تحمي جزيئات النانو من السيليكون والحديد الأرز من إجهاد الرصاص (Pb) من خلال تحسين التحمل التأكسدي وتقليل امتصاص الرصاص Silicon and iron nanoparticles protect rice against lead (Pb) stress by improving oxidative tolerance and minimizing Pb uptake

المجلة: Scientific Reports، المجلد: 14، العدد: 1
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-55810-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38472251
تاريخ النشر: 2024-03-12

تحمي جزيئات النانو من السيليكون والحديد الأرز من إجهاد الرصاص (Pb) من خلال تحسين التحمل التأكسدي وتقليل امتصاص الرصاص

فوزية غوري سميرين ساروار ليشيا صن محمد رياز فصيح الله حيدر حميرة أشرف مينغيو لاي محمد عمران جينغوين ليو شفقات علي شيانغدونغ ليو ومحمد قاسم شاهيد

الملخص

الرصاص (Pb) سام لتطور ونمو نباتات الأرز. تم اعتبار الجسيمات النانوية (NPs) واحدة من التقنيات الفعالة للتخفيف من إجهاد الرصاص في النباتات. لذلك، تم إجراء دراسة لفحص الآلية الأساسية لتخفيف سمية الرصاص الناتجة عن الجسيمات النانوية من الحديد (Fe) والسيليكون (Si) في شتلات الأرز. و تم تطبيقها بمفردها وبالاشتراك على نباتات الأرز المزروعة بدون (تحكم؛ لا يوجد ضغط رصاص) ومع ( تركيز الرصاص. كشفت نتائجنا أن سمية الرصاص أثرت بشدة على جميع الصفات المتعلقة بنمو الأرز، مثل تثبيط الوزن الطازج للجذور ( طول اللقطة ( ) ومحتويات الكلوروفيل ب ( ). علاوة على ذلك، تم نقل كمية كبيرة من الرصاص إلى الأجزاء الهوائية من النباتات، مما تسبب في اضطراب في أنشطة إنزيمات مضادات الأكسدة. ومع ذلك، فإن الاستخدام التآزري للحديد و قللت الجسيمات النانوية من محتوى الرصاص في الجزء العلوي من النباتات بـ . لقد قلل من التأثير القاتل للرصاص على معايير نمو الجذور والسوق من خلال زيادة طول السوق ( وزن الطلقات الطازجة ( ) ووزن الجذور الطازج ( ). كلا من Si و التطبيق التآزري رفع بشكل كبير من تركيزات سوبر أكسيد ديسموتاز (SOD) وبيروكسيداز (POD) وكاتالاز (CAT) وجلوتاثيون (GSH) بواسطة ، ، و على التوالي، مقارنة بالنباتات المعرضة لضغط الرصاص وحده. أدت سمية الرصاص إلى عدة شذوذات خلوية وغيرت مستويات التعبير عن ناقلات المعادن و الجينات المضادة للأكسدة. نستنتج أن التطبيق التآزري للسيليكون و نانو الحديد يمكن اعتباره مفيدًا، واعدًا بيئيًا، وفعالًا من حيث التكلفة في تقليل سمية الرصاص في محاصيل الأرز واستعادة التربة الملوثة بالرصاص.

تسبب المعادن الثقيلة سمية نباتية في المحاصيل، حتى عند مستويات منخفضة (أي، )، وتلوث البيئة إن إزالة النفايات الصناعية غير المعالجة تعتبر مصدرًا هامًا لتلوث المعادن الثقيلة بسبب الثورة الصناعية، خاصة في مصانع معالجة المبيدات، والصناعات المعدنية، والصناعات الكيميائية، والدهانات، وتصريف الأحماض من المناجم، والأسمدة، وصناعات الجلود. الرصاص (Pb) والنيكل (Ni) والكادميوم (Cd) والبلاتين (Pt) والزئبق (Hg) والأنتيمون (Sb) والنحاس (Cu) هي عناصر كيميائية دائمة لا تتحلل بسهولة في البيئة. وبالتالي، تشكل هذه العناصر تحديات بيئية، خاصة عندما تزداد تراكمها الحيوي، وغالبًا ما يُعزى ذلك إلى الأنشطة البشرية. مؤخراً، تم اعتبار الرصاص “مادة كيميائية ذات قلق عالٍ جداً” لأنه واحد من الملوثات المعدنية الثقيلة الضارة التي تبقى في التربة لفترة أطول. يحدث في الحالة المرتبطة أو كأيون معدني حر في التربة ويؤدي في النهاية إلى تعطيل الميكروبيوتا في التربة التي تدخل التربة من خلال عدة أنشطة بشرية، بما في ذلك استخدام الأسمدة والمتفجرات،
الدهانات والمبيدات الحشرية والبطاريات في مسح وطني للتربة الزراعية، تجاوزت مستويات الرصاص الحدود القياسية التي وضعتها وزارة حماية البيئة الصينية . لي وآخرون أبلغ عن قلق مماثل، مشيرًا إلى أن عينات الخضروات في محيط محطة الحافلات تجاوزت الحد المسموح به لتلوث الرصاص في فيتنام. في تحقيق منفصل في بنغلاديش ، وجدت إسلام وآخرون تركيزات مرتفعة من الرصاص، إلى جانب ، و Ni ، في الغذاء بالقرب من المناطق الصناعية، تتجاوز المعايير المسموح بها. مستويات Pb المسموح بها في التربة تخضع للتغيير بناءً على إرشادات ومصادر مختلفة. يعتبر الحد المقبول، المقترح عند 600 جزء في المليون من Pb في التربة، مستوى “آمن”، لا يساهم بأكثر من إلى إجمالي مستوى الرصاص في دم الأطفال دون سن 12 عامًا. يظهر التركيز الطبيعي للرصاص في التربة نطاقًا يتراوح بين 10 إلى 40 ملغ من الرصاص. تربة جافة، بتركيز وسطي حوالي التربة الجافة. قد تتجاوز التربة الملوثة بشدة بالرصاص تركيزات تحدد المعايير الدولية، مثل تلك التي وضعتها منظمة الصحة العالمية ووكالة حماية البيئة (EPA)، الحدود المسموح بها للرصاص عند 0.05 ملغ. علاوة على ذلك، تم تحديد قيمة مرجعية لرصاص الدم من قبل مجلس الدولة وعلماء الأوبئة الإقليميين (CSTE) عند يعمل على تحديد الأفراد الذين تتجاوز مستويات الرصاص في الدم لديهم النسبة المئوية 97.5 بين البالغين والأطفال على مستوى البلاد.
تؤدي سمية الرصاص إلى اضطراب عمليات فسيولوجية وكيميائية حيوية مختلفة في النباتات، مما يسبب تدهور الكلوروفيل، ويعيق قنوات الماء، ويؤدي إلى نمو متعثر، وإنتاج أنواع الأكسجين النشطة، ويتداخل مع توازن الأيونات، وأكسدة الدهون، وتثبيط العناصر الغذائية. تتم إزالة أو تقليل أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) من خلال سلسلة من الأحداث التي تخلقها إنزيمات مضادات الأكسدة في النباتات تحت ظروف الإجهاد الناتجة عن الرصاص. لقد أنشأت النباتات ثلاث طرق رئيسية لتخليص نفسها من سمية الرصاص، بما في ذلك تنشيط نظام الدفاع المضاد للأكسدة لإزالة الأيونات الحرة الناتجة عن الرصاص، وطريقة قابلة للتحفيز تتعلق بالتخلص من الرصاص وإزالته إلى الفضاءات خارج الخلوية، ونهج سلبي حيث تمنع النباتات امتصاص الرصاص بشكل مادي. في الأرز (Oryza sativa L.)، تتضح الآثار الضارة لسمية الرصاص عبر جوانب مختلفة، بما في ذلك انخفاض كبير في مؤشر الإنبات، وطول الجذور/السوق، والخصائص الفيزيائية الشكلية، وامتصاص العناصر الغذائية من خلال الجذور، وإجمالي محصول النبات. . علاوة على ذلك، يؤثر الرصاص سلبًا على نشاط الريبولوز-1،5-بيسفوسفات في الأرز، مما يؤدي إلى قمع التثبيت. ومن الجدير بالذكر، وجود لقد تم إظهار أن الرصاص يقلل من إنتاج الأرز إلى تسلط هذه النتائج مجتمعة الضوء على التأثير الجاد للتربة الزراعية الملوثة بالرصاص على سلامة الغذاء. ومن ثم، فإن تطوير استراتيجيات للتخفيف من الآثار السامة الناتجة عن الرصاص على النباتات والنظام البيئي أمر ضروري.
الحديد (Fe) هو عنصر غذائي دقيق ضروري ويساهم كعامل مساعد في تفاعلات كيميائية حيوية وفيزيولوجية مختلفة، مما يؤثر في النهاية على تطوير ونمو النباتات. الحديد هو شكل غير قابل للذوبان من أكسيد الحديد الثلاثي المائي في التربة غير المتاح للنباتات. الحديد هو معدن انتقالي نشط في تفاعلات الأكسدة والاختزال، وقد اعتمدت النباتات أساليب متطورة لتلبية احتياجاتها من الحديد في بيئات مختلفة. يعتبر السيليكون (Si) مكونًا حيويًا لتطور النباتات وهو العنصر الأكثر تصنيفًا في الغلاف الجوي . يحدث السيليكون في محلول التربة كحمض أحادي أو سيليسيك أحادي، والذي تمتصه النباتات من التربة عبر الجذور. تختلف محتويات السيليكون بشكل كبير من 0.1 إلى الوزن الجاف الإجمالي للأجزاء فوق الأرض من النبات أظهرت الدراسات السابقة أن الحديد والسيليكون يحسنان من سمية الكادميوم ويساعدان النباتات على امتصاص العناصر الغذائية من التربة في أجواء مرهقة. .
أظهرت التحقيقات السابقة أن الجسيمات النانوية (NPs) تلعب دورًا حاسمًا في عمليات نباتية متنوعة. من بين هذه الجسيمات النانوية، تعتبر الجسيمات النانوية القائمة على الحديد ذات أهمية خاصة بسبب خصائصها المغناطيسية. تم استخدام جزيئات الحديد النانوية بشكل واسع لتنظيف المياه الملوثة، مما جذب اهتمامًا كبيرًا من الباحثين المشاركين في تقنيات معالجة مياه الصرف الصحي. تستخدم عادة في القطاعات المحلية والصناعية، مثل الزراعة، والطب الحيوي، والدفاع، والرعاية الصحية، والغذاء، والطاقة، والفضاء، والنسيج، وإعادة تأهيل البيئة، والبناء. تُستخدم الجسيمات النانوية القائمة على الحديد كـ (i) محفزات ضوئية لتغيير الملوثات إلى تركيبات غير سامة؛ و (ii) مواد ماصة أو حوامل تثبيت. تستهدف الجسيمات النانوية المعتمدة على الحديد أنواعًا مختلفة من الملوثات، مثل المتفجرات، والأيونات غير العضوية، والمبيدات الحشرية، والمعادن السامة، والمركبات المكلورة. تم استخدام جزيئات الحديد النانوية بشكل استراتيجي لمعالجة الملوثات، لا سيما و في المناطق التي تزرع فيها القمح (Triticum aestivum L.) والأرز تحت تربة ملوثة بالمعادن. أدى تطبيق جزيئات السيليكا النانوية إلى تقليل امتصاص المعادن وزيادة العائد البيولوجي لمحاصيل الأرز. تتمتع الأسمدة السيليكونية بتوافر حيوي منخفض، واستخدام يمكن أن تكون الخيار الأهم لأنواع مجمعات السيليكون، بما في ذلك الأرز والقمح . في الذرة (Zea mays L.)، Si-NPs ( خفف بشكل كبير من ضغط العمل ) مقارنةً بـ Si وحده ( قد يُعزى هذا الفعالية المحسّنة لجزيئات السيليكون النانوية إلى سهولة الوصول إليها بشكل أفضل، على عكس السيليكا الشائعة، في ظل الظروف التجريبية. .
مؤخراً، تم تطبيق تكنولوجيا النانو بشكل واسع في العديد من المجالات، مثل الزراعة والصناعات. لقد كشفت الأدلة الكبيرة أن تطور النباتات يتأثر بجزيئات الحديد النانوية. ومع ذلك، فإن الاستجابة العامة للنباتات ضد مستويات مختلفة من الجزيئات النانوية تعتمد إلى حد كبير على نوع النبات، ومدى التعرض، ووسائط النمو. أظهرت الدراسات السابقة أن جزيئات الحديد النانوية تلعب دورًا أكثر إيجابية في الخصائص الفسيولوجية والشكلية للنباتات مقارنةً بأسمدة الحديد. . نانو جزيئات الحديد (Fe-NPs تؤثر بشكل إيجابي على طول جذور بذور الخس وإنباتها تطبيق حمض الستريك المغلف ( 20 جزء في المليون ) لمدة خمسة أيام عزز بشكل كبير نشاط الإنزيمات ولم يؤثر سلبًا على أكسدة الدهون ونمو القمح في الزراعة المائية .
لذا، الحديد و لديها آفاق ممتازة لمعالجة التربة الملوثة بالمعادن. هناك حاجة إلى مزيد من البحث للتحقق من أهمية الجسيمات النانوية في إزالة سمية المعادن الثقيلة في النباتات. على الرغم من أن بعض الدراسات السابقة أظهرت أن الجسيمات النانوية من الحديد والسيليكون يمكن أن تقلل من امتصاص الرصاص في النباتات، إلا أن هناك حاجة إلى مزيد من المعلومات لمعرفة التأثير المشترك لكلا الجسيمتين النانويتين في تقليل امتصاص الرصاص بواسطة الأرز. بالإضافة إلى ذلك، ركزت التحقيقات السابقة على دور في تقليل تراكم الرصاص في أنواع نباتية مختلفة، بما في ذلك القمح والأرز والذرة إن التطبيق المشترك لجزيئات النانو من الحديد والسيليكون يحمل إمكانيات أكبر من حيث الفعالية مقارنة باستخدام أي من جزيئات النانو بمفردها بسبب تأثيراتها التآزرية. في الوقت نفسه، تساهم جزيئات النانو من الحديد في تعزيز توفر العناصر الغذائية وتخفيف الإجهاد التأكسدي. وبالمثل، تُعرف جزيئات النانو من السيليكون بتحسين مرونة النباتات وقدرتها على تحمل الضغوط. ومع ذلك، على الرغم من الفوائد المحتملة لهذه الجزيئات الفردية، فإن استكشاف تطبيقها المشترك للتخفيف من آثار سمية الرصاص في الأرز لا يزال فجوة بحثية غير مستكشفة. يمكن أن يوفر التحقيق في التأثيرات التآزرية لجزيئات النانو من الحديد والسيليكون في معالجة سمية الرصاص رؤى قيمة لتطوير استراتيجيات أكثر فعالية لتعزيز مقاومة النباتات والتخفيف من الآثار السلبية لـ
ضغط المعادن الثقيلة على الأرز. لذلك، تم التخطيط لهذا العمل للتحقق من كفاءة التطبيق التآزري للسيليكون و في تقليل تراكم الرصاص في الأرز وتأثيراته على إنزيمات مضادات الأكسدة، محتويات الكلوروفيل، نمو النبات، ومعايير الإجهاد التأكسدي. نفترض أن تطبيق الحديد – و يمكن التغلب على إجهاد الرصاص من خلال تعزيز الأنشطة الإنزيمية وتقليل الإجهاد التأكسدي، مما يقلل من امتصاص الرصاص في الأرز.

المواد والطرق
مواد نباتية ورعاية النمو

تم تعقيم بذور الأرز من خط متزاوج، DW-4، (المجمعة من مورد الجينات لدينا في جامعة الزراعة بجنوب الصين (SCAU)، قوانغتشو، الصين) على السطح لمدة حوالي 10 دقائق في محلول ونقع لمدة 24 ساعة في بعد الشطف بالماء المقطر. تتوافق المواد النباتية المستخدمة في الدراسة الحالية مع الإرشادات الوطنية أو المؤسسية ذات الصلة. ثم تم وضع البذور في غرفة نمو على قماش الجبن لعملية الإنبات لمدة أسبوع، وتم نقل الشتلات المتطابقة إلى أصص (12 شتلة/اصص) مملوءة بمقدار لترين من محلول مغذي بربع القوة بواسطة -تركيز ونظام مغذي كامل القوة في الأسبوع المقبل. تم إجراء تجربة مائية تحت ظروف محكومة في غرفة نمو في SCAU مع درجة الحرارة عند الرطوبة النسبية و دورة الظلام/الضوء. كانت الثقافة المائية تتكون من محلول مغذي كيمورا؛ ، و لعلاج نقص الحديد، تم تطبيق حل كيمورا الذي لا يحتوي على Fe (II)-EDTA، بينما تم تطبيق حل كيمورا لعلاج الحديد العادي. تم تغيير جميع محاليل المغذيات كل ثلاثة أيام، وتم الحفاظ على درجة الحموضة عند مع NaOH أو HCl.
تم شراء جزيئات الحديد النانوية من شركة بانتيان للمواد النانوية المحدودة (شنغهاي، الصين)، التي توفر ( )، والتي تم توصيفها عبر المجهر الإلكتروني الماسح (V 460، FEI). أظهرت ملاحظات المجهر الإلكتروني الماسح أن مواد أكسيد الحديد النانوية تشبه القضبان وموزعة في تجمعات ضيقة (الشكل S1A). المسافة بين المحاور الطويلة والقصيرة حوالي و على التوالي. كشفت طيف FTIR (طيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه) لعيناتنا أن FeO كان نقيًا للغاية (الشكل S1B). تطابقت أنماط XRD (حيود الأشعة السينية) مع بطاقات حيود الأشعة السينية التقليدية (الشكل S1C). هنا، استخدمنا Si-NPs (المشتراة تجاريًا) مع تم توضيح النقاء من خلال FTIR و SEM و XRD لجزيئات الحديد النانوية. أظهرت توزيع الحجم أن -تم توزيع جزيئات Si-NPs بشكل موحد بحجم جزيئات يتراوح بين 15 و 25 نانومتر وأظهرت تكتلات معينة (الشكل S1D). أظهر تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) أن Si-NPs كانت خالية من الملوثات وكانت غير متبلورة، بما في ذلك . علاوة على ذلك، لم يتم اكتشاف أي قمم إضافية. أكدت طيف FTIR ونمط الطيف أن المكون الرئيسي للمادة كان ، التحقق من صحة المواد المستخدمة (الشكل S1E). أظهر تحليل FTIR لجزيئات السيليكون النانوية أن سطح الجزيئات النانوية ومجموعاتها الوظيفية تحتوي على ومجموعات الوظائف -OH. أظهر تحليل طيف الطاقة أن من السيليكون في المواد النانوية هو ، و الـ من O هو ، مما يكشف أن جزيئات السيليكون النانوية كانت غير متبلورة وخالية من الملوثات (الشكل S1F).
رَصاص تم تطبيقه كـ بالنسبة للسعر المقابل لـ تركيزات في المحلول. على النقيض، و تم تطبيقها بتركيز 2.5 مللي مولار و ، على التوالي. الـ ، و تم توحيد الجرعات بناءً على تجارب التجارب، وتم تطبيق العلاجات على النباتات بعد فترة نمو مدتها 14 يومًا في الزراعة المائية. يتكون كل تركيبة علاجية من أربعة أصص من التكرارات، وتم إجراء التحقيق في تصميم عشوائي كامل (CRD). بعد النمو في الزراعة المائية، تم إزالة الشتلات التي تبلغ من العمر 24 يومًا من المحلول. تم تقييم امتصاص المعادن من الساق والجذور لشتلات الأرز. علاوة على ذلك، تم حفظ بعض العينات الطازجة في الثلاجة عند لـ qPCR وتقييم الأنشطة الإنزيمية.

