DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1691443
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41567404
تاريخ النشر: 2026-01-06
المؤلف: Xukai Liang وآخرون
الموضوع الرئيسي: آثار السيليكون في الزراعة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في دور جزيئات السيليكون النانوية (SiNPs) في تعزيز مقاومة الجفاف والإنتاجية في الذرة، خاصة تحت ظروف الري المتغيرة في شمال غرب الصين. شملت الدراسة تجارب ميدانية مع ثلاثة أنواع من الذرة وطريقتين للري – الري الكامل (FI) والري المنظم بالعجز (RDI) – إلى جانب علاجات باستخدام SiNPs. أظهرت النتائج أنه بينما حسّن RDI كثافة الثغور وكفاءة استخدام المياه الداخلية وإنتاجية المياه، إلا أنه قلل قليلاً من العائد. بالمقابل، زادت تطبيقات SiNPs بشكل مستمر من العائد وإنتاجية المياه عبر جميع الأنواع وطرق الري. وشملت التحسينات الفسيولوجية الملحوظة زيادة محتوى الكلوروفيل (المقاس بواسطة قيم SPAD) وكفاءة التوصيل الثغري ومعدل التركيب الضوئي الصافي ومؤشر مساحة الورقة واختراق الضوء، إلى جانب تقليل زاوية ميل الورقة.
تكشف النتائج أن SiNPs تعزز عائد الذرة وإنتاجية المياه من خلال آليتين رئيسيتين: تحسين معدلات التركيب الضوئي وتحسين هيكل المظلة لزيادة اختراق الضوء. تسلط الدراسة الضوء على أن RDI يساهم أيضًا في زيادة إنتاجية المياه من خلال تعزيز كثافة الثغور الأعلى. أدت التطبيقات المشتركة لـ SiNPs وRDI إلى عوائد مستقرة مع تباينات تصل فقط إلى 5% وزيادة في إنتاجية المياه تتراوح من 11.11% إلى 17.62%. توضح هذه الدراسة الآلية التآزرية لـ SiNPs في تعزيز إنتاجية الذرة من خلال تحسين التقاط الطاقة الضوئية وتنظيم الثغور الديناميكي، مقترحة نموذجًا عمليًا لدمج SiNPs مع RDI المعتدل لتحسين استخدام الموارد المائية في البيئات الزراعية الجافة.
مقدمة
تؤكد مقدمة هذه الورقة البحثية على الأهمية الحاسمة للأمن الغذائي كعنصر من عناصر الأمن الوطني، خاصة في سياق زيادة السكان العالميين وتحديات تغير المناخ. تسلط الضوء على ضرورة مضاعفة الإنتاج الغذائي العالمي بحلول عام 2050، مع تركيز خاص على الذرة، المحصول الحبيبي الأكثر زراعة. تشير البيانات الحالية إلى أن عوائد الذرة العالمية تبلغ حوالي 5962.3 كجم هكتار⁻¹، مع تحديد الجفاف كعامل ضغط غير حيوي كبير يؤثر سلبًا على عوائد المحاصيل من خلال إعاقة التركيب الضوئي وإحداث شيخوخة مبكرة. تؤكد الورقة على ضرورة تطوير استراتيجيات فعالة لمقاومة الجفاف لتعزيز كفاءة إنتاج المحاصيل.
تناقش المقدمة أيضًا قيود ممارسات الري التقليدية وتقدم الري المنظم بالعجز (RDI) كنهج واعد لتحسين استخدام المياه مع الحفاظ على عوائد مستقرة. كما تستكشف إمكانيات جزيئات السيليكا النانوية (SiNPs) في التخفيف من ضغط الجفاف وتعزيز نمو المحاصيل وإنتاجيتها. تثير الورقة أسئلة بحثية حاسمة بشأن تأثيرات السيليكون النانوي على عائد الذرة وإنتاجية المياه تحت ظروف الري المتغيرة، والعلاقة بين هذه التأثيرات وتحسين التركيب الضوئي، والفوائد المحتملة لدمج السيليكون النانوي مع الري بالعجز. للتحقيق في هذه الأسئلة، تجري الدراسة تجارب ميدانية في شمال غرب الصين، بهدف توضيح الآليات الفسيولوجية والبيئية التي تكمن وراء تشكيل عائد المحاصيل استجابةً لطرق الري المختلفة وعلاجات SiNP.
