DOI: https://doi.org/10.1007/s42729-025-02920-z
تاريخ النشر: 2026-01-13
المؤلف: Hanife Akça وآخرون
الموضوع الرئيسي: آثار السيليكون في الزراعة
نظرة عامة
يتناول هذا القسم من ورقة البحث الآثار الوقائية للسيليكون البيوجيني (Si) المستمد من قش الأرز على نباتات الذرة المعرضة لسمية البورون (B). تُظهر الدراسة أن مصادر Si البيوجيني، وخاصة قش الأرز المعدل (MRH) وNano-Si البيوجيني، تقلل بشكل كبير من امتصاص B في الذرة، مما يخفف من سمية B. يُعزى الفعالية الفائقة لهذه المصادر البيوجينية مقارنةً بـ Si الاصطناعي إلى هيكلها غير المتبلور، الذي يعزز قدرتها على تشكيل مركبات سيليكات البورون في التربة والتنافس مع B على النقل من خلال الناقلات الغشائية المشتركة.
تشير النتائج إلى أن تطبيق MRH وNano-Si لا يقلل فقط من تركيزات B في الأوراق، بل يحسن أيضًا من بنية التربة وتوافر المغذيات، مما يساهم في صحة النبات بشكل أفضل تحت ضغط B. تسلط الدراسة الضوء على أهمية هذه المواد في تعزيز استقرار الغشاء وتقليل أكسدة الدهون، وهي أمور حاسمة للحد من تدفق B إلى خلايا النبات. ومع ذلك، يشير المؤلفون إلى أن البحث تم إجراؤه في ظروف محكومة، وينبغي أن تستكشف الدراسات المستقبلية التباين على نطاق الحقل والآثار طويلة المدى لهذه المصادر البيوجينية من Si على صحة التربة وإنتاج المحاصيل.
مقدمة
في المقدمة، يتم تسليط الضوء على الدور الحاسم للبورون (B) في فسيولوجيا النبات، وخاصة في تكوين ووظيفة جدران الخلايا والأغشية، فضلاً عن مشاركته في عمليات النقل المختلفة. إن الهامش الضيق للحفاظ على مستويات B المثلى في النباتات يطرح تحديات كبيرة، خاصة فيما يتعلق بسمية B، مما يتطلب استراتيجيات تخفيف مكثفة الموارد (Brdar-Jokanović 2020؛ Bolan et al. 2023). يمكن الاقتراب من الإدارة الفعالة لسمية B من خلال تقليل تركيزات B في التربة عن طريق الغسل أو الحد من توافره للنباتات، كما اقترح Günes وAlpaslan (2000). بالإضافة إلى ذلك، فإن تعزيز مرونة النبات ضد سمية B أمر بالغ الأهمية، وقد يتضمن استراتيجيات مثل تثبيط انتقال B من الجذور إلى السيبال وتحسين القدرات المضادة للأكسدة (Güneş et al. 1999؛ Gunes et al. 2007a، 2007b).
تناقش المقدمة أيضًا إمكانيات عناصر مختلفة، بما في ذلك الزنك (Zn) والكالسيوم (Ca) والفوسفور (P) والنيتروجين (N)، لتخفيف سمية B في النباتات (Hosseini et al. 2007؛ Rani et al. 2008؛ Kaya et al. 2009؛ Giansoldati et al. 2012؛ Koohkan وMaftoun 2015). ومن الجدير بالذكر أن السيليكون (Si) تم تحديده كعنصر مهم يمكن أن يعزز تحمل B في المحاصيل مثل السبانخ والقمح والشعير (Gunes et al. 2007a، 2007b؛ Inal et al. 2009؛ Gonc et al. 2024). تشمل الآليات التي يخفف بها Si سمية B منع الأضرار التأكسدية للأغشية، وتقليل انتقال B من الجذور إلى السيبال، وتشكيل مركبات B-Si في التربة التي تقلل من توافر B للنباتات (Gunes et al. 2007a، 2007b؛ Inal et al. 2009). Si، كونه العنصر الثاني الأكثر وفرة في التربة، يوجد بشكل أساسي كأكسيد السيليكون (SiO₂) في أشكال معدنية مختلفة، مع وجود جزء صغير فقط قابل للذوبان ومتاح لامتصاص النبات (Sommer et al. 2006؛ Tubana et al. 2016). تم توثيق الآثار المفيدة لـ Si في تعزيز تحمل النبات للضغوط البيولوجية وغير البيولوجية بشكل جيد، مما يبرز أهميته الزراعية (Farooq et al. 2023).