تقييم إنتاج الكتلة الحيوية للنباتات

تم جمع النباتات بعد عشرة أيام من تطبيق العلاج. تم فصل عينات النباتات إلى أجزاء فوق الأرض وتحت الأرض. تم تقدير الكتلة الحيوية الطازجة لأجزاء النباتات فوق وتحت الأرض. تم تجفيف عينات الساق والجذر في لمدة أربعة أيام، وتم قياس الكتلة الحيوية الجافة للمكونات فوق وتحت الأرض بواسطة ميزان وزن عادي.

تحليلات محتويات الكاروتينات والكلوروفيل

حوالي 0.5 جرام من أنسجة أوراق الأرز الطازجة تم تقطيعها ووضعها في تم تبريد الأسيتون لمدة 24 ساعة. ثم، تم طرد الخليط مركزيًا لمدة 10 دقائق عند تمت ملاحظة محتويات الكلوروفيل ب، والكاروتينات، والكلوروفيل أ طيفياً (جينواي 6400، لندن، المملكة المتحدة) في السائل الطافي عند الأطوال الموجية 479 نانومتر، و663 نانومتر، و645 نانومتر، على التوالي. .

قياسات تركيز الرصاص في شتلات الأرز

تم تقدير محتوى الرصاص من جذور وأجزاء النبات من شتلات الأرز. أولاً، قمنا بغسل العينات بعناية باستخدام مياه فائقة النقاء. ثم جففوا هذه العينات في حتى الوصول إلى وزن ثابت. تم قياس عينات النبات بوزن حوالي 0.2 جرام، و تم وضعه في زجاجة تيفلون مع عينات نباتية وتم تسخينه على لوحة ساخنة عند حتى تبقى 1 مل من السائل في الأنبوب. بعد ذلك، تم تخفيف العينات، وتم تقدير الكمية النهائية من الرصاص (Pb) في المحلول بواسطة جهاز مطياف الكتلة البلازمي المقترن بالحث (ICP-MS) من شركة أجيلنت 7700 (أجيلنت تكنولوجيز، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية).

التحقيقات الخلوية بواسطة المجهر الإلكتروني الناقل (TEM)

تمت ملاحظة هيكل الخلية بواسطة المجهر الإلكتروني النافذ كما تم وصفه سابقًا تم قطع عينات طرف الجذر وتثبيتها في الجلوتارالدهيد ثم تم تثبيته بعد ذلك في لمدة ساعتين. ثم، تم شطف العينات بمحلول PBS، وسلسلة من محاليل الإيثانول بتركيزات متنوعة ( ، و ) تم استخدامها لتجفيف وتثبيت في
ثم تم استخدام ميكروتوم (لايكا، ألمانيا) لقطع مقاطع رقيقة للغاية. تم رؤية هيكل الخلية تحت مجهر إلكتروني نافذ مزود بنظام تحليل الطاقة إينكا (أوكسفورد INCA Energy TEM 200 EDX) (فيلبس TECNAI 10، هولندا).
تم إعداد مقاطع شبه رقيقة من جذور نبات الأرز باستخدام مجموعات المقاطع شبه الرقيقة (Technovit7100). تم غمر عينات الجذور في محلول FAA لمدة 24 ساعة قبل أن يتم تجفيفها بتركيزات مختلفة من الإيثانول. . بعد ذلك، قمنا بمعالجة العينات بعميل شبه نفاذ عند لمدة 12 ساعة قبل غمرها في العامل النافذ النقي. بعد التصلب، تم بوليمرة المادة في “، وشرائح ( تم قطعها من كتل مدمجة باستخدام قاطع دوار رفيع (Leica RM2265) وتم فحصها وتصويرها باستخدام ميكروسكوب بيولوجي تلقائي (Motic BA310).

تحليل qRT-PCR

تم جمع عينات الأرز بعد المعالجات، وتم استخدام مجموعة RNA لعزل RNA الكلي. تم استخدام مقياس الطيف الضوئي NanoDrop لتحديد نقاء عينات RNA. تم أخذ كمية من RNA لتحضير مكتبة cDNA من RNA الكلي باستخدام مجموعة من المواد الكيميائية. تم تطوير البرايمرات لكل جين بواسطة برنامج Primer 5، وجميع تسلسلات البرايمرات مدرجة في الجدول S1. باستخدام نظام PCR في الوقت الحقيقي من Bio-Rad ومادة SYBR Green (تاكارا، كيوتو، اليابان)، تم إجراء qRT-PCR. تم استخدام ثلاث نسخ بيولوجية لكل معالجة لت quantifying مستويات التعبير. كان الأكتين هو التحكم الداخلي في النهج المستخدم لتقدير أنماط التعبير النسبية قمنا بحساب التعبير النسبي باستخدام المعادلة ، حيث هدف-سي تي، فعل Ex-(CT,Target-CT,Act) CK. Ex تعني مجموعة التجربة، بينما CK تعني المجموعة الضابطة.

أنشطة مضادات الأكسدة والأكسدة

الأنشطة المضادة للأكسدة والأنشطة المؤكسدة، بما في ذلك CAT (كاتالاز)، POD (بيروكسيداز)، GSH (جلوتاثيون)، MDA (مالونديالديهايد)، SOD (سوبر أكسيد ديسموتاز)، و تم تقدير (بيروكسيد الهيدروجين) باستخدام مجموعات متاحة تجارياً .

التحليلات الإحصائية

تم تحليل البيانات، من ثلاث تكرارات مستقلة، باستخدام تحليل التباين الأحادي (ANOVA) بواسطة برنامج SPSS 20.0 وGraph Pad Prism (الإصدار 8.0.2). تم إنشاء الرسوم البيانية العمودية التي توضح المتوسط والانحراف المعياري لكل معلمة. تم استخدام اختبار توكي لتقدير أقل فرق ذي دلالة إحصائية (LSD) عند القيم المتوسطة والانحرافات المعيارية تم استخدام الانحراف المعياري (SD) من أربع تكرارات للتمثيل. بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء استكشاف شامل لأنماط البيانات المتعددة المتغيرات باستخدام برنامج R من خلال تحليل المكونات الرئيسية (PCA). تم تحديد الأهمية بين العلاجات من خلال اختبار LSD عند مستوى الاحتمالية.

النتائج
كتلة النباتات والكلوروفيل

قمنا بدراسة معايير النمو المختلفة، وهي: الوزن الطازج للجذور (RFW)، الوزن الجاف للسوق (SDW)، الوزن الطازج للسوق (SFW)، الوزن الجاف للجذور (RDW)، وطول السوق (SL)، كما هو موضح في الشكل 1. أظهرت النتائج أن التعرض للرصاص قلل من طول السوق (SL) لنباتات الأرز بـ مقارنة بالنباتات الضابطة و RFW و SFW و SDW و RDW بواسطة ، و ، على التوالي. لكن، النباتات المتأثرة بالرصاص التي تم علاجها بالسيليكون و أظهرت الجسيمات النانوية أداءً أفضل لجميع الصفات الزراعية المذكورة أعلاه مقارنة بالنباتات المتأثرة بالرصاص. بشكل عام، أدى العلاج المنفرد للجسيمات النانوية من الحديد والسيليكون إلى زيادة أقل بكثير في جميع الميزات الشكلية مقارنة بالتطبيق المشترك لكلا الجسيمين النانويين في بيئة متأثرة بالرصاص (الشكل 1؛ الجدول 1). ومع ذلك، فإن التطبيق المشترك للجسيمات النانوية من الحديد والسيليكون على نباتات الأرز المتأثرة بالرصاص زاد من ، و RDW بواسطة ، و مقارنةً بالرصاص وحده، على التوالي. أظهرت هذه النتائج التأثير الإيجابي للسيليكون – و في تحسين مقاومة الرز للرصاص (الجدول 1).
أشارت النتائج إلى أن التعرض للرصاص قلل من الكاروتينات والكلوروفيل. المحتويات بواسطة ، و بالمقارنة مع المعالجة الضابطة، على التوالي (الشكل S2). ومع ذلك، فإن الاستخدام الحصري لنانوب particles السيليكون والحديد أدى إلى تحسينات كبيرة في مستويات الكلوروفيل أ ( و كلوروفيل ب و ) ، والكاروتينويد ( و ) تحت ضغط ناتج عن الرصاص، على التوالي. التطبيق التآزري للحديد و نباتات الأرز المجهدة بالرصاص زادت من الكلوروفيل والكاروتينات بواسطة ، و مقارنةً بعلاج الرصاص وحده، على التوالي.

سي و تقليل امتصاص الرصاص للتخفيف من سمية الرصاص

أشارت النتائج إلى أن تطبيق جزيئات النانو من السيليكون والحديد في شتلات الأرز زاد من تركيزاتها في أنسجة نباتات الأرز (الساق والجذر). تم الكشف عن أعلى محتويات من السيليكون والحديد في الجذور مقارنة بالساق (الشكل S3). أظهرت النباتات زيادة ملحوظة في تركيز الرصاص عندما تعرضت لتطبيق الرصاص، مقارنة بالنباتات غير المجهدة (الشكل 2). أدى تطبيق جزيئات النانو من الحديد والسيليكون على النباتات المجهدة بالرصاص إلى تقليل تركيز الرصاص بشكل كبير في عينات الساق والجذر مقارنة بنباتات الأرز المعالجة بالرصاص فقط. كشفت نتائجنا أن الرصاص انخفض بـ و تحت الحديد – و العلاجات في الجذر، و بواسطة و في السيقان بالنسبة للنباتات المعالجة بمفردها بـ Pb، على التوالي (الشكل 2). علاوة على ذلك، فإن التطبيق المشترك لـ Fe و كان له تأثير أكثر وضوحًا في تقليل كمية الرصاص في الجذور والسوق، وقلل من الرصاص بـ و مقارنة بالنباتات المعرضة للرصاص فقط، على التوالي (الشكل 2).

تأثير على أنشطة مضادات الأكسدة والأكسدة

عند تعريض شتلات الأرز لتطبيق الرصاص، ارتفعت مستويات أنواع الأكسجين التفاعلية، بما في ذلك MDA و ، شهدت زيادات في و على التوالي. ومن المRemarkably، فإن تطبيق ، ومجموعهم
الشكل 1. استجابة نمو شتلات الأرز المجهدة بالرصاص تجاه جزيئات السيليكون والحديد النانوية. الحروف الصغيرة فوق العمود تظهر الفرق المعنوي، والنتائج موضحة بواسطة اختبار LSD والمتوسط. SD في .
استخدامه أدى إلى تحسينات كبيرة في نشاط SOD، مع زيادات في ، و . علاوة على ذلك، أظهرت أنشطة POD وCAT وGSH زيادات ملحوظة. على وجه التحديد، أدى علاج Fe-NP إلى زيادات في ، و بينما أدى علاج Si-NP إلى ارتفاعات في ، ، و على التوالي. أظهرت التطبيق المشترك لكل من الجسيمات النانوية تأثيرات أكثر وضوحًا، مع زيادات في ، و لـ POD و CAT و GSH، مقارنة بالنباتات المتأثرة بالرصاص فقط (الشكل 3).

تأثير جزيئات النانو من السيليكون والحديد على البنية الدقيقة للجذور

يتميز قشرة الجذر بتركيب خلوي جيد الصيانة مع فجوات ذات شكل دقيق وجدار خلوي تحت ظروف غير مضغوطة. كانت العضيات الخلوية مشوهة مع فجوات غير مرتبة ومتورمة تحت ظروف ضغط الرصاص (الشكل 4). في معالجة الرصاص، كان ترتيب الخلايا غير منظم. بالمقابل، السيليكون و احتفظت النباتات المعالجة بشكلها الخلوي، على الرغم من أن بعضها أظهر تشوهات. بالمقارنة مع النباتات المتأثرة بالرصاص، كانت الفجوات، وجدار الخلية، والميتوكوندريا منظمة بشكل وثيق في الحديد و النباتات المعالجة. أظهرت نتائجنا أن الخلايا القشرية تعرضت للتلف تحت تأثير الرصاص، بينما الحديد – و النباتات المعالجة تحت تعرض الرصاص حافظت على هيكل الفجوات وجدار الخلية الذي دعم سلامة الخلية. كشفت المقاطع شبه الرقيقة للنباتات المعالجة بالرصاص فقط عن شذوذات في المحيط، البشرة، الإندوديرم، الأسطوانة الوعائية، والقشرة. بالمقابل، كان هناك تطبيق مشترك لـ
المتغيرات حديد نعم الرصاص
SL <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 0.461 0.087 0.065
RFW <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 0.757 0.178 0.086
RDW <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 0.134 0.033 0.213
SDW <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 0.568 0.149 0.74
جذر الرصاص 0.988 0.979 <0.001 0.974 <0.001 <0.001 <0.001
إطلاق الرصاص 0.293 0.071 <0.001 0.051 <0.001 <0.001 <0.001
جذر في <0.001 0.524 0.464 <0.001 <0.001 0.66 <0.001
في شوت <0.001 0.855 0.014 <0.001 <0.001 0.314 <0.001
إذا كان الجذر 0.858 <0.001 0.٦٩٩ <0.001 0.697 <0.001 <0.001
سي شوت 0.977 <0.001 0.853 <0.001 0.844 <0.001 <0.001
سود <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001
بود <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001
قط <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001
جي إس إتش <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001
كلوروفيل أ <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 0.643 0.674 0.001
كلوروفيل ب <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 0.005 0.032 0.001
كاروتينات <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 0.002 0.003 <0.001
<0.001 <0.001 0.001 <0.001 0.201 0.302 0.002
MDA <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001
الجدول 1. نتائج الـ تظهر تحليل التباين العاملي تأثير جزيئات النانو من الرصاص والسيليكون والحديد على معايير مختلفة. كانت جزيئات النانو من الحديد في الجذور (Fe Root) والأفرع (Fe Shoot) ومحتويات جزيئات النانو من السيليكون في الجذور (Si Root) والأفرع (Si Shoot) ومحتويات الرصاص في الجذور (Pb Root) والأفرع (Pb Shoot) ووزن الجذور الطازج (RFW) ووزن الأفرع الجاف (SDW) ووزن الجذور الجاف (RDW) ومالونديالديهايد (MDA) وسوبر أكسيد ديسموتاز (SOD) وطول الأفرع (SL) والكلوروفيل أ (Chl a) وبيروكسيداز (POD) والكلوروفيل ب (Chl b) ووزن الجذور الطازج (RFW) والكاروتينات (CAR) والجلوتاثيون (GSH) والكاتالاز (CAT) وطول الأفرع (SL) وبيروكسيد الهيدروجين. .
أظهر الحديد والسيليكون تحت تعرض الرصاص عددًا أقل من الشذوذات (الشكل 4). تم رؤية بنية خلوية طبيعية في نباتات الأرز المعالجة بالحديد – و .

تم قياس مستويات التعبير الجيني لجينات مضادات الأكسدة وناقلات المعادن تحت ضغط السيليكون و وضغط الرصاص

قاس اختبار qRT-PCR أنماط التعبير النسبي للجينات التي تشفر لمضادات الأكسدة. أدى الرصاص إلى انخفاض ملحوظ في درجة تعبير هذه الجينات. على العكس من ذلك، أدى تطبيق جزيئات النانو من السيليكون والحديد في شتلات الأرز إلى تحسين أنماط التعبير لهذه الجينات تحت ضغط الرصاص (الشكل 5). علاوة على ذلك، قمنا بتقييم أنماط التعبير لجينات ناقلات المعادن. على سبيل المثال، أظهرت OsHMA9 (ناقل المعادن أو الرصاص) أعلى تعبير تحت تعرض الرصاص مقارنةً ب العلاجات. على العكس من ذلك، تم الكشف عن أدنى مستويات التعبير تحت التطبيق المشترك أو المنفرد للحديد والسيليكون. أظهرت OsLSi1 (ناقل السيليكون) أعلى نمط تعبير تحت , تليها العلاج، بينما كانت الأدنى تحت علاجات الحديد والرصاص. كان تعبير OsIRT2 (ناقل الحديد) أعلى في العلاجات التي تحتوي على جزيئات نانو الحديد مقارنةً بالآخرين، مع العلاج الذي يحتوي على أعلى مستوى تلاه العلاج، وكانت علاجات الرصاص و العلاج تحتوي على أدنى مستوى.

