DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2024.1393458
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38606077
تاريخ النشر: 2024-03-28
المؤلف: Guochao Yan وآخرون
الموضوع الرئيسي: آثار السيليكون في الزراعة
نظرة عامة
يوفر قسم ورقة البحث نظرة شاملة على دور جزيئات السيليكون النانوية (SiNPs) في الزراعة المستدامة، مع تسليط الضوء على تخليقها، وامتصاصها، وانتقالها، وتطبيقها في التخفيف من الضغوط الحيوية وغير الحيوية المختلفة. تُعرف SiNPs بتأثيراتها المفيدة على النباتات، ويمكن تخليقها من خلال طرق فيزيائية وكيميائية وبيولوجية، حيث يُعتبر التخليق الأخضر من النفايات الزراعية ميزة خاصة للإنتاج على نطاق واسع. يختلف امتصاص SiNPs وانتقالها في النباتات بشكل كبير عن السيليكون الكتلي، ويتأثر كل من خصائص النبات وخصائص الجزيئات النانوية.
تؤكد المراجعة على أن SiNPs لا تعزز فقط نمو النبات وإنتاجيته في ظل ظروف الضغط من خلال تنظيم التكيف على المستويات الشكلية والفيزيولوجية والجزيئية، ولكنها تعمل أيضًا كحاملات نانوية فعالة للمبيدات ومنظمات النمو. على الرغم من التطبيقات الواعدة لـ SiNPs، يحدد المؤلفون عدة مجالات حاسمة لمزيد من البحث، بما في ذلك تحسين طرق التخليق، وفهم الآليات الجزيئية وراء مقاومة الضغط الناتجة عن SiNP، وتقييم السمية المحتملة لـ SiNPs في النظم البيئية الزراعية. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن SiNPs تمثل استراتيجية متعددة الوظائف وفعالة من حيث التكلفة لتعزيز الممارسات الزراعية المستدامة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية السيليكون (Si) كعنصر مفيد في الزراعة، لا سيما في تعزيز نمو النبات في ظل ظروف الضغط. جزيئات السيليكون النانوية (SiNPs)، التي هي جزيئات Si على نطاق النانو تتراوح من 1 إلى 100 نانومتر، ظهرت كأداة واعدة في الزراعة المدعومة بالنانو بسبب خصائصها المتفوقة مقارنة بمصادر السيليكون الكتلي. تشمل هذه المزايا نسبة عالية من السطح إلى الحجم، وخصائص شحن فريدة، وزيادة في التوافر الحيوي، مما يسهل اختراقها في أنسجة النبات وتراكمها لاحقًا.
يمكن تحقيق تخليق SiNPs من خلال طرق مختلفة، بما في ذلك التخليق الفيزيائي والكيميائي والتخليق الأخضر باستخدام النفايات الزراعية، مما يعزز الاستدامة في الممارسات الزراعية. تعمل SiNPs ليس فقط كمنشطات للنمو من خلال تعزيز مقاومة النبات للضغوط الحيوية وغير الحيوية، ولكنها أيضًا تعمل كحاملات فعالة لتوصيل الأسمدة والمبيدات والجزيئات النشطة بيولوجيًا. علاوة على ذلك، تساهم في تحسين التربة ومراقبة المعلمات الكيميائية الحيوية ذات الصلة بالزراعة. تهدف هذه المراجعة إلى تقديم نظرة شاملة على تخليق SiNPs وتطبيقها وآليات عملها في الزراعة، مع معالجة القيود الحالية واتجاهات البحث المستقبلية في هذا المجال.
نقاش
يتأثر تخليق جزيئات السيليكون النانوية (SiNPs) باختيار المواد الأولية والطرق، التي تُصنف بشكل أساسي إلى استراتيجيات من الأعلى إلى الأسفل ومن الأسفل إلى الأعلى. تتضمن الطريقة من الأعلى إلى الأسفل تكسير المواد الأكبر، بينما تجمع الطريقة من الأسفل إلى الأعلى الجزيئات النانوية من المواد الأولية الذرية أو الجزيئية. تُستخدم تقنيات تخليق متنوعة، بما في ذلك الطرق الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية (التخليق الأخضر)، حيث تُظهر التخليق الأخضر وعدًا للإنتاج المستدام باستخدام النفايات الزراعية. على الرغم من أن الطرق الفيزيائية تقدم بساطة، إلا أنها غالبًا ما تنتج جزيئات نانوية بأحجام غير متحكم بها، بينما توفر الطرق الكيميائية تحكمًا أفضل في الحجم ولكن قد تشكل مخاطر بيئية بسبب المواد الكيميائية السامة. يقدم التخليق الأخضر، الذي يستخدم مواد مثل قش الأرز وساق الذرة، مزايا كبيرة من حيث الاستدامة وقابلية التوسع.
