DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-26760-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41549093
تاريخ النشر: 2026-01-18
المؤلف: Mostofa Asif Anjum وآخرون
الموضوع الرئيسي: النمو والتغذية في النباتات
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة تأثير إضافة النيتروجين (N) والكبريت (S) على نمو وملفات الكيمياويات الحيوية لنبات الطماطم (Solanum lycopersicum) في نظام الزراعة المائية. تم تقييم خمسة علاجات: T1 (0% N, 0% S)، T2 (50% N, 50% S)، T3 (100% N, 100% S، التحكم)، T4 (250% N, 250% S)، وT5 (500% N, 500% S). تشير النتائج إلى أن علاج T3 حقق معايير نمو مثالية، بما في ذلك ارتفاع النبات 35.3 سم، 33.3 ورقة، ووزن الجذر 1.48 غرام. في المقابل، أظهر T1 أعراض نقص شديدة، بينما أظهر T5 علامات سمية غذائية، تتميز بزيادة نشاط إنزيمات مضادات الأكسدة وزيادة موت الخلايا.
كشفت التحليلات الكيميائية الحيوية عن علاقات إيجابية قوية بين توفر N/S ومقاييس رئيسية مثل الكلوروفيل (r=0.92، p<0.01)، الكاروتينات (r=0.89، p<0.01)، ومحتوى البروتين (r=0.95، p<0.01). تؤكد النتائج على أهمية إدارة المغذيات المتوازنة، حيث أن علاج 100% N/S الأمثل لم يعزز فقط النمو والكتلة الحيوية ولكن أيضًا حسّن من تحمل الإجهاد وكفاءة التمثيل الغذائي. ومع ذلك، تشمل قيود الدراسة استخدام صنف واحد، حجم عينة صغير (n=3)، وبيئة زراعة مائية محكومة، مما قد لا يعكس بالكامل ظروف الحقل. بشكل عام، تسلط الأبحاث الضوء على الإمكانية لإدارة المغذيات بدقة لتعزيز إنتاج الطماطم المستدام في الزراعة المائية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية الطماطم (Solanum lycopersicum L.) كمحصول زراعي رئيسي، حيث يتجاوز الإنتاج السنوي 180 مليون طن متري. تُعزى شعبيتها إلى تنوع استخدامها في الطهي ومحتواها الغذائي الغني، بما في ذلك الفيتامينات الأساسية A وC وK، بالإضافة إلى مضاد الأكسدة الليكوبين، الذي يساهم بشكل جماعي في تحسين النتائج الصحية وتقليل مخاطر الأمراض المزمنة. بالإضافة إلى ذلك، تلعب الطماطم دورًا حيويًا في الأمن الغذائي والاستقرار الاقتصادي، سواء في أشكالها الطازجة أو المعالجة.
في ضوء التحديات العالمية مثل التحضر، وتدهور الأراضي، وتغير المناخ، تكتسب الممارسات الزراعية المبتكرة مثل الزراعة المائية زخمًا. تتيح هذه الطريقة إنتاج الطماطم على مدار السنة مع تقليل كبير في استخدام الأراضي والمياه، حيث تنتج 3-10 مرات أكثر من الأنظمة التقليدية المعتمدة على التربة مع الحفاظ على ما يصل إلى 90% من المياه. تعتبر إدارة المغذيات الفعالة أمرًا حاسمًا في الزراعة المائية، خاصة فيما يتعلق بالعناصر الغذائية الكبرى مثل النيتروجين (N) والكبريت (S). النيتروجين ضروري لتخليق الأحماض الأمينية، والنيوكليوتيدات، والكلوروفيل، مما يؤثر على عملية التمثيل الضوئي وتراكم الكتلة الحيوية، بينما الكبريت، على الرغم من الحاجة إليه بكميات أقل، فهو ضروري لإنتاج الأحماض الأمينية المحتوية على الكبريت ومضادات الأكسدة.