الارتباط، خريطة الحرارة، التجانس، وتحليل المكونات الرئيسية

وفقًا لنتائج درجة الارتباط الرمادي، فإن درجة الارتباط بين المؤشرات كبيرة. جميع المؤشرات لها درجة ارتباط تزيد عن 0.6 مع محتوى الرصاص في الأجزاء فوق الأرض (الشكل S4). درجة ارتباط محتوى الرصاص مع محتويات الحديد في الأفرع، ومحتويات السيليكون في الجذور والأفرع، وSOD عالية، تصل إلى 0.7. كانت تركيزات وMDA في الأرز المعالج بالرصاص هي الأعلى، مما يشير إلى أن سمية الرصاص في الأرز كانت كبيرة. لكن CAT وSOD وPOD وGSH وChl a وغيرها من المؤشرات الفسيولوجية انخفضت (الشكل 6). كانت المؤشرات الفسيولوجية مثل Chl a والكاروتينات وRDW وSL وRFW وSDW أعلى في النباتات المعالجة بجزيئات النانو من الحديد والسيليكون بمفردها أو مجتمعة مقارنةً بالنباتات المعالجة بالرصاص. ومع ذلك، زادت هذه المؤشرات قليلاً مع الحديد والرصاص مقارنةً بالسيليكون والرصاص. نتيجة لذلك، في هذه التجربة، كان للحديد قدرة أكبر على تخفيف سمية الرصاص مقارنةً بالسيليكون. علاوة على ذلك، كان محتوى الرصاص في الجذور والأجزاء الأرضية أقل عند المعالجة بـ مقارنةً بالمعالجة بالحديد والرصاص أو السيليكون والرصاص بمفردهما.
وفقًا لتحليل المكونات الرئيسية، كانت PCA1 تمثل , وPCA2 تمثل , بإجمالي (الشكل S5). كلما زادت القيمة المطلقة لـ Cohen’s d، زاد حجم التأثير (الجدول 2). في الدراسة، لاحظنا اختلافات كبيرة وملحوظة (أحجام تأثير كبيرة) في الصفات الشكلية وأنشطة إنزيمات مضادات الأكسدة عند تطبيق جزيئات النانو من السيليكون والحديد. كانت أحجام التأثير التي لوحظت لتطبيق كل من جزيئات النانو من السيليكون والحديد مجتمعة أكبر حتى عند مقارنتها بأحجام التأثير التي لوحظت عند تطبيق كل جزيء نانو بشكل فردي (تطبيق منفرد). فيما يتعلق بـ PCA1، كان محتوى الرصاص في الجذور
الشكل 2. تركيزات الرصاص في شتلات الأرز تحت جزيئات النانو من السيليكون والحديد. تظهر الحروف الصغيرة فوق الشريط الفرق الكبير، وتدل النتائج على اختبار LSD والمتوسط + SD عند .
زاد بشكل ملحوظ، بينما انخفضت الكاروتينات وRFW وSDW وRDW بشكل كبير. في بعد PCA2، , انخفض GSH وSOD بشكل ملحوظ، و انخفض أكثر. وفقًا لمعامل الارتباط، فإن معظم المؤشرات لها ارتباط كبير. كان محتوى الرصاص مرتبطًا سلبًا بمحتوى الحديد والسيليكون، وكان محتوى السيليكون في الجذر مرتبطًا سلبًا بمحتوى الحديد في الأجزاء الأرضية (الجدول S2). كانت تركيزات الرصاص في الجذر والأفرع مرتبطة إيجابيًا بمعامل ارتباط قدره 0.996. كان معامل الارتباط بين CAT وSOD هو 0.953. علاوة على ذلك، تشير نتائج اختبار شابيرو-ويلك (اختبار التوزيع الطبيعي) إلى أن جميع البيانات تتوافق مع توزيع طبيعي (الجدول S3). كما يظهر تجانس التباين في اختبار ليفين أن التباينات قابلة للمقارنة (الجدول S4). لا توجد قيم شاذة كبيرة أو صغيرة في بيانات هذه التجربة.

المناقشة

دعمت النتائج الحالية الفرضية القائلة بأن التطبيق التآزري لجزيئات النانو من الحديد والسيليكون خفف بشكل فعال من ضغط الرصاص في الأرز. تم تحقيق ذلك من خلال تعزيز الأنشطة الإنزيمية وتقليل الإجهاد التأكسدي، مما أدى في النهاية إلى تقليل امتصاص الرصاص بواسطة النباتات. يمكن أن يسبب ضغط المعادن الثقيلة، وخاصة الرصاص، التسمم والتلوث البيئي. يزعج الرصاص أنشطة الإنزيمات التي تؤدي إلى تغييرات في التغذية المعدنية ونفاذية الأغشية، مما يعيق نمو النباتات والتمثيل الضوئي والخصائص الشكلية. . لقد تم الإبلاغ عن عدة تأثيرات على نمو النباتات وتطورها، مصحوبة بأعراض ملحوظة، بما في ذلك تثبيط تطوير الجذور، وصغر حجم الأوراق، ونمو متوقف، تحت ضغط الرصاص. . في الذرة، يقلل الرصاص من نمو الجذر الرئيسي ويقلل من عدد الفروع في الشتلات. . أظهرت دراسة سابقة أن سمية الرصاص أظهرت أعراض سمية المعادن الثقيلة مثل القوام الهش، والتقزم، واسوداد الجذور، مما يعيق بشدة نمو شتلات الموز (Musa acuminata L). . هنا، تم تثبيط معايير نمو النباتات، بما في ذلك طول الأفرع وتراكم الكتلة الحيوية، بسبب الكمية الزائدة من الرصاص في شتلات الأرز (الشكل 1). كما أن سمية الرصاص منعت تخليق الكلوروفيل (الشكل S2) وأتلفت البنية الدقيقة للجذور. تم العثور على محتوى مرتفع بشكل ملحوظ من الرصاص في كل من الجذور والأفرع من الأرز. ومن المثير للاهتمام، أن إدخال جزيئات النانو من السيليكون والحديد كان له تأثير إيجابي ملحوظ على جوانب مختلفة من صحة النبات. على وجه التحديد، أدى تطبيقها إلى تعزيز كبير في معايير نمو النبات، مثل طول الأفرع وتراكم الكتلة الحيوية. يشير هذا التأثير الإيجابي على تراكم الكتلة الحيوية إلى تحسين عام في الأنشطة الفسيولوجية والتمثيلية للنباتات. علاوة على ذلك، أدى إدخال السيليكون و إلى تقليل كبير في تركيز الرصاص المكتشف في كل من الجذر والأفرع من نباتات الأرز. وهذا يشير إلى أن السيليكون و لعبا دورًا حاسمًا في تخفيف الآثار السلبية لضغط الرصاص. يشير الانخفاض في محتوى الرصاص
الشكل 3. استجابة نظام مضادات الأكسدة في شتلات الأرز تحت جزيئات النانو من السيليكون والحديد. تظهر الحروف الصغيرة فوق الشريط الفرق الكبير، وتدل النتائج على اختبار LSD والمتوسط + SD عند .
يشير إلى آلية محتملة حيث يساهم السيليكون و في الحد من امتصاص أو انتقال الرصاص داخل النبات، مما يخفف من الآثار السلبية للرصاص على النمو والتطور.
من المعروف جيدًا أن الرصاص يحفز السمية النباتية في الشتلات ويمكن أن يزيد من معدل ROS والإجهاد التأكسدي، مما يمكن أن يغير إنتاج الجزيئات الكبيرة، مثل الأحماض النووية والدهون والبروتينات في الخلايا. . في خلايا النبات، يمكن أن تؤدي المعادن الثقيلة الناتجة عن الإجهاد التأكسدي إلى كبح مستوى إنتاج إنزيمات مضادات الأكسدة أو تحفيز المزيد من . هنا، أظهرت شتلات الأرز المعرضة للرصاص محتويات أعلى بكثير من و MDA (أكسدة الدهون) أكثر من التحكم، ومعدل أكسدة الدهون المرتفع يشير إلى مزيد من الضرر للدهون (الشكل 3). ومع ذلك، عندما تم معالجة شتلات الأرز بمزيج من Si – و Fe -NPs مع Pb، كانت محتويات MDA أقل مقارنة بالنباتات الضابطة. وهذا يشير إلى أن التطبيق المشترك لـ Si – و Fe-NPs مع Pb له تأثير وقائي، مما يقلل من سمية المعدن ويمنع تدمير غشاء الخلية الناتج عن الإجهاد التأكسدي الناجم عن Pb. تتماشى هذه النتائج مع الأبحاث السابقة التي أظهرت الدور الإيجابي لـ NPs في تقليل سمية المعادن الثقيلة الأخرى، مثل Cd، في الأرز. على وجه التحديد، أظهرت الدراسات السابقة أن NPs يمكن أن تقلل بشكل فعال من تركيز MDA، مما يشير إلى آلية محتملة تساهم من خلالها NPs في تخفيف الإجهاد التأكسدي والأضرار المرتبطة به في خلايا النباتات المعرضة للمعادن الثقيلة. .
ستؤدي الأنشطة الإنزيمية التنظيمية الدفاعية المضادة للأكسدة المحسّنة، بما في ذلك CAT وSOD وPOD (الشكل 3)، إلى خلق تحمل في خلايا النباتات المجهدة ضد الأضرار الخلوية التأكسدية الشديدة الناتجة عن سمية الرصاص في النباتات من خلال إنتاج ROS المفرط. يعمل SOD كأهم إنزيم دفاعي مضاد للأكسدة لإنقاذ ROS الزائد من خلال تنظيم إنتاج السوبر أوكسيد. تلعب POD أيضًا دورًا حاسمًا في التخلص من ROS الزائدة في أنسجة النباتات تحت سمية المعادن الثقيلة. علاج المعادن الثقيلة تسبب في الانخفاض
الشكل 4. البنية المجهرية لخلايا الجذور في الأرز تحت تعرض الرصاص واستخدام مشترك لجزيئات النانو من السيليكون والحديد. مقاطع رقيقة جداً من شتلات الأرز المعالجة بـ ، و تمت ملاحظتها بواسطة TEM. تم ملاحظة القسم شبه الرقيق تحت تطبيق ، و (أنا، ل، أو). CW: جدار الخلية؛ V: الفجوة؛ ER: الشبكة الإندوبلازمية؛ Xy: الخشب؛ Ph: اللحاء؛ En: الأدمة الداخلية؛ Ep: البشرة
نشاط إنزيم SOD في شتلات القطن (Gossypium hirsutum L.) بسبب الإجهاد التأكسدي العالي الذي قد لا يكون كافيًا لتقليل التراكم العالي لجذور الأكسجين التفاعلية الناتجة عن محتويات MDA الأعلى من ضوابطها. هنا، تسبب سمية الخلايا الناتجة عن المعادن الثقيلة في زيادة تراكم جذور الأكسجين التفاعلية في نباتات الأرز تحت معالجة الرصاص، مما أدى إلى تقليل نشاط إنزيم SOD. في سيناريو التعرض المشترك للسيليكون و بالإضافة إلى المعادن الثقيلة مثل الرصاص، تشير الزيادة في نشاط إنزيم SOD في شتلات الأرز إلى تأثير محتمل للتخفيف من الإجهاد التأكسدي الناتج عن الرصاص. يمكن أن يُعزى هذا الارتفاع في نشاط SOD إلى المستويات المنخفضة من ROS التي لوحظت في شتلات الأرز المعرضة للسيليكون – مقارنةً بالذين تم علاجهم بالرصاص فقط. يبدو أن وجود جزيئات النانو من السيليكون والحديد يساهم في تقليل عبء الجذور الحرة داخل خلايا النبات، مما يخلق بيئة ذات إجهاد أكسيدي أقل. وبالتالي، فإن إنزيم SOD، الذي يعد آلية دفاع حاسمة ضد الجذور الحرة الزائدة،
الشكل 5. تأثير ، وجزيئات النانو من الحديد على درجة نقل المعادن والتعبير عن الجينات المرتبطة بمضادات الأكسدة. (A) سوبر أكسيد ديسموتاز (SOD)، (B) بيروكسيداز (POD)، (C) كاتالاز (CAT)، (D) OsLSi1، (E) OsIRT2، و (F) OsHMA9 في شتلات الأرز.
الشكل 6. خريطة حرارية لمؤشرات الشكل والوظيفة للأرز المعالج بالسيليكون والحديد والرصاص. تشمل المؤشرات محتويات نانو جزيئات الحديد في الجذور (Fe Root) والأجزاء الهوائية (Fe Shoot)، ومحتويات نانو جزيئات السيليكون في الجذور (Si Root) والأجزاء الهوائية (Si Shoot)، ومحتويات الرصاص في الجذور (Pb Root) والأجزاء الهوائية (Pb Shoot)، المالونديالديهايد (MDA)، سوبر أكسيد ديسموتاز (SOD)، طول الأجزاء الهوائية (SL)، الكلوروفيل أ (Chl a)، البيروكسيداز (POD)، الكلوروفيل ب (Chl b)، الوزن الطازج للجذور (RFW)، الكاروتينات (CAR)، الجلوتاثيون (GSH)، الكاتالاز (CAT)، طول الأجزاء الهوائية (SL)، بيروكسيد الهيدروجين ( )، وطول الجذر (RL).
حجم التأثير (r)
حديد نعم رصاص
SL 0.908 0.899 0.778 0.962 0.124 0.308 0.501
RFW 0.832 0.784 0.816 0.979 0.021 0.429 0.656
RDW 0.811 0.891 0.939 0.952 0.386 0.524 0.209
SDW 0.933 0.822 0.951 0.961 0.201 0.636 0.125
جذر الرصاص 0.407 0.649 0.998 0.766 0.999 0.998 0.991
إطلاق الرصاص 0.702 0.938 0.996 0.880 0.995 0.999 0.998
جذر في 1.000 0.922 0.835 0.999 0.998 0.704 1.000
في شوت 0.998 0.018 0.847 0.981 0.996 0.354 0.987
إذا كان الجذر 0.908 0.999 0.976 0.999 0.976 0.997 0.997
سي شوت 0.032 0.996 0.٥٢٢ 0.998 0.547 0.999 0.995
سود 0.989 0.983 0.843 0.992 0.994 0.993 0.997
بود 0.820 0.748 0.764 0.958 0.982 0.989 0.990
قط 0.984 0.9785 0.922 0.998 0.993 0.996 0.998
جي إس إتش 0.972 0.969 0.927 0.984 0.976 0.975 0.988
كلوروفيل أ 0.977 0.923 0.990 0.993 0.029 0.023 0.912
كلوروفيل ب 0.977 0.879 0.856 0.919 0.716 0.674 0.679
كاروتينات 0.964 0.878 0.976 0.944 0.760 0.786 0.934
0.862 0.862 0.630 0.950 0.184 0.171 0.767
MDA 0.958 0.949 0.728 0.984 0.917 0.757 0.964
الجدول 2. أحجام التأثير لجزيئات النانو من الرصاص والسيليكون والحديد على معايير مختلفة بناءً على معايير كوهين. تأثير صغير ; تأثير معتدل ؛ تأثير كبير يرجى مراجعة الجدول 1 للاختصارات المتعلقة بالسمات.
تشهد زيادة في نشاطها. يمكن اعتبار هذه الزيادة في نشاط SOD استجابة وقائية، حيث تساعد خلايا النبات على إدارة وتحيد الآثار الضارة المحتملة للجذور الحرة، مما يساهم في تعزيز آليات الدفاع المضادة للأكسدة بشكل عام.
وبالمثل، تم الكشف عن آثار إيجابية للجسيمات النانوية في أنواع نباتية أخرى، مثل الشعير. الأرز قمح والبامية إن التطبيق المشترك لجزيئات السيليكون والحديد مع المعادن الثقيلة أدى إلى تحفيز نشاط إنزيم الكاتالاز، الذي انخفض أيضًا في النباتات المتأثرة بالرصاص. لاحظنا زيادة كبيرة في نشاط الكاتالاز في النباتات التي تعرضت بشكل مشترك للسيليكون و تحت معالجة معدن الرصاص مقارنةً بالتحكم (الشكل 3). تعتبر إنزيمات POD و CAT حاسمة في تقليل تراكم ROS وتحسين دفاع خلايا النبات ضد الإجهاد التأكسدي الناتج عن المعادن الثقيلة. يُعتبر POD إنزيمًا مهمًا للتخلص من تحت الضغط غير الحيوي في خلايا النبات. أدى التطبيق المشترك للسيليكون وجزيئات الحديد النانوية مع أيونات المعادن الثقيلة الرصاص إلى زيادة ملحوظة في نشاط إنزيم POD. تشير هذه الزيادة في نشاط POD إلى انخفاض في المستويات داخل شتلات الأرز، مما يظهر تخفيفًا فعالًا للإجهاد التأكسدي الناتج عن التعرض للرصاص. تتماشى هذه الملاحظة مع الأبحاث الحديثة، مثل الدراسة على القمح، التي أظهرت أن استخدام جزيئات الحديد النانوية زاد من نشاط إنزيم POD تحت التعرض لـ أظهرت الوجود الجماعي لنانوبذور السيليكون والحديد، جنبًا إلى جنب مع المعادن الثقيلة، نشاطًا مضادًا للأكسدة معززًا داخل أنسجة النبات مقارنةً بالشتلات المعالجة فقط بالرصاص. وهذا يشير إلى تأثير تآزري بين السيليكون ونانوبذور الحديد في تخفيف الإجهاد التأكسدي، مما يساهم في تحسين آليات الدفاع النباتية ضد الآثار الضارة للتعرض للمعادن الثقيلة.
يمكن لأنظمة جمع الجذور الحرة أو GSH استعادة المعادن الثقيلة في الفجوة. يمكن لـ GSH بناء مركب مع المعادن الذي، من خلال تقسيم الفجوات، يمكن أن يزيل سمية المعادن الثقيلة. إن تطبيق Si و Fe-NPs زاد من تركيز GSH مقارنة بمعالجة Pb وحدها. وبالتالي، فإن النشاط العالي لـ GSH يساعد في إزالة سمية Pb. كما أن Si و Fe-NPs قللا بشكل كبير من امتصاص Pb وانتقاله إلى الأوراق، مما يقلل من سمية Pb في شتلات الأرز. استنتجنا أن تخفيف الإجهاد التأكسدي في الأوراق وتحسين آلية الدفاع المضادة للأكسدة بواسطة Si و Fe-NPs قد يكون مرتبطًا بشكل مباشر بتقليل تراكم Pb في الأوراق. كشفت نتائجنا أن Fe و Si-NPs عززت أنماط التعبير لجينات CAT و SOD و POD مقارنة بالتحكم، سواء بشكل منفرد أو مجتمعة (الشكل 5). أدى Pb إلى انخفاض ملحوظ في درجة تعبير هذه الجينات، بينما كل من Si و أدى تطبيقه على شتلات الأرز إلى تحسين أنماط تعبير هذه الجينات تحت ضغط الرصاص (الشكل 5). زاد تعبير هذه الجينات (OsSOD، ، و ) كانت على الأرجح نتيجة لانبعاث أيونات السيليكون والحديد من الجسيمات النانوية. من المهم أن تكون بيانات التعبير متسقة مع الحد الأدنى من ترسب الرصاص في سيقان الأرز المعرضة لـ مقابل علاج الرصاص.
تشارك عدة جينات في استقلاب المعادن والمعادن الثقيلة في النباتات، بدءًا من النقل إلى التراكم الحيوي والتمثيل. تم تحسين الآلية بشكل أكبر من خلال تحليل الجينات المعنية في امتصاص الرصاص وانتقاله. تم تحديد OsHMA9 كجين ناقل رئيسي معني بامتصاص الرصاص والتراكم الحيوي له. تحت الظروف العادية، يرتبط تعبير OsHMA9 ارتباطًا وثيقًا بنقل الرصاص داخل النباتات، مما يشير إلى دوره المهم في امتصاص ونقل الرصاص. كشفت نتائجنا أنه تحت استخدام علاجات نانو الجسيمات الحديدية والسيليكونية فقط، استعاد تعبير OsHMA9 مستوياته الطبيعية، مما يدل على أن امتصاص الرصاص تم حظره بنجاح. أظهرت المستويات الأعلى من تعبير OsHMA9 استجابةً للتعرض للرصاص مشاركتها في امتصاص/نقل الرصاص، وهو ما يتماشى مع الأبحاث السابقة التي ربطت OsHMA9 بنقل الرصاص. .
ومع ذلك، فإن جزيئات النانو من الحديد والسيليكون قللت بشكل كبير من أنماط التعبير لـ ، الذي يتعلق بتخفيف سمية الرصاص بواسطة الجسيمات النانوية. تحت تحفيز الجسيمات النانوية الحديدية، زادت التعبير بشكل كبير في البراعم، مما يبرز فائض بروتينات ناقلة الحديد. نظرًا للرابط المواتي بين تعبير LCT1 وأيونات الحديد، يُقترح أن انبعاث أيونات الحديد من نانو جزيئات الحديد يسبب أنماط تعبير مرتفعة من في الجزء العلوي من النباتات . بالإضافة إلى ذلك، فإن OsLSil هو جين مرتبط بنقل السيليكون في نباتات الأرز تكشف الدراسة أن جزيئات السيليكون النانوية (Si-NPs) عززت أنماط التعبير لجين OsLSi1. هذه الزيادة في التعبير ملحوظة لارتباطها بزيادة النشاط المضاد للأكسدة ونقل السيليكون داخل نباتات الأرز. تساهم تطبيقات جزيئات السيليكون النانوية في التخفيف من سمية الرصاص من خلال التأثير على تعبير جين OsLSi1. علاوة على ذلك، يظهر جين OsIRT2 كجين مرتبط بامتصاص الحديد في جذور الأرز. تحت تأثير جزيئات النانو الحديدية (Fe -NPs)، يتم تنظيم OsIRT2 بشكل كبير في جذور الأرز. يرتبط هذا التنظيم المعزز بزيادة امتصاص الحديد في الجذور، وتشير الدراسة إلى أن زيادة التعبير عن OsIRT2 تساهم في تخفيف سمية الرصاص. هنا، تم الكشف عن مستويات عالية من التعبير عن OsLSi1 وOsIRT2 تحت تطبيق جزيئات النانو السيليكون والحديد، مما زاد أيضًا من نشاط إنزيمات مضادات الأكسدة وقلل من أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS). أظهرت هذه النتائج أن جزيئات النانو السيليكون والحديد (Si – وFe -NPs) منعت أنماط التعبير لجينات امتصاص الرصاص وناقلاته في الأرز المعرض لضغط الرصاص. وجدت دراسة حديثة أن OsLSi1 تقلل من نشاط مضادات الأكسدة وتنقل السيليكون في الأرز. . وبالمثل، تم تنظيم OsIRT2 المرتبط بامتصاص الحديد في الأرز بشكل كبير في جذور الأرز تحت تطبيق الحديد باختصار، تلعب هذه الجينات – OsHMA9 و OsLSi1 و OsIRT2 – أدوارًا مميزة في سياق سمية الرصاص في نباتات الأرز. يشارك OsHMA9 في امتصاص الرصاص ونقله، بينما يرتبط OsLSi1 بنقل السيليكون والنشاط المضاد للأكسدة، ويرتبط OsIRT2 بامتصاص الحديد. تساهم التفاعلات بين هذه الجينات وتعبيراتها بشكل جماعي في تقليل تراكم الرصاص السام المرتبط به في نباتات الأرز.
لقد اكتشفنا محتويات عالية من الرصاص في الجذور والسوق، مما قد يؤدي إلى تلف الهيكل الخلوي وإحداث تشوهات (الشكل 4). في الدراسة الحالية، أظهرت ملاحظات المجهر الإلكتروني النافذ تدميرًا شديدًا لخلايا قشرة جذور الأرز في النباتات المتأثرة بالرصاص. بالمقابل، فإن السيليكون و عززت العلاجات سلامة هيكل الخلية. أظهرت دراسة سابقة أن السيليكون يمكن أن يستعيد البنية الدقيقة للخلايا في نباتات الذرة المعالجة بالكادميوم. هنا، أظهرت الخلايا المعالجة بالرصاص المزيد من الشذوذات الخلوية، مثل تقليل حجم خلايا الجذور وزيادة قطر الخلايا القشرية، وفقًا لتحليلات الشرائح شبه الرقيقة (الشكل 4). تتفق هذه النتائج مع الدراسات السابقة التي وجدت شذوذات مماثلة تحت تعرض الكادميوم. أظهرت نتائجنا أن التطبيق المشترك لجزيئات النانو من الحديد والسيليكون عزز بشكل كبير خصائص البنية التحتية للجذور والسمات الشكلية تحت ضغط الرصاص. يمكن أن تكون هذه التحسينات في البنية الخلوية والشكلية ناتجة عن التأثير التدريجي للسيليكون و عن المعادن الثقيلة، التي وصفتها التحقيقات السابقة يمكن أن يتفاعل السيليكون مع المعادن الثقيلة، في حين أن السيليكون موجود في مناطق مختلفة من جدران خلايا الجذور. . هنا، تم إتلاف الفجوات وجدران الخلايا بسبب معالجة الرصاص، ولكن السيليكون و العلاجات خففت من بنية الخلايا.
في ضوء هذه النتائج، نقترح مخططًا لتوصيف الآليات التي من خلالها تقلل جزيئات النانو من السيليكون والحديد من إجهاد الرصاص (الشكل 7). زيادة امتصاص العناصر الغذائية، وإصلاح الأضرار فوق الهيكلية الناتجة عن الرصاص، وتنشيط قدرات الدفاع المضادة للأكسدة في الأرز هي جميع الطرق التي تساعد بها جزيئات النانو من السيليكون والحديد شتلات الأرز على التعافي من تثبيط النمو الناتج عن سمية الرصاص. من و يتنافسون على نفس الشيء
الشكل 7. الآليات المفترضة التي من خلالها يعمل أكسيد الحديد ( ) وأكسيد السيليكون ( تخفف الجسيمات النانوية من سمية الرصاص (Pb). CAT، الكاتلاز؛ ROS، أنواع الأكسجين التفاعلية؛ POD، البيروكسيداز؛ SOD، ديسموتاز السوبر أكسيد؛ نتيجة للإجهاد التأكسدي، يتم تدمير أغشية الخلايا، وزيادة تنظيم الناقلات المعدنية، وضعف عملية التمثيل الضوئي، ونمو النبات، فإن نباتات الأرز التي تتعرض لإجهاد الرصاص تحتوي على تركيزات أعلى من الرصاص في جذورها وسوقها. تطبيق الحديد الخارجي المتآزر – يقلل من سمية الرصاص في الجذور والسوق، يعزز عملية التمثيل الضوئي وامتصاص العناصر الغذائية، ويقوي الإشارات المعتمدة على الحديد والسيليكون والدفاع المضاد للأكسدة. يحدث التنظيم العلوي الموضح بالسهم الأحمر والتنظيم السفلي الموضح بالسهم الأخضر استجابةً للحديد و تحت ضغط الرصاص.
قد تحدد الناقلات المعدنية أيضًا امتصاص أيونات الرصاص وتراكمها في شتلات الأرز (الشكل 7). بينما توفر دراستنا رؤى قيمة حول إمكانيات السيليكون و في التخفيف من سمية الرصاص في نباتات الأرز، من المهم الاعتراف ببعض القيود. أولاً، ركزت الدراسة بشكل أساسي على الآثار قصيرة المدى، والآثار طويلة المدى لتطبيق الجسيمات النانوية، والتي تحتاج إلى مزيد من التحقيق لفهم فعاليتها المستدامة وأي آثار بيئية محتملة. بالإضافة إلى ذلك، أجريت الدراسة في ظروف مختبرية محكومة، وترجمة هذه النتائج إلى سيناريوهات حقلية في العالم الحقيقي تتطلب اعتبارات دقيقة. تظل الآليات المحددة لتفاعل الجسيمات النانوية مع الميكروبات التربة وآثارها طويلة المدى على صحة التربة واستقرار النظام البيئي مجالات من عدم اليقين. يجب أن تتناول الأبحاث المستقبلية هذه القيود من خلال إجراء تجارب ميدانية للتحقق من فعالية الجسيمات النانوية من السيليكون والحديد في بيئات التربة الملوثة الفعلية. علاوة على ذلك، يجب أن يكون تقييم المخاطر المحتملة المرتبطة بتطبيق الجسيمات النانوية، مثل العواقب غير المقصودة على الكائنات غير المستهدفة ومجتمعات الميكروبات التربة، محورًا للبحوث المستقبلية. تشمل التوصيات دراسات ميدانية شاملة، وتقييم الآثار طويلة المدى، ودمج الاعتبارات البيئية لضمان التطبيق الآمن والفعال للجسيمات النانوية من السيليكون والحديد للتخفيف من سمية المعادن الثقيلة في التربة الزراعية.

