DOI: https://doi.org/10.1186/s44399-025-00024-8
تاريخ النشر: 2026-01-05
المؤلف: Seher Toprak وآخرون
الموضوع الرئيسي: استجابات النباتات للضغط والتحمل
نظرة عامة
تبحث الدراسة في إمكانية استخدام جزيئات أكسيد الزنك النانوية (ZnO NPs) للتخفيف من إجهاد الحرارة في محصولين، الفلفل (Capsicum annuum L.) والبطيخ (Citrullus lanatus L.)، تحت ظروف درجات حرارة مرتفعة (35 °م). باستخدام تصميم متعدد الجينات، تكشف الدراسة أن إجهاد الحرارة يؤثر بشكل كبير على نمو النباتات، كما يتضح من الانخفاضات في قراءات SPAD، ومقاييس النمو، والكتلة الحيوية (p < 0.05). أظهر تطبيق ZnO NPs بتركيز 100 ملغ L⁻¹ فعالية متغيرة عبر الجينات؛ على سبيل المثال، في جين الفلفل P2، زادت مستويات SPAD بحوالي 35% والوزن الجاف بحوالي 33% مقارنةً بالتحكم في الحرارة، بينما أظهر جين البطيخ W1 زيادة ملحوظة في طول الساق والوزن الطازج. ومع ذلك، أظهر الجين W2 استجابات محدودة أو سلبية، مما يشير إلى حساسية تجاه Zn عند التركيز المختبر. تشير النتائج إلى أن ZnO NPs يمكن أن تخفف من الأضرار الناتجة عن الحرارة، لكن التأثيرات تعتمد بشكل كبير على الجين المحدد. سلطت التحليلات متعددة المتغيرات، بما في ذلك تحليل المكونات الرئيسية (PCA) وأهمية المتغيرات في الإسقاط (PLS-VIP)، الضوء على خصائص SPAD والكتلة الحيوية كمؤشرات رئيسية لاستجابة ZnO، حيث كان PCA فعالًا في التمييز بين المجموعات المتأثرة بالحرارة ومجموعات التحكم. على الرغم من الطبيعة الاستكشافية لهذه النتائج بسبب مجموعة البيانات الصغيرة وقوة التنبؤ المنخفضة، تؤكد الدراسة على ضرورة وجود استراتيجيات مستندة إلى الجينات في تطبيق ZnO NPs لتحقيق أقصى استفادة مع تقليل السمية المحتملة. يجب أن توسع الأبحاث المستقبلية تنوع الجينات، وتستكشف علاقات الجرعة والاستجابة، وتقييم الآثار البيئية لتسهيل التطبيق العملي لـ ZnO NPs في البيئات الزراعية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحديات الملحة التي تفرضها التغيرات المناخية العالمية والتلوث البيئي، مع التركيز بشكل خاص على الضغوط غير الحيوية مثل الجفاف، والملوحة، ودرجات الحرارة القصوى التي تؤثر سلبًا على إنتاجية الزراعة. تؤدي درجات الحرارة المرتفعة، على وجه الخصوص، إلى تعطيل العمليات الفسيولوجية في المحاصيل الخضرية، خاصة في المناطق الاستوائية وشبه الاستوائية، مما يؤدي إلى ضعف استقرار الأغشية وتغيير في عملية التمثيل الضوئي. للتخفيف من هذه التأثيرات، تستخدم النباتات آليات تكيفية متنوعة، بما في ذلك إنتاج بروتينات الصدمة الحرارية (HSPs) وإنزيمات مضادة للأكسدة. ومع ذلك، قد تكون هذه الاستجابات غير كافية في ظل ظروف الإجهاد الشديد، مما يدفع إلى استكشاف حلول قائمة على تكنولوجيا النانو، وتحديدًا جزيئات أكسيد الزنك النانوية (ZnO NPs)، التي أظهرت وعدًا في تعزيز مرونة النباتات من خلال تحسين الامتصاص الورقي وتعديل الخصائص الفسيولوجية المتعلقة بالإجهاد.
