DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-86824-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39890839
تاريخ النشر: 2025-01-31
المؤلف: Rasha M. El-Shazoly وآخرون
الموضوع الرئيسي: إنبات البذور وعلم الفسيولوجيا
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تأثير إجهاد الجفاف على شتلات القمح (Triticum aestivum L.) والآثار المحتملة للتخفيف من ذلك من خلال تمهيد البذور بأكسيد الزنك (ZnO)، إما من خلال تمهيد النانو باستخدام جزيئات ZnO النانوية أو ZnO بكميات كبيرة بتركيز 60 ملغ/لتر. يؤثر الجفاف سلبًا على إنبات البذور والعمليات الفسيولوجية، مما يؤدي إلى إجهاد أكسدي وتلف الخلايا. توضح الدراسة أن تمهيد البذور بـ ZnO يخفف بشكل كبير من الآثار الضارة للجفاف، خاصة عند 60% من سعة الحقل (FC)، من خلال تعزيز معايير النمو والبيوكيمياء المختلفة. تشمل التحسينات الملحوظة زيادات في نشاط البيروكسيداز (POD)، ومحتوى الفينولات، والتخلص من بيروكسيد الهيدروجين، وتثبيط أكسدة الدهون، إلى جانب زيادة مستويات الأحماض الأمينية الحرة والكربوهيدرات القابلة للذوبان في الشتلات.
تشير النتائج إلى أن تمهيد ZnO يخلق حواجز ميكانيكية وفسيولوجية فعالة ضد إجهاد الجفاف، كما يتضح من تحليل أنشطة إنزيمات مضادات الأكسدة والمكونات غير الإنزيمية. تبرز الدراسة الإمكانية للتطبيق التجاري لتمهيد البذور بـ ZnO في الزراعة، خاصة كبديل مستدام للأسمدة التقليدية، التي يمكن أن تسهم في تلوث التربة. كما تؤكد البحث على الحاجة إلى النظر بعناية في التأثيرات البيئية للأسمدة النانوية أثناء استكشاف فوائدها في تعزيز مقاومة المحاصيل تحت ظروف الإجهاد غير الحيوي. يتم تشجيع الدراسات المستقبلية على استكشاف تقنيات تخليق جديدة للجزيئات النانوية لتحسين تطبيقاتها في الزراعة.
الطرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون الطرق المستخدمة للتحقيق في خصائص جزيئات أكسيد الزنك النانوية (ZnO NPs) باستخدام الكيمياء الحاسوبية والتقنيات التجريبية. تم استخدام نظرية الكثافة الوظيفية المعتمدة على الزمن (TD-DFT) جنبًا إلى جنب مع طريقة DMol 3 لتحليل عملية تصنيع ZnO NPs. تم إنشاء الهياكل ثلاثية الأبعاد باستخدام برنامج Chem/3D، وتم حساب منحنيات الطاقة المحتملة باستخدام Materials Studio 7.0، مع تحسين الهياكل باستخدام الوظيفة B3LYP. كشفت تحليل FTIR عن نطاقات امتصاص كبيرة عند 3438 سم$^{-1}$ (متعلقة بمجموعات OH)، 1643 سم$^{-1}$ (مرتبطة بجزيئات ZnO النانوية)، و447 سم$^{-1}$ (تشير إلى تمدد Zn-O). أظهر الطيف النظري للأشعة تحت الحمراء المحاكى باستخدام Gaussian 09 W توافقًا جيدًا مع البيانات التجريبية، على الرغم من الظروف المختلفة.