تظهر SiNPs خصائص امتصاص وانتقال فريدة في النباتات، وهي ضرورية لفعاليتها كمنشطات للنمو وحاملات للمبيدات. بينما تم دراسة آليات نقل السيليكون في النباتات بشكل جيد، لا يزال امتصاص SiNPs أقل فهمًا، لا سيما على المستوى الجزيئي. يمكن أن تدخل SiNPs أنسجة النبات من خلال التطبيقات الورقية والجذرية، حيث يسمح حجمها النانوي بامتصاص أسهل. تؤثر عوامل مثل حجم الجزيئات النانوية والشحنة، بالإضافة إلى أنواع النباتات ومراحل التطور، بشكل كبير على امتصاصها وتوزيعها. لا تعزز SiNPs فقط مقاومة النبات للضغوط الحيوية من خلال تحسين النمو والإنتاجية في ظل هجمات مسببات الأمراض، ولكنها أيضًا تعمل كحاملات فعالة للمبيدات، مما يحسن فعاليتها ويقلل من التأثير البيئي. بشكل عام، تمثل SiNPs أداة واعدة في الزراعة المستدامة، مما يستدعي مزيدًا من البحث لتحسين تطبيقها وفهم آليات عملها.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2024.1393458
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38606077
Publication Date: 2024-03-28
Author(s): Guochao Yan et al.
Primary Topic: Silicon Effects in Agriculture
Overview
The research paper section provides a comprehensive overview of the role of silicon nanoparticles (SiNPs) in sustainable agriculture, highlighting their synthesis, uptake, translocation, and application in mitigating various biotic and abiotic stresses. SiNPs, recognized for their beneficial effects on plants, can be synthesized through physical, chemical, and biological methods, with green synthesis from agricultural wastes being particularly advantageous for large-scale production. The uptake and translocation of SiNPs in plants differ significantly from that of bulk silicon, influenced by both plant characteristics and the properties of the nanoparticles.
The review emphasizes that SiNPs not only enhance plant growth and yield under stress conditions by regulating acclimation at morphological, physiological, and molecular levels but also serve as effective nanocarriers for pesticides and growth regulators. Despite the promising applications of SiNPs, the authors identify several critical areas for further research, including optimizing synthesis methods, understanding the molecular mechanisms behind SiNP-induced stress resistance, and assessing the potential phytotoxicity of SiNPs in agricultural ecosystems. Overall, the findings suggest that SiNPs represent a multifunctional and cost-effective strategy for advancing sustainable agricultural practices.
Introduction
The introduction highlights the significance of silicon (Si) as a beneficial element in agriculture, particularly in enhancing plant growth under stress conditions. Silicon nanoparticles (SiNPs), which are nanoscale Si particles ranging from 1 to 100 nm, have emerged as a promising tool in nano-enabled agriculture due to their superior properties compared to bulk Si sources. These advantages include a high surface-to-volume ratio, unique charge characteristics, and improved bioavailability, which facilitate their penetration into plant tissues and subsequent accumulation.
The synthesis of SiNPs can be achieved through various methods, including physical, chemical, and green synthesis using agricultural waste, promoting sustainability in agricultural practices. SiNPs not only act as growth stimulators by enhancing plant resistance to biotic and abiotic stresses but also serve as effective carriers for delivering fertilizers, pesticides, and bioactive molecules. Furthermore, they contribute to soil improvement and the monitoring of biochemical parameters relevant to agronomy. This review aims to provide a comprehensive overview of SiNPs’ synthesis, application, and mechanisms of action in agriculture, while addressing current limitations and future research directions in the field.
Discussion
The synthesis of silicon nanoparticles (SiNPs) is influenced by the choice of precursors and methods, primarily categorized into top-down and bottom-up strategies. The top-down approach involves breaking down larger materials, while the bottom-up method assembles nanoparticles from atomic or molecular precursors. Various synthesis techniques, including physical, chemical, and biological (green synthesis) methods, are employed, with green synthesis showing promise for sustainable production using agricultural waste. Although physical methods offer simplicity, they often yield nanoparticles with uncontrolled sizes, whereas chemical methods provide better size control but may pose environmental risks due to toxic chemicals. Green synthesis, utilizing materials like rice straw and maize stalk, presents significant advantages in terms of sustainability and scalability.
SiNPs exhibit unique absorption and translocation properties in plants, which are crucial for their effectiveness as growth stimulators and pesticide carriers. While the mechanisms of silicon transport in plants are well-studied, the uptake of SiNPs remains less understood, particularly at the molecular level. SiNPs can enter plant tissues through foliar and root applications, with their nanoscale size allowing for easier absorption. Factors such as nanoparticle size and charge, as well as plant species and developmental stages, significantly influence their uptake and distribution. SiNPs not only enhance plant resistance to biotic stresses by improving growth and yield under pathogen attack but also serve as effective carriers for pesticides, improving their efficacy and reducing environmental impact. Overall, SiNPs represent a promising tool in sustainable agriculture, warranting further research to optimize their application and understand their mechanisms of action.