نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 گروه زیست شناسی، دانشکده علوم، دانشگاه ارومیه
2 گروه اکولوژی، پژوهشگاه علوم و تکنولوژی پیشرفته و علوم محیطی، دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته، کرمان
3 گروه باغبانی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید باهنر کرمان
4 گروه زیست شناسی، دانشگاه پیام نور، تهران
چکیده
کلیدواژهها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
Iron nanoparticles, as one of the most widely used nanomaterials in modern agriculture, have garnered significant attention from researchers. These materials, with their unique chemical and physical properties, are capable of exerting notable effects on plant growth and performance. However, the utilization of Fe3O4 NPs in the agricultural sector remains relatively limited. Therefore, in the present study, a factorial experiment was conducted in a completely randomized design with three replications and four treatment levels of Fe3O4 NPs (0, 25, 50, and 100 mg/L) applied via foliar spray on tomato plants. The results indicated that spraying with 25 mg/L Fe3O4 NPs improved growth characteristics, photosynthetic pigment content, nutrient elements, proteins, and antioxidant enzyme activity, while also reducing the content of MDA, H2O2, and GABA, compared to the control in tomato plants. Overall, the findings of this research clearly demonstrate the potential of Fe3O4 NPs as a micronutrient nanofertilizer, particularly in application via foliar spraying.
Introduction
Nanotechnology, particularly the utilization of nanoparticles, offers innovative solutions for contemporary agricultural challenges, including the enhancement of plant growth and crop yield while preserving soil health (Usman et al., 2020; Feng et al., 2022). Among these, iron oxide nanoparticles (FeNPs) have garnered increasing attention due to the critical role of iron in plant physiological and biochemical processes, such as photosynthesis (El-Desouky et al., 2021; Góral et al., 2023). Iron deficiency, despite its abundance in soil (owing to insoluble and unavailable forms), poses a significant limitation to the growth of many plants, including tomatoes (Khan et al., 2020; Sagwal et al., 2023; Raiesi-Ardali et al., 2022). Tomato, as a vital agricultural crop, is particularly vulnerable to environmental stresses and nutrient deficiencies (Collins et al., 2022; Kaboré et al., 2022). Conventional methods of iron supply using chemical fertilizers necessitate innovative, cost-effective, and environmentally benign solutions due to their low absorption efficiency (Pasricha et al., 2021).
Currently, iron nanoparticles have emerged as a promising alternative for addressing iron deficiency (Raiesi-Ardali et al., 2022). However, research concerning their agricultural applications, specifically the effects of foliar application of Fe₃O₄ nanoparticles (Fe₃O₄ NPs) on enhancing plant growth, remains limited. This study was conducted to investigate the impact of foliar Fe₃O₄ NPs treatment on the morphological, physiological, and enzymatic traits of tomato plants, to determine the efficacy and optimal concentration of these nanoparticles for this crop.
Materials and Methods
This experiment was conducted as a factorial experiment based on a completely randomized design with three replications. Following surface sterilization with a 1.0% sodium hypochlorite solution, seeds were rinsed and cultured in petri dishes. Three days post-germination initiation, seedlings were transferred to pots containing perlite and irrigated with half-strength Hoagland solution. For the synthesis of Fe₃O₄ nanoparticles, iron (III) chloride hexahydrate and iron (II) chloride tetrahydrate were dissolved in 100 mL of deionized water and maintained at 60°C. Subsequently, 10 mL of 25% ammonium hydroxide (NH₄OH) was added to the mixture (Rostami et al., 2018). For treatment application, Fe₃O₄ NPs were prepared at concentrations of 0, 25, 50, and 100 mg/L, sonicated, and sprayed onto plants at the four-leaf stage. At the end of the treatment period, stems and roots were separated and snap-frozen in liquid nitrogen.
Chlorophyll content was determined according to Lichtenthaler’s method (1987). Malondialdehyde (MDA) and hydrogen peroxide (H₂O₂) levels were quantified using the methods described by Heath and Packer (1969) and Velikova et al. (2000), respectively. GABA was measured by the method of Baum et al. (1996), and protein content by the Bradford method (1976). The activities of superoxide dismutase (SOD) (Giannopolitis & Ries, 1977), ascorbate peroxidase (APX) (Nakano & Asada, 1981), and catalase (CAT) (Dhindsa et al., 1981) were assayed, along with elemental analysis using inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). Results were presented as mean ± standard deviation. Statistical differences were analyzed using Microsoft Excel software and Two-Way Analysis of Variance (ANOVA). Duncan’s multiple range test was employed for mean comparisons, with a significance level set at p < 0.05.
