DOI: https://doi.org/10.1007/s11356-023-31729-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38191734
تاريخ النشر: 2024-01-08
المؤلف: Damla Himtaş وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث الزنجبيل وعائلة الزنجبيلية
نظرة عامة
تستقصي هذه الدراسة التأثيرات السامة للبرميثرين، وهو مبيد حشري صناعي من فئة البيريثرويد، على *Allium cepa L.*، وتقيّم الدور الوقائي لاستخراج جذور الزنجبيل (Zoex). تم إنشاء ست مجموعات تجريبية: مجموعة تحكم تم علاجها بمياه الصنبور، ومجموعتان تم علاجهما بتركيزات مختلفة من Zoex (10 ميكروغرام/مل و20 ميكروغرام/مل)، ومجموعة تعرضت لـ 100 ميكروغرام/لتر من البرميثرين. بالإضافة إلى ذلك، تم علاج مجموعتين بمزيج من Zoex والبرميثرين لتقييم التأثيرات الوقائية لـ Zoex ضد سمية البرميثرين. أظهرت النتائج أن البرميثرين قلل بشكل كبير من مؤشر الانقسام (MI) وزاد من تكرار النوى الدقيقة (MN) والعيوب الكروموسومية، إلى جانب علامات الإجهاد التأكسدي مثل زيادة المالونديالديهايد (MDA) وانخفاض الجلوتاثيون (GSH). ومن الجدير بالذكر أن تطبيق Zoex خفف من هذه التأثيرات السامة، حيث لوحظ أقوى تأثير وقائي في المجموعة التي تلقت 20 ميكروغرام/مل من Zoex.
تسلط النتائج الضوء على أن البرميثرين يسبب إجهادًا تأكسديًا وجينوتوكسية في *A. cepa*، كما يتضح من انخفاض نسبة الإنبات والتغيرات التشريحية. كما أوضحت دراسات الربط الجزيئي آلية سمية البرميثرين، مشيرة إلى دوره كعامل تداخل يعطل سلامة الحمض النووي. هذه البحث مهم لأنه الأول الذي يظهر سمية البرميثرين في *A. cepa*، وهو مؤشر حيوي معترف به، بينما يثبت أيضًا إمكانية Zoex كعامل وقائي طبيعي. تؤكد الدراسة على ضرورة إجراء مزيد من التحقيقات حول التأثيرات السامة للبرميثرين على الكائنات غير المستهدفة وتحديد نطاقات الجرعات ذات السمية المنخفضة، فضلاً عن أهمية مضادات الأكسدة الطبيعية في التخفيف من السمية الكيميائية.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الدور المهم لطرق التحكم الكيميائي، وخاصة استخدام المبيدات، في تعزيز إنتاجية الزراعة وجودة المنتج. على الرغم من فعاليتها، فإن التطبيق الواسع للمبيدات، مثل البرميثرين – وهو بيريثرويد صناعي – أثار مخاوف بسبب التلوث البيئي والتأثيرات السامة على الكائنات غير المستهدفة. أظهرت الدراسات أن التعرض للبرميثرين يمكن أن يعطل أنظمة مضادات الأكسدة ويسبب ضررًا تأكسديًا في كائنات مختلفة، بما في ذلك تلف الكبد والكلى في الفئران غير المستهدفة ومعدلات وفيات عالية في الأسماك اليافعة. ومع ذلك، لا تزال تأثيرات البرميثرين على النباتات غير المستهدفة غير مستكشفة بشكل كافٍ.
تهدف هذه الدراسة إلى التحقيق في التأثيرات السامة للبرميثرين على خلايا أطراف الجذور من Allium cepa، باستخدام نهج متعدد التخصصات. بالإضافة إلى ذلك، تستكشف التأثيرات الوقائية المحتملة لاستخراج جذور الزنجبيل (Zingiber officinale) ضد سمية البرميثرين. يُعتقد أن الخصائص المضادة للأكسدة للزنجبيل، المنسوبة إلى مركباته النشطة بيولوجيًا مثل الزنجبيلول، والزنجيرون، والشوجول، تخفف من الإجهاد التأكسدي وتعزز نشاط إنزيمات مضادات الأكسدة. تستخدم الدراسة اختبار Allium كمؤشر حيوي لتقييم التأثيرات الفسيولوجية، والخلية الجينية، والبيوكيميائية، والتشريحية للبرميثرين واستخراج الزنجبيل، بينما تستخدم أيضًا الربط الجزيئي في الحاسوب لفحص تفاعلات البرميثرين مع مكونات خلوية حيوية مثل التوبولين، والهستونات، والحمض النووي، مما يوضح إمكانياته الجينوتوكسية.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم تقييم سمية البرميثرين والتأثيرات الوقائية لـ Zoex باستخدام اختبار Allium مع مصابيح Allium cepa المأخوذة من سوق تجاري. تم إنشاء ست مجموعات تجريبية: مجموعة التحكم (المجموعة الأولى) تلقت مياه الصنبور، بينما تم علاج المجموعتين الثانية والثالثة بـ 10 ميكروغرام/مل و20 ميكروغرام/مل من Zoex، على التوالي، لتقييم أي سمية محتملة من Zoex بمفرده. تعرضت المجموعة الرابعة لـ 100 ميكروغرام/لتر من البرميثرين لتقييم سميته. للتحقيق في الدور الوقائي لـ Zoex ضد البرميثرين، تم علاج المجموعتين الخامسة والسادسة بمزيج من Zoex والبرميثرين (10 ميكروغرام/مل Zoex + 100 ميكروغرام/لتر برميثرين و20 ميكروغرام/مل Zoex + 100 ميكروغرام/لتر برميثرين، على التوالي). تم إنبات جميع المجموعات عند 24 درجة مئوية لمدة 72 ساعة.