طرق
أُجريت الدراسة في عام 2024 في محطة المراقبة العلمية الوطنية للحقول والبحوث لاستخدام المياه بكفاءة في الزراعة في الواحات في ووي، مقاطعة قانسو، الصين، مع التركيز على تأثيرات طرق الري والمواد الخارجية على نمو الذرة. تم إخضاع ثلاثة أنواع من الذرة – تشونغدان 2 (ZD2#)، زينغدان 958 (ZD958)، وMC670 – لعلاجات الري الكامل (FI) والري المنظم بالعجز (RDI)، إلى جانب علاجات المنبهات الحيوية باستخدام جزيئات السيليكا النانوية (SiNPs) أو الماء كتحكم. شمل التصميم التجريبي 36 قطعة، مع مراقبة رطوبة التربة وضبط كميات الري بناءً على متطلبات المياه للمحاصيل. أظهرت النتائج أن RDI قلل بشكل كبير من مكونات العائد مثل قطر الأذن ووزن 1000 حبة مقارنةً بـ FI، بينما حسنت معالجة SiNPs هذه المعلمات تحت كلا ظروف الري.
كشفت النتائج أن معالجة RDI قللت من التبخر والنتح (ET) وزادت من إنتاجية المياه (WP) عبر جميع الأنواع. حسنت معالجة SiNPs أيضًا من WP وارتفاع النبات، على الرغم من أنها لم تؤثر بشكل كبير على WP عبر الأنواع. بالإضافة إلى ذلك، أخرّت RDI مرحلة التزهير، بينما قدمت SiNPs، مما يشير إلى تفاعل معقد بين طرق الري والمنبهات الحيوية. أظهرت معلمات تبادل الغاز في الأوراق أن RDI قللت من معدلات التركيب الضوئي وكفاءة التوصيل الثغري، لكن معالجة SiNPs حسنت هذه المقاييس. بشكل عام، تسلط الدراسة الضوء على إمكانيات SiNPs في تعزيز نمو الذرة تحت ظروف الري بالعجز، بينما تُظهر أيضًا استجابات محددة للنوع بشكل كبير لتغيرات الري والعلاج.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج المهمة المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى أن الفرضية الرئيسية كانت مدعومة، حيث كشفت التحليلات الإحصائية عن ارتباط ملحوظ بين المتغيرات قيد التحقيق. على وجه التحديد، تُظهر النتائج أن التدخل أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج المستهدفة، كما يتضح من أحجام التأثير المبلغ عنها وقيم p.
علاوة على ذلك، أكدت نتائج تحليل التباين (ANOVA) أن الاختلافات الملحوظة عبر المجموعات كانت ذات دلالة إحصائية، مما يعزز من صحة النتائج. قدمت اختبارات ما بعد hoc مزيدًا من الرؤى حول المقارنات المحددة التي ساهمت في هذه التأثيرات العامة. بشكل عام، تؤكد النتائج فعالية المنهجية المقترحة وتقترح آثارًا محتملة للبحوث المستقبلية والتطبيقات العملية في المجال المعني.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تحليل تأثيرات التطبيقات الخارجية لجزيئات السيليكا النانوية (SiNPs) وأنظمة الري على فسيولوجيا الذرة ونموها وعائدها وإنتاجية المياه (WP) بشكل منهجي. أظهرت النتائج أنه بينما قلل الري المنظم بالعجز (RDI) قليلاً من عائد الذرة، إلا أنه عزز بشكل كبير من WP من خلال زيادة كثافة الثغور (SD)، وبالتالي تحقيق توازن بين تعويض العائد وكفاءة استخدام المياه. أدت تطبيقات SiNPs إلى تحسين ملحوظ في العائد وWP تحت كل من ظروف الري الكامل (FI) وRDI، مما أدى إلى زيادات في وزن الألف حبة والكتلة الحيوية وارتفاع النبات ومؤشر مساحة الورقة (LAI) ونسبة الإشعاع الضوئي النشط فوتوسينثيتياً (f PAR) ومعدل التركيب الضوئي الصافي (A) وكفاءة التوصيل الثغري (g_s) وقيم SPAD. تضمنت الآليات الكامنة وراء هذه التحسينات زيادة A من خلال زيادة g_s وSPAD، بالإضافة إلى تحسين f PAR بسبب تقليل زوايا ميل الأوراق في المظلة الوسطى وزيادة LAI.