Results and Discussion
The results indicated that 25 mg/L Fe₃O₄ NPs increased dry weight, plant length, chlorophyll content, protein content, and the activity of antioxidant enzymes SOD, APX, and CAT. Concurrently, the levels of MDA, H₂O₂, and GABA showed a decrease. In contrast, 100 mg/L Fe₃O₄ NPs exhibited toxic effects, leading to a reduction in dry weight, plant length, chlorophyll content, and protein content, accompanied by an increase in MDA, H₂O₂, and GABA content. These findings corroborate the dual effects of iron oxide nanoparticles: at low concentrations, these nanoparticles can act as a growth stimulant, contributing to plant health by mitigating oxidative stress and modulating GABA accumulation. These positive effects are likely attributed to the supply of iron for enhanced activity of antioxidant enzymes such as APX and CAT, in which iron functions as a cofactor (Salehi Eskandari & Kharati Koopaei, 2020). In this study, 25 mg/L Fe₃O₄ NPs also led to an increase in the content of macronutrients (K, Ca, Mg) and micronutrients (Fe, Mn, Zn, Cu). Iron nanoparticles may stimulate the production of growth hormones like auxin and cytokinin, promoting cell division and improving the growth of aerial and root organs, which facilitates better nutrient absorption and contributes to overall plant growth (Divte et al., 2021). Iron nanoparticles can enhance nutrient uptake and distribution efficiency by regulating the expression of nutrient transporter genes (Yang et al., 2020) and, by reducing stress conditions, allocate more energy towards nutrient absorption and translocation (Feng et al., 2022). In this study, the 25 mg/L Fe₃O₄ NPs concentration provided a less stressful environment, leading to improved nutrient uptake and, consequently, greater plant growth and biomass.
Conclusion
In this study, 25 mg/L Fe₃O₄ NPs demonstrated significant positive effects on the growth and physiology of tomato plants. The findings suggest that Fe₃O₄ NPs hold substantial potential as a novel and efficient alternative to traditional iron fertilizers in agriculture, and their foliar application can serve as a rapid and effective strategy for addressing nutritional deficiencies. However, further research under field conditions is deemed essential to validate these results on a larger scale and to gain a deeper understanding of the underlying mechanisms of action.
کلیدواژهها [English]
مقدمه
استفاده از فناوری نوین نانوتکنولوژی در حوزه کشاورزی، رویکردی هدفمند برای بهبود رشد و افزایش تولید محصولات در کنار حفظ سلامت خاک محسوب میشود (Usman et al., 2020). نانوذرات به این علّت که راهحلهای جدیدی برای چالشهای دیرینه در کشاورزی ارائه میدهند، امروزه توجه بسیاری از پژوهشگران را به خود جلب کرده اند (Feng et al., 2022; Raiesi-Ardali et al., 2022; Rani et al., 2022). اثرات مثبت نانو ذرات بر روی گیاهان به اندازه کوچک، نسبت سطح به حجم بالا و وضعیت الکترونی خاص مرتبط است که منجر به حلالیت و واکنش پذیری بالای آنها میشود و این امر برهمکنش موثر آنها با غشاءها و سایر اجزای سلولی را تعیین میکند (Djanaguiraman et al., 2024). این ویژگیهای نانو ذرات سبب کاربرد موفق آنها در صنایع مختلف از جمله کشاورزی شده است (Djanaguiraman et al., 2024). یکی از مهمترین کاربردها، استفاده از نانو