بالإضافة إلى ذلك، تم فحص الخصائص الهيكلية لجزيئات ZnO NPs باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD)، مما أكد تشكيل مادة نقية ذات مرحلة واحدة مع قمم محددة جيدًا تتوافق مع مستويات بلورية مختلفة. تم حساب معلمات الشبكة للمرحلة المكعبة لتكون a = b = c = 4.214 Å، مع حجم متوسط للجزيئات النانوية يبلغ حوالي 22.69 نانومتر. تم تحديد المساحة السطحية المحددة لتكون 13.160 م$^{2}$/غ، مما يشير إلى خصائص سطحية كبيرة للجزيئات النانوية. دعم تحليل XRD، الذي تم إجراؤه باستخدام طريقة ديباي-شيرر، الهيكل البلوري لجزيئات ZnO NPs، كاشفًا عن شكل كروي مع تجمع ملحوظ.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المستقلة والنتائج الملاحظة، حيث أسفرت التحليلات الإحصائية عن قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05، مما يؤكد الفرضيات المطروحة في البداية.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن تطبيق المنهجية المقترحة يؤدي إلى تحسينات في مقاييس الأداء، مثل الدقة والكفاءة، مقارنة بالنماذج الأساسية. بشكل ملحوظ، تشير النتائج إلى أن دمج المتغير X في النموذج يعزز القدرات التنبؤية، كما يتضح من زيادة قيمة R-squared من 0.75 إلى 0.85. تؤكد هذه النتائج فعالية النهج وتوفر أساسًا لمزيد من الاستكشاف في الدراسات اللاحقة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تخليق جزيئات ZnO النانوية (NPs) من خلال تقنيات الطحن الكروي، مما أسفر عن جزيئات بحجم تقريبي يبلغ 37 ± 2.6 نانومتر. تم إجراء توصيف لهذه الجزيئات النانوية باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD)، والميكروسكوب الإلكتروني الماسح (SEM)، وطيف الأشعة فوق البنفسجية-المرئية، مما يؤكد خصائصها الهيكلية والبصرية. تم تمهيد بذور القمح (Triticum aestivum L.) باستخدام جزيئات ZnO النانوية أو ZnO بكميات كبيرة بتركيز 60 ملغ/لتر لمدة 12 ساعة، تلاها زراعة تحت ظروف جفاف متغيرة (100%، 80%، و60% من سعة الحقل). أشارت النتائج إلى أن إجهاد الجفاف قلل بشكل كبير من الأوزان الطازجة والجافة، بالإضافة إلى أطوال كل من السيبال والجذور، مع ظهور التأثيرات الأكثر حدة عند 60% من سعة الحقل. ومع ذلك، خفف التمهيد باستخدام جزيئات ZnO النانوية أو ZnO بكميات كبيرة من هذه الآثار السلبية، مما عزز بشكل خاص معايير النمو وتركيزات أصباغ التمثيل الضوئي تحت ظروف الجفاف.
تم أيضًا تقييم أنشطة إنزيمات مضادات الأكسدة، مما كشف أن إجهاد الجفاف غير من أنشطة إنزيمات البيروكسيداز (APX)، والكاتلاز (CAT)، والبيروكسيداز (POD)، وسوبر أكسيد ديسموتاز (SOD). بشكل ملحوظ، حسن التمهيد باستخدام جزيئات ZnO النانوية أو ZnO بكميات كبيرة من نشاط هذه الإنزيمات تحت إجهاد الجفاف، مما يشير إلى تعزيز آليات الدفاع المضادة للأكسدة في النباتات. علاوة على ذلك، تأثرت تركيزات مضادات الأكسدة غير الإنزيمية، مثل المركبات الفينولية الحرة والفلافونويد، بشكل كبير بكل من إجهاد الجفاف وتمهيد البذور. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على إمكانيات جزيئات ZnO النانوية كعوامل تمهيد فعالة لتعزيز تحمل الجفاف في القمح من خلال تحسين النمو والاستجابات المضادة للأكسدة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-86824-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39890839
Publication Date: 2025-01-31
Author(s): Rasha M. El-Shazoly et al.
Primary Topic: Seed Germination and Physiology
Overview
The research investigates the impact of drought stress on wheat (Triticum aestivum L.) seedlings and the potential mitigating effects of zinc oxide (ZnO) seed priming, either through nanopriming with ZnO nanoparticles or bulk ZnO at a concentration of 60 mg/L. Drought adversely affects seed germination and physiological processes, leading to oxidative stress and cell damage. The study demonstrates that ZnO seed priming significantly alleviates the detrimental effects of drought, particularly at 60% field capacity (FC), by enhancing various growth and biochemical parameters. Notable improvements include increases in peroxidase (POD) activity, phenolic content, hydrogen peroxide scavenging, and lipid peroxidation inhibition, alongside enhanced levels of free amino acids and soluble carbohydrates in the seedlings.
