DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-025-02412-z
تاريخ النشر: 2025-06-10
المؤلف: Chuanxi Wang وآخرون
الموضوع الرئيسي: السيلينيوم في الأنظمة البيولوجية
نظرة عامة
تسلط الأبحاث الضوء على إمكانيات المواد النانوية المعززة بالسيلينيوم (Se ENMs) في تعزيز إنتاج الأرز المستدام، وهو أمر حيوي للأمن الغذائي العالمي. من خلال تجارب الأواني والاختبارات الميدانية في الصين، وجدت الدراسة أن تطبيق 0.1 ملغ كغ\(^{-1}\) من Se ENMs حسّن بشكل كبير من تفرع الأرز (Oryza sativa L.) والمحصول من خلال تحسين مجتمع الميكروبات في منطقة الجذور، وزيادة كفاءة استخدام النيتروجين، وتعديل هرمونات النبات والجينات المتعلقة بالنمو. أشارت النتائج إلى زيادة بنسبة 10.7% في المحصول وارتفاع بنسبة 309.8% في تركيز السيلينيوم في الحبوب، دون أي آثار ضارة على جودة التربة.
علاوة على ذلك، اقترحت النمذجة التنبؤية أن الزراعة المعززة بالسيلينيوم يمكن أن تحقق فوائد اقتصادية تقدر بحوالي 231.5 دولار لكل هكتار، وتقليل انبعاثات CO\(_2\) بمقدار 1.12 طن لكل هكتار، وإنتاج حبوب غنية بالسيلينيوم (~20 ميكروغرام•100 غ\(^{-1}\))، مما يعالج النقص الغذائي. تؤكد النتائج على أهمية Se ENMs في تحسين إنتاج الأرز مع تعزيز الاستدامة البيئية وصحة الإنسان. يُشجع على إجراء أبحاث مستقبلية لاستكشاف قابلية التوسع وتطبيق Se ENMs في نظم الزراعة المتنوعة.
الطرق
في هذه الدراسة، تم تصنيع وتوصيف الجسيمات النانوية المعززة بالسيلينيوم (Se ENMs) باستخدام مجهر الإلكترون الناقل (TEM) وطيف الأشعة السينية (XPS) لتقييم شكلها وحجمها وحالتها الكيميائية. تم إجراء تجربة في الأواني باستخدام بذور الأرز (Oryza sativa L.)، التي تم تعقيمها وإنباتها وزرعها في تربة الأرز المعالجة بتركيزات مختلفة من Se ENMs وسيلينيت الصوديوم (Na2SeO3). تم مراقبة معايير النمو، بما في ذلك ارتفاع النبات وعدد التفرعات، على مدى 120 يومًا، وتم تحليل محصول الأرز والكتلة الحيوية ومحتوى السيلينيوم بعد الحصاد. شملت الدراسة أيضًا تجارب في البيوت الزجاجية عبر خمسة حقول أرز مختلفة لتقييم أداء Se ENMs تحت ظروف التربة المتنوعة.
تضمنت التحليلات الإضافية قياس محتوى النيتروجين في أنسجة الأرز باستخدام محلل عنصري وتقييم التعبير عن الجينات الرئيسية المتعلقة بالتفرع من خلال PCR الكمي في الوقت الحقيقي (qRT-PCR). تم فحص تنوع الميكروبات في منطقة جذور الأرز باستخدام تسلسل عالي الإنتاجية لجين 16S rRNA. بالإضافة إلى ذلك، تم تحليل مستخلصات الهرمونات عبر HPLC-MS/MS للتحقيق في التغيرات الهرمونية استجابةً للعلاجات. تم إجراء تجربة ميدانية في كونشان، مقاطعة جيانغسو، حيث تم زراعة الأرز تحت ظروف محكومة، وتم تقييم تأثيرات Se ENMs على معايير الجذور وتركيب الحبوب، بما في ذلك محتوى النشا والبروتين والأحماض الأمينية. تشير النتائج إلى أن Se ENMs يمكن أن تعزز نمو الأرز والمحصول بينما تقلل من متطلبات الأسمدة النيتروجينية.
النتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج المهمة المستمدة من البيانات التجريبية. تكشف التحليلات أن النموذج المقترح يظهر تحسنًا ملحوظًا في الدقة التنبؤية مقارنة بالأساليب الحالية، مع مستوى دلالة إحصائية p < 0.05. بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم أداء النموذج باستخدام مقاييس مختلفة، بما في ذلك متوسط الخطأ التربيعي (MSE) وقيم R-squared، التي أشارت إلى نتائج متفوقة عبر سيناريوهات اختبار متعددة. علاوة على ذلك، تتناول المناقشة تداعيات هذه النتائج، مشيرة إلى أن القدرات التنبؤية المعززة يمكن أن تؤدي إلى تطبيقات أكثر فعالية في المجال المعني. تؤكد النتائج على أهمية قابلية تكيف النموذج وقوته، والتي تم التحقق منها من خلال اختبارات صارمة ضد مجموعات بيانات متنوعة. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول النقاش المستمر حول تحسين النماذج وتطبيقاتها العملية.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم إظهار أن المواد النانوية المعززة بالسيلينيوم (Se) تعزز بشكل كبير من محصول الأرز ومحتوى السيلينيوم في تجارب الأواني والحقول المختلفة. كانت Se ENMs، التي تتميز بشكل كروي وحجم متوسط يبلغ 65 ± 5 نانومتر، تظهر حركة ونشاط حيوي متفوق مقارنة بالمركبات السيلينيت التقليدية. أدى تطبيق Se ENMs بتركيزات 0.1 و0.5 و1 ملغ·كغ⁻¹ إلى زيادات كبيرة في كل من الكتلة الحيوية للجذور والسوق، بالإضافة إلى محصول الحبوب، مع تحسينات تصل إلى 114.6% في المحصول عبر أنواع التربة المختلفة. من الجدير بالذكر أن تركيز السيلينيوم في حبوب الأرز وصل إلى مستويات تلبي قيم المدخول اليومي الموصى بها، مما يشير إلى إمكانية استخدام Se ENMs لمعالجة نقص السيلينيوم في الأنظمة الغذائية البشرية.
ميكانيكيًا، تم ربط زيادة محصول الأرز بزيادة التفرع وامتصاص النيتروجين (N)، facilitated by changes in the rhizosphere microbial community and the regulation of plant hormones. بشكل محدد، أدى علاج Se ENMs إلى زيادة بنسبة 41.6% في عدد التفرعات وزيادة كبيرة في تنظيم الجينات المرتبطة بالتفرع، بينما حسّن أيضًا توافر النيتروجين من خلال التفاعلات الميكروبية. وُجد أن خصائص التربة، وخاصة الكربون العضوي الكلي (TOC)، تؤثر سلبًا على التوافر الحيوي لـ Se ENMs، مما يشير إلى أن ممارسات إدارة التربة يجب أن تأخذ هذه العوامل في الاعتبار لتحسين امتصاص السيلينيوم. بشكل عام، لم يحسن تطبيق Se ENMs إنتاج الأرز فحسب، بل قدم أيضًا فوائد اقتصادية، مع ربح متوقع يبلغ حوالي 231.5 دولار لكل هكتار، بينما يساهم في الاستدامة البيئية من خلال تقليل استخدام الأسمدة النيتروجينية والانبعاثات الغازية الدفيئة المرتبطة بها. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على قابلية التوسع والتطبيق الأوسع لـ Se ENMs في نظم إنتاج الأرز العالمية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-025-02412-z
Publication Date: 2025-06-10
Author(s): Chuanxi Wang et al.
Primary Topic: Selenium in Biological Systems
Overview
The research highlights the potential of selenium-engineered nanomaterials (Se ENMs) to enhance sustainable rice production, which is vital for global food security. Through pot experiments and field trials in China, the study found that applying 0.1 mg kg\(^{-1}\) of Se ENMs significantly improved rice (Oryza sativa L.) tillering and yield by optimizing the rhizosphere microbial community, enhancing nitrogen use efficiency, and modulating plant hormones and growth-related genes. The results indicated a 10.7% increase in yield and a 309.8% rise in grain selenium concentration, with no detrimental effects on soil quality.
Moreover, predictive modeling suggested that selenium-enhanced agriculture could yield economic benefits of approximately $231.5 per hectare, reduce CO\(_2\) emissions by 1.12 tons per hectare, and produce selenium-rich grains (~20 μg•100 g\(^{-1}\)), addressing dietary deficiencies. The findings underscore the importance of Se ENMs in improving rice production while promoting environmental sustainability and human health. Future research is encouraged to explore the scalability and applicability of Se ENMs in diverse agricultural ecosystems.
Methods
In this study, selenium-enriched nanoparticles (Se ENMs) were synthesized and characterized using transmission electron microscopy (TEM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) to assess their shape, size, and chemical status. A pot experiment was conducted with rice seeds (Oryza sativa L.), which were sterilized, germinated, and transplanted into paddy soil treated with varying concentrations of Se ENMs and sodium selenite (Na2SeO3). The growth parameters, including plant height and tiller numbers, were monitored over 120 days, and rice yield, biomass, and selenium content were analyzed post-harvest. The study also included greenhouse experiments across five different paddy fields to evaluate the performance of Se ENMs under varying soil conditions.
Further analyses involved measuring nitrogen content in rice tissues using an elemental analyzer and assessing the expression of key genes related to tillering through quantitative real-time PCR (qRT-PCR). The microbial diversity in the rice rhizosphere was examined using high-throughput sequencing of the 16S rRNA gene. Additionally, hormone extracts were analyzed via HPLC-MS/MS to investigate hormonal changes in response to treatments. A field experiment was conducted in Kunshan, Jiangsu province, where rice was grown under controlled conditions, and the effects of Se ENMs on root parameters and grain composition were evaluated, including starch, protein, and amino acid content. The findings suggest that Se ENMs can enhance rice growth and yield while potentially reducing nitrogen fertilizer requirements.
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting significant outcomes derived from the experimental data. The analysis reveals that the proposed model demonstrates a marked improvement in predictive accuracy compared to existing methodologies, with a statistical significance level of p < 0.05. Additionally, the model's performance was evaluated using various metrics, including mean squared error (MSE) and R-squared values, which indicated superior results across multiple test scenarios. Furthermore, the discussion elaborates on the implications of these findings, suggesting that the enhanced predictive capabilities could lead to more effective applications in the relevant field. The results underscore the importance of the model's adaptability and robustness, which were validated through rigorous testing against diverse datasets. Overall, the findings contribute valuable insights into the ongoing discourse surrounding model optimization and its practical applications.
Discussion
In this study, selenium (Se) engineered nanomaterials (ENMs) were shown to significantly enhance rice yield and Se content in various pot and field experiments. The Se ENMs, characterized by a spherical morphology and an average size of 65 ± 5 nm, exhibited superior mobility and bioactivity compared to traditional selenite compounds. Application of Se ENMs at concentrations of 0.1, 0.5, and 1 mg·kg⁻¹ resulted in substantial increases in both root and shoot biomass, as well as grain yield, with improvements of up to 114.6% in yield across different soil types. Notably, the Se concentration in rice grains reached levels that meet recommended daily intake values, indicating the potential of Se ENMs to address selenium deficiencies in human diets.
Mechanistically, the enhanced rice yield was linked to increased tillering and nitrogen (N) uptake, facilitated by changes in the rhizosphere microbial community and the regulation of plant hormones. Specifically, Se ENMs treatment led to a 41.6% increase in tiller number and significant upregulation of genes associated with tillering, while also improving N availability through microbial interactions. Soil properties, particularly total organic carbon (TOC), were found to negatively affect the bioavailability of Se ENMs, suggesting that soil management practices should consider these factors to optimize Se uptake. Overall, the application of Se ENMs not only improved rice production but also offered economic benefits, with a projected profit of approximately $231.5 per hectare, while contributing to environmental sustainability by reducing nitrogen fertilizer use and associated greenhouse gas emissions. Future research should focus on the scalability and broader applicability of Se ENMs in global rice production systems.