and more efficient alternative to traditional approaches, which are often time-consuming and hazardous.
The application of green-synthesized nanoparticles has demonstrated potential benefits in agricultural production, such as improved plant germination, enhanced growth, and increased resilience to environmental stresses. Furthermore, the research outlines various applications of nanotechnology in agriculture, including nanoformulations for pesticides and fertilizers, nanosensors for disease detection, and nanodevices for targeted delivery of agricultural inputs. Given the rising food demands due to population growth, the findings underscore the urgent need to adopt such innovative technologies to boost agricultural productivity. The study also includes a schematic illustration of the experimental setup and findings related to the characterization of wheat in response to phyto-synthesized ZnO NPs.
Discussion
In this study, the green synthesis of zinc oxide nanoparticles (ZnO NPs) using Withania coagulans extract was explored, followed by an investigation of its effects on wheat (Triticum aestivum) growth and physiological parameters. The preparation of the plant extract involved washing, drying, and grinding the seeds, which were then boiled with distilled water to create a reducing agent for ZnO NPs synthesis. The nanoparticles were characterized using UV-Vis spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), and scanning electron microscopy (SEM), confirming their successful synthesis and crystalline structure.
The pot experiment demonstrated that varying concentrations of ZnO NPs significantly influenced wheat growth parameters, including plant height, leaf number, and biomass. Notably, a concentration of 25 mg/L resulted in the highest increase in plant height (23%) and leaf area (153%) compared to control plants. Additionally, the application of ZnO NPs enhanced chlorophyll and carotenoid content, indicating improved photosynthetic efficiency. The study also reported increased antioxidant enzyme activities (SOD, POD, and CAT), suggesting that ZnO NPs may bolster the plant’s defense against oxidative stress. Overall, the findings indicate that ZnO NPs can serve as effective biostimulants, promoting growth and enhancing physiological responses in wheat.