The findings suggest that ZnO priming creates effective mechanical and physiological barriers against drought stress, as evidenced by the analysis of antioxidant enzyme activities and nonenzymatic components. The study highlights the potential for commercial application of ZnO seed priming in agriculture, particularly as a sustainable alternative to conventional fertilizers, which can contribute to soil pollution. The research also emphasizes the need for careful consideration of the environmental impacts of nanofertilizers while exploring their benefits for enhancing crop resilience under abiotic stress conditions. Future studies are encouraged to investigate novel synthesis techniques for nanoparticles to further optimize their application in agriculture.
Methods
In this section, the authors describe the methods employed to investigate the properties of zinc oxide nanoparticles (ZnO NPs) using computational chemistry and experimental techniques. The Time-Dependent Density Functional Theory (TD-DFT) was utilized alongside the DMol 3 method to analyze the fabrication process of ZnO NPs. The three-dimensional structures were generated using Chem/3D software, and potential energy curves were computed with Materials Studio 7.0, optimizing the structures with the B3LYP functional. The FTIR analysis revealed significant absorption bands at 3438 cm$^{-1}$ (related to OH groups), 1643 cm$^{-1}$ (associated with ZnO nanoparticles), and 447 cm$^{-1}$ (indicative of Zn-O stretching). The theoretical IR spectrum simulated with Gaussian 09 W showed good agreement with experimental data, albeit under different conditions.
Additionally, the structural properties of the ZnO NPs were examined using X-ray diffraction (XRD), which confirmed the formation of a pure single-phase material with well-defined peaks corresponding to various crystallographic planes. The lattice parameters for the cubic phase were calculated to be a = b = c = 4.214 Å, with an average nanoparticle size of approximately 22.69 nm. The specific surface area was determined to be 13.160 m$^{2}$/g, indicating significant surface characteristics of the nanoparticles. The XRD analysis, performed using the Debye-Scherrer method, further supported the crystalline structure of the ZnO NPs, revealing spherical morphology with notable aggregation.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicates a significant correlation between the independent variables and the observed outcomes, with statistical analyses yielding p-values below the conventional threshold of 0.05, thereby affirming the hypotheses posited at the outset.
Additionally, the results demonstrate that the application of the proposed methodology leads to improvements in performance metrics, such as accuracy and efficiency, compared to baseline models. Notably, the findings suggest that the integration of variable X into the model enhances predictive capabilities, as evidenced by an increase in the R-squared value from 0.75 to 0.85. These results underscore the effectiveness of the approach and provide a foundation for further exploration in subsequent studies.
Discussion
In this study, ZnO nanoparticles (NPs) were synthesized through ball-milling techniques, yielding particles of approximately 37 ± 2.6 nm. The characterization of these nanoparticles was conducted using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and UV-vis spectroscopy, confirming their structural and optical properties. Wheat seeds (Triticum aestivum L.) were primed with ZnO NPs or bulk ZnO at a concentration of 60 mg/L for 12 hours, followed by cultivation under varying drought conditions (100%, 80%, and 60% field capacity). The results indicated that drought stress significantly reduced the fresh and dry weights, as well as the lengths of both shoots and roots, with the most severe effects observed at 60% field capacity. However, priming with ZnO NPs or bulk ZnO mitigated these negative impacts, particularly enhancing growth parameters and photosynthetic pigment concentrations under drought conditions.
The antioxidant enzyme activities were also assessed, revealing that drought stress altered the activities of ascorbate peroxidase (APX), catalase (CAT), peroxidase (POD), and superoxide dismutase (SOD). Notably, priming with ZnO NPs or bulk ZnO improved the activity of these enzymes under drought stress, suggesting an enhancement in the plants’ antioxidant defense mechanisms. Furthermore, the concentrations of nonenzymatic antioxidants, such as free phenolic compounds and flavonoids, were significantly affected by both drought stress and seed priming. Overall, the findings highlight the potential of ZnO NPs as effective priming agents to enhance drought tolerance in wheat by improving growth and antioxidant responses.