ذرات جهت تغذیه گیاهان است که باعث کاهش مصرف مواد شیمیایی، حداقل هدررفت مواد و افزایش رشد و عملکرد گیاهان میشوند (Arora et al., 2022). استفاده از نانو ذرات، عناصر غذایی به روشی کنترل شده آنها را در خاک آزاد میکند و همچنین خطرات زیست محیطی کودهای شیمیایی مختلف را کاهش میدهد (Beig et al., 2022). در سالهای اخیر، نانو ذرات اکسیدآهن توجه زیادی را به خود جلب کردهاند و به طور گسترده در زمینههای مختلف علمی مورد استفاده قرار گرفتهاند (Góral et al., 2023). در میان انواع مختلف نانو ذرات اکسیدآهن، Fe3O4 NPs با موفقیت در کاربردهای مختلف زیستی مورد استفاده قرار گرفته است و اخیراً نیز اهمیت خود را در علوم گیاهی و کشاورزی گسترش داده است. Fe3O4 NPs سمّیت کم و پایداری بالایی از خود نشان میدهند و پژوهشگران آنها را در دسته زیستتخریبپذیر بهحساب میآورند (Góral et al., 2023). آهن بهعلّت خواص اکسیداسیون احیا نقش مهمی در مسیرهای مختلف فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی مانند سنتز DNA، RNA، تنفس و فتوسنتز ایفا میکنند و برای طیف گستردهای از عملکردهای زیستی مورد نیاز است (El-Desouky et al., 2021). این عنصر، یک ماده ضروری و محدود کننده اصلی برای رشد و متابولیسم گیاه است و بخش قابل توجهی از آن در کلروپلاست وجود دارد (Khan et al., 2020). بنابراین جای تعجب نیست که کمبود آن سبب تغییراتی در ساختمان و عملکرد دستگاه فتوسنتزی گیاهان عالی شود (Khan et al., 2020). عدم تعادل بین دسترسی به آهن در خاک و تقاضای آن توسط گیاه از علل اصلی کلروز در گیاهان است (Sagwal et al., 2023). آهن با وجود اینکه در اکثر خاکها به وفور یافت میشود، امّا بخش عمدهای از آن به صورت نامحلول در خاک وجود دارد که برای گیاهان قابل جذب نیست (Sagwal et al., 2023). کمبودآهن در بسیاری از گیاهان نظیر گوجهفرنگی وجود دارد (Raiesi-Ardali et al., 2022). برای کاهش کمبود آهن بهطور مرسوم از کودهای شیمیایی آهن استفاده میشود (Pasricha et al., 2021). با این وجود، به علّت کارایی پائین جذب مواد مغذی، این روش کارآمد نیست و لازم است که راهکارهای نوینی با توجیه اقتصادی و سازگار با محیط زیست ارائه شود و استفاده از نانوذرات آهن راهکاری مناسب برای مقابله با کمبود آن محسوب می شود (Raiesi-Ardali et al., 2022). گزارشهای متعددی نشان میدهند که نانو ذرات نسبت به همتایان تودهای (Bulk Counterparts) یا یونی خود موثرتر عمل میکنند (Rai et al., 2022; Tavallali, 2018). در سویا نانو ذرات آهن در مقایسه با سولفات آهن و Fe-EDTA منجر به افزایش محتوای کلروفیل، درصد جوانهزنی، فعالیت CAT و SOD شد (Yang et al., 2020). در Citrus maxima تیمار برگی نانوذرات γ-Fe₂O₃، در مقایسه با Fe(II)-EDTA، تأثیر مثبت بیشتری بر فاکتورهای رشدی، جذب آهن و فعالیت آنزیمهای SOD و CAT داشت و همچنین موجب کاهش قابل توجهتری در سطح MDA شد (Hu et al., 2017). نانو ذرات آهن بسیار کوچکتر از اکسید آهن معمولی یا مولکولهای آهن هستند (Rai et al., 2022). آنها میتوانند کمپلکسهای بیشتری با مولکولهای مختلف ایجاد کنند و آهن بیشتری برای اندامهای گیاهی فراهم آورند (Yang et al., 2020). علاوه بر آن نانو ذرات آهن معمولاً بهتدریج جذب میشوند، در حالی که اشکال یونی آنها بلافاصله در واکنشهای مختلف شیمیایی وارد میشوند (Rai et al., 2022). از سوی دیگر، با توجه به تبدیل سریع آهن به اشکال غیر قابل دسترسی گیاهی، تیمار ریشهای آهن در خاکهای دارای کمبود آهن معمولاً بیاثر است و محلولپاشی برگی میتواند به عنوان یک روش نسبتاً نوین در گیاهان برای رفع سریع کمبودها اهمیت زیادی داشته باشد (Cao et al., 2022). تیمار برگی نانوآهن در Brassica juncea سبب کاهش نشت الکترونی، محتوای MDA، پرولین و H2O2 