DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-84472-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39805881
تاريخ النشر: 2025-01-13
المؤلف: Mohamad Javad Babaei وآخرون
الموضوع الرئيسي: استجابات النباتات للضغط والتحمل
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في دور جزيئات أكسيد التيتانيوم النانوية (TiO₂ NPs) في تعزيز تحمل الإجهاد البارد في الحلبة (Trigonella foenum-graecum) وتأثيراتها على التعبير عن الجينات المشاركة في مسار تخليق الديوسجينين. تم تطبيق تركيزات مختلفة من TiO₂ NPs (0، 2، 5، و10 جزء في المليون) على نباتات الحلبة المعرضة للإجهاد البارد عند 10 °م على فترات 6، 24، و48 ساعة. أشارت النتائج إلى أن المعالجات التي تحتوي على 2 و5 جزء في المليون من TiO₂ NPs حسنت بشكل كبير من تخليق الصبغات وأنشطة مضادات الأكسدة، بينما قللت من تسرب الإلكتروليتات ومستويات المالونديالديهايد، مما خفف من الآثار الضارة للإجهاد البارد. بالإضافة إلى ذلك، أثرت TiO₂ NPs بشكل إيجابي على مسارات الإشارة الدفاعية، بما في ذلك حمض الأبسيسيك، وأكسيد النيتريك، والأوكسين، وزادت من التعبير عن الجينات المتعلقة بتخليق الديوسجينين، مما أدى إلى زيادة محتوى الديوسجينين.
تشير النتائج إلى أن TiO₂ NPs لا تعزز فقط استجابة المناعة للنبات ومرونته تجاه الإجهاد البارد، بل تعزز أيضًا تخليق المستقلبات الأولية والثانوية، وخاصة الديوسجينين. منع تطبيق TiO₂ NPs الانخفاضات في مستويات الكلوروفيل والكاروتينويد تحت الإجهاد البارد وزاد من نشاط إنزيمات مضادات الأكسدة، مما خفف من الضرر التأكسدي. بشكل عام، تسلط هذه الدراسة الضوء على إمكانيات TiO₂ NPs كعوامل فعالة لتحسين مرونة وإنتاجية الحلبة في البيئات الزراعية، وخاصة تحت ظروف الإجهاد غير الحيوي.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام بذور الحلبة من جينوتيب بوشرويه، وتم التحقق من تصنيفها بواسطة عالم نباتات من وزارة الزراعة جهاد في طهران، إيران. تم تعقيم البذور في محلول هيبوكلوريت الصوديوم بنسبة 2% ثم تم شطفها بالماء المعقم قبل زراعتها في أصص تحتوي على مزيج من الطحالب، والبيرلايت، والرمل. تم التحكم في ظروف النمو بعناية، مع الحفاظ على فترة ضوئية تبلغ 16 ساعة ضوء و8 ساعات ظلام، مع درجات حرارة تتراوح بين 23 و25 °م ومستويات رطوبة تتراوح بين 55 إلى 60%. وفرت المصابيح الفلورية كثافة ضوئية تبلغ 400 ميكرومول م⁻² ث⁻¹.
تم الحصول على جزيئات أكسيد التيتانيوم النانوية (TiO₂ NPs) بمتوسط حجم يتراوح بين 20-30 نانومتر وفي شكل أناتاز بنسبة 99.7% من شركة سيغما-ألدريتش، الولايات المتحدة الأمريكية. تم إعداد محاليل من TiO₂ NPs بتركيزات 2، 5، و10 جزء في المليون، بناءً على تجارب أولية، وتم إخضاعها لمعالجة بالموجات فوق الصوتية لضمان الذوبان المناسب. تم معالجة الشتلات التي تبلغ من العمر أربعة أسابيع، والتي يبلغ طولها 15 سم وتحتوي على 5-8 أوراق، بهذه المحاليل من TiO₂ NP عن طريق الرش، بينما تلقت مجموعة التحكم ماء مقطر مزدوج. شمل التصميم التجريبي مجموعة درجة حرارة قياسية (23 °م) ومجموعة إجهاد بارد (10 °م). حدث أخذ العينات للتحليل بعد 6، 24، و48 ساعة من المعالجة، حيث تم تجميد عينات الأوراق في النيتروجين السائل وتخزينها عند -80 °م للقياسات اللاحقة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في تأثيرات جزيئات أكسيد التيتانيوم النانوية (TiO₂ NPs) على نباتات الحلبة تحت الإجهاد البارد، مما كشف عن تحسينات كبيرة في مختلف الصفات الكيميائية الحيوية. زادت محتويات الفينول الكلي والبروتين بشكل ملحوظ مع التعرض المطول للبرد وتطبيق TiO₂ NP، حيث لوحظت أعلى الزيادات بنسبة 200% و205%، على التوالي، عند 5 جزء في المليون بعد 48 ساعة من الإجهاد البارد. بالإضافة إلى ذلك، تأثرت مستويات الأوكسين وحمض الأبسيسيك (ABA) بشكل إيجابي بواسطة TiO₂ NPs، حيث تم تسجيل أعلى محتوى للأوكسين عند 48.26 نانوغرام جرام⁻¹ وزن جاف تحت ظروف مماثلة. على العكس من ذلك، ارتفعت مستويات بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) تحت الإجهاد البارد ولكن تم تخفيفها بواسطة معالجة TiO₂ NP، مما يدل على دور وقائي ضد الإجهاد التأكسدي.