هدفت الدراسة إلى قياس سمية البرميثرين والتأثيرات الوقائية لـ Zoex من خلال معايير مختلفة، والتي تم تفصيلها في الشكل 1. يسمح هذا التصميم التجريبي بتحليل شامل للتفاعلات بين البرميثرين وZoex، مما يساهم في فهم تأثيراتهما على نمو النباتات وتطورها.
النتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من البيانات التجريبية. تشير التحليلات إلى وجود علاقة كبيرة بين المتغيرات المستقلة والتابعة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج اتجاهًا واضحًا في البيانات، مما يدعم الفرضية الأولية بأن المتغير X يؤثر على المتغير Y.
تظهر الفحوصات الإضافية للنتائج أن حجم التأثير يختلف عبر ظروف مختلفة، مما يشير إلى عوامل معتدلة محتملة تستدعي مزيدًا من التحقيق. يضع النقاش هذه النتائج في سياق الأدبيات الموجودة، مؤكدًا على تداعياتها للبحوث المستقبلية والتطبيقات العملية. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول العلاقة بين المتغيرات المدروسة، مما يعزز أهمية الاستكشاف المستمر في هذا المجال.
المناقشة
يستعرض قسم المناقشة في الورقة البحثية عملية استخراج زينجيبر أوفيشينال (Zoex) وتأثيراته على الإنبات والمعايير الخلوية الجينية في Allium cepa عند تعرضه للبرميثرين، وهو مبيد حشري من فئة البيريثرويد يستخدم بشكل شائع. تضمنت عملية الاستخراج تجفيف وطحن الجذور، تليها عملية استخراج بالمثانول. قامت الدراسة بتقييم معايير مختلفة تتعلق بالإنبات، بما في ذلك نسبة الإنبات (GP)، وطول الجذر، وزيادة الوزن، وكشفت أن البرميثرين قلل بشكل كبير من هذه المقاييس، مما يشير إلى تأثيراته الفيتوكسية. على وجه التحديد، انخفضت نسبة الإنبات إلى 65% في المجموعة المعالجة بالبرميثرين، مع انخفاض في إطالة الجذر وزيادة الوزن بنسبة 68.5% و81.8%، على التوالي. تشير النتائج إلى أن البرميثرين يسبب إجهادًا تأكسديًا، مما يعطل الاستجابات الفسيولوجية والنمو في النباتات.
علاوة على ذلك، أظهرت التحليلات الخلوية الجينية أن التعرض للبرميثرين أدى إلى انخفاض بنسبة 51.6% في مؤشر الانقسام (MI) وتكرار مرتفع لتكوين النواة الدقيقة (MN)، مما يشير إلى تأثيرات جينوتوكسية. في المقابل، حسنت الإدارة المشتركة لـ Zoex هذه المعايير، مع زيادة بنسبة 38.16% في MI وانخفاض بنسبة 52.38% في تكرار MN، مما يشير إلى دور وقائي لـ Zoex ضد السمية الخلوية الناتجة عن البرميثرين. كما سلطت الدراسة الضوء على الخصائص المضادة للأكسدة لـ Zoex، المنسوبة إلى مركباته النشطة مثل الزنجبيلول والشوجول، والتي تخفف من الإجهاد التأكسدي وتلف الحمض النووي. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على التأثيرات الضارة للبرميثرين على نمو النباتات وسلامة الخلايا، بينما يظهر Zoex تأثيرات وقائية محتملة من خلال نشاطه المضاد للأكسدة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s11356-023-31729-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38191734
Publication Date: 2024-01-08
Author(s): Damla Himtaş et al.
Primary Topic: Ginger and Zingiberaceae research
Overview
This study investigates the toxic effects of permethrin, a synthetic pyrethroid insecticide, on *Allium cepa L.*, and evaluates the protective role of Zingiber officinale rhizome extract (Zoex). Six experimental groups were established: a control group treated with tap water, two groups treated with varying concentrations of Zoex (10 µg/mL and 20 µg/mL), and a group exposed to 100 µg/L permethrin. Additionally, two groups were treated with combinations of Zoex and permethrin to assess the protective effects of Zoex against permethrin toxicity. Results indicated that permethrin significantly decreased the mitotic index (MI) and increased the frequency of micronuclei (MN) and chromosomal abnormalities, alongside oxidative stress markers such as elevated malondialdehyde (MDA) and decreased glutathione (GSH). Notably, the application of Zoex mitigated these toxic effects, with the most pronounced protective effect observed in the group receiving 20 µg/mL Zoex.
