DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33016-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41521181
تاريخ النشر: 2026-01-11
المؤلف: Mohammad Shahid وآخرون
الموضوع الرئيسي: استجابات النباتات للضغط والتحمل
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة التأثيرات السمية النباتية والجينية للكبريت (Cd²⁺) والكروم (Cr⁶⁺) والزرنيخ (As³⁺) على Capsicum annuum L. (الفلفل الأخضر) تحت تركيزات معدنية متغيرة. تشير النتائج إلى أن زيادة تركيزات هذه المعادن الثقيلة تثبط بشكل كبير معايير النمو بطريقة تعتمد على الجرعة، حيث أظهر الزرنيخ (As³⁺) أعلى سمية، مما منع تمامًا إنبات البذور عند 100 جزء في المليون وقلل من مؤشر الحيوية بنسبة 92.5%. كشفت المجهرية الإلكترونية الماسحة عن تشوه في طرف الجذر، بينما أظهرت المجهرية الفلورية سمية خلوية تعتمد على الجرعة في خلايا الجذر. أدت المستويات العالية من الزرنيخ (As³⁺) أيضًا إلى تقليل كبير في الكتلة الحيوية للجذر والساق، ومحتوى الكلوروفيل، والكاروتينات، ومستويات البروتين، إلى جانب زيادة علامات الإجهاد مثل البرولين والمالونديالديهايد (MDA).
تعتبر الآثار المترتبة على سلامة الغذاء كبيرة، حيث تسلط الدراسة الضوء على انتقال المعادن الثقيلة من الجذور إلى أنسجة الفاكهة القابلة للأكل، مما يثير القلق بشأن المخاطر الصحية المزمنة المرتبطة باستهلاك البشر. تم ربط التعرض طويل الأمد لهذه المعادن بمشاكل صحية متنوعة، بما في ذلك خلل وظائف الكلى والكبد، واضطرابات الإنجاب، والسرطان. تؤكد النتائج على ضرورة مراقبة بقايا المعادن في المحاصيل الغذائية، وتطبيق لوائح جودة التربة، وتنفيذ استراتيجيات الترميم للتخفيف من المخاطر التي ت posed by heavy metal contamination in agricultural environments.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحدي الكبير الذي تطرحه العوامل غير الحيوية، وخاصة المعادن الثقيلة (HMs)، على الزراعة المستدامة. أدت التصنيع السريع والممارسات الزراعية إلى تراكم المعادن الثقيلة السامة في النظم البيئية، مما أدى إلى تلوث بيئي مستمر يؤثر سلبًا على صحة التربة وإنتاجية المحاصيل وسلامة الغذاء (علي وآخرون، 2023). يعتبر الغذاء الملوث مصدر قلق حاسم، حيث يمثل ما يقرب من 90% من تعرض البشر للمعادن الثقيلة/المعادن شبه، مما يشكل مخاطر خطيرة على الصحة العامة (هاك وآخرون، 2021).
بينما تعتبر العناصر النزرة مثل الزنك (Zn) والنحاس (Cu) والمنغنيز (Mn) مغذيات دقيقة أساسية، فإن المعادن الأخرى مثل الزرنيخ (As) والكادميوم (Cd) والكروم (Cr) والزئبق (Hg) والرصاص (Pb) سامة للغاية ويمكن أن تعيق بشكل كبير نمو النباتات (علي وآخرون، 2021؛ علي وآخرون، 2023). تؤدي التركيزات المرتفعة من المعادن الثقيلة إلى اضطرابات شكلية وفسيولوجية متنوعة في النباتات، بما في ذلك ضعف إنبات البذور، وتثبيط نمو الجذور والساق، واصفرار الأوراق، وتقليل عملية التمثيل الضوئي، وزيادة الإجهاد التأكسدي (سيثي وغوش، 2013؛ جيرجا وأبيرانمي، 2022؛ وو وآخرون، 2023؛ جياناكولا وآخرون، 2021؛ عبد الجواد وآخرون، 2020). تؤدي الإنتاج المفرط للجذور الحرة للأكسجين (ROS)، مثل الجذور الحرة السوبر أكسيد ($O_2^{•-}$) وبيروكسيد الهيدروجين ($H_2O_2$) والجذور الحرة الهيدروكسيلية ($OH^{•}$)، إلى تعطيل توازن الأكسدة والاختزال الخلوي، وتلف الأغشية، ويمكن أن تؤدي في النهاية إلى موت الخلايا (نور وآخرون، 2022؛ إمامفرديان وآخرون، 2023).