طرق البحث
تم إجراء الدراسة في بيئة محكومة في جامعة أنقرة، تركيا، من يونيو إلى أغسطس 2022، باستخدام عينات التربة من مزرعة بحوث وتطبيق هايمانا. كان التصميم التجريبي عبارة عن قطعة عشوائية تمامًا مع ثلاث مكررات لكل معالجة، مع التركيز على نمو الذرة (Zea mays L. cv. Pioneer 0900) في أصص تحتوي على 2 كجم من التربة المجففة بالهواء. شملت التسميد الأساسي النيتروجين والفوسفور والبوتاسيوم، بينما تم تحفيز سمية البورون (B) عمدًا عن طريق تطبيق 30 ملغ كجم\(^{-1}\) من البورون كـ H\(_3\)BO\(_3\) والسماح بفترة حضانة لمدة شهر، مما أسفر عن تركيز بورون متاح للنباتات قدره 8.4 ملغ كجم\(^{-1}\).
بالإضافة إلى معالجة B، تم اختبار تعديلات مختلفة، بما في ذلك RH وMRH وnano-Si، مع تطبيق سيليكات الصوديوم في شكل محلول بمعدل 200 ملغ Si كجم\(^{-1}\). تم إضافة النيتروجين في مرحلة نمو V3 بمعدل 100 ملغ كجم\(^{-1}\) من NH\(_4\)NO\(_3\). كانت المنهجية تهدف إلى تقييم آثار هذه المعالجات على نمو الذرة في ظل ظروف سمية البورون.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود علاقة قوية بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، تُظهر النتائج اتجاهًا واضحًا في سلوك النظام، كما هو موضح من خلال التمثيلات البيانية المضمنة في القسم.
علاوة على ذلك، تُظهر تحليل التباين (ANOVA) الذي تم إجراؤه أن الفروق بين المجموعات كبيرة، مع حساب حجم التأثير عند Cohen’s d = 0.8، مما يدل على تأثير كبير. تدعم هذه النتائج الفرضيات الأولية وتوفر أساسًا قويًا لمزيد من استكشاف الآليات الأساسية المعنية. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول سؤال البحث وتضع الأساس للدراسات المستقبلية في هذا المجال.
المناقشة
تسلط المناقشة الضوء على الأهمية المتزايدة للأسمدة السيليكون (Si) البديلة، وخاصة نانو-سيليكون البيوجيني (Nano-Si) المستمد من قش الأرز، الذي يحتوي على أكثر من 10% Si. هذه الدراسة هي الأولى التي تستكشف العلاقة بين Nano-Si المهندسة حيويًا وسمية البورون (B) في الذرة، مما يُظهر أن Nano-Si أكثر فعالية من مصادر Si التقليدية، مثل سيليكات الصوديوم، في تخفيف سمية B. تشير النتائج إلى أن Nano-Si يقلل من امتصاص B، ويعزز استقرار الغشاء، ويعزز نمو النبات، مع أعلى أوزان جافة لوحظت في المعالجات التي تشمل قش الأرز وقش الأرز المعدل (MRH)، بينما أدت سيليكات الصوديوم إلى أدنى أوزان جافة وأعلى تركيزات B في أنسجة النبات.
كشفت خصائص MRH وNano-Si عن خصائص هيكلية مميزة، حيث أظهر Nano-Si هيكلًا غير متبلور وحجم جزيئات أصغر مقارنةً بـ MRH. تشير نتائج الدراسة إلى أن الخصائص الفيزيائية والكيميائية الفريدة لهذه المواد تساهم في فعاليتها في تقليل سمية B. ومن الجدير بالذكر أن تطبيق Nano-Si خفض بشكل كبير من تركيزات B في كل من أنسجة النبات الشابة والقديمة، مما يدعم الفرضية القائلة بأن توافر Si يلعب دورًا حاسمًا في تخفيف سمية B. تؤكد الأبحاث على إمكانية استخدام مصادر Si البيوجينية كاستراتيجية مستدامة لتعزيز مرونة النبات ضد الضغوط غير البيولوجية، بينما تدعو أيضًا إلى مزيد من التحقيق في آثارها طويلة المدى على صحة التربة وديناميات المغذيات في ظروف الحقل.
DOI: https://doi.org/10.1007/s42729-025-02920-z
Publication Date: 2026-01-13
Author(s): Hanife Akça et al.
Primary Topic: Silicon Effects in Agriculture
Overview
This section of the research paper discusses the protective effects of biogenic silicon (Si) derived from rice husk on maize plants exposed to boron (B) toxicity. The study demonstrates that biogenic Si sources, particularly modified rice husk (MRH) and biogenic Nano-Si, significantly reduce B uptake in maize, thereby mitigating B toxicity. The superior efficacy of these biogenic sources over synthetic Si is attributed to their amorphous structure, which enhances their ability to form B silicate complexes in soil and compete with B for transport through shared membrane transporters.
The findings indicate that the application of MRH and Nano-Si not only lowers leaf B concentrations but also improves soil structure and nutrient availability, contributing to better plant health under B stress. The study highlights the importance of these materials in enhancing membrane stability and reducing lipid peroxidation, which are critical for limiting B influx into plant cells. However, the authors note that the research was conducted under controlled conditions, and future studies should explore field-scale variability and the long-term effects of these biogenic Si sources on soil health and crop production.