الاستنتاجات

أظهرت نتائجنا أن إجهاد الرصاص تسبب في أضرار شديدة لشتلات الأرز، مما يقلل من الأنشطة الإنزيمية وتراكم الكتلة الحيوية. التعديلات في أنشطة الإنزيمات POD وCAT وSOD في الأوراق أظهرت آثار سمية الرصاص، التي تنتج الجذور الحرة للأكسجين. سمح لنا استخدام المجهر الإلكتروني الماسح والتقطيع شبه الرقيق بتحديد العديد من الشذوذات الخلوية، مثل جدران الخلايا المشوهة، والميتوكوندريا، والدائرة المحيطية، والجلد، والطبقة الداخلية، والقشرة. ومع ذلك، فإن الاستخدام التآزري لجزيئات الحديد والسيليكون النانوية خفف من الآثار القاتلة للرصاص في شتلات الأرز من خلال تغيير الصفات الخلوية والتمثيلية والشكلية. أشارت نتائج تحليل Cohen’s d وPCA إلى وجود ارتباط إيجابي قوي وذو دلالة بين وجود جزيئات الحديد والسيليكون النانوية مع الخصائص الشكلية الملحوظة وأنشطة مضادات الأكسدة تحت سمية الرصاص. يمكن لكل من جزيئات السيليكون والحديد النانوية كبح الإجهاد التأكسدي وضبط نظام الدفاع المضاد للأكسدة في النباتات من خلال تعديل أنماط التعبير عن ناقلات المعادن، مثل OsHMA9 وOsLSi1 وOsIRT2. تشير هذه النتائج إلى أن الاستخدام المشترك لجزيئات السيليكون والحديد النانوية يمكن أن يخفف من الآثار الضارة للتعرض للرصاص على نباتات الأرز بشكل أكثر فعالية من استخدام أي نوع من الجسيمات النانوية بمفرده. تلعب الدور الأكثر أهمية في تقليل تركيزات الرصاص في الأرز ومنع انتقاله من جذور النبات إلى الأجزاء الهوائية، مما يقلل في النهاية من تلف الخلايا.

توفر البيانات

المجموعات البيانية المستخدمة و/أو التي تم تحليلها خلال الدراسة الحالية متاحة من المؤلف المراسل عند الطلب المعقول.
تاريخ الاستلام: 14 أكتوبر 2023؛ تاريخ القبول: 28 فبراير 2024
تم النشر على الإنترنت: 12 مارس 2024