الطرق
تحدد قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، ومعدات، وعينات بيولوجية، بالإضافة إلى البروتوكولات المتبعة لضمان قابلية التكرار وموثوقية النتائج. قد يصف القسم أيضًا الأساليب الإحصائية المطبقة لتحليل البيانات، بما في ذلك أي برامج مستخدمة ومعايير اختبار الدلالة.
بالإضافة إلى ذلك، قد تتضمن الطرق وصفًا لإعداد التجربة، بما في ذلك ظروف التحكم وعدد النسخ المكررة لكل تجربة. يضمن هذا النهج الشامل أن تكون النتائج قوية ويمكن التحقق منها من قبل باحثين آخرين في هذا المجال. بشكل عام، يعمل القسم كأساس حاسم لفهم كيفية اشتقاق استنتاجات الدراسة.
المناقشة
تسلط المناقشة الضوء على الآثار الضارة للمعادن الثقيلة (HMs) مثل الكادميوم (Cd²⁺) والكروم (Cr⁶⁺) والزرنيخ (As³⁺) على نمو وتطور Capsicum annuum L. (الفلفل الحار)، وهو محصول زراعي مهم. تكشف الدراسة أن التعرض لهذه المعادن يثبط بشكل كبير إنبات البذور ونمو الشتلات المبكرة، حيث يظهر الزرنيخ (As³⁺) أعلى سمية نباتية. بشكل محدد، عند تركيز 100 جزء في المليون، منع الزرنيخ (As³⁺) تمامًا الإنبات، بينما قلل الكادميوم (Cd²⁺) والكروم (Cr⁶⁺) الإنبات بنسبة 77.7% و44.4%، على التوالي. تأثرت أطوال الجذور والساق، بالإضافة إلى الكتلة الحيوية، سلبًا، حيث كان ترتيب السمية هو As³⁺ > Cd²⁺ > Cr⁶⁺. تم المساس بالسلامة الهيكلية لشكل الجذر، كما يتضح من المجهرية الإلكترونية الماسحة، التي أظهرت تشوهات مثل الشقوق والأسطح الخشنة في الجذور المعالجة بالمعادن.
بالإضافة إلى ذلك، أشارت التحليلات الكيميائية الحيوية إلى انخفاضات كبيرة في مستويات الكلوروفيل والكاروتينات، خاصة تحت ضغط الزرنيخ (As³⁺)، الذي قلل من الكلوروفيل أ بنسبة 96% والكلوروفيل ب بنسبة 82%. كما انخفض محتوى البروتين القابل للذوبان الكلي، مما يشير إلى أن التعرض للمعادن يعطل العمليات الأيضية الحيوية لنمو النبات. تؤكد الدراسة على ضرورة تطوير أصناف فلفل حار مقاومة للتخفيف من الآثار الضارة للمعادن الثقيلة، وبالتالي ضمان ممارسات زراعية مستدامة. بشكل عام، تسهم النتائج في فهم أفضل للسمية المقارنة للكبريت (Cd²⁺) والكروم (Cr⁶⁺) والزرنيخ (As³⁺) في الفلفل الحار، مما يعالج فجوة ملحوظة في الأدبيات بشأن الاستجابات الجينية والكيميائية الحيوية لهذا المحصول تحت ضغط المعادن الثقيلة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33016-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41521181
Publication Date: 2026-01-11
Author(s): Mohammad Shahid et al.
Primary Topic: Plant Stress Responses and Tolerance
Overview
This study examines the phytotoxic and genotoxic effects of cadmium (Cd²⁺), chromium (Cr⁶⁺), and arsenic (As³⁺) on Capsicum annuum L. (green chili) under varying metal concentrations. Results indicate that increasing concentrations of these heavy metals significantly inhibited growth parameters in a dose-dependent manner, with As³⁺ demonstrating the highest toxicity, completely preventing seed germination at 100 ppm and reducing the vigor index by 92.5%. Scanning electron microscopy revealed root tip deformation, while confocal microscopy showed dose-dependent cytotoxicity in root cells. High levels of As³⁺ also led to substantial reductions in root and shoot biomass, chlorophyll content, carotenoids, and protein levels, alongside increased stress markers such as proline and malondialdehyde (MDA).