تهدف الدراسة إلى التحقيق في تأثيرات التطبيق الورقي لـ ZnO NPs على ثلاثة جينات من كل من الفلفل (Solanaceae) والبطيخ (Cucurbitaceae) تحت إجهاد درجات الحرارة المرتفعة. تعتبر هذه التحليل المقارن مهمًا لأنه يتناول الهياكل السقفية المميزة وأنماط استخدام المياه لهذه المحاصيل، التي غالبًا ما تزرع في مناطق متداخلة. من خلال استخدام التحليلات متعددة المتغيرات، بما في ذلك تحليل المكونات الرئيسية (PCA) وأهمية المتغيرات في الإسقاط (PLS-VIP)، تسعى الأبحاث إلى دمج وترتيب الخصائص المرتبطة، مما يوضح استجابات الجينات المحددة لعلاج ZnO. لا تعزز هذه المنهجية فقط فهم التكيفات الفسيولوجية والمورفولوجية لهذه المحاصيل تحت الضغط، ولكنها تدعم أيضًا تطوير توصيات زراعية على مستوى النظام.
طرق البحث
في هذه الدراسة، استخدم الباحثون خطوط تربية متقدمة من الفلفل (الجينات P1-P3) وخطوط مربية من البطيخ (الجينات W1-W3) للتحقيق في تحمل الإجهاد. استخدم التصميم التجريبي ترتيبًا عامليًا يجمع بين الأنواع والجينات وعوامل المعالجة في إعداد عشوائي تمامًا، مع ثلاث تكرارات تتكون من خمس نباتات لكل منها. يسمح هذا التصميم بتحليل شامل لتأثيرات العلاجات المختلفة على الجينات المختارة.
تم أخذ القياسات بعد 15 يومًا من بدء المعالجة، مع التركيز على خصائص النمو المختلفة، بما في ذلك مؤشر SPAD، عدد الأوراق، قطر الساق، طول الساق، طول الجذر، عرض الورقة، طول الورقة، الوزن الطازج، والوزن الجاف. تم قياس مؤشر SPAD باستخدام جهاز SPAD-502 Plus، بينما تم تقييم طول الساق والجذر باستخدام مسطرة رقمية. تم تسجيل أبعاد الأوراق باستخدام كاليبر رقمي، وتم قياس الوزن الطازج عند الحصاد، بينما تم تحديد الوزن الجاف بعد تجفيف العينات في فرن عند 70 °م لمدة 48 ساعة حتى تم تحقيق كتلة ثابتة. توفر هذه المنهجية إطارًا قويًا لتقييم استجابات النمو للجينات المختارة تحت ظروف الإجهاد.
النتائج
تحققت الدراسة في الاستجابات المورفولوجية والفسيولوجية لجينات الفلفل (C. annuum L.) والبطيخ (C. lanatus) تجاه إجهاد درجات الحرارة المرتفعة (35 °م) وتأثيرات التخفيف لجزيئات أكسيد الزنك (ZnO). أظهرت النتائج أن التعرض لدرجات حرارة مرتفعة أثر بشكل كبير على القدرة التمثيلية الضوئية، ومعايير النمو، وإنتاج الكتلة الحيوية في كلا النوعين (p < 0.05). ومع ذلك، وُجد أن تطبيق جزيئات ZnO النانوية يخفف جزئيًا من هذه التأثيرات الضارة، مع اختلاف درجة التخفيف بين الجينات المختلفة. لفهم شامل للنتائج، يتم تقديم إحصائيات مفصلة ونتائج محددة في الجداول من 1 إلى 6 والأشكال من 1 إلى 3، والتي تسلط الضوء على الأنماط الرئيسية في البيانات مع الحفاظ على الوضوح في السرد.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في تأثيرات جزيئات أكسيد الزنك النانوية (ZnO NPs) على استجابات إجهاد الحرارة في محصولين، الفلفل (Capsicum annuum) والبطيخ (Citrullus lanatus)، تحت ظروف محكومة. شملت التجربة ثلاث علاجات: تحكم عند 25 °م، وإجهاد حراري عند 35 °م، وإجهاد حراري مع تطبيق ورقي لـ ZnO NPs. أشارت النتائج إلى أن ZnO NPs حسنت بشكل كبير القدرة التمثيلية الضوئية (المقاسة بواسطة قيم SPAD) ومعايير النمو (مثل طول الساق والجذر) بطريقة تعتمد على الجين. على سبيل المثال، في الفلفل، أظهر الجين P2 تعافيًا ملحوظًا في قيم SPAD والكتلة الحيوية تحت إجهاد الحرارة مع علاج ZnO، بينما أظهر الجين P3 زيادة في طول الجذر وعرض الورقة. على النقيض، أظهر الجين W2 من البطيخ حساسية عالية تجاه إجهاد الحرارة واستجابة ضئيلة لـ ZnO، مما يبرز أهمية اختيار الجين لتطبيق ZnO الفعال.