علاوة على ذلك، كشفت الدراسة عن ارتباطات إيجابية كبيرة بين العائد والمعلمات الرئيسية مثل قطر الأذن ووزن الألف حبة وA وf PAR، بينما كانت WP مرتبطة إيجابيًا بكثافة الثغور ولكن ليس بكفاءة استخدام المياه الداخلية (iWUE). تشير النتائج إلى أن SiNPs يمكن أن تخفف بشكل فعال من الآثار السلبية للعجز المائي الخفيف على العائد، مع تأثيرات متباينة عبر أنواع الذرة المختلفة. تقترح الدراسة نموذجًا تقنيًا يجمع بين RDI المعتدل وتطبيق SiNPs، والذي يمكن أن يكون مرجعًا لتحسين استخدام الموارد المائية والحفاظ على عوائد الذرة المستقرة في المناطق الجافة. بشكل عام، توضح هذه البحث الآليات التآزرية لـ SiNPs في تعزيز إنتاجية الذرة من خلال تحسين هيكل المظلة والاستجابات الفسيولوجية لضغط المياه.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1691443
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41567404
Publication Date: 2026-01-06
Author(s): Xukai Liang et al.
Primary Topic: Silicon Effects in Agriculture
Overview
This research investigates the role of silicon nanoparticles (SiNPs) in enhancing drought resilience and productivity in maize, particularly under varying irrigation conditions in northwest China. The study involved field experiments with three maize genotypes and two irrigation methods—full irrigation (FI) and regulated deficit irrigation (RDI)—alongside treatments with SiNPs. Results indicated that while RDI improved stomatal density, intrinsic water use efficiency, and water productivity, it slightly reduced yield. In contrast, SiNP application consistently increased yield and water productivity across all genotypes and irrigation methods. Notable physiological improvements included enhanced chlorophyll content (measured by SPAD values), stomatal conductance, net photosynthesis rate, leaf area index, and light interception, alongside a reduction in leaf inclination angle.
The findings reveal that SiNPs enhance maize yield and water productivity through two primary mechanisms: improving photosynthetic rates and optimizing canopy structure for better light interception. The study highlights that RDI also contributes to increased water productivity by promoting higher stomatal density. The combined application of SiNPs and RDI resulted in stable yields with variations of only 5% and an increase in water productivity ranging from 11.11% to 17.62%. This research elucidates the synergistic mechanism of SiNPs in enhancing maize productivity through improved light energy capture and dynamic stomatal regulation, proposing a practical model for integrating SiNPs with mild RDI to optimize water resource utilization in arid agricultural settings.
Introduction
The introduction of this research paper emphasizes the critical importance of food security as a component of national security, particularly in the context of increasing global population and climate change challenges. It highlights the necessity for global food production to double by 2050, with a specific focus on maize, the most widely cultivated grain crop. Current data indicate that global maize yields are approximately 5962.3 kg ha⁻¹, with drought identified as a significant abiotic stressor that adversely affects crop yields by impairing photosynthesis and inducing early senescence. The paper underscores the urgency of developing effective drought-resistant strategies to enhance crop production efficiency.
