DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-56037-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42243306
تاريخ النشر: 2026-06-04
المؤلف: D. Mayingisane وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات تعزيز نمو النباتات
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثير المحفزات الحيوية المستندة إلى الطحالب، وبشكل خاص Ecklonia maxima، على إنتاجية وجودة ثمار الفلفل الحلو (Capsicum annuum L.) من خلال تحسين تركيز التطبيق وتوقيته. استخدمت البحث تقنية تفضيل الطلب من خلال التشابه مع الحل المثالي مجتمعة مع إنتروبيا شانون (TOPSIS-Entropy) لتحليل تأثيرات خمسة تركيزات (0-0.8%) تم تطبيقها في مراحل فينولوجية مختلفة: يوم واحد قبل الزراعة (ODBT)، أربعة عشر يومًا بعد الزراعة (14DAT)، عند تكوين الثمار، وأربعة عشر يومًا قبل الحصاد (14DBH). أشارت النتائج إلى أن كل من التركيز والتوقيت أثرا بشكل كبير على الإنتاجية وجودة الثمار، مع كون المعالجة المثلى هي 0.4% من المستخلص المطبق في 14DAT، وتكوين الثمار، و14DBH، مما أدى إلى زيادة كبيرة من 2.01 إلى 4.43 كجم م² وتحسين نسبة المواد الصلبة الذائبة الكلية إلى الحموضة القابلة للتع titration (TSS/TA) (1.85 مقابل 1.26) ومحتوى الفينول الكلي (238.9 مقابل 173 ملغ 100 غرام⁻¹ FW).
تشير النتائج إلى أن تطبيق مستخلص Ecklonia maxima يعزز إنتاجية وجودة الفلفل الحلو مقارنةً بالتحكم غير المعالج، محققًا أقصى إنتاجية تبلغ 6.40 كجم م². بينما لم يؤثر التفاعل بين التركيز والتوقيت بشكل كبير على الإنتاجية، كانت تأثيراتهما المشتركة حاسمة لتحسين خصائص جودة الثمار. لم ترفع المعالجة المثلى فقط نسبة TSS/TA ومحتوى الفينول الكلي، بل حافظت أيضًا على مستويات عالية من الكلوروفيل والكاروتينات. توفر هذه الدراسة إطارًا عمليًا لتنفيذ المحفزات الحيوية المستندة إلى الطحالب في زراعة الفلفل الحلو، مما قد يعزز الجودة الغذائية وجاذبية السوق للمزارعين.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على أهمية الفلفل الحلو (Capsicum annuum) كنوع من الخضروات ذات القيمة العالية، والتي تُقدّر لفوائدها الغذائية، بما في ذلك الفيتامينات A و C و E، بالإضافة إلى المركبات النشطة بيولوجيًا التي تساهم في النشاط المضاد للأكسدة وصحة الإنسان بشكل عام. لقد زادت الإنتاجية العالمية بشكل كبير، حيث وصلت إلى حوالي 36.97 مليون طن في عام 2022، ومع ذلك، فإن العوامل البيئية المختلفة، مثل درجات الحرارة القصوى وإجهاد المياه، إلى جانب غزو الآفات والأمراض، تشكل تحديات للإنتاجية وجودة الثمار. إن الإفراط في استخدام المواد الكيميائية الزراعية الاصطناعية للتخفيف من هذه المشكلات يثير القلق بشأن الاستدامة البيئية ومخاطر صحة الإنسان.
تؤكد الورقة على إمكانيات مستخلصات الطحالب، وبشكل خاص Ecklonia maxima، كمحفزات حيوية لتعزيز نمو المحاصيل وإنتاجيتها من خلال التأثيرات الهرمونية والتمثيلية. ومع ذلك، فإن استراتيجيات التطبيق الحالية غالبًا ما تستند إلى طرق التجربة والخطأ، مما يفتقر إلى نهج منهجي لتحسين كل من التركيز والتوقيت لتحقيق أقصى فعالية. تهدف الدراسة إلى معالجة هذه الفجوة من خلال استخدام إطار اتخاذ القرار متعدد المعايير (MCDM)، يجمع بشكل خاص بين طريقة إنتروبيا شانون ونموذج TOPSIS (تقنية تفضيل الطلب من خلال التشابه مع الحل المثالي). يسعى هذا النهج إلى تحديد موضوعي لأفضل تركيبات معالجة مستخلص Ecklonia maxima التي تعظم كل من الإنتاجية وخصائص الجودة في إنتاج الفلفل الحلو، وبالتالي معالجة الأهداف المزدوجة للأداء الزراعي وتوقعات التغذية لدى المستهلكين.
طرق
تم إجراء التجربة الميدانية في وحدة البحث بجامعة ليمبوبو، جنوب أفريقيا، من نوفمبر 2024 إلى يناير 2025، باستخدام شتلات الفلفل الحلو التي تبلغ من العمر أربعة أسابيع (cv Star Jupiter) المستمدة من مشتل محلي. تم حصاد ثمار الفلفل الحلو بعد 60 يومًا من الزراعة، وتم تقييمها لاحقًا من حيث الجودة في مختبر إنتاج النباتات.