كشفت التحليلات متعددة المتغيرات، بما في ذلك تحليل المكونات الرئيسية (PCA) والانحدار باستخدام أقل المربعات (PLS)، أن الخصائص المتعلقة بالكتلة الحيوية وقيم SPAD كانت المؤشرات الأكثر تأثيرًا لاستجابة ZnO. تشير النتائج إلى أن ZnO NPs يمكن أن تخفف من آثار إجهاد الحرارة من خلال استقرار محتوى الكلوروفيل وتعزيز النمو، على الرغم من أن الاستجابات اختلفت بشكل كبير بين الجينات. تؤكد الدراسة على الحاجة إلى تحسين تطبيق ZnO بشكل محدد للجينات لتحقيق أقصى الفوائد وتقليل السمية المحتملة. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تقييمات أوسع للجينات، وعلاقات الجرعة والاستجابة، والتجارب الميدانية لتقييم الجدوى الزراعية لـ ZnO NPs في تعزيز مرونة المحاصيل تجاه إجهاد الحرارة.
القيود
تسلط فقرة القيود الضوء على قيود الدراسة، خاصة فيما يتعلق بتحديد SPAD والكتلة الحيوية كمؤشرات لفعالية أكسيد الزنك (ZnO) في تخفيف إجهاد درجات الحرارة المرتفعة في الفلفل والبطيخ. بينما يدعم دمج التعلم الآلي (ML) مع التحليلات التجريبية النتائج، فإن الاستنتاجات المستخلصة محدودة من قبل مجموعة البيانات الصغيرة والأداء التنبؤي المنخفض أثناء التحقق، مما يشير إلى أن النتائج يجب أن تُعتبر استكشافية.
علاوة على ذلك، يقدم الجمع بين تكنولوجيا النانو والنهج المعتمد على البيانات طرقًا جديدة لفحص الجينات وإدارة الإجهاد بدقة في سياق التغير المناخي. يجب أن تهدف الأبحاث المستقبلية إلى تعزيز قوة تحليلات التجميع من خلال دمج مقاييس إضافية، مثل درجات السيلويت، للتحقق من التجميعات بشكل أكثر فعالية.
DOI: https://doi.org/10.1186/s44399-025-00024-8
Publication Date: 2026-01-05
Author(s): Seher Toprak et al.
Primary Topic: Plant Stress Responses and Tolerance
Overview
The research investigates the potential of foliar zinc oxide nanoparticles (ZnO NPs) to mitigate heat stress in two crops, pepper (Capsicum annuum L.) and watermelon (Citrullus lanatus L.), under high-temperature conditions (35 °C). Utilizing a multi-genotype design, the study reveals that heat stress significantly impairs plant growth, as evidenced by reductions in SPAD readings, growth metrics, and biomass (p < 0.05). The application of ZnO NPs at a concentration of 100 mg L⁻¹ demonstrated variable effectiveness across genotypes; for instance, in pepper genotype P2, SPAD levels increased by approximately 35% and dry weight by about 33% compared to heat controls, while watermelon genotype W1 exhibited a notable increase in shoot length and fresh weight. However, genotype W2 showed limited or negative responses, indicating a sensitivity to Zn at the tested concentration. The findings suggest that ZnO NPs can alleviate heat-induced damage, but the effects are highly dependent on the specific genotype. Multivariate analyses, including Principal Component Analysis (PCA) and Partial Least Squares Variable Importance in Projection (PLS-VIP), highlighted SPAD and biomass traits as key indicators of ZnO responsiveness, with PCA effectively distinguishing between heat-stressed and control groups. Despite the exploratory nature of these results due to the small dataset and low predictive power, the study underscores the necessity for genotype-informed strategies in the application of ZnO NPs to optimize their benefits while minimizing potential phytotoxicity. Future research should expand genotype diversity, explore dose-response relationships, and assess environmental impacts to facilitate the practical application of ZnO NPs in agricultural settings.
Introduction
The introduction highlights the pressing challenges posed by global climate change and environmental pollution, particularly focusing on abiotic stresses such as drought, salinity, and extreme temperatures that adversely affect agricultural productivity. High temperatures, in particular, disrupt physiological processes in vegetable crops, especially in tropical and subtropical regions, leading to compromised membrane stability and altered photosynthesis. To mitigate these effects, plants utilize various adaptive mechanisms, including the production of heat shock proteins (HSPs) and antioxidant enzymes. However, these responses may be inadequate under severe stress conditions, prompting the exploration of nanotechnology-based solutions, specifically zinc oxide nanoparticles (ZnO NPs), which have shown promise in enhancing plant resilience through improved foliar uptake and modulation of stress-related physiological traits.