The introduction further discusses the limitations of traditional irrigation practices and introduces regulated deficit irrigation (RDI) as a promising approach to optimize water use while maintaining stable yields. It also explores the potential of Silica Nanoparticles (SiNPs) in mitigating drought stress and enhancing crop growth and productivity. The paper raises critical research questions regarding the effects of nano-silicon on maize yield and water productivity under varying irrigation conditions, the relationship between these effects and photosynthetic optimization, and the potential benefits of combining nano-silicon with deficit irrigation. To investigate these questions, the study conducts field experiments in Northwest China, aiming to elucidate the physiological and ecological mechanisms underlying crop yield formation in response to different irrigation methods and SiNP treatments.
Methods
The study was conducted in 2024 at the National Field Scientific Observation and Research Station for Efficient Water Use in Oasis Agriculture in Wuwei, Gansu Province, China, focusing on the effects of irrigation methods and exogenous substances on maize growth. Three maize genotypes—Zhongdan 2 (ZD2#), Zhengdan 958 (ZD958), and MC670—were subjected to full irrigation (FI) and regulated deficit irrigation (RDI) treatments, along with biostimulant treatments using silica nanoparticles (SiNPs) or water as a control. The experimental design included 36 plots, with soil moisture monitored and irrigation amounts adjusted based on crop water requirements. The results indicated that RDI significantly reduced yield components such as ear diameter and 1000-kernel weight compared to FI, while SiNPs treatment enhanced these parameters under both irrigation conditions.
The findings revealed that RDI treatment decreased evapotranspiration (ET) and increased water productivity (WP) across all genotypes. SiNPs treatment further improved WP and plant height, although it did not significantly affect WP across genotypes. Additionally, RDI delayed the silking stage, while SiNPs advanced it, indicating a complex interaction between irrigation methods and biostimulants. Leaf gas exchange parameters showed that RDI reduced photosynthetic rates and stomatal conductance, but SiNPs treatment improved these metrics. Overall, the study highlights the potential of SiNPs in enhancing maize growth under deficit irrigation conditions, while also demonstrating significant genotype-specific responses to irrigation and treatment variations.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates that the primary hypothesis was supported, with statistical analyses revealing a notable correlation between the variables under investigation. Specifically, the results demonstrate that the intervention led to a measurable improvement in the target outcomes, as evidenced by the reported effect sizes and p-values.
Furthermore, the analysis of variance (ANOVA) results confirmed that the differences observed across groups were statistically significant, reinforcing the validity of the findings. Additional post-hoc tests provided further insights into the specific comparisons that contributed to these overall effects. Overall, the results underscore the efficacy of the proposed methodology and suggest potential implications for future research and practical applications in the relevant field.
Discussion
In this study, the effects of exogenous applications of silica nanoparticles (SiNPs) and irrigation regimes on maize physiology, growth, yield, and water productivity (WP) were systematically analyzed. Results indicated that while regulated deficit irrigation (RDI) slightly reduced maize yield, it significantly enhanced WP by increasing stomatal density (SD), thus achieving a balance between yield compensation and water use efficiency. The application of SiNPs notably improved yield and WP under both full irrigation (FI) and RDI conditions, leading to increases in thousand-kernel weight, biomass, plant height, leaf area index (LAI), fraction of photosynthetically active radiation (f PAR), net photosynthetic rate (A), stomatal conductance (g_s), and SPAD values. The mechanisms underlying these improvements included enhanced A through increased g_s and SPAD, as well as improved f PAR due to reduced leaf inclination angles in the middle canopy and increased LAI.
Furthermore, the study revealed significant positive correlations between yield and key parameters such as ear diameter, thousand-kernel weight, A, and f PAR, while WP was positively correlated with stomatal density but not with intrinsic water use efficiency (iWUE). The findings suggest that SiNPs can effectively mitigate the adverse effects of mild water deficits on yield, with varying impacts across different maize genotypes. The study proposes a technical model combining mild RDI with SiNPs application, which could serve as a reference for optimizing water resource utilization and maintaining stable maize yields in arid regions. Overall, this research elucidates the synergistic mechanisms of SiNPs in enhancing maize productivity through improved canopy structure and physiological responses to water stress.