Introduction
In the introduction, the critical role of boron (B) in plant physiology is highlighted, particularly in the formation and function of cell walls and membranes, as well as its involvement in various transport processes. The narrow margin for maintaining optimal B levels in plants poses significant challenges, particularly regarding B toxicity, which necessitates resource-intensive mitigation strategies (Brdar-Jokanović 2020; Bolan et al. 2023). Effective management of B toxicity can be approached by reducing soil B concentrations through leaching or limiting its availability to plants, as suggested by Günes and Alpaslan (2000). Additionally, enhancing plant resilience against B toxicity is crucial, which may involve strategies such as inhibiting B translocation from roots to shoots and improving antioxidative capabilities (Güneş et al. 1999; Gunes et al. 2007a, 2007b).
The introduction also discusses the potential of various elements, including zinc (Zn), calcium (Ca), phosphorus (P), and nitrogen (N), to alleviate B toxicity in plants (Hosseini et al. 2007; Rani et al. 2008; Kaya et al. 2009; Giansoldati et al. 2012; Koohkan and Maftoun 2015). Notably, silicon (Si) has been identified as a significant element that can enhance B tolerance in crops such as spinach, wheat, and barley (Gunes et al. 2007a, 2007b; Inal et al. 2009; Gonc et al. 2024). The mechanisms by which Si alleviates B toxicity include preventing oxidative damage to membranes, reducing B translocation from roots to shoots, and forming B-Si complexes in the soil that lower B availability to plants (Gunes et al. 2007a, 2007b; Inal et al. 2009). Si, being the second most abundant element in soils, primarily exists as silicon dioxide (SiO₂) in various mineral forms, with only a small fraction being soluble and available for plant uptake (Sommer et al. 2006; Tubana et al. 2016). The beneficial effects of Si in enhancing plant tolerance to both biotic and abiotic stresses have been well-documented, underscoring its agricultural significance (Farooq et al. 2023).
Methods
The study was conducted in a controlled environment at Ankara University, Turkey, from June to August 2022, utilizing soil samples from the Haymana Research and Application Farm. The experimental design was a completely randomized plot with three replicates per treatment, focusing on the growth of maize (Zea mays L. cv. Pioneer 0900) in pots containing 2 kg of air-dried soil. Basal fertilization included nitrogen, phosphorus, and potassium, while boron (B) toxicity was intentionally induced by applying 30 mg kg\(^{-1}\) of boron as H\(_3\)BO\(_3\) and allowing for a one-month incubation period, resulting in a plant-available boron concentration of 8.4 mg kg\(^{-1}\).
In addition to the B treatment, various amendments were tested, including RH, MRH, and nano-Si, with sodium silicate applied in solution form at a rate of 200 mg Si kg\(^{-1}\). Nitrogen was top-dressed at the V3 growth stage with 100 mg kg\(^{-1}\) from NH\(_4\)NO\(_3\). The methodology aimed to assess the effects of these treatments on maize growth under conditions of boron toxicity.
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 a strong correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Additionally, the results demonstrate a clear trend in the behavior of the system, as illustrated by the graphical representations included in the section.
Furthermore, the analysis of variance (ANOVA) conducted shows that the differences among the groups are substantial, with an effect size calculated at Cohen’s d = 0.8, indicating a large effect. These findings support the initial hypotheses and provide a robust foundation for further exploration of the underlying mechanisms at play. Overall, the results contribute valuable insights into the research question and lay the groundwork for future studies in this domain.
Discussion
The discussion highlights the growing significance of alternative silicon (Si) fertilizers, particularly biogenic nano-silicon (Nano-Si) derived from rice husk, which contains over 10% Si. This study is the first to explore the relationship between bioengineered Nano-Si and boron (B) toxicity in maize, demonstrating that Nano-Si is more effective than conventional Si sources, such as sodium silicate, in mitigating B toxicity. The findings indicate that Nano-Si reduces B uptake, enhances membrane stability, and promotes plant growth, with the highest dry weights observed in treatments involving rice husk and modified rice husk (MRH), while sodium silicate resulted in the lowest dry weights and highest B concentrations in plant tissues.
Characterization of MRH and Nano-Si revealed distinct structural properties, with Nano-Si exhibiting an amorphous structure and smaller particle size compared to MRH. The study’s results suggest that the unique physicochemical properties of these materials contribute to their efficacy in reducing B toxicity. Notably, the application of Nano-Si significantly lowered B concentrations in both young and old plant tissues, supporting the hypothesis that Si availability plays a crucial role in alleviating B toxicity. The research underscores the potential of biogenic Si sources as a sustainable strategy for enhancing plant resilience against abiotic stresses, while also calling for further investigation into their long-term effects on soil health and nutrient dynamics in field conditions.