References

  1. Zulfiqar, U. et al. Lead toxicity in plants: Impacts and remediation. J. Environ. Manage. 250, 109557 (2019).
  2. Ali, H., Khan, E. & Ilahi, I. Environmental chemistry and ecotoxicology of hazardous heavy metals: Environmental persistence, toxicity, and bioaccumulation. J. Chem. 2019, 1-14 (2019).
  3. Agarwal, P., Vibhandik, R., Agrahari, R., Daverey, A. & Rani, R. Role of root exudates on the soil microbial diversity and biogeochemistry of heavy metals. Appl. Biochem. Biotechnol. https://doi.org/10.1007/s12010-023-04465-2 (2023).
  4. Baldantoni, D., Morra, L., Zaccardelli, M. & Alfani, A. Cadmium accumulation in leaves of leafy vegetables. Ecotoxicol. Environ Saf 123, 89-94 (2016).
  5. Chibowska, K. et al. Pre- and neonatal exposure to lead (Pb) induces neuroinflammation in the forebrain cortex, hippocampus and cerebellum of rat pups. IJMS 21, 1083 (2020).
  6. Vega, F. A., Andrade, M. L. & Covelo, E. F. Influence of soil properties on the sorption and retention of cadmium, copper and lead, separately and together, by 20 soil horizons: Comparison of linear regression and tree regression analyses. J. Hazard Mater 174, 522-533 (2010).
  7. Saghi, A., Rashed Mohassel, M. H., Parsa, M. & Hammami, H. Phytoremediation of lead-contaminated soil by Sinapis arvensis and Rapistrum rugosum. Int. J. Phytoremediat. 18, 387-392 (2016).
  8. Hakeem, K. R., Alharby, H. F. & Rehman, R. Antioxidative defense mechanism against lead-induced phytotoxicity in Fagopyrum kashmirianum. Chemosphere 216, 595-604 (2019).
  9. Feng, L. et al. Carbonate-bound Pb percentage distribution in agricultural soil and its toxicity: Impact on plant growth, nutrient cycling, soil enzymes, and functional genes. J. Hazard. Mater. 451, 131205 (2023).
  10. Le, Q. H., Tran, D. D., Chen, Y.-C. & Nguyen, H. L. Risk of lead exposure from transport stations to human health: A case study in the Highland Province of Vietnam. Toxics 7, 48 (2019).
  11. Islam, M. S. et al. Assessment of heavy metals in foods around the industrial areas: Health hazard inference in Bangladesh. Geocarto Int. 35(3), 280-295. https://doi.org/10.1080/10106049.2018.1516246 (2020).
  12. Zhou, J., Zhang, Z., Zhang, Y., Wei, Y. & Jiang, Z. Effects of lead stress on the growth, physiology, and cellular structure of privet seedlings. PLoS ONE 13, e0191139 (2018).
  13. Aslam, M. et al. Lead toxicity in cereals: Mechanistic insight into toxicity, mode of action, and management. Front. Plant Sci. 11, 587785 (2021).
  14. Ghouri, F. et al. Alleviated lead toxicity in rice plant by co-augmented action of genome doubling and nanoparticles on gene expression, cytological and physiological changes. Sci. Total Environ 911, 168709 (2024).
  15. Ashraf, U. et al. Lead toxicity in rice: Effects, mechanisms, and mitigation strategies-A mini review. Environ. Sci. Pollut. Res. 22, 18318-18332 (2015).
  16. Ashraf, U. et al. Lead (Pb) toxicity: Physio-biochemical mechanisms, grain yield, quality, and Pb distribution proportions in scented rice. Front. Plant Sci. 8, 259 (2017).
  17. The Combined Strategy for iron uptake is not exclusive to domesticated rice (Oryza sativa) | Scientific Reports. https://www.nature. com/articles/s41598-019-52502-0.
  18. Liang, G. Iron uptake, signaling, and sensing in plants. Plant Commun. 3, 100349 (2022).
  19. Debona, D., Rodrigues, F. A. & Datnoff, L. E. Silicon’s role in abiotic and biotic plant stresses. Annu. Rev. Phytopathol. 55, 85-107 (2017).
  20. Etesami, H. & Jeong, B. R. Silicon (Si): Review and future prospects on the action mechanisms in alleviating biotic and abiotic stresses in plants. Ecotoxicol. Environ. Saf. 147, 881-896 (2018).
  21. Yu, H.-Y. et al. The availabilities of arsenic and cadmium in rice paddy fields from a mining area: The role of soil extractable and plant silicon. Environ. Pollut. 215, 258-265 (2016).
  22. Cai, Y. et al. The Cd sequestration effects of rice roots affected by different Si management in Cd -contaminated paddy soil. Sci. Total Environ. 849, 157718 (2022).
  23. Ghouri, F. et al. The protective role of tetraploidy and nanoparticles in arsenic-stressed rice: Evidence from RNA sequencing, ultrastructural and physiological studies. J. Hazard. Mater. 458, 132019 (2023).
  24. Lai, M. et al. Modulation of metal transporters, oxidative stress and cell abnormalities by synergistic application of silicon and titanium oxide nanoparticles: A strategy for cadmium tolerance in rice. Chemosphere 345, 140439 (2023).
  25. Hokkanen, S., Repo, E., Lou, S. & Sillanpää, M. Removal of arsenic(V) by magnetic nanoparticle activated microfibrillated cellulose. Chem. Eng. J. 260, 886-894 (2015).
  26. Ali, A. et al. Synthesis, characterization, applications, and challenges of iron oxide nanoparticles. NSA 9, 49-67 (2016).
  27. Xu, P. et al. Use of iron oxide nanomaterials in wastewater treatment: A review. Sci. Total Environ. 424, 1-10 (2012).
  28. Latif, A. et al. Remediation of heavy metals polluted environment using Fe-based nanoparticles: Mechanisms, influencing factors, and environmental implications. Environ. Pollut. 264, 114728 (2020).
  29. Hussain, A. et al. Responses of wheat (Triticum aestivum) plants grown in a Cd contaminated soil to the application of iron oxide nanoparticles. Ecotoxicol. Environ. Saf. 173, 156-164 (2019).
  30. Zou, Y. et al. Environmental remediation and application of nanoscale zero-valent iron and its composites for the removal of heavy metal ions: A review. Environ. Sci. Technol. 50, 7290-7304 (2016).
  31. Khan, S. et al. Biosynthesized iron oxide nanoparticles ( NPs) mitigate arsenic toxicity in rice seedlings. Toxics 9, 2 (2020).
  32. Chen, R., Zhang, C., Zhao, Y., Huang, Y. & Liu, Z. Foliar application with nano-silicon reduced cadmium accumulation in grains by inhibiting cadmium translocation in rice plants. Environ. Sci. Pollut. Res. 25, 2361-2368 (2018).
  33. Du, J. et al. Silica nanoparticles protect rice against biotic and abiotic stresses. J. Nanobiotechnol. 20, 197 (2022).
  34. Li, Y. et al. Silica nanoparticles promote wheat growth by mediating hormones and sugar metabolism. J. Nanobiotechnol. 21, 2 (2023).
  35. Tripathi, D. K. et al. Silicon nanoparticles more efficiently alleviate arsenate toxicity than silicon in maize cultiver and hybrid differing in arsenate tolerance. Front. Environ. Sci. 4, 46 (2016).
  36. Saritha, G. N. G., Anju, T. & Kumar, A. Nanotechnology-Big impact: How nanotechnology is changing the future of agriculture?. J. Agric. Food Res. 10, 100457 (2022).
  37. Malik, S., Muhammad, K. & Waheed, Y. Nanotechnology: A revolution in modern industry. Molecules 28, 661 (2023).
  38. Rizwan, M. et al. Effect of metal and metal oxide nanoparticles on growth and physiology of globally important food crops: A critical review. J. Hazard. Mater. 322, 2-16 (2017).
  39. Manzoor, N. et al. Iron oxide nanoparticles ameliorated the cadmium and salinity stresses in wheat plants, facilitating photosynthetic pigments and restricting cadmium uptake. Sci. Total Environ. 769, 145221 (2021).
  40. Haydar, M. S., Ghosh, S. & Mandal, P. Application of iron oxide nanoparticles as micronutrient fertilizer in mulberry propagation. J. Plant Growth Regul. 41, 1726-1746 (2022).
  41. Liu, R., Zhang, H. & Lal, R. Effects of stabilized nanoparticles of copper, zinc, manganese, and Iron oxides in low concentrations on lettuce (Lactuca sativa) seed germination: Nanotoxicants or nanonutrients?. Water Air Soil Pollut. 227, 42 (2016).
  42. Iannone, M. F. et al. Impact of magnetite iron oxide nanoparticles on wheat (Triticum aestivum L.) development: Evaluation of oxidative damage. Environ. Exp. Bot. 131, 77-88 (2016).
  43. Lichtenthaler, H. K. [34] Chlorophylls and carotenoids: Pigments of photosynthetic biomembranes. In Methods in Enzymology vol. 148 350-382 (Academic Press, 1987).
  44. Ghouri, F. et al. Polyploidy and zinc oxide nanoparticles alleviated Cd toxicity in rice by modulating oxidative stress and expression levels of sucrose and metal-transporter genes. J. Hazard. Mater. 448, 130991 (2023).
  45. Riaz, M., Kamran, M., Rizwan, M., Ali, S. & Wang, X. Foliar application of silica sol alleviates boron toxicity in rice (Oryza sativa) seedlings. J. Hazard. Mater. 423, 127175 (2022).
  46. Livak, K. J. & Schmittgen, T. D. Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the method. Methods 25, 402-408 (2001).
  47. Guo, G., Lei, M., Wang, Y., Song, B. & Yang, J. Accumulation of As, Cd, and Pb in sixteen wheat cultivars grown in contaminated soils and associated health risk assessment. IJERPH 15, 2601 (2018).
  48. Muramoto, S. Heavy metal tolerance of rice plants (Oryza sativa L.) to some metal oxides at the critical levels. J. Environ Sci. Health Part B 24, 559-656 (1989).
  49. Okant, M. & Kaya, C. The role of endogenous nitric oxide in melatonin-improved tolerance to lead toxicity in maize plants. Environ. Sci. Pollut. Res. 26, 11864-11874 (2019).
  50. Li, L. et al. Silicate-mediated alleviation of Pb toxicity in banana grown in Pb -contaminated soil. Biol. Trace Elem. Res. 145, 101-108 (2012).
  51. Saman, R. U. et al. Foliar application of ethylenediamine tetraacetic acid (EDTA) improves the growth and yield of brown mustard (Brassica juncea) by modulating photosynthetic pigments, antioxidant defense, and osmolyte production under lead (Pb) stress. Plants 12, 115 (2022).
  52. Riaz, M. et al. Cadmium uptake and translocation: selenium and silicon roles in Cd detoxification for the production of low Cd crops: A critical review. Chemosphere 273, 129690 (2021).
  53. Fisiologia Vegetal, Departamento de Biologia, Universidade Federal de Lavras, Lavras, Minas Gerais, Brasil et al. Copper (Cu) stress affects carbon and antioxidant metabolism in Coffea arabica seedlings. Aust J Crop Sci 11, 960-967 (2017).
  54. Konate, A. et al. Magnetic ( ) nanoparticles reduce heavy metals uptake and mitigate their toxicity in wheat seedling. Sustainability 9, 790 (2017).
  55. Ma, J. et al. Bacillus mycoides PM35 in combination with titanium dioxide ( )__Nanoparticles enhanced morpho-physiobiochemical attributes in Barley (Hordeum vulgare L.) under cadmium stress. Chemosphere 323, 138224 (2023).
  56. Hussain, B. et al. Foliage application of selenium and silicon nanoparticles alleviates Cd and Pb toxicity in rice (Oryza sativa L .). Sci. Total Environ. 712, 136497 (2020).
  57. Rizwan, M. et al. Effects of nanoparticles on trace element uptake and toxicity in plants: A review. Ecotoxicol. Environ. Saf. 221, 112437 (2021).
  58. Hussain, A., Rizwan, M., Ali, Q. & Ali, S. Seed priming with silicon nanoparticles improved the biomass and yield while reduced the oxidative stress and cadmium concentration in wheat grains. Environ. Sci. Pollut. Res. 26, 75`79-7588 (2019).
  59. Ur Rahman, S. et al. Silicon elevated cadmium tolerance in wheat (Triticum aestivum L.) by endorsing nutrients uptake and antioxidative defense mechanisms in the leaves. Plant Physiol. Biochem. 166, 148-159 (2021).
  60. Ogunkunle, C. O. et al. Foliar application of nanoceria attenuated cadmium stress in okra (Abelmoschus esculentus L.). J. Hazard. Mater. 445, 130567 (2023).
  61. Huang, Y. et al. Enhanced vacuole compartmentalization of cadmium in root cells contributes to glutathione-induced reduction of cadmium translocation from roots to shoots in pakchoi (Brassica chinensis L.). Ecotoxicol. Environ. Saf. 208, 111616 (2021).
  62. Shi, G. et al. Sulfur reduces the root-to-shoot translocation of arsenic and cadmium by regulating their vacuolar sequestration in wheat (Triticum aestivum L.). Front. Plant Sci. 13, 1032681 (2022).
  63. Leyser, O. Auxin signaling. Plant Physiol. 176, 465-479 (2018).
  64. Lee, S., Kim, Y.-Y., Lee, Y. & An, G. Rice P1B-type heavy-metal ATPase, OsHMA9, is a metal efflux protein. Plant Physiol. 145, 831-842 (2007).
  65. Huang, G. et al. Regulation of iron and cadmium uptake in rice roots by iron(III) oxide nanoparticles: Insights from iron plaque formation, gene expression, and nanoparticle accumulation. Environ. Sci. Nano 9, 4093-4103 (2022).
  66. Lin, Y. et al. Deficiency in silicon transporter Lsi1 compromises inducibility of anti-herbivore defense in rice plants. Front. Plant Sci. 10, 652 (2019).
  67. Itai, R. N., Ogo, Y., Kobayashi, T., Nakanishi, H. & Nishizawa, N. K. Rice genes involved in phytosiderophore biosynthesis are synchronously regulated during the early stages of iron deficiency in roots. Rice 6, 16 (2013).
  68. Fang, C. et al. Lsil modulates the antioxidant capacity of rice and protects against ultraviolet-B radiation. Plant Sci. 278, 96-106 (2019).
  69. Wang, P., Yamaji, N., Inoue, K., Mochida, K. & Ma, J. F. Plastic transport systems of rice for mineral elements in response to diverse soil environmental changes. New Phytol. 226, 156-169 (2020).
  70. Vaculík, M., Pavlovič, A. & Lux, A. Silicon alleviates cadmium toxicity by enhanced photosynthetic rate and modified bundle sheath’s cell chloroplasts ultrastructure in maize. Ecotoxicol. Environ. Saf. 120, 66-73 (2015).
  71. Pompeu, G. B. et al. Abscisic acid-deficient sit tomato mutant responses to cadmium-induced stress. Protoplasma 254, 771-783 (2017).
  72. Van Bockhaven, J., De Vleesschauwer, D. & Höfte, M. Towards establishing broad-spectrum disease resistance in plants: Silicon leads the way. J. Exp. Bot. 64, 1281-1293 (2013).
  73. Bhat, J. A. et al. Role of silicon in mitigation of heavy metal stresses in crop plants. Plants 8, 71 (2019).
  74. Głazowska, S. et al. The impact of silicon on cell wall composition and enzymatic saccharification of Brachypodium distachyon. Biotechnol. Biofuels 11, 171 (2018).

الشكر والتقدير

تُعرب المؤلفون عن شكرهم للسيدة يو شوهونغ وموظفي المختبر الآخرين على مساعدتهم في الاختبارات والتحليلات.

مساهمات المؤلفين

تمت دراسة الفكرة والتصميم من قبل MQS وXDL وSA. تم إجراء التحقيق والتحقق وجمع البيانات والتحليل من قبل FG وSS وJL وHA وMR وMI وML وLS. كتب MQS وSA وMR وSS وFH وراجعوا المخطوطة. قرأ جميع المؤلفين ووافقوا على المخطوطة النهائية.

التمويل

تم دعم هذا العمل من قبل بنك قاعدة قوانغدونغ لمشروع موارد جينات الأرز لينغنان (2023)، ومختبر مشروع الزراعة الحديثة في لينغنان (NT2021001)، ومؤسسة العلوم الطبيعية الوطنية في الصين (NSFC) (32350610253).

المصالح المتنافسة

يعلن المؤلفون عدم وجود مصالح متنافسة.

معلومات إضافية

المعلومات التكميلية النسخة على الإنترنت تحتوي على مواد تكميلية متاحة على https://doi.org/ 10.1038/s41598-024-55810-2.
يجب توجيه المراسلات والطلبات للحصول على المواد إلى S.A. أو X.L. أو M.Q.S.
معلومات إعادة الطبع والتصاريح متاحة على www.nature.com/reprints.
ملاحظة الناشر تظل Springer Nature محايدة فيما يتعلق بالمطالبات القضائية في الخرائط المنشورة والانتماءات المؤسسية.
الوصول المفتوح هذه المقالة مرخصة بموجب رخصة المشاع الإبداعي للاستخدام والمشاركة والتكيف والتوزيع وإعادة الإنتاج في أي وسيلة أو صيغة، طالما أنك تعطي الائتمان المناسب للمؤلفين الأصليين والمصدر، وتوفر رابطًا لرخصة المشاع الإبداعي، وتوضح ما إذا تم إجراء تغييرات. الصور أو المواد الأخرى من طرف ثالث في هذه المقالة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي للمقالة، ما لم يُذكر خلاف ذلك في سطر الائتمان للمادة. إذا لم تكن المادة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي للمقالة واستخدامك المقصود غير مسموح به بموجب اللوائح القانونية أو يتجاوز الاستخدام المسموح به، ستحتاج إلى الحصول على إذن مباشرة من صاحب حقوق الطبع والنشر. لعرض نسخة من هذه الرخصة، قم بزيارة http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
© المؤلفون 2024

  1. المختبر الوطني الرئيسي للحفاظ على واستخدام الموارد الحيوية الزراعية شبه الاستوائية، مختبر قوانغدونغ للزراعة الحديثة في لينغنان، جامعة الزراعة في جنوب الصين، قوانغتشو 510642، الصين. المختبر الرئيسي لمختبر التربية الجزيئية للنباتات في قوانغدونغ، جامعة الزراعة في جنوب الصين، قوانغتشو 510642، الصين. بنك قاعدة قوانغدونغ لموارد جينات الأرز لينغنان، كلية الزراعة، جامعة الزراعة في جنوب الصين، قوانغتشو 510642، الصين. قسم علم النبات، جامعة الحكومة الكلية، فيصل آباد 38000، باكستان. المختبر الرئيسي لاستعادة وإدارة الغطاء النباتي للأنظمة البيئية المتدهورة، حديقة النباتات في جنوب الصين، الأكاديمية الصينية للعلوم، قوانغتشو 510650، الصين. قسم العلوم البيئية، جامعة الحكومة الكلية، فيصل آباد 38000، باكستان. قسم العلوم والتكنولوجيا البيولوجية، جامعة الطب في الصين، تايتشونغ 40402، تايوان. ساهم هؤلاء المؤلفون بالتساوي: فوزية غوري وسمرين ساروار. البريد الإلكتروني: shafaqataligill@yahoo.com; xdliu@scau.edu.cn; qasim@scau.edu.cn

Journal: Scientific Reports, Volume: 14, Issue: 1
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-55810-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38472251
Publication Date: 2024-03-12

Silicon and iron nanoparticles protect rice against lead (Pb) stress by improving oxidative tolerance and minimizing Pb uptake

Fozia Ghouri , Samreen Sarwar , Lixia Sun , Muhammad Riaz , Fasih Ullah Haider , Humera Ashraf , Mingyu Lai , Muhammad Imran , Jingwen Liu , Shafaqat Ali , Xiangdong Liu & Muhammad Qasim Shahid

Abstract

Lead (Pb) is toxic to the development and growth of rice plants. Nanoparticles (NPs) have been considered one of the efficient remediation techniques to mitigate Pb stress in plants. Therefore, a study was carried out to examine the underlying mechanism of iron ( Fe ) and silicon ( Si ) nanoparticleinduced Pb toxicity alleviation in rice seedlings. and were applied alone and in combination to rice plants grown without (control; no Pb stress) and with ( ) Pb concentration. Our results revealed that Pb toxicity severely affected all rice growth-related traits, such as inhibited root fresh weight ( ), shoot length ( ), and chlorophyll b contents ( ). Moreover, a substantial amount of Pb was translocated to the above-ground parts of plants, which caused a disturbance in the antioxidative enzyme activities. However, the synergetic use of Fe – and NPs reduced the Pb contents in the upper part of plants by . It reduced the lethal impact of Pb on roots and shoots growth parameters by increasing shoot length ( ), shoot fresh weight ( ), and roots fresh weight ( ). Both Si and synergistic application significantly elevated superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD), catalase (CAT), and glutathione (GSH) concentrations by , , and , respectively, compared to plants subjected to Pb stress alone. The toxicity of Pb resulted in several cellular abnormalities and altered the expression levels of metal transporters and antioxidant genes. We conclude that the synergistic application of Si and Fe -NPs can be deemed favorable, environmentally promising, and cost-effective for reducing Pb deadliness in rice crops and reclaiming Pb -polluted soils.