The implications for food safety are significant, as the study highlights the translocation of heavy metals from roots to edible fruit tissues, raising concerns about chronic health risks associated with human consumption. Long-term exposure to these metals has been linked to various health issues, including kidney and liver dysfunction, reproductive disorders, and cancer. The findings underscore the necessity for monitoring metal residues in food crops, enforcing soil quality regulations, and implementing remediation strategies to mitigate the risks posed by heavy metal contamination in agricultural environments.
Introduction
The introduction highlights the significant challenge posed by abiotic stressors, particularly heavy metals (HMs), to sustainable agriculture. Rapid industrialization and agricultural practices have led to the accumulation of toxic HMs in ecosystems, resulting in persistent environmental contamination that adversely affects soil health, crop productivity, and food safety (Ali et al., 2023). Contaminated food is a critical concern, accounting for nearly 90% of human exposure to HMs/metalloids, which poses serious risks to public health (Haque et al., 2021).
While trace elements like zinc (Zn), copper (Cu), and manganese (Mn) are essential micronutrients, other metals such as arsenic (As), cadmium (Cd), chromium (Cr), mercury (Hg), and lead (Pb) are highly toxic and can severely impair plant development (Ali et al., 2021; Ali et al., 2023). Elevated concentrations of HMs lead to various morphological and physiological disorders in plants, including poor seed germination, inhibited root and shoot growth, leaf chlorosis, reduced photosynthesis, and increased oxidative stress (Sethy and Ghosh, 2013; Girija and Abirami, 2022; Wu et al., 2023; Giannakoula et al., 2021; Abd Elgawad et al., 2020). The excessive production of reactive oxygen species (ROS), such as superoxide anion radical ($O_2^{•-}$), hydrogen peroxide ($H_2O_2$), and hydroxyl radical ($OH^{•}$), disrupts cellular redox homeostasis, damages membranes, and can ultimately lead to cell death (Noor et al., 2022; Emamverdian et al., 2023).
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials utilized, including any reagents, equipment, and biological samples, as well as the protocols followed to ensure reproducibility and reliability of results. The section may also describe the statistical methods applied for data analysis, including any software used and the criteria for significance testing.
Additionally, the methods may include a description of the experimental setup, including control conditions and the number of replicates for each experiment. This comprehensive approach ensures that the findings are robust and can be validated by other researchers in the field. Overall, the section serves as a critical foundation for understanding how the study’s conclusions were derived.
Discussion
The discussion highlights the detrimental effects of heavy metals (HMs) such as cadmium (Cd²⁺), chromium (Cr⁶⁺), and arsenic (As³⁺) on the growth and development of Capsicum annuum L. (chilli), an important agricultural crop. The study reveals that exposure to these metals significantly inhibits seed germination and early seedling growth, with As³⁺ exhibiting the most severe phytotoxicity. Specifically, at a concentration of 100 ppm, As³⁺ completely inhibited germination, while Cd²⁺ and Cr⁶⁺ reduced germination by 77.7% and 44.4%, respectively. The root and shoot lengths, as well as biomass, were adversely affected, with the order of toxicity being As³⁺ > Cd²⁺ > Cr⁶⁺. The structural integrity of root morphology was compromised, as evidenced by scanning electron microscopy, which showed deformities such as cracks and rough surfaces in metal-treated roots.
Additionally, biochemical analyses indicated significant reductions in chlorophyll and carotenoid levels, particularly under As³⁺ stress, which decreased chlorophyll a by 96% and chlorophyll b by 82%. The total soluble protein content also diminished, suggesting that metal exposure disrupts metabolic processes critical for plant growth. The study underscores the necessity for developing resilient chilli cultivars to mitigate the adverse effects of HMs, thereby ensuring sustainable agricultural practices. Overall, the findings contribute to a better understanding of the comparative toxicity of Cd²⁺, Cr⁶⁺, and As³⁺ in chilli, addressing a notable gap in the literature regarding the genotoxic and biochemical responses of this crop under heavy metal stress.