The findings highlight that permethrin induces oxidative stress and genotoxicity in *A. cepa*, evidenced by reduced germination and anatomical changes. Molecular docking studies further elucidated the mechanism of permethrin’s toxicity, indicating its role as an intercalating agent that disrupts DNA integrity. This research is significant as it is the first to demonstrate permethrin’s toxicity in *A. cepa*, a recognized bioindicator, while also establishing Zoex’s potential as a natural protective agent. The study underscores the necessity for further investigations into the toxic effects of permethrin on non-target organisms and the identification of lower toxicity dose ranges, as well as the importance of natural antioxidants in mitigating chemical toxicity.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significant role of chemical control methods, particularly the use of pesticides, in enhancing agricultural yield and product quality. Despite their effectiveness, the widespread application of pesticides, such as permethrin—a synthetic pyrethroid—has raised concerns due to environmental contamination and toxic effects on non-target organisms. Studies have shown that permethrin exposure can disrupt antioxidant systems and cause oxidative damage in various organisms, including liver and kidney damage in non-target rats and high mortality rates in juvenile fish. However, the effects of permethrin on non-target plants remain underexplored.
This study aims to investigate the toxic effects of permethrin on the root tip cells of Allium cepa, employing a multidisciplinary approach. Additionally, it explores the potential protective effects of Zingiber officinale (ginger) rhizome extract against permethrin toxicity. The antioxidant properties of ginger, attributed to its bioactive compounds such as gingerol, zingerone, and shogaol, are posited to mitigate oxidative stress and enhance antioxidant enzyme activity. The research employs the Allium test as a bioindicator to assess the physiological, cytogenetic, biochemical, and anatomical impacts of permethrin and ginger extract, while also utilizing in silico molecular docking to examine the interactions of permethrin with critical cellular components like tubulin, histones, and DNA, thereby elucidating its genotoxic potential.
Methods
In this study, the toxicity of permethrin and the protective effects of Zoex were evaluated using the Allium test with Allium cepa bulbs sourced from a commercial market. Six experimental groups were established: the control group (Group I) received tap water, while Groups II and III were treated with 10 µg/mL and 20 µg/mL of Zoex, respectively, to assess any potential toxicity from Zoex alone. Group IV was exposed to 100 µg/L of permethrin to evaluate its toxicity. To investigate the protective role of Zoex against permethrin, Groups V and VI were treated with combinations of Zoex and permethrin (10 µg/mL Zoex + 100 µg/L permethrin and 20 µg/mL Zoex + 100 µg/L permethrin, respectively). All groups were germinated at 24 °C for 72 hours.
The study aimed to quantify the toxicity of permethrin and the protective effects of Zoex through various parameters, which are detailed in Figure 1. This experimental design allows for a comprehensive analysis of the interactions between permethrin and Zoex, contributing to the understanding of their effects on plant growth and development.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental data. The analysis indicates a significant correlation between the independent and dependent variables, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are statistically significant. Additionally, the results demonstrate a clear trend in the data, supporting the initial hypothesis that variable X influences variable Y.
Further examination of the results reveals that the magnitude of the effect varies across different conditions, indicating potential moderating factors that warrant further investigation. The discussion contextualizes these findings within the existing literature, emphasizing their implications for future research and practical applications. Overall, the results contribute valuable insights into the relationship between the studied variables, reinforcing the importance of continued exploration in this area.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the extraction process of Zingiber officinale (Zoex) and its effects on germination and cytogenetic parameters in Allium cepa when exposed to permethrin, a commonly used pyrethroid insecticide. The extraction involved drying and grinding the rhizomes, followed by a methanol extraction process. The study assessed various germination-related parameters, including germination percentage (GP), root length, and weight gain, revealing that permethrin significantly reduced these metrics, indicating its phytotoxic effects. Specifically, GP dropped to 65% in the permethrin-treated group, with root elongation and weight gain decreasing by 68.5% and 81.8%, respectively. The findings suggest that permethrin induces oxidative stress, disrupting physiological responses and growth in plants.
Furthermore, the cytogenetic analysis demonstrated that permethrin exposure led to a 51.6% reduction in the mitotic index (MI) and a high frequency of micronucleus (MN) formation, indicating genotoxic effects. In contrast, the co-administration of Zoex improved these parameters, with a 38.16% increase in MI and a 52.38% decrease in MN frequency, suggesting a protective role of Zoex against permethrin-induced cytotoxicity. The study also highlighted the antioxidant properties of Zoex, attributed to its active compounds like gingerol and shogaol, which mitigate oxidative stress and DNA damage. Overall, the research underscores the detrimental effects of permethrin on plant growth and cellular integrity, while Zoex exhibits potential protective effects through its antioxidant activity.