Heavy metals cause phytotoxicity in crops, even at low levels (i.e., ), and contaminate the environment . The removal of unprocessed industrial wastes is a significant source of heavy metals pollution because of the industrial revolution, especially in pesticide processing factories, metallurgical industries, chemical, paint, acid mine drainage, fertilizers, and leather industries . Lead (Pb), nickel (Ni), cadmium (Cd), platinum (Pt), mercury ( Hg ), antimony ( Sb ), and copper ( Cu ) are persistent chemical elements that do not readily degrade in the environment. Consequently, these elements pose environmental challenges, particularly when their bioaccumulation increases, often attributed to human activities . Recently, Pb has been considered a “chemical of very high concern” because it is one of the harmful heavy metal contaminants that linger in the soil for a more extended period occurs in the bound state or as a free metal ion in soil and ultimately disrupts the microbiota of soil , which enters the soil through several anthropogenic activities, including the use of fertilizers, explosives,
paints, pesticides, and batteries . In a nationwide survey of agricultural soils, Pb levels surpassed of the standard limits set by the Chinese Ministry of Environmental Protection . Le et al. reported a similar concern, noting that vegetable samples in the vicinity of a bus station exceeded the permitted limit for Pb contamination in Vietnam. In a separate investigation in Bangladesh , Islam et al. found elevated concentrations of Pb , along with , and Ni , in food near industrial zones, surpassing the permitted standards. Permissible levels of Pb in soil are subject to variation based on different guidelines and sources. An acceptable threshold, proposed at 600 ppm of Pb in soil, is considered a “safe” level, contributing no more than to the total blood Pb of children under 12 years of age. The natural concentration of Pb in soil exhibits a range from 10 to 40 mg Pb dry soil, with a median concentration of around dry soil. Soils highly contaminated with Pb may surpass concentrations of . International standards, such as those defined by the World Health Organization and the Environmental Protection Agency (EPA), set permissible limits for Pb at 0.05 mg . Furthermore, the Council of State and Territorial Epidemiologists’ (CSTE) blood Pb reference value is established at , serving to identify individuals with blood Pb levels exceeding the 97.5th percentile among adults and children nationwide.
Pb toxicity disturbs different physiological and biochemical processes in plants, which cause chlorophyll degradation, restrains aquaporins, stunted growth, production of active oxygen species, interferes with ion homeostasis, lipid peroxidation, and nutrient inhibition . Reactive oxygen species (ROS) are cleaned up or reduced by a sequence of events that antioxidant enzymes create in plants under Pb stressed environments . Plants have established three main pathways to detoxify the Pb toxicity, including antioxidant defense system activation to remove Pb -induced free ions, an inducible method that is related to detoxification and removal into extracellular spaces, and a passive approach where plants physically block the Pb uptake . In rice (Oryza sativa L .), the harmful effects of Pb toxicity are evident across various aspects, including a significant reduction in the germination index, root/shoot length, physio-morphological traits, nutrient adsorption through roots, and overall plant yield . Furthermore, Pb adversely affects the activity of ribulose-1,5-bisphosphate in rice, leading to the suppression of fixation. Notably, the presence of of Pb has been shown to reduce rice yield to . These findings collectively highlight the serious impact of Pb -polluted agricultural soil on food safety. Hence, developing strategies to mitigate Pb -induced toxic effects on plants and the ecosystem is imperative.
Iron ( Fe ) is a necessary micronutrient and contributes as a cofactor in various biochemical and physiological reactions, which ultimately affect the development and growth of plants . Fe is an insoluble hydrated ferric oxide form in the soil unavailable to plants. Fe is a redox-active transition metal, and plants have adopted sophisticated approaches to fulfill the requirement of Fe in different environments . Silicon ( Si ) is considered a crucial constituent for plant development and is the most-ranked element in the atmosphere . Si occurs in the soil solution as monomeric acid or mono-silicic, which plants uptake from the soil by roots. Si contents vary significantly from 0.1 to of the plant’s above-ground parts’ total dry weight . Previous studies revealed that Fe and Si ameliorate Cd toxicity and help plants absorb soil nutrients in a stressful atmosphere .
Previous investigations have demonstrated that nanoparticles (NPs) are critical in various plant processes . Of these NPs, Fe-based NPs are of specific significance because of their magnetic characteristics . Fe-NPs have been broadly applied to clean contaminated water, attracting significant attention from researchers engaged with technologies for treating wastewater . They are commonly used in domestic and industrial sectors, such as agriculture, biomedical, defense, healthcare, food, energy, aerospace, textile, environmental bioremediation, and construction . Iron-based NPs are applied as (i) photocatalysts for the alteration of pollutants to non-toxic formulations; and (ii) absorbent or immobilization carriers . Different types of pollutants, such as explosives, inorganic ions, pesticides, toxic metals, and chlorinated compounds, are targeted by Fe-based NPs . Fe-NPs have been strategically applied to remediate pollutants, notably and , in regions where wheat (Triticum aestivum L.) and rice are cultivated under metal-contaminated soils. Applying silica NPs resulted in reduced metal intake and enhanced the biological yield of rice crops . Si fertilizers have low bioavailability, and using could be the paramount choice for Si accumulator species, including rice and wheat . In maize ( Zea mays L.), Si-NPs ( ) significantly alleviated As stress ( ) compared to Si alone ( ). This enhanced efficacy of Si-NPs may be attributed to their better accessibility, in contrast to common silica, under the experimental conditions .
Recently, nanotechnology has been extensively applied in numerous regions, such as agriculture and industries . Substantial evidence has revealed that plant development is affected by Fe-NPs. Still, the overall response of plants against different levels of NPs largely depends on plant species, the extent of exposure, and growing media . Previous studies have revealed that Fe-NPs play a more positive role in plants’ physiological and morphological characteristics than Fe fertilizer . Fe-NPs ( ) positively affect lettuce seeds’ root length and germination . Applying citric acid-coated ( 20 ppm ) for five days greatly enhanced enzyme activities and did not distress wheat’s lipid peroxidation and growth in the hydroponic culture .
Thus, Fe and have excellent prospects for remediating metal-polluted soils. Further research is required to check the significance of NPs on heavy metal detoxification in plants. Though few previous studies have revealed that Fe and Si -NPs can decline the Pb uptake in plants, more information is still necessary to know the combined effect of both NPs in reducing the Pb uptake by rice. Additionally, previous investigations focused on the role of in reducing Pb accumulation in various plant species, including wheat, rice, and maize . The combined application of Fe and Si nanoparticles holds the potential for greater effectiveness compared to using either nanoparticle alone due to their synergistic effects. Meanwhile, Fe-NPs contribute to enhanced nutrient availability and oxidative stress mitigation. Similarly, Si-NPs are known for improving plant resilience and stress tolerance. However, despite the potential benefits of these individual NPs, the exploration of their combined application to mitigate Pb toxicity effects in rice remains an unexplored research gap. Investigating the synergistic effects of Fe and Si -NPs in addressing Pb toxicity could provide valuable insights into developing more effective strategies for enhancing plant resistance and mitigating the adverse impacts of
heavy metal stress on rice. Therefore, this work was planned to check the efficiency of the synergistic application of Si and in decreasing Pb accumulation in rice and their effects on antioxidant enzymes, chlorophyll contents, plant growth, and oxidative stress parameters. We assume that applying Fe – and can overcome Pb stress by enhancing the enzymatic activities and decreasing oxidative stress, thus reducing Pb uptake in rice.

Materials and methods
Plant materials and growth husbandry

The rice seeds of an inbred line, DW-4, (collected from our germplasm resource at South China Agricultural University (SCAU), Guangzhou, China) were surface-sterilized for about 10 min in solution and soaked for 24 h in the after rinsing with distilled water. The plant materials utilized in the present study conform to relevant national or institutional guidelines. Then, seeds were held in a growth chamber on the cheesecloth for germination for a week, and identical seedlings were shifted to pots ( 12 seedlings/pot) filled with two liters of one-quarter strength nutrient solution by -strength and full-strength nutrient solution in the next week. A hydroponic experiment was done under controlled conditions in a growth chamber at SCAU with a temperature at relative humidity and a dark/light cycle. The hydroponic culture was consisted of kimura nutrient solution; , and . For Fe-deficient treatment, Kimura solution containing no Fe (II)-EDTA was applied, while Kimura solution was applied for Fe-normal treatment. All nutrient solutions were changed every three days, and pH was maintained at with NaOH or HCl .
The Fe-NPs were purchased from Pantian Nanomaterials Co., Ltd. (Shanghai, China), providing ( ), which have been characterized via SEM (scanning electron microscope) (V 460, FEI). SEM observation revealed that nano-oxide iron materials are rod-like and distributed in tight clusters (Fig. S1A). The distance between the long and short axes is around and , respectively. Our samples’ FTIR (Fourier-transform infrared spectroscopy) spectra revealed that the FeO was highly pure (Fig. S1B). XRD (X-ray diffraction) patterns matched up with conventional X-ray diffraction cards (Fig. S1C). Here, we applied Si-NPs (purchased commercially available) with purity exemplified via FTIR, SEM, and XRD of the Fe-NPs. The size distribution showed that -NPs were uniformly distributed with particle sizes of Si -NPs between 15 and 25 nm and exhibited particular aggregation (Fig. S1D). The XRD showed that Si-NPs lacked contaminants and were amorphous, including . Moreover, no additional peaks were discovered. The FTIR spectrum and spectrum pattern confirmed that the material’s main component was , validating the correctness of the material used (Fig. S1E). FTIR analysis of Si-NPs revealed that the surface of the nanoparticles and their functional groups contained , and -OH functional groups. The energy spectrum analysis showed that the of Si in the nanomaterial is , and the of O is , revealing that Si -NPs were amorphous and free of contaminants (Fig. S1F).
Lead was applied as at the rate corresponding to concentrations in the solution. In contrast, and were applied at 2.5 mM and , respectively. The , and doses were standardized based on trial experiments, and the treatments were applied to the plants after a 14 -day growth period in hydroponic culture. Each treatment combination consists of four pots of replications, and the investigation was conducted in a completely randomized design (CRD). After growing in hydroponic culture, 24 -days-old seedlings were removed from the solution. The metal absorption was assessed from the shoot and roots of rice seedlings. Moreover, some fresh samples were preserved in the refrigerator at for qPCR and evaluation of enzymatic activities.

Evaluation of plant biomass production

The plants were picked ten days after treatment application. The plant samples were separated into above- and below-ground portions. Fresh biomass of below- and above-ground plant parts was estimated. Shoot and root samples were dried at for four days, and the dry biomass of above- and below-ground components was measured by ordinary weight balance.

Analyses of carotenoid and chlorophyll contents

About 0.5 g of fresh rice leaf tissues were sliced and placed in chilled acetone for 24 h . Then, the mixture was centrifuged for 10 min at . The contents of chlorophyll b, carotenoids, and chlorophyll a were observed spectrophotometrically (Jenway 6400, London, UK) in the supernatant at wavelengths 479 nm , 663 nm , and 645 nm , respectively .

Measurements of Pb concentration in rice seedlings

The Pb contents from roots and shoots of rice seedlings were estimated. First, we carefully rinsed the samples with ultra-high pure and later dried these samples at until constant weight. Plant samples of about 0.2 g were measured, and was placed into a Teflon bottle with plant samples and heated on a hotplate at until 1 mL liquid was left in the tube. Subsequently, samples were diluted, and the final quantity of Pb in the solution was estimated by an Agilent 7700 inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) (Agilent Technologies, CA, USA).

Cytological investigations by transmission electron microscope (TEM)

Cell structure was observed by TEM as described previously . The root tip samples were cut and prefixed in glutaraldehyde and then post-fixed in for two hours. Then, specimens were rinsed with PBS, and a series of ethanol solutions with diverse concentrations ( , and ) were used to dehydrate and fix in
spur resin. Then, a microtome (Leica, Germany) was used to cut ultrathin sections. The cell structure was seen under a TEM equipped with an Oxford INCA Energy TEM 200 EDX system (Philips TECNAI 10, Netherlands).
Semi-thin sections of rice plant roots were made using semi-thin section kits (Technovit7100). The root samples were immersed in FAA solution for 24 h before being dehydrated with different ethanol concentrations . After that, we treated the samples with a semi-permeable agent at for 12 h before immersing them in the pure penetrating agent. After solidification, the material was polymerized at , and slices ( ) were cut from embedded blocks using a thin rotary slicer (Leica RM2265) and inspected and photographed using an automatic biomicroscope (Motic BA310).

qRT-PCR analysis

The rice samples were collected after treatments, and RNA Kit was used to isolate total RNA. The NanoDrop spectrophotometer was used to determine the purity of the RNA samples. One of RNA was taken to prepare the cDNA library from total RNA with a reagent kit. The primers for each gene were developed by primer 5 software, and all primers’ sequences are listed in Table S1. Using a Bio-Rad real-time PCR system and SYBR Green reagent (Takara, Kyoto, Japan), qRT-PCR was performed. Three biological replicates were used for each treatment to quantify the expression levels. Actin was an internal control in the approach used to estimate the relative expression patterns . We calculated the relative expression using the formula , where , Target-CT,Act Ex-(CT,Target-CT,Act) CK. Ex means experiment group, while CK means control.

Antioxidant and oxidant activities

Antioxidative and oxidant activities, including CAT (catalase), POD (peroxidase), GSH (glutathione), MDA (malondialdehyde), SOD (superoxide dismutase), and (hydrogen peroxide) were estimated using commercially available kits .

Statistical analyses

The data, from three independent replications, underwent one-way ANOVA analysis using the SPSS 20.0 program and Graph Pad Prism (version 8.0.2). Bar graphs illustrating the mean and SE for each parameter were constructed. The Tukey test was employed to estimate the least significant difference (LSD) at . Mean values and standard deviations ( SD) from four replications were used for representation. Additionally, using R software, a comprehensive exploration of the data’s multivariate patterns was conducted through principal component analysis (PCA). Significance between treatments was determined via an LSD test at a probability level.

Results
Plants biomass and Chlorophyll

We investigated various growth parameters, viz., root fresh weight (RFW), shoot dry weight (SDW), shoot fresh weight (SFW), root dry weight (RDW), and shoot length (SL), as shown in Fig. 1. The results indicated that Pb exposure decreased the SL of rice plants by compared to the control plants and RFW, SFW, SDW, and RDW by , and , respectively. But, the Pb -stressed plants treated with Si and NPs revealed better performance for all the aforementioned agronomic traits than Pb -stressed plants. Overall, the alone treatment of Fe – and Si -NPs resulted in a much lower increase in all morphological features compared to the combined application of both nanoparticles under a Pb -stressed environment (Fig. 1; Table 1). However, the combined application of Fe – and Si -NPs to the Pb -stressed rice plants increased , and RDW by , and as compared to Pb alone, respectively. These outcomes exhibited the constructive influence of Si – and in improving Pb resistance in rice (Table 1).
The results indicated that Pb exposure decreased carotenoids and chlorophyll contents by , and in comparison to the control treatment, respectively (Fig. S2). However, the exclusive utilization of Si and Fe-NPs resulted in significant enhancements in the levels of chlorophyll a ( and ), chlorophyll b ( and ), and carotenoid ( and ) under Pb -induced stress, respectively. The synergistic application of Fe – and to Pb -stressed rice plants increased chlorophyll , and carotenoids by , and compared to Pb alone treatment, respectively.

Si and reduced Pb uptake to mitigate Pb toxicity

The results indicated that both Si and Fe nanoparticle application in the rice seedlings increased their concentrations in rice plants’ tissues (shoot and root). The highest contents of Si and Fe were detected in the roots than in the shoots (Fig. S3). The plants exhibited a notable increase in Pb concentration when subjected to Pb application, as compared to non-stressed plants (Fig. 2). Applying Fe and Si-NPs to Pb-stressed plants significantly decreased Pb concentration in shoot and root samples as opposed to Pb -alone treated rice plants. Our results revealed that Pb decreased by and under Fe – and treatments in the root, and by and in shoots relative to Pb -alone treated plants, respectively (Fig. 2). Moreover, the joint application of Fe – and had a more noticeable impact on reducing Pb quantity in roots and shoots, and decreased Pb by and compared to Pb -stressed plants alone, respectively (Fig. 2).

Effect on antioxidant and oxidant activities

Upon subjecting rice seedlings to Pb application, the levels of ROS, including MDA and , experienced increases of and , respectively. Remarkably, the application of , and their combined
Figure 1. Pb -stressed rice seedling growth response to Si and Fe nanoparticles. Small letters above the bar show the significant difference, and results are denoted by the LSD test and mean SD at .
usage resulted in substantial enhancements in SOD activity, with increments of , and . Furthermore, the activities of POD, CAT, and GSH displayed notable increases. Specifically, Fe-NP treatment led to increments of , and , while Si-NP treatment resulted in elevations of , , and , respectively. The combined application of both nanoparticles showed even more pronounced effects, with increments of , and for POD, CAT, and GSH, compared to plants stressed by Pb alone (Fig. 3).

Influence of Si and Fe -NPs on root ultrastructure

The root cortex has a well-maintained cell structure with fine-shaped vacuoles and cell wall under non-stressed conditions. The cell organelles were distorted with disordered and swollen vacuoles under Pb -stressed plants (Fig. 4). In the Pb treatment, cell arrangement was disordered. By contrast, Si and -treated plants retained cell morphology, although some displayed distortion. Compared with Pb -stressed plants, vacuoles, cell wall, and mitochondria were closely organized in Fe – and treated plants. Our results showed that cortical cells breached under Pb exposure, while Fe – and treated plants under Pb exposure-maintained vacuole structure and cell wall that sustained the cell integrity. Semithin sections of only Pb -treated plants revealed anomalies in the pericycle, epidermis, endodermis, vascular cylinder, and cortex. In contrast, co-application of
Variables Fe Si Pb
SL <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 0.461 0.087 0.065
RFW <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 0.757 0.178 0.086
RDW <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 0.134 0.033 0.213
SDW <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 0.568 0.149 0.74
Pb root 0.988 0.979 <0.001 0.974 <0.001 <0.001 <0.001
Pb shoot 0.293 0.071 <0.001 0.051 <0.001 <0.001 <0.001
Fe root <0.001 0.524 0.464 <0.001 <0.001 0.66 <0.001
Fe shoot <0.001 0.855 0.014 <0.001 <0.001 0.314 <0.001
Si root 0.858 <0.001 0.699 <0.001 0.697 <0.001 <0.001
Si shoot 0.977 <0.001 0.853 <0.001 0.844 <0.001 <0.001
SOD <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001
POD <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001
CAT <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001
GSH <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001
Chl a <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 0.643 0.674 0.001
Chl b <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 0.005 0.032 0.001
Carotenoids <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 0.002 0.003 <0.001
<0.001 <0.001 0.001 <0.001 0.201 0.302 0.002
MDA <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001
Table 1. The findings of the factorial ANOVA show the impact of Pb, Silicon, and Iron nanoparticles on different parameters. The Iron nanoparticles in root (Fe Root), shoots (Fe Shoot), Si nanoparticles contents in roots (Si Root), shoots (Si Shoot), Pb contents in roots (Pb Root), shoots (Pb Shoot), RFW (root fresh weight), SDW (shoot dry weight), RDW (root dry weight) malondialdehyde (MDA), superoxide dismutase (SOD), shoot length (SL), chlorophyll a (Chl a), Peroxidase (POD), chlorophyll b (Chl b), root fresh weight (RFW), carotenoids (CAR), glutathione (GSH), catalase (CAT), shoot Length (SL), and hydrogen peroxide .
Fe and Si under Pb exposure revealed fewer abnormalities (Fig. 4). Normal cell structure was seen in rice plants treated with Fe – and .

Gene expression levels of antioxidant and metal transporter genes under Si and and Pb stress

The qRT-PCR measured the relative expression patterns of genes that code for antioxidants. Pb triggered a remarkable decline in the degree of these genes’ expression. In contrast, Si and Fe nanoparticle application in the rice seedlings improved these genes’ expression patterns under Pb stress (Fig. 5). Moreover, we evaluated the expression patterns of metal transporter genes. For example, OsHMA9 (metal or Pb transporter) displayed the highest expressions under Pb exposure compared to treatments. In contrast, the lowest expression levels were detected under the combined or alone application of Fe and Si . OsLSi1 (a-Si transporter) showed the highest expression pattern under , followed by treatment, while the lowest was under Fe and Pb treatments. OsIRT2 (a Fe transporter) expression was higher in treatments with Fe NPs than others, with treatment having the most significant level followed by treatment, and Pb and treatment having the lowest level.