The study aims to investigate the effects of foliar application of ZnO NPs on three genotypes each of pepper (Solanaceae) and watermelon (Cucurbitaceae) under high-temperature stress. This comparative analysis is significant as it addresses the distinct canopy architectures and water-use patterns of these crops, which are often cultivated in overlapping regions. By employing multivariate analyses, including principal component analysis (PCA) and partial least squares with variable-importance scores (PLS-VIP), the research seeks to integrate and rank correlated traits, thereby elucidating genotype-specific responses to ZnO treatment. This methodological approach not only enhances the understanding of the physiological and morphological adaptations of these crops under stress but also supports the development of system-level agricultural recommendations.
Methods
In this study, the researchers utilized advanced breeding lines of pepper (genotypes P1-P3) and inbred lines of watermelon (genotypes W1-W3) to investigate stress tolerance. The experimental design employed a factorial arrangement that combined species, genotype, and treatment factors in a completely randomized setup, with three replicates consisting of five plants each. This design allows for a comprehensive analysis of the effects of different treatments on the selected genotypes.
Measurements were taken 15 days post-treatment initiation, focusing on various growth traits, including the SPAD index, leaf number, stem diameter, shoot length, root length, leaf width, leaf length, fresh weight, and dry weight. The SPAD index was measured using a SPAD-502 Plus device, while shoot and root lengths were assessed with a digital ruler. Leaf dimensions were recorded using a digital caliper, and fresh weight was measured at harvest, with dry weight determined after oven-drying samples at 70 °C for 48 hours until a constant mass was achieved. This methodological approach provides a robust framework for evaluating the growth responses of the selected genotypes under stress conditions.
Results
The study investigated the morphological and physiological responses of pepper (C. annuum L.) and watermelon (C. lanatus) genotypes to high temperature stress (35 °C) and the mitigating effects of zinc oxide (ZnO) nanoparticles. Results demonstrated that exposure to elevated temperatures significantly impaired photosynthetic capacity, growth parameters, and biomass production in both species (p < 0.05). However, the application of ZnO nanoparticles was found to partially alleviate these detrimental effects, with the degree of mitigation varying among different genotypes. For a comprehensive understanding of the results, detailed statistics and specific findings are presented in Tables 1 through 6 and Figures 1 through 3, which highlight key patterns in the data while maintaining clarity in the narrative.
Discussion
In this study, the effects of zinc oxide nanoparticles (ZnO NPs) on heat stress responses in two crops, pepper (Capsicum annuum) and watermelon (Citrullus lanatus), were investigated under controlled conditions. The experiment involved three treatments: a control at 25 °C, heat stress at 35 °C, and heat stress combined with a foliar application of ZnO NPs. Results indicated that ZnO NPs significantly improved photosynthetic capacity (measured by SPAD values) and growth parameters (such as shoot and root length) in a genotype-specific manner. For instance, in pepper, genotype P2 exhibited a notable recovery in SPAD values and biomass under heat stress with ZnO treatment, while genotype P3 showed enhanced root length and leaf width. Conversely, watermelon genotype W2 demonstrated high sensitivity to heat stress and minimal response to ZnO, highlighting the importance of genotype selection for effective ZnO application.
Multivariate analyses, including Principal Component Analysis (PCA) and Partial Least Squares (PLS) regression, revealed that biomass-related traits and SPAD values were the most influential indicators of ZnO responsiveness. The findings suggest that ZnO NPs can mitigate heat stress effects by stabilizing chlorophyll content and enhancing growth, although responses varied significantly among genotypes. The study emphasizes the need for genotype-specific optimization of ZnO application to maximize benefits and minimize potential phytotoxicity. Future research should focus on broader genotype evaluations, dose-response relationships, and field trials to assess the agronomic viability of ZnO NPs in enhancing crop resilience to heat stress.
Limitations
The section on limitations highlights the constraints of the study, particularly regarding the identification of SPAD and biomass as indicators of zinc oxide (ZnO) effectiveness in alleviating high-temperature stress in pepper and watermelon. While the integration of machine learning (ML) with experimental analyses supports the findings, the conclusions drawn are limited by the small dataset and low predictive performance during validation, suggesting that the results should be viewed as exploratory.
Furthermore, the combination of nanotechnology and data-driven approaches presents new avenues for genotype screening and precision stress management in the context of climate change. Future research should aim to enhance the robustness of clustering analyses by incorporating additional metrics, such as silhouette scores, to validate the groupings more effectively.