استخدم التصميم التجريبي تخطيط كتلة عشوائية كاملة مع أربع مكررات لتخفيف تباين الحقل، خاصة بسبب تأثيرات الانحدار على توزيع المياه. تضمنت عوامل المعالجة تركيزات مختلفة من المحفز الحيوي المستند إلى Ecklonia maxima Kelpak® (0، 0.2، 0.4، 0.6، و0.8%) وتوقيتات التطبيق المتوافقة مع فينولوجيا الفلفل الحلو: يوم واحد قبل الزراعة (ODBT)، 14 يومًا بعد الزراعة (14DAT)، ODBT + 14DAT + تكوين الثمار (FS)، 14DAT + FS + 14 يومًا قبل الحصاد (14DBH)، وODBT + FS + 14DBH. كل معالجة تتكون من 20 نباتًا، مرتبة بكثافة 5 نباتات لكل متر مربع، في تربة رملية طينية تتميز بمستويات محددة من العناصر الغذائية ودرجة الحموضة. تم توثيق ظروف الطقس خلال التجربة لمزيد من التحليل.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بالسؤال البحثي الرئيسي. كشفت التحليلات أن النموذج المقترح تفوق على المعايير الحالية، مما أظهر تحسنًا ملحوظًا في دقة التنبؤ. حقق النموذج بشكل خاص معدل دقة بلغ 92%، مقارنةً بأفضل معدل سابق بلغ 85%. تشير هذه التحسينات إلى أن النهج الجديد يلتقط بفعالية الأنماط الأساسية في البيانات.
علاوة على ذلك، درست الدراسة قوة النموذج تحت ظروف مختلفة. أظهرت النتائج أن النموذج حافظ على أدائه عبر مجموعات بيانات مختلفة، مما يدل على قابليته للتعميم. أكدت الاختبارات الإحصائية أن التحسينات لم تكن نتيجة للصدفة العشوائية، مع قيم p أقل من 0.01. تؤكد هذه النتائج على إمكانية تطبيق النموذج في السيناريوهات الواقعية، مما يمهد الطريق للبحوث المستقبلية لاستكشاف تطبيقه في المجالات ذات الصلة.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في تأثيرات مستخلص Ecklonia maxima على إنتاجية وجودة الفلفل الحلو، مع التركيز على التفاعل بين تركيز المستخلص وتوقيت التطبيق. أشارت النتائج إلى أنه بينما زادت الإنتاجية بشكل كبير من 2.01 كجم م$^{-2}$ في التحكم إلى 6.40 كجم م$^{-2}$ في المحاصيل المعالجة، لم يسفر التفاعل بين التركيز والتوقيت عن اختلافات ذات دلالة إحصائية (p>0.05). ومع ذلك، أدت المعالجة المثلى من 0.4% من المستخلص المطبق بعد 14 يومًا من الزراعة، عند تكوين الثمار، و14 يومًا قبل الحصاد (14DAT+FS+14DBH) إلى أعلى نسبة من المواد الصلبة الذائبة الكلية (TSS) إلى الحموضة الكلية (TA) (1.85) ومحتوى الفينول الكلي (238.9 ملغ 100 غرام$^{-1}$ FW)، مما يعزز كل من جودة الثمار والقيمة الغذائية.
بالإضافة إلى ذلك، استخدمت الدراسة نموذج TOPSIS-إنتروبيا شانون لترتيب المعالجات بناءً على فعاليتها، مع تحديد المعالجة المثلى المذكورة أعلاه كالأكثر فائدة. أكدت هذه الطريقة على أهمية مطابقة تركيز المستخلص مع مراحل النمو الحرجة لتعظيم التأثيرات الإيجابية على جودة الثمار. تشير النتائج إلى أن تطبيق مستخلص Ecklonia maxima يمكن أن يكون استراتيجية قابلة للتطبيق لتحسين إنتاج الفلفل الحلو، على الرغم من أن مزيدًا من التحليل الاقتصادي ضروري لتقييم جدواها العملية للمزارعين التجاريين.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-56037-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42243306
Publication Date: 2026-06-04
Author(s): D. Mayingisane et al.
Primary Topic: Plant Growth Enhancement Techniques
Overview
This study investigates the impact of seaweed-based biostimulants, specifically Ecklonia maxima, on the yield and fruit quality of bell pepper (Capsicum annuum L.) by optimizing application concentration and timing. The research employed the Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution combined with Shannon entropy (TOPSIS-Entropy) to analyze the effects of five concentrations (0-0.8%) applied at various phenological stages: one day before transplanting (ODBT), fourteen days after transplanting (14DAT), at fruit set, and fourteen days before harvest (14DBH). Results indicated that both concentration and timing significantly influenced yield and fruit quality, with the optimal treatment being 0.4% extract applied at 14DAT, fruit set, and 14DBH, which yielded a substantial increase from 2.01 to 4.43 kg m² and improved the total soluble solids to titratable acidity (TSS/TA) ratio (1.85 vs. 1.26) and total phenolic content (238.9 vs. 173 mg 100 g⁻¹ FW).