أظهر تحليل التعبير الجيني أن TiO₂ NPs عدلت بشكل كبير من التعبير عن الجينات الرئيسية المشاركة في استجابة الإجهاد، مثل SQS وSEP وCAS، مع زيادات ملحوظة في مستويات التعبير تحت ظروف الإجهاد البارد. كما زاد تطبيق TiO₂ NPs من محتوى الديوسجينين، خاصة تحت الإجهاد البارد، مع زيادات تصل إلى 430% مقارنةً بظروف التحكم. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن TiO₂ NPs لا تحسن فقط تحمل الإجهاد في نباتات الحلبة من خلال تعزيز نشاط إنزيمات مضادات الأكسدة وتقليل الضرر التأكسدي، بل تعزز أيضًا تخليق المستقلبات الثانوية، مما يسهم في مرونة النبات تحت ظروف الإجهاد غير الحيوي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-84472-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39805881
Publication Date: 2025-01-13
Author(s): Mohamad Javad Babaei et al.
Primary Topic: Plant Stress Responses and Tolerance
Overview
This research investigates the role of titanium dioxide nanoparticles (TiO₂ NPs) in enhancing cold stress tolerance in fenugreek (Trigonella foenum-graecum) and its effects on the expression of genes involved in the diosgenin biosynthesis pathway. The study applied varying concentrations of TiO₂ NPs (0, 2, 5, and 10 ppm) to fenugreek plants exposed to cold stress at 10 °C over periods of 6, 24, and 48 hours. Results indicated that treatments with 2 and 5 ppm of TiO₂ NPs significantly improved pigment biosynthesis and antioxidant activities, while reducing electrolyte leakage and malondialdehyde levels, thereby alleviating the detrimental effects of cold stress. Additionally, TiO₂ NPs positively influenced defense signaling pathways, including abscisic acid, nitric oxide, and auxin, and enhanced the expression of genes related to diosgenin biosynthesis, leading to increased diosgenin content.
The findings suggest that TiO₂ NPs not only bolster the plant’s immune response and resilience to cold stress but also promote the biosynthesis of primary and secondary metabolites, particularly diosgenin. The application of TiO₂ NPs prevented declines in chlorophyll and carotenoid levels under cold stress and enhanced antioxidant enzyme activity, which mitigated oxidative damage. Overall, this study highlights the potential of TiO₂ NPs as effective agents for improving fenugreek’s resilience and productivity in agricultural settings, particularly under abiotic stress conditions.
Methods
In this study, fenugreek seeds from the Boshruyeh genotype were utilized, with their taxonomy verified by a botanist from the Ministry of Agriculture Jihad of Tehran, Iran. The seeds were sterilized in a 2% sodium hypochlorite solution and subsequently rinsed with sterile water before being planted in pots containing a mixture of peat moss, perlite, and sand. The growth conditions were carefully controlled, maintaining a photoperiod of 16 hours light and 8 hours dark, with temperatures between 23 and 25 °C and humidity levels of 55 to 60%. Fluorescent lamps provided a light intensity of 400 µmol m⁻² s⁻¹.
Titanium dioxide nanoparticles (TiO₂ NPs), averaging 20-30 nm in size and in 99.7% anatase form, were sourced from Sigma-Aldrich, USA. Solutions of TiO₂ NPs were prepared at concentrations of 2, 5, and 10 ppm, based on preliminary experiments, and were subjected to ultrasonic treatment for proper dissolution. Four-week-old seedlings, measuring 15 cm and possessing 5-8 leaves, were treated with these TiO₂ NP solutions via spraying, while a control group received double-distilled water. The experimental design included a standard temperature group (23 °C) and a cold stress group (10 °C). Sampling for analysis occurred at 6, 24, and 48 hours post-treatment, with leaf samples frozen in liquid nitrogen and stored at -80 °C for subsequent measurements.
Discussion
In this study, the effects of titanium dioxide nanoparticles (TiO₂ NPs) on fenugreek plants under cold stress were investigated, revealing significant enhancements in various biochemical traits. Total phenol and proline contents increased markedly with prolonged cold exposure and TiO₂ NP application, with the highest increases of 200% and 205%, respectively, observed at 5 ppm after 48 hours of cold stress. Additionally, auxin and abscisic acid (ABA) levels were positively influenced by TiO₂ NPs, with the highest auxin content recorded at 48.26 ng g⁻¹ FW under similar conditions. Conversely, hydrogen peroxide (H₂O₂) levels surged under cold stress but were mitigated by TiO₂ NP treatment, indicating a protective role against oxidative stress.
Gene expression analysis demonstrated that TiO₂ NPs significantly modulated the expression of key genes involved in stress response, such as SQS, SEP, and CAS, with notable increases in expression levels under cold stress conditions. The application of TiO₂ NPs also enhanced diosgenin content, particularly under cold stress, with increases of up to 430% compared to control conditions. Overall, the findings suggest that TiO₂ NPs not only improve stress tolerance in fenugreek plants by enhancing antioxidant enzyme activity and reducing oxidative damage but also promote the biosynthesis of secondary metabolites, thereby contributing to plant resilience under abiotic stress conditions.