Correlation, heatmap, homogeneity, and principal component analysis

According to the grey correlation degree results, the correlation degree among indicators is substantial. All indicators have a correlation degree of more than 0.6 with the content of Pb in the above-ground parts (Fig. S4). The correlation degree of lead content with Fe contents in the shoot, Si contents in the root and shoot, and SOD is high, reaching 0.7. The concentrations of and MDA in rice treated with Pb were the highest, indicating that Pb toxicity in rice was significant. But CAT, SOD, POD, GSH, Chl a, and other physiological indices decreased (Fig. 6). Physiological indices such as Chl a, carotenoids, RDW, SL, RFW, and SDW were higher in plants treated with Fe and Si nanoparticles alone or in combination than Pb treated plants. However, these indicators increased slightly with Fe and Pb than Si and Pb . As a result, in this experiment, Fe has a greater ability to mitigate Pb toxicity than Si . Furthermore, Pb content in root and ground parts was lower when treated with than when treated with Fe and Pb or Si and Pb alone.
According to the principal component analysis, PCA1 accounted for , and PCA2 accounted for , a total of (Fig. S5). The larger the absolute value of Cohen’s d , the larger the effect size (Table 2). In the study, we observed significant and substantial differences (large effect sizes) in morphological traits and antioxidant enzyme activities when Si and Fe nanoparticles were applied. The effect sizes observed for the combined application of both Si and Fe nanoparticles were even larger when compared to the effect sizes observed when each nanoparticle was applied individually (sole application). Regarding PCA1, Pb content in roots was
Figure 2. Concentrations of Pb in rice seedlings under Si and Fe nanoparticles. Small letters above the bar show the significant difference, and results are denoted by the LSD test and mean + SD at .
significantly increased, while carotenoids, RFW, SDW, and RDW were decreased considerably. In the dimension of PCA2, , GSH, and SOD decreased significantly, and decreased the most. According to the correlation coefficient, most indicators have a significant association. Pb content was negatively associated with the content of Fe and Si , and the content of Si in the root was negatively linked with Fe content in the ground-parts (Table S2). The concentrations of Pb in root and shoot were positively correlated with a correlation coefficient of 0.996. The correlation coefficient between CAT and SOD was 0.953 . Moreover, the Shapiro-Wilk Test (Normality test) results indicate that all data conform to a normal distribution (Table S3). The homogeneity of variance of Levene’s Test also shows that the variances are comparable (Table S4). There are no large or small outliers in the data of this experiment.

Discussion

The current findings supported the hypothesis that the synergistic application of Fe – and Si -NPs effectively mitigated Pb stress in rice. This was achieved through the enhancement of enzymatic activities and the reduction of oxidative stress, ultimately resulting in decreased Pb uptake by the plants. Heavy metal stress, particularly Pb , can cause poisonous and environmental pollution. Pb disturbs the enzyme activities that lead to changes in mineral nutrition and membrane permeability, suppressing plants’ growth, photosynthesis, and morphological characteristics . Several impacts on plant growth and development, accompanied by noticeable symptoms, including inhibited root development, smaller leaves, and stunted growth, have already been reported under Pb stress . In maize, Pb reduces the primary root growth and decreases the number of branches in seedlings . A previous study showed that Pb toxicity exhibited heavy metal toxicity symptoms such as a brittle texture, stunting, and blackening of roots, severely disturbing the growth of banana (Musa acuminata L.) seedlings . Here, plant growth parameters, including shoot length and biomass accumulation, were suppressed by the excess quantity of Pb in rice seedlings (Fig. 1). The Pb toxicity also inhibited chlorophyll synthesis (Fig. S2) and damaged root ultrastructure. A significantly high content of Pb was found in both roots and shoots of rice. Intriguingly, the introduction of Si- and Fe-NPs had a notable positive impact on various aspects of plant health. Specifically, their application led to a significant enhancement of plant growth parameters, such as shoot length and biomass accumulation. This positive effect on biomass accumulation suggests an overall improvement in the plants’ physiological and metabolic activities. Furthermore, the introduction of Si – and resulted in a substantial reduction in the concentration of Pb detected in both the root and shoot parts of rice plants. This indicates that Si – and played a crucial role in mitigating the adverse effects of Pb stress. The reduction in Pb content
Figure 3. Response of antioxidant system in rice seedlings under Si and Fe nanoparticles. Small letters above the bar show the significant difference, and results are denoted by the LSD test and mean + SD at .
suggests a potential mechanism where Si – and contribute to limiting the uptake or translocation of Pb within the plant, thus alleviating the negative impacts of Pb on growth and development.
It is well known that Pb prompts phytotoxicity in seedlings and can increase the rate of ROS and oxidative stress, which can change the production of macromolecules, such as nucleic acids, lipids, and proteins in cells . In plant cells, heavy metals triggered by oxidative stress can either repress the production level of antioxidative enzymes or stimulate more . Here, rice seedlings exposed to Pb displayed considerably higher contents of and MDA (lipid peroxidation) than the control, and the high rate of lipid peroxidation indicates more damage to lipids (Fig. 3). However, when rice seedlings were treated with a combination of Si – and Fe -NPs along with Pb , the MDA contents were lower compared to control plants. This suggests that the co-application of Si – and Fe-NPs with Pb has a protective effect, mitigating the metal toxicity and inhibiting cell membrane destruction caused by Pb -induced oxidative stress. These findings align with previous research that demonstrated the positive role of NPs in reducing the toxicity of other heavy metals, such as Cd, in rice. Specifically, earlier studies have shown that NPs can effectively reduce the MDA concentration, indicating a potential mechanism through which NPs contribute to alleviating oxidative stress and associated damage in plant cells exposed to heavy metals .
The improved antioxidative defense regulatory enzymatic activities, including CAT, SOD, and POD (Fig. 3), will create tolerance in stressed plant cells against severe oxidative cellular damage generated under Pb toxicity in plants through excessive ROS production. SOD acts as the foremost important defense antioxidative enzyme to salvage the extra ROS by regulating the production of superoxide . POD also plays a crucial role in scavenging the excess ROS in plant tissues under heavy metal toxicity heavy metal treatment caused declining
Figure 4. Ultrastructure of root cells of rice under Pb exposure and combined use of Si and Fe nanoparticles. Ultrathin sections of rice seedlings treated with , and were observed by TEM. Semi-thin section observation under the application of , and (I, L, O). CW: Cell wall; V: Vacuole; ER: Endoplasmic reticulum; Xy: Xylem; Ph: Phloem; En: Endodermis; Ep: Epidermis
SOD enzyme activity in cotton (Gossypium hirsutum L.) seedlings because of high oxidative stress that might not have been enough to reduce the high accumulation of ROS produced by higher MDA contents than their controls. Here, heavy metal-induced cell toxicity caused an increased accumulation of ROS in rice plants under Pb -treatment, reducing the SOD enzyme activity. In the co-exposure scenario of Si – and along with Pb heavy metals, the increased SOD enzyme activity in rice seedlings suggests a potential mitigating effect on Pb induced oxidative stress. This elevation in SOD activity can be attributed to the lower levels of ROS observed in the rice seedlings exposed to Si – and compared to those treated with Pb alone. The presence of Si – and Fe-NPs seems to contribute to a reduced ROS burden within the plant cells, creating an environment with lower oxidative stress. Consequently, the SOD enzyme, being a crucial defense mechanism against excess ROS,
Figure 5. Influence of , and Fe nanoparticles on the degree of metal transporters and antioxidant-related genes’ expression. (A) superoxide dismutase (SOD), (B) peroxidase (POD), (C) catalase (CAT), (D) OsLSi1, (E) OsIRT2, and (F) OsHMA9 in rice seedlings.
Figure 6. Heat map of morphological and physiological indices of rice treated with silicon, iron, and lead. The indices include Fe nanoparticles contents in roots (Fe Root), shoots (Fe Shoot), Si nanoparticles contents in roots (Si Root), shoots (Si Shoot), Pb contents in roots (Pb Root), shoots (Pb Shoot), malondialdehyde (MDA), superoxide dismutase (SOD), shoot length (SL), chlorophyll a (Chl a), peroxidase (POD), chlorophyll b (Chl b), root fresh weight (RFW), carotenoids (CAR), glutathione (GSH), catalase (CAT), shoot length (SL), hydrogen peroxide ( ), and root length (RL).
Effect size (r)
Fe Si Pb
SL 0.908 0.899 0.778 0.962 0.124 0.308 0.501
RFW 0.832 0.784 0.816 0.979 0.021 0.429 0.656
RDW 0.811 0.891 0.939 0.952 0.386 0.524 0.209
SDW 0.933 0.822 0.951 0.961 0.201 0.636 0.125
Pb root 0.407 0.649 0.998 0.766 0.999 0.998 0.991
Pb shoot 0.702 0.938 0.996 0.880 0.995 0.999 0.998
Fe root 1.000 0.922 0.835 0.999 0.998 0.704 1.000
Fe shoot 0.998 0.018 0.847 0.981 0.996 0.354 0.987
Si root 0.908 0.999 0.976 0.999 0.976 0.997 0.997
Si shoot 0.032 0.996 0.522 0.998 0.547 0.999 0.995
SOD 0.989 0.983 0.843 0.992 0.994 0.993 0.997
POD 0.820 0.748 0.764 0.958 0.982 0.989 0.990
CAT 0.984 0.9785 0.922 0.998 0.993 0.996 0.998
GSH 0.972 0.969 0.927 0.984 0.976 0.975 0.988
Chl a 0.977 0.923 0.990 0.993 0.029 0.023 0.912
Chl b 0.977 0.879 0.856 0.919 0.716 0.674 0.679
Carotenoids 0.964 0.878 0.976 0.944 0.760 0.786 0.934
0.862 0.862 0.630 0.950 0.184 0.171 0.767
MDA 0.958 0.949 0.728 0.984 0.917 0.757 0.964
Table 2. Effect sizes of Pb , silicon, and iron nanoparticles on various parameters based on Cohen’s criteria. Small effect ; Moderate effect ; Large effect . Please see Table 1 for traits abbreviations.
experiences an upregulation in its activity. This increased SOD activity can be seen as a protective response, as it helps the plant cells manage and neutralize the potentially harmful effects of ROS, contributing to an overall enhancement of antioxidative defense mechanisms.
Similarly, positive effects of NPs were detected in other plant species, such as barley , rice , wheat , and okra . Co-application of Si- and Fe-NPs with heavy metals triggered the CAT activity, which was also reduced in Pb -stressed plants. We noticed a substantial rise in the CAT activity in the plants with co-exposure of Si – and under Pb metal treatments than control (Fig. 3). Both POD and CAT enzymes are crucial in reducing ROS accumulation and improving plant cell defense against heavy metal-induced oxidative stress. POD is a significant scavenging enzyme for under abiotic stress in plant cells. The co-application of Si and Fe-NPs with Pb heavy metal ions resulted in a notable increase in POD activity. This heightened POD activity indicates a reduction in levels within the rice seedlings, showcasing an effective mitigation of oxidative stress induced by Pb exposure. This observation aligns with recent research, such as the study in wheat, which demonstrated that the use of Fe-NPs increased the activity of the POD enzyme under exposure to . The collective presence of Si and Fe -NPs, along with heavy metals, exhibited an enhanced antioxidant activity within the plant tissues compared to seedlings treated solely with Pb . This suggests a synergistic effect between Si and Fe-NPs in alleviating oxidative stress, contributing to improved plant defense mechanisms against the detrimental impacts of heavy metal exposure.
The ROS scavenging systems or GSH can reclaim heavy metals in the vacuole . GSH can construct a complex with metals that, by vacuolar compartmentalization, could detoxify the heavy metals . Applying Si and Fe-NPs boosted the GSH concentration compared to the Pb treatment alone. Hence, the high activity of GSH helps in the detoxification of Pb . Si and Fe -NPs significantly reduced Pb uptake and translocation to leaves, decreasing Pb toxicity in rice seedlings. We concluded that alleviating oxidative stress in leaves and improving an antioxidant defense mechanism by Si and Fe -NPs may be directly associated with decreased Pb accumulation in leaves. Our results revealed that Fe and Si -NPs enhanced the expression patterns of CAT , SOD, and POD genes in comparison to the control, both alone and in combination (Fig. 5). Pb triggered a remarkable decrease in the degree of these genes’ expression, whereas both Si – and application in the rice seedlings improved the patterns of these genes’ expression under Pb stress (Fig. 5). The increased expression of these genes (OsSOD, , and ) were most likely due to the emission of Si and Fe ions from NPs. Importantly, the expression data are consistent with the minimal Pb deposition in rice shoots subjected to versus Pb treatment.
Several genes are involved in plants’ metal and heavy metal metabolism, from transport to bioaccumulation and assimilation . The mechanism was further refined by analyzing the genes involved in Pb absorption and translocation. OsHMA9, is identified as a key transporter gene involved in the uptake and bioaccumulation of . Under normal conditions, OsHMA9 expression is closely linked to the transportation of Pb within plants, indicating its significant role in Pb uptake and transport. Our results revealed that under the sole use of Fe – and Si-NPs treatments, the OsHMA9 expression recovered to control levels, showing that Pb absorption was successfully blocked. The higher expression levels of OsHMA9 in response to Pb exposure suggested its involvement in Pb uptake/transport, which was consistent with prior research that linked OsHMA9 to Pb transportation .
However, Fe and Si -NPs significantly reduced the expression patterns of , which related to the alleviation of Pb toxicity by NPs. Under Fe-NPs induction, expression increased dramatically in shoots, highlighting the excess of iron transporter proteins. Due to the favorable link between LCT1 expression and iron ions, it is suggested that the Fe ions emission from Fe-NPs causes elevated expression patterns of in the upper part of plants . Additionally, OsLSil is a gene associated with Si transport in rice plants . The study reveals that Si-NPs enhanced the expression patterns of OsLSi1. This increase in expression is noteworthy for its association with increased antioxidant activity and the transport of Si within rice plants. The application of Si -NPs contributes to the mitigation of Pb toxicity by influencing the expression of OsLSi1. Furthermore, OsIRT2 emerges as a gene linked to Fe absorption in rice roots . Under the influence of Fe -NPs, OsIRT2 is significantly up-regulated in rice roots. This upregulation is associated with enhanced Fe absorption in the roots, and the study suggests that the increased expression of OsIRT2 contributes to the alleviation of Pb toxicity. Here, high expression levels of OsLSi1 and OsIRT2 were detected under the application of Si and Fe nanoparticles, which also increased antioxidant enzymes activities and reduced ROS. These findings showed that Si – and Fe -NPs inhibited the expression patterns of Pb uptake and transporter genes in rice exposed to Pb stress. A recent study found that OsLSi1 reduces antioxidant activity and transports Si in rice . Similarly, OsIRT2 linked to Fe absorption in rice was significantly up-regulated in rice roots under Fe application . In short, these genes-OsHMA9, OsLSi1, and OsIRT2-play distinct roles in the context of Pb toxicity in rice plants. OsHMA9 is involved in Pb uptake and transport, OsLSi1 is associated with Si transport and antioxidant activity, and OsIRT2 is linked to Fe absorption. The interplay of these genes and their expressions collectively contribute to the effective reduction of Pb bioaccumulation and associated toxicity in rice plants.
We detected high Pb contents in roots and shoots, which may result in cellular structural damage and induce abnormalities (Fig. 4). In the present study, TEM observation displayed severe destruction of rice root cortex cells in Pb -stressed plants. In contrast, Si – and treatments enhanced the integrity of cell structure. A previous study showed that Si could recover cell ultrastructure in Cd -treated maize plants . Here, Pb -treated cells displayed more cell abnormalities, such as reduced root cell size and expanded cortical cell diameter, according to semi thin section analyses (Fig. 4). These findings agreed with prior studies that found comparable anomalies under cadmium exposure . Our findings displayed that the co-application of Fe – and Si -NP considerably enhanced the root ultrastructure properties and morphological traits under Pb stress. These cell structural and morphological improvements could be induced by the progressive effect of Si and on heavy metals, which previous investigations have described . Si can co-precipitate with heavy metals, whereas Si is present in various root cell wall regions . Here, vacuoles and cell walls were damaged by Pb treatment, but Si and treatments relieved cell structure.
In view of these findings, we suggest a scheme to characterize the mechanisms by which Si- and Fe-NPs reduce Pb stress (Fig. 7). Increased nutrient absorption, repair of Pb -induced ultra-structural damages, and activation of rice’s antioxidative defense capabilities are all ways in which Si- and Fe-NPs help rice seedlings recover from the growth inhibition caused by Pb toxicity. from and competing for the same
Figure 7. The theorized mechanisms by which iron oxide ( ) and silicon oxide ( ) nanoparticles alleviate lead (Pb) toxicity. CAT, catalase; ROS, reactive oxygen species; POD, peroxidase; SOD, superoxide dismutase; As a result of oxidative stress, destruction of cell membranes, upregulation of metal transporters, impairment of photosynthesis, and plant growth, rice plants subjected to Pb stress have higher concentrations of Pb in their roots and shoots. Application of synergistic exogenous Fe – and reduces Pb toxicity in roots and shoots, boosts photosynthesis and nutritional uptake, and strengthens Fe – and Si -mediated signaling and antioxidative defense. The up-regulation depicted by the red arrow and the down-regulation depicted by the green arrow both occur in response to Fe – and under Pb stress.
metal transporters may also limit Pb ion absorption and accumulation in rice seedlings (Fig. 7). While our study provides valuable insights into the potential of Si and in mitigating Pb toxicity in rice plants, it is important to acknowledge certain limitations. Firstly, the study primarily focused on the short-term effects, and long-term implications of NPs application, which need further investigation to understand their sustained efficacy and any potential ecological impacts. Additionally, the study was conducted under controlled laboratory conditions, and the translation of these findings to real-world field scenarios requires careful consideration. The specific mechanisms of NPs interaction with soil microbes and their long-term effects on soil health and ecosystem stability remain areas of uncertainty. Future research should address these limitations by conducting field trials to validate the effectiveness of Si and Fe nanoparticles in actual contaminated soil environments. Furthermore, assessing the potential risks associated with the application of NPs, such as unintended consequences on non-target organisms and soil microbial communities, should be a focus of future investigations. Recommendations include comprehensive field studies, assessing the long-term effects, and incorporating ecological considerations to ensure the safe and effective application of Si and Fe nanoparticles for mitigating heavy metal toxicity in agricultural soils.

Conclusions

Our results showed that Pb stress caused severe damage to rice seedlings, which reduces enzymatic activities and biomass accumulation. The modifications in the POD, CAT, and SOD enzymatic activities of leaves displayed the effects of Pb toxicity, which produce free oxygen radicals. TEM and semi-thin sectioning allowed us to identify many cell abnormalities, such as malformed cell walls, mitochondria, pericycle, epidermis, endodermis, and cortex. However, the synergistic use of Fe – and Si -NPs repressed the lethal effects of Pb in rice seedlings by altering the cellular, metabolic, and morphological traits. The results of Cohen’s d and PCA analysis indicated a significant and strong positive correlation between the presence of Fe – and Si -NPs with the observed morphological characteristics and antioxidant activities under Pb toxicity. Both Si and Fe -NPs can suppress oxidative stress and adjust the antioxidant defense system in plants by modulating the expression patterns of metal transporters, such as OsHMA9, OsLSi1, and OsIRT2. These results indicate that the combined use of Si – and Fe NPs can mitigate the harmful effects of Pb exposure on rice plants more effectively than using either kind of nanoparticle alone. Si – and play the most critical role in reducing Pb concentrations in rice and preventing its translocation from the plant’s roots to aerial portions, finally reducing cell damage.