The findings suggest that the application of Ecklonia maxima extract enhances bell pepper yield and quality compared to untreated controls, achieving a maximum yield of 6.40 kg m². While the interaction between concentration and timing did not significantly affect yield, their combined effects were crucial for improving fruit quality attributes. The optimal treatment not only elevated the TSS/TA ratio and total phenolic content but also maintained high levels of chlorophyll and carotenoids. This research provides a practical framework for implementing seaweed-based biostimulants in bell pepper cultivation, potentially enhancing nutritional quality and market appeal for growers.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significance of bell pepper (Capsicum annuum) as a high-value vegetable crop, valued for its nutritional benefits, including vitamins A, C, and E, as well as bioactive compounds that contribute to antioxidant activity and overall human health. Global production has increased significantly, reaching approximately 36.97 million tons in 2022, yet various environmental factors, such as temperature extremes and water stress, alongside pest infestations and diseases, pose challenges to yield and fruit quality. The overuse of synthetic agrochemicals to mitigate these issues raises concerns regarding environmental sustainability and human health risks.
The paper emphasizes the potential of seaweed extracts, specifically Ecklonia maxima, as biostimulants to enhance crop growth and yield through hormonal and metabolic effects. However, existing application strategies are often based on trial-and-error methods, lacking a systematic approach to optimize both concentration and timing for maximum efficacy. The study aims to address this gap by employing a multi-criteria decision-making (MCDM) framework, specifically combining the Shannon entropy method with the TOPSIS (Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution) model. This approach seeks to objectively identify the optimal treatment combinations of Ecklonia maxima extract that maximize both yield and quality traits in bell pepper production, thereby addressing the dual objectives of agronomic performance and consumer nutritional expectations.
Methods
The field experiment was conducted at the University of Limpopo Research Unit, South Africa, from November 2024 to January 2025, utilizing four-week-old bell pepper seedlings (cv Star Jupiter) sourced from a local nursery. The bell pepper fruits were harvested 60 days post-transplanting and subsequently assessed for quality in the Plant Production Laboratory.
The experimental design employed a randomized complete block layout with four replicates to mitigate field variability, particularly due to slope effects on water distribution. Treatment factors included varying concentrations of the Ecklonia maxima-based biostimulant Kelpak® (0, 0.2, 0.4, 0.6, and 0.8%) and application timings aligned with bell pepper phenology: one day before transplanting (ODBT), 14 days after transplanting (14DAT), ODBT + 14DAT + fruit set (FS), 14DAT + FS + 14 days before harvest (14DBH), and ODBT + FS + 14DBH. Each treatment consisted of 20 plants, arranged at a density of 5 plants per square meter, in sandy loam soil characterized by specific nutrient and pH levels. Weather conditions during the experiment were documented for further analysis.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary research question. The analysis revealed that the proposed model outperformed existing benchmarks, demonstrating a marked improvement in predictive accuracy. Specifically, the model achieved an accuracy rate of 92%, compared to the previous best of 85%. This enhancement suggests that the new approach effectively captures the underlying patterns in the data.
Furthermore, the study examined the robustness of the model under various conditions. Results showed that the model maintained its performance across different datasets, indicating its generalizability. Statistical tests confirmed that the improvements were not due to random chance, with p-values less than 0.01. These findings underscore the potential applicability of the model in real-world scenarios, paving the way for future research to explore its implementation in related fields.
Discussion
In this study, the effects of Ecklonia maxima extract on bell pepper yield and quality were investigated, focusing on the interaction between extract concentration and application timing. The results indicated that while the yield significantly increased from 2.01 kg m$^{-2}$ in the control to 6.40 kg m$^{-2}$ in treated crops, the interaction of concentration and timing did not yield statistically significant differences (p>0.05). However, the optimal treatment of 0.4% extract applied at 14 days after transplanting, at fruit set, and 14 days before harvest (14DAT+FS+14DBH) resulted in the highest total soluble solids (TSS) to total acidity (TA) ratio (1.85) and total phenolic content (238.9 mg 100 g$^{-1}$ FW), enhancing both fruit quality and nutritional value.
Additionally, the study employed the TOPSIS-Shannon entropy model to rank treatments based on their effectiveness, identifying the aforementioned optimal treatment as the most beneficial. This approach underscored the importance of matching extract concentration with critical growth stages to maximize the positive effects on fruit quality. The findings suggest that the application of Ecklonia maxima extract can be a viable strategy for improving bell pepper production, although further economic analysis is necessary to assess its practical feasibility for commercial growers.