طرق
في هذه الدراسة، تم تنفيذ تصميم تجريبي يتضمن خمسة علاجات متميزة، يتكون كل منها من ثلاثة نباتات. اختلفت العلاجات في تركيزات النيتروجين (N) والكبريت (S)، باستخدام نترات الأمونيوم (NH₄NO₃) كمصدر للنيتروجين وكبريتات المغنيسيوم (MgSO₄) كمصدر للكبريت. تم توضيح التركيزات المحددة وتركيبات هذه المغذيات في الجدول 1، مما يوفر إطارًا لتقييم تأثيرات نسب N/S على نمو النبات وتطوره.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود علاقة قوية بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن النموذج المقترح يتنبأ بدقة بسلوك النظام، مع معامل تحديد ($R^2$) يتجاوز 0.85، مما يشير إلى توافق قوي مع البيانات الملاحظة. تدعم هذه النتائج الفرضية وتوفر أساسًا لمزيد من الاستكشاف للآليات الأساسية المعنية. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة في هذا المجال وتقترح تطبيقات محتملة للنموذج المطور.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التفاعل الحاسم بين النيتروجين (N) والكبريت (S) في نمو وتطور الطماطم المزروعة في الزراعة المائية (Solanum lycopersicum). بينما تم توثيق الأدوار الفردية لهذه المغذيات بشكل جيد، لا تزال آثارها المشتركة غير مستكشفة بشكل كاف. تحدد الدراسة علاقة تآزرية حيث يعزز توفر الكبريت امتصاص النيتروجين، مما يحسن نمو النبات وكفاءة التمثيل الغذائي. على العكس من ذلك، يمكن أن تؤدي اختلالات المغذيات إلى إجهاد استقلابي، وتقليل كفاءة استخدام المغذيات، ونمو مت compromised. تهدف الأبحاث إلى سد الفجوات في فهم النسبة المثلى N:S لنمو الطماطم، والحدود لنقص المغذيات والسمية، والاستجابات الكيميائية الحيوية، والشكلية، والفسيولوجية للطماطم لمستويات N وS المتغيرة.
تشير النتائج إلى أن التسميد المتوازن لـ N وS ضروري لتحقيق أقصى إنتاجية وجودة للمحاصيل. توضح الدراسة أن الظروف المثلى للمغذيات (تحديدًا نسبة N:S 100:100) تعزز بشكل كبير ارتفاع النبات، والكتلة الحيوية، ومحتوى الكلوروفيل، والصحة العامة، بينما يؤدي التطبيق المفرط للمغذيات إلى إجهاد وتقليل النمو. تكشف التحليلات الإحصائية عن علاقات إيجابية قوية بين توفر المغذيات والمعايير الكيميائية الحيوية الرئيسية، مما يبرز أهمية إدارة مستويات N وS لممارسات الزراعة المستدامة. تسهم الأبحاث في تقديم رؤى قيمة لتحسين إنتاج الطماطم في الزراعة المائية، مع التأكيد على الحاجة إلى إدارة دقيقة للمغذيات لتعزيز أداء المحاصيل ومرونتها في مواجهة التحديات البيئية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-26760-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41549093
Publication Date: 2026-01-18
Author(s): Mostofa Asif Anjum et al.
Primary Topic: Growth and nutrition in plants
Overview
This study investigates the impact of nitrogen (N) and sulfur (S) supplementation on the growth and biochemical profiles of Solanum lycopersicum (tomato) in a hydroponic system. Five treatments were evaluated: T1 (0% N, 0% S), T2 (50% N, 50% S), T3 (100% N, 100% S, control), T4 (250% N, 250% S), and T5 (500% N, 500% S). The results indicate that the T3 treatment yielded optimal growth parameters, including a plant height of 35.3 cm, 33.3 leaves, and a root weight of 1.48 g. In contrast, T1 exhibited severe deficiency symptoms, while T5 showed signs of nutrient toxicity, characterized by elevated antioxidant enzyme activities and increased cell death.
The biochemical analysis revealed strong positive correlations between N/S availability and key metrics such as chlorophyll (r=0.92, p<0.01), carotenoids (r=0.89, p<0.01), and protein content (r=0.95, p<0.01). The findings underscore the significance of balanced nutrient management, as the optimal 100% N/S treatment not only enhanced growth and biomass but also improved stress tolerance and metabolic efficiency. However, the study's limitations include the use of a single cultivar, a small sample size (n=3), and a controlled hydroponic environment, which may not fully reflect field conditions. Overall, the research highlights the potential for precise nutrient management to promote sustainable hydroponic tomato production.
Introduction
The introduction highlights the significance of tomato (Solanum lycopersicum L.) as a major horticultural crop, with an annual production exceeding 180 million metric tons. Its popularity is attributed to its culinary versatility and rich nutritional content, including essential vitamins A, C, and K, along with the antioxidant lycopene, which collectively contribute to improved health outcomes and reduced risks of chronic diseases. Additionally, tomatoes play a vital role in food security and economic stability, both in fresh and processed forms.
In light of global challenges such as urbanization, land degradation, and climate change, innovative agricultural practices like hydroponic cultivation are gaining traction. This method allows for year-round tomato production with significantly reduced land and water usage, yielding 3-10 times more than traditional soil-based systems while conserving up to 90% of water. Effective nutrient management is critical in hydroponics, particularly concerning macronutrients like nitrogen (N) and sulfur (S). Nitrogen is essential for the synthesis of amino acids, nucleotides, and chlorophyll, thereby influencing photosynthesis and biomass accumulation, while sulfur, although required in smaller quantities, is vital for producing sulfur-containing amino acids and antioxidants.
Methods
In this study, an experimental design was implemented involving five distinct treatments, each consisting of three plants. The treatments varied in their nitrogen (N) and sulfur (S) concentrations, utilizing ammonium nitrate (NH₄NO₃) as the nitrogen source and magnesium sulfate (MgSO₄) as the sulfur source. The specific concentrations and combinations of these nutrients are outlined in Table 1, providing a framework for assessing the effects of N/S ratios on plant growth and development.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates a strong correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant.
Additionally, the results demonstrate that the proposed model accurately predicts the behavior of the system, with a coefficient of determination ($R^2$) exceeding 0.85, indicating a robust fit to the observed data. These findings support the hypothesis and provide a foundation for further exploration of the underlying mechanisms at play. Overall, the results contribute valuable insights into the field and suggest potential applications for the developed model.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the critical interplay between nitrogen (N) and sulfur (S) in the growth and development of hydroponically grown tomatoes (Solanum lycopersicum). While the individual roles of these nutrients are well-documented, their combined effects remain underexplored. The study identifies a synergistic relationship where sulfur availability enhances nitrogen assimilation, thereby optimizing plant growth and metabolic efficiency. Conversely, nutrient imbalances can lead to metabolic stress, reduced nutrient use efficiency, and compromised growth. The research aims to fill gaps in understanding the optimal N:S ratio for tomato growth, the thresholds for nutrient deficiency and toxicity, and the biochemical, morphological, and physiological responses of tomatoes to varying N and S levels.
The findings indicate that balanced fertilization of N and S is essential for maximizing crop yield and quality. The study demonstrates that optimal nutrient conditions (specifically the N:S ratio of 100:100) significantly enhance plant height, biomass, chlorophyll content, and overall health, while excessive nutrient application leads to stress and reduced growth. Statistical analyses reveal strong positive correlations between nutrient availability and key biochemical parameters, underscoring the importance of managing N and S levels for sustainable agricultural practices. The research contributes valuable insights for improving hydroponic tomato production, emphasizing the need for precise nutrient management to enhance crop performance and resilience in the face of environmental challenges.