Data availability

The datasets used and/or analyzed during the current study are available from the corresponding author on reasonable request.
Received: 14 October 2023; Accepted: 28 February 2024
Published online: 12 March 2024

References

  1. Zulfiqar, U. et al. Lead toxicity in plants: Impacts and remediation. J. Environ. Manage. 250, 109557 (2019).
  2. Ali, H., Khan, E. & Ilahi, I. Environmental chemistry and ecotoxicology of hazardous heavy metals: Environmental persistence, toxicity, and bioaccumulation. J. Chem. 2019, 1-14 (2019).
  3. Agarwal, P., Vibhandik, R., Agrahari, R., Daverey, A. & Rani, R. Role of root exudates on the soil microbial diversity and biogeochemistry of heavy metals. Appl. Biochem. Biotechnol. https://doi.org/10.1007/s12010-023-04465-2 (2023).
  4. Baldantoni, D., Morra, L., Zaccardelli, M. & Alfani, A. Cadmium accumulation in leaves of leafy vegetables. Ecotoxicol. Environ Saf 123, 89-94 (2016).
  5. Chibowska, K. et al. Pre- and neonatal exposure to lead (Pb) induces neuroinflammation in the forebrain cortex, hippocampus and cerebellum of rat pups. IJMS 21, 1083 (2020).
  6. Vega, F. A., Andrade, M. L. & Covelo, E. F. Influence of soil properties on the sorption and retention of cadmium, copper and lead, separately and together, by 20 soil horizons: Comparison of linear regression and tree regression analyses. J. Hazard Mater 174, 522-533 (2010).
  7. Saghi, A., Rashed Mohassel, M. H., Parsa, M. & Hammami, H. Phytoremediation of lead-contaminated soil by Sinapis arvensis and Rapistrum rugosum. Int. J. Phytoremediat. 18, 387-392 (2016).
  8. Hakeem, K. R., Alharby, H. F. & Rehman, R. Antioxidative defense mechanism against lead-induced phytotoxicity in Fagopyrum kashmirianum. Chemosphere 216, 595-604 (2019).
  9. Feng, L. et al. Carbonate-bound Pb percentage distribution in agricultural soil and its toxicity: Impact on plant growth, nutrient cycling, soil enzymes, and functional genes. J. Hazard. Mater. 451, 131205 (2023).
  10. Le, Q. H., Tran, D. D., Chen, Y.-C. & Nguyen, H. L. Risk of lead exposure from transport stations to human health: A case study in the Highland Province of Vietnam. Toxics 7, 48 (2019).
  11. Islam, M. S. et al. Assessment of heavy metals in foods around the industrial areas: Health hazard inference in Bangladesh. Geocarto Int. 35(3), 280-295. https://doi.org/10.1080/10106049.2018.1516246 (2020).
  12. Zhou, J., Zhang, Z., Zhang, Y., Wei, Y. & Jiang, Z. Effects of lead stress on the growth, physiology, and cellular structure of privet seedlings. PLoS ONE 13, e0191139 (2018).
  13. Aslam, M. et al. Lead toxicity in cereals: Mechanistic insight into toxicity, mode of action, and management. Front. Plant Sci. 11, 587785 (2021).
  14. Ghouri, F. et al. Alleviated lead toxicity in rice plant by co-augmented action of genome doubling and nanoparticles on gene expression, cytological and physiological changes. Sci. Total Environ 911, 168709 (2024).
  15. Ashraf, U. et al. Lead toxicity in rice: Effects, mechanisms, and mitigation strategies-A mini review. Environ. Sci. Pollut. Res. 22, 18318-18332 (2015).
  16. Ashraf, U. et al. Lead (Pb) toxicity: Physio-biochemical mechanisms, grain yield, quality, and Pb distribution proportions in scented rice. Front. Plant Sci. 8, 259 (2017).
  17. The Combined Strategy for iron uptake is not exclusive to domesticated rice (Oryza sativa) | Scientific Reports. https://www.nature. com/articles/s41598-019-52502-0.
  18. Liang, G. Iron uptake, signaling, and sensing in plants. Plant Commun. 3, 100349 (2022).
  19. Debona, D., Rodrigues, F. A. & Datnoff, L. E. Silicon’s role in abiotic and biotic plant stresses. Annu. Rev. Phytopathol. 55, 85-107 (2017).
  20. Etesami, H. & Jeong, B. R. Silicon (Si): Review and future prospects on the action mechanisms in alleviating biotic and abiotic stresses in plants. Ecotoxicol. Environ. Saf. 147, 881-896 (2018).
  21. Yu, H.-Y. et al. The availabilities of arsenic and cadmium in rice paddy fields from a mining area: The role of soil extractable and plant silicon. Environ. Pollut. 215, 258-265 (2016).
  22. Cai, Y. et al. The Cd sequestration effects of rice roots affected by different Si management in Cd -contaminated paddy soil. Sci. Total Environ. 849, 157718 (2022).
  23. Ghouri, F. et al. The protective role of tetraploidy and nanoparticles in arsenic-stressed rice: Evidence from RNA sequencing, ultrastructural and physiological studies. J. Hazard. Mater. 458, 132019 (2023).
  24. Lai, M. et al. Modulation of metal transporters, oxidative stress and cell abnormalities by synergistic application of silicon and titanium oxide nanoparticles: A strategy for cadmium tolerance in rice. Chemosphere 345, 140439 (2023).
  25. Hokkanen, S., Repo, E., Lou, S. & Sillanpää, M. Removal of arsenic(V) by magnetic nanoparticle activated microfibrillated cellulose. Chem. Eng. J. 260, 886-894 (2015).
  26. Ali, A. et al. Synthesis, characterization, applications, and challenges of iron oxide nanoparticles. NSA 9, 49-67 (2016).
  27. Xu, P. et al. Use of iron oxide nanomaterials in wastewater treatment: A review. Sci. Total Environ. 424, 1-10 (2012).
  28. Latif, A. et al. Remediation of heavy metals polluted environment using Fe-based nanoparticles: Mechanisms, influencing factors, and environmental implications. Environ. Pollut. 264, 114728 (2020).
  29. Hussain, A. et al. Responses of wheat (Triticum aestivum) plants grown in a Cd contaminated soil to the application of iron oxide nanoparticles. Ecotoxicol. Environ. Saf. 173, 156-164 (2019).
  30. Zou, Y. et al. Environmental remediation and application of nanoscale zero-valent iron and its composites for the removal of heavy metal ions: A review. Environ. Sci. Technol. 50, 7290-7304 (2016).
  31. Khan, S. et al. Biosynthesized iron oxide nanoparticles ( NPs) mitigate arsenic toxicity in rice seedlings. Toxics 9, 2 (2020).
  32. Chen, R., Zhang, C., Zhao, Y., Huang, Y. & Liu, Z. Foliar application with nano-silicon reduced cadmium accumulation in grains by inhibiting cadmium translocation in rice plants. Environ. Sci. Pollut. Res. 25, 2361-2368 (2018).
  33. Du, J. et al. Silica nanoparticles protect rice against biotic and abiotic stresses. J. Nanobiotechnol. 20, 197 (2022).
  34. Li, Y. et al. Silica nanoparticles promote wheat growth by mediating hormones and sugar metabolism. J. Nanobiotechnol. 21, 2 (2023).
  35. Tripathi, D. K. et al. Silicon nanoparticles more efficiently alleviate arsenate toxicity than silicon in maize cultiver and hybrid differing in arsenate tolerance. Front. Environ. Sci. 4, 46 (2016).
  36. Saritha, G. N. G., Anju, T. & Kumar, A. Nanotechnology-Big impact: How nanotechnology is changing the future of agriculture?. J. Agric. Food Res. 10, 100457 (2022).
  37. Malik, S., Muhammad, K. & Waheed, Y. Nanotechnology: A revolution in modern industry. Molecules 28, 661 (2023).
  38. Rizwan, M. et al. Effect of metal and metal oxide nanoparticles on growth and physiology of globally important food crops: A critical review. J. Hazard. Mater. 322, 2-16 (2017).
  39. Manzoor, N. et al. Iron oxide nanoparticles ameliorated the cadmium and salinity stresses in wheat plants, facilitating photosynthetic pigments and restricting cadmium uptake. Sci. Total Environ. 769, 145221 (2021).
  40. Haydar, M. S., Ghosh, S. & Mandal, P. Application of iron oxide nanoparticles as micronutrient fertilizer in mulberry propagation. J. Plant Growth Regul. 41, 1726-1746 (2022).
  41. Liu, R., Zhang, H. & Lal, R. Effects of stabilized nanoparticles of copper, zinc, manganese, and Iron oxides in low concentrations on lettuce (Lactuca sativa) seed germination: Nanotoxicants or nanonutrients?. Water Air Soil Pollut. 227, 42 (2016).
  42. Iannone, M. F. et al. Impact of magnetite iron oxide nanoparticles on wheat (Triticum aestivum L.) development: Evaluation of oxidative damage. Environ. Exp. Bot. 131, 77-88 (2016).
  43. Lichtenthaler, H. K. [34] Chlorophylls and carotenoids: Pigments of photosynthetic biomembranes. In Methods in Enzymology vol. 148 350-382 (Academic Press, 1987).
  44. Ghouri, F. et al. Polyploidy and zinc oxide nanoparticles alleviated Cd toxicity in rice by modulating oxidative stress and expression levels of sucrose and metal-transporter genes. J. Hazard. Mater. 448, 130991 (2023).
  45. Riaz, M., Kamran, M., Rizwan, M., Ali, S. & Wang, X. Foliar application of silica sol alleviates boron toxicity in rice (Oryza sativa) seedlings. J. Hazard. Mater. 423, 127175 (2022).
  46. Livak, K. J. & Schmittgen, T. D. Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the method. Methods 25, 402-408 (2001).
  47. Guo, G., Lei, M., Wang, Y., Song, B. & Yang, J. Accumulation of As, Cd, and Pb in sixteen wheat cultivars grown in contaminated soils and associated health risk assessment. IJERPH 15, 2601 (2018).
  48. Muramoto, S. Heavy metal tolerance of rice plants (Oryza sativa L.) to some metal oxides at the critical levels. J. Environ Sci. Health Part B 24, 559-656 (1989).
  49. Okant, M. & Kaya, C. The role of endogenous nitric oxide in melatonin-improved tolerance to lead toxicity in maize plants. Environ. Sci. Pollut. Res. 26, 11864-11874 (2019).
  50. Li, L. et al. Silicate-mediated alleviation of Pb toxicity in banana grown in Pb -contaminated soil. Biol. Trace Elem. Res. 145, 101-108 (2012).
  51. Saman, R. U. et al. Foliar application of ethylenediamine tetraacetic acid (EDTA) improves the growth and yield of brown mustard (Brassica juncea) by modulating photosynthetic pigments, antioxidant defense, and osmolyte production under lead (Pb) stress. Plants 12, 115 (2022).
  52. Riaz, M. et al. Cadmium uptake and translocation: selenium and silicon roles in Cd detoxification for the production of low Cd crops: A critical review. Chemosphere 273, 129690 (2021).
  53. Fisiologia Vegetal, Departamento de Biologia, Universidade Federal de Lavras, Lavras, Minas Gerais, Brasil et al. Copper (Cu) stress affects carbon and antioxidant metabolism in Coffea arabica seedlings. Aust J Crop Sci 11, 960-967 (2017).
  54. Konate, A. et al. Magnetic ( ) nanoparticles reduce heavy metals uptake and mitigate their toxicity in wheat seedling. Sustainability 9, 790 (2017).
  55. Ma, J. et al. Bacillus mycoides PM35 in combination with titanium dioxide ( )__Nanoparticles enhanced morpho-physiobiochemical attributes in Barley (Hordeum vulgare L.) under cadmium stress. Chemosphere 323, 138224 (2023).
  56. Hussain, B. et al. Foliage application of selenium and silicon nanoparticles alleviates Cd and Pb toxicity in rice (Oryza sativa L .). Sci. Total Environ. 712, 136497 (2020).
  57. Rizwan, M. et al. Effects of nanoparticles on trace element uptake and toxicity in plants: A review. Ecotoxicol. Environ. Saf. 221, 112437 (2021).
  58. Hussain, A., Rizwan, M., Ali, Q. & Ali, S. Seed priming with silicon nanoparticles improved the biomass and yield while reduced the oxidative stress and cadmium concentration in wheat grains. Environ. Sci. Pollut. Res. 26, 75`79-7588 (2019).
  59. Ur Rahman, S. et al. Silicon elevated cadmium tolerance in wheat (Triticum aestivum L.) by endorsing nutrients uptake and antioxidative defense mechanisms in the leaves. Plant Physiol. Biochem. 166, 148-159 (2021).
  60. Ogunkunle, C. O. et al. Foliar application of nanoceria attenuated cadmium stress in okra (Abelmoschus esculentus L.). J. Hazard. Mater. 445, 130567 (2023).
  61. Huang, Y. et al. Enhanced vacuole compartmentalization of cadmium in root cells contributes to glutathione-induced reduction of cadmium translocation from roots to shoots in pakchoi (Brassica chinensis L.). Ecotoxicol. Environ. Saf. 208, 111616 (2021).
  62. Shi, G. et al. Sulfur reduces the root-to-shoot translocation of arsenic and cadmium by regulating their vacuolar sequestration in wheat (Triticum aestivum L.). Front. Plant Sci. 13, 1032681 (2022).
  63. Leyser, O. Auxin signaling. Plant Physiol. 176, 465-479 (2018).
  64. Lee, S., Kim, Y.-Y., Lee, Y. & An, G. Rice P1B-type heavy-metal ATPase, OsHMA9, is a metal efflux protein. Plant Physiol. 145, 831-842 (2007).
  65. Huang, G. et al. Regulation of iron and cadmium uptake in rice roots by iron(III) oxide nanoparticles: Insights from iron plaque formation, gene expression, and nanoparticle accumulation. Environ. Sci. Nano 9, 4093-4103 (2022).
  66. Lin, Y. et al. Deficiency in silicon transporter Lsi1 compromises inducibility of anti-herbivore defense in rice plants. Front. Plant Sci. 10, 652 (2019).
  67. Itai, R. N., Ogo, Y., Kobayashi, T., Nakanishi, H. & Nishizawa, N. K. Rice genes involved in phytosiderophore biosynthesis are synchronously regulated during the early stages of iron deficiency in roots. Rice 6, 16 (2013).
  68. Fang, C. et al. Lsil modulates the antioxidant capacity of rice and protects against ultraviolet-B radiation. Plant Sci. 278, 96-106 (2019).
  69. Wang, P., Yamaji, N., Inoue, K., Mochida, K. & Ma, J. F. Plastic transport systems of rice for mineral elements in response to diverse soil environmental changes. New Phytol. 226, 156-169 (2020).
  70. Vaculík, M., Pavlovič, A. & Lux, A. Silicon alleviates cadmium toxicity by enhanced photosynthetic rate and modified bundle sheath’s cell chloroplasts ultrastructure in maize. Ecotoxicol. Environ. Saf. 120, 66-73 (2015).
  71. Pompeu, G. B. et al. Abscisic acid-deficient sit tomato mutant responses to cadmium-induced stress. Protoplasma 254, 771-783 (2017).
  72. Van Bockhaven, J., De Vleesschauwer, D. & Höfte, M. Towards establishing broad-spectrum disease resistance in plants: Silicon leads the way. J. Exp. Bot. 64, 1281-1293 (2013).
  73. Bhat, J. A. et al. Role of silicon in mitigation of heavy metal stresses in crop plants. Plants 8, 71 (2019).
  74. Głazowska, S. et al. The impact of silicon on cell wall composition and enzymatic saccharification of Brachypodium distachyon. Biotechnol. Biofuels 11, 171 (2018).

Acknowledgements

Ms. Yu Shuhong and the other lab employees’ assistance with the tests and analyses is gratefully acknowledged by the authors.

Author contributions

The study conception and design were performed by MQS, XDL and SA. Investigation, validation, data collection, and analysis were performed by FG, SS, JL, HA, MR, MI, ML and LS. MQS, SA, MR, SS, and FH. Wrote and reviewed the manuscript. All authors read and approved the final manuscript.

Funding

This work was supported by Guangdong Base Bank for Lingnan Rice Germplasm Resources Project (2023), the Laboratory of Lingnan Modern Agriculture Project (NT2021001), and National Natural Science Foundation of China (NSFC) (32350610253).

Competing interests

The authors declare no competing interests.

Additional information

Supplementary Information The online version contains supplementary material available at https://doi.org/ 10.1038/s41598-024-55810-2.
Correspondence and requests for materials should be addressed to S.A., X.L. or M.Q.S.
Reprints and permissions information is available at www.nature.com/reprints.
Publisher’s note Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.
Open Access This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License, which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons licence, and indicate if changes were made. The images or other third party material in this article are included in the article’s Creative Commons licence, unless indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the article’s Creative Commons licence and your intended use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain permission directly from the copyright holder. To view a copy of this licence, visit http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
© The Author(s) 2024

  1. State Key Laboratory for Conservation and Utilization of Subtropical Agro-Bioresources, Guangdong Laboratory for Lingnan Modern Agriculture, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China. Guangdong Provincial Key Laboratory of Plant Molecular Breeding, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China. Guangdong Base Bank for Lingnan Rice Germplasm Resources, College of Agriculture, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China. Department of Botany, Government College University, Faisalabad 38000, Pakistan. Key Laboratory of Vegetation Restoration and Management of Degraded Ecosystems, South China Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510650, China. Department of Environmental Sciences, Government College University, Faisalabad 38000, Pakistan. Department of Biological Sciences and Technology, China Medical University, Taichung 40402, Taiwan. These authors contributed equally: Fozia Ghouri and Samreen Sarwar. email: shafaqataligill@yahoo.com; xdliu@scau.edu.cn; qasim@scau.edu.cn