DOI: https://doi.org/10.1016/j.plana.2025.100146
تاريخ النشر: 2025-02-01
المؤلف: Tashima Garg وآخرون
الموضوع الرئيسي: السيلينيوم في الأنظمة البيولوجية
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تأثير جزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs) وأنابيب الكربون متعددة الجدران (MWCNTs) وشكلها الهجين (SeNPs+MWCNTs) في التخفيف من إجهاد الملح (NaCl) في الأرز (Oryza sativa L.)، وهو محصول حساس بشكل خاص لملوحة التربة. تُظهر الدراسة أن العلاج الهجين بتركيز 160 ميكروغرام/مل يعزز بشكل كبير مختلف معايير النمو والإنتاج مقارنة بالعلاجات الفردية، بما في ذلك تحسينات في طول الساق (17%)، وطول الجذر (14%)، وخصائص الإنتاج الرئيسية مثل وزن الساق الجاف (32%) وعدد الأزهار (31%). يُعزى فعالية SeNPs+MWCNTs إلى تأثيراتها التآزرية، حيث تقلل SeNPs من الإجهاد التأكسدي وسُمّية Na⁺، بينما تعزز MWCNTs احتباس الماء وامتصاص العناصر الغذائية.
تؤكد النتائج على إمكانية استخدام المواد النانوية لتحسين إنتاجية الأرز في ظل الظروف المالحة، مما يساهم في الأمن الغذائي. ومع ذلك، تسلط الدراسة الضوء أيضًا على الحاجة إلى النظر بعناية في المخاطر البيئية المرتبطة بتطبيق الجزيئات النانوية، بما في ذلك استمرارها في البيئة وتفاعلاتها مع الميكروبات التربة. يتم اقتراح اتجاهات البحث المستقبلية، مع التركيز على أنظمة التوصيل المستهدفة بدقة والتقييمات البيئية طويلة الأجل، لضمان التكامل المستدام للتكنولوجيا النانوية في الزراعة.
مقدمة
تتناول مقدمة ورقة البحث التحدي الكبير الذي تطرحه ملوحة (NaCl) على إنتاجية المحاصيل، مما يهدد الأمن الغذائي العالمي، ويؤثر على حوالي 1.125 مليار هكتار من الأراضي. لقد دفعت الآثار السلبية لإجهاد NaCl على نمو النباتات والوظائف الفسيولوجية إلى استكشاف التكنولوجيا النانوية كحل محتمل. على وجه الخصوص، أظهرت الجزيئات النانوية، مثل أنابيب الكربون متعددة الجدران (MWCNTs) وجزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs)، وعدًا في التخفيف من الضغوط غير الحيوية من خلال تعزيز الكفاءة الضوئية، والتخلص من أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، وتحسين امتصاص الماء وتوصيل الثغور. ومع ذلك، فإن المخاوف بشأن السمية البيئية الناتجة عن الاستخدام المفرط للجزيئات النانوية تتطلب تحقيقًا دقيقًا.
تهدف هذه الدراسة إلى سد فجوة بحثية من خلال استكشاف التأثيرات التآزرية لـ SeNPs وMWCNTs في تخفيف إجهاد NaCl في نباتات الأرز، وهو محصول حساس للغاية للملوحة وحيوي لتغذية ما يقرب من نصف سكان العالم. تم إجراء تجربة ميدانية مع نباتات الأرز التي تعرضت لعلاجات NaCl بتركيزات 50 مليمول و100 مليمول، حيث تم تطبيق الجزيئات النانوية ورقيًا. تم تقييم فعالية العلاجات من خلال تحليل شامل لمعايير النمو والإنتاج، مدعومًا بتقنيات مثل المجهر الإلكتروني الماسح بالانبعاث الميداني (FESEM) وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) لتأكيد تخليق الجزيئات النانوية والتفاعل الهجين. تسعى هذه الدراسة إلى تقديم رؤى قيمة لتحسين إنتاجية المحاصيل وإدارة الأنظمة الزراعية المتأثرة بـ NaCl بشكل مستدام.
طرق البحث
تمت الدراسة في جامعة أكال في تالواندي سابو، بنجاب، الهند، مع التركيز على تأثيرات أنابيب الكربون متعددة الجدران (MWCNTs) وجزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs) على نباتات الأرز (DSR 122). تضمنت إعدادات التجربة زراعة بذور الأرز المعقمة في أكياس بولي إثيلين مليئة بمزيج من التربة والرمل وسماد المزرعة بنسبة 3:1:1. تم إنشاء اثني عشر مجموعة علاجية، بما في ذلك النباتات الضابطة وتلك التي تعرضت لتركيزات مختلفة من NaCl (50 مليمول و100 مليمول)، SeNPs، MWCNTs، ومزيج من SeNPs+MWCNTs.
تضمنت الإجراءات التجريبية تعقيم سطح البذور باستخدام محلول هيبوكلوريت الصوديوم بنسبة 10%، تلاه شطف بالماء المقطر. بعد زراعة ست بذور لكل كيس، تم تقليل عدد النباتات إلى أربعة بعد 15 يومًا لتحسين النمو. تم الحفاظ على الري المنتظم لمنع إجهاد الماء، وخلال مرحلة التبرعم، تم تطبيق رشور ورقية لمحلول الجزيئات النانوية بتركيز 160 ميكروغرام/مل. عند النضج، تم حصاد نباتات الأرز للتحليل، مما سمح للباحثين بتقييم تأثير العلاجات على معايير النمو والإنتاج، وبالتالي التحقيق في إمكانية هذه الجزيئات النانوية لتعزيز النمو والقدرة على التحمل ضد الإجهاد في زراعة الأرز.
النتائج
في هذه الدراسة، حقق الباحثون في تأثيرات إجهاد كلوريد الصوديوم (NaCl) على نباتات الأرز والدور المحتمل للجزيئات النانوية (NPs)، وخاصة جزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs) وأنابيب الكربون متعددة الجدران (MWCNTs). أُجريت الدراسة تحت ظروف مختبرية محكومة، حيث تم استخدام التطبيق الورقي لإدارة الجزيئات النانوية، مما يقلل من تسرب العناصر الغذائية ويعزز الامتصاص المباشر من خلال سطح الورقة. حددت التجارب الأولية تركيزات NaCl المثلى وهي 50 مليمول و100 مليمول، حيث لم تؤدِ التركيزات الأقل إلى استجابات فسيولوجية كبيرة، بينما أدت التركيزات الأعلى إلى آثار ضارة على نمو النباتات، بما في ذلك نخر الأوراق والأضرار التأكسدية.
كما قام الباحثون بتقييم تركيزات مختلفة من SeNPs وMWCNTs، واختاروا في النهاية 160 ميكروغرام/مل بناءً على تأثيره الإيجابي على إطالة الساق التي لوحظت في التجارب الأولية. قامت الدراسة بتقييم منهجي لتأثير هذه الجزيئات النانوية على الخصائص الزراعية الرئيسية، بما في ذلك ارتفاع النبات، والكتلة الحيوية الجافة، وخصائص الأزهار، تحت ظروف إجهاد NaCl. تسلط النتائج الضوء على إمكانية استراتيجيات الوساطة بواسطة الجزيئات النانوية للتخفيف من الإجهاد الملحي وتعزيز إنتاجية الأرز، مما يوفر رؤى قيمة للممارسات الزراعية في البيئات المالحة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تصنيع أنابيب الكربون متعددة الجدران (MWCNTs) وجزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs) وتوصيفها لتقييم تأثيرها على نمو نبات الأرز وإنتاجيته تحت إجهاد الملوحة. تم تعديل MWCNTs بحمض النيتريك لتعزيز قدراتها على الارتباط مع أنسجة النبات، بينما تم إنتاج SeNPs باستخدام طريقة الجل-الصلب. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك طيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) والمجهر الإلكتروني الماسح بالانبعاث الميداني (FESEM)، نجاح تخليق واستقرار كل من SeNPs وMWCNTs، فضلاً عن مركبها الهجين. أشارت النتائج إلى أن التركيبة الهجينة (SeNPs+MWCNTs) أظهرت سلامة هيكلية متفوقة وتوزيع موحد للجزيئات النانوية، وهو أمر حاسم لتطبيقها في الزراعة.
أدى تطبيق SeNPs وMWCNTs ومزيجها إلى تحسين كبير في مختلف معايير النمو، بما في ذلك أطوال الساق والجذر، والأوزان الجافة، والخصائص التناسلية، خاصة تحت ظروف إجهاد NaCl. على سبيل المثال، تحت إجهاد NaCl المعتدل (50 مليمول)، زادت التركيبة الهجينة من طول الساق بنسبة 15% مقارنة بالنباتات غير المعالجة، بينما تحسن وزن الجذر الجاف بنسبة 20%. ومن الجدير بالذكر أن التركيبة الهجينة تفوقت باستمرار على العلاجات الفردية، مما يشير إلى تأثير تآزري يعزز امتصاص العناصر الغذائية وقدرة التحمل ضد الإجهاد. تسلط الدراسة الضوء على إمكانية استخدام التكنولوجيا النانوية، وخاصة SeNPs وMWCNTs، كاستراتيجيات فعالة لتحسين قدرة المحاصيل على التحمل ضد إجهاد الملوحة، مما يساهم في ممارسات الزراعة المستدامة.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.plana.2025.100146
Publication Date: 2025-02-01
Author(s): Tashima Garg et al.
Primary Topic: Selenium in Biological Systems
Overview
This research investigates the impact of selenium nanoparticles (SeNPs), multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs), and their hybrid form (SeNPs+MWCNTs) on mitigating salt stress (NaCl) in rice (Oryza sativa L.), a crop particularly susceptible to soil salinity. The study demonstrates that the hybrid treatment at a concentration of 160 µg/mL significantly enhances various growth and yield parameters compared to individual treatments, including improvements in shoot length (17%), root length (14%), and key yield traits such as shoot dry weight (32%) and number of panicles (31%). The efficacy of SeNPs+MWCNTs is attributed to their synergistic effects, where SeNPs reduce oxidative stress and Na⁺ toxicity, while MWCNTs enhance water retention and nutrient uptake.
The findings underscore the potential of utilizing nanomaterials to improve rice productivity under saline conditions, contributing to food security. However, the study also highlights the need for careful consideration of ecological risks associated with nanoparticle application, including their persistence in the environment and interactions with soil microbiota. Future research directions are suggested, focusing on precision-targeted delivery systems and long-term ecological assessments, to ensure the sustainable integration of nanotechnology in agriculture.
Introduction
The introduction of the research paper addresses the significant challenge posed by salinity (NaCl) stress on crop productivity, which threatens global food security, affecting approximately 1.125 billion hectares of land. The adverse impacts of NaCl stress on plant growth and physiological functions have prompted the exploration of nanotechnology as a potential solution. Specifically, nanoparticles, such as multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) and selenium nanoparticles (SeNPs), have shown promise in mitigating abiotic stresses by enhancing photosynthetic efficiency, scavenging reactive oxygen species (ROS), and improving water absorption and stomatal conductance. However, concerns regarding environmental toxicity from excessive nanoparticle use necessitate careful investigation.
This study aims to fill a research gap by exploring the synergistic effects of SeNPs and MWCNTs in alleviating NaCl stress in rice plants, a crop highly sensitive to salinity and vital for feeding nearly half of the global population. A field trial was conducted with rice plants subjected to 50 mM and 100 mM NaCl treatments, where nanoparticles were applied foliarly. The efficacy of the treatments was assessed through a comprehensive analysis of growth and yield parameters, supported by techniques such as Field Emission Scanning Electron Microscopy (FESEM) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) to confirm nanoparticle synthesis and hybridization. This research seeks to provide valuable insights into improving crop productivity and managing NaCl-affected agricultural systems sustainably.
Methods
The study was conducted at Akal University in Talwandi Sabo, Punjab, India, focusing on the effects of multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) and selenium nanoparticles (SeNPs) on rice plants (DSR 122). The experimental setup involved sowing sterilized rice seeds in polythene bags filled with a soil mixture of soil, sand, and farmyard manure in a 3:1:1 ratio. Twelve treatment groups were established, including control plants and those subjected to varying concentrations of NaCl (50 mM and 100 mM), SeNPs, MWCNTs, and a combination of SeNPs+MWCNTs.
The experimental procedure included surface sterilization of seeds with a 10% sodium hypochlorite solution, followed by rinsing with distilled water. After sowing six seeds per bag, plants were thinned to four after 15 days to optimize growth. Regular irrigation was maintained to prevent water stress, and during the booting phase, foliar sprays of nanoparticle solutions at a concentration of 160 µg/mL were applied. Upon maturation, the rice plants were harvested for analysis, allowing the researchers to assess the impact of the treatments on growth and yield parameters, thereby investigating the potential of these nanoparticles to enhance growth and resilience against stress in rice cultivation.
Results
In this study, the researchers investigated the effects of sodium chloride (NaCl) stress on rice plants and the potential ameliorative role of nanoparticles (NPs), specifically selenium nanoparticles (SeNPs) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). Conducted under controlled laboratory conditions, the study utilized foliar application for NP administration, which minimizes nutrient leaching and enhances direct absorption through the leaf surface. Preliminary trials identified optimal NaCl concentrations of 50 mM and 100 mM, as lower concentrations did not induce significant physiological responses, while higher concentrations led to detrimental effects on plant growth, including leaf necrosis and oxidative damage.
The researchers also evaluated various concentrations of SeNPs and MWCNTs, ultimately selecting 160 µg/mL based on its positive impact on shoot elongation observed in preliminary trials. The study systematically assessed the impact of these NPs on key agronomic traits, including plant height, dry biomass, and panicle characteristics, under NaCl-induced stress conditions. The findings highlight the potential of nanoparticle-mediated strategies to mitigate saline stress and enhance rice productivity, providing valuable insights for agricultural practices in saline environments.
Discussion
In this study, multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) and selenium nanoparticles (SeNPs) were synthesized and characterized to assess their impact on rice plant growth and yield under salinity stress. MWCNTs were functionalized with nitric acid to enhance their bonding capabilities with plant tissues, while SeNPs were produced using a sol-gel method. Characterization techniques, including Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) and field emission scanning electron microscopy (FESEM), confirmed the successful synthesis and stability of both SeNPs and MWCNTs, as well as their hybrid composite. The findings indicated that the hybrid formulation (SeNPs+MWCNTs) exhibited superior structural integrity and uniform distribution of nanoparticles, which is crucial for their application in agriculture.
The application of SeNPs, MWCNTs, and their hybrid significantly improved various growth parameters, including shoot and root lengths, dry weights, and reproductive traits, particularly under NaCl stress conditions. For instance, under moderate NaCl stress (50 mM), the hybrid formulation increased shoot length by 15% compared to untreated plants, while root dry weight improved by 20%. Notably, the hybrid formulation consistently outperformed individual treatments, suggesting a synergistic effect that enhances nutrient uptake and stress tolerance. The study highlights the potential of utilizing nanotechnology, specifically SeNPs and MWCNTs, as effective strategies for improving crop resilience against salinity stress, thereby contributing to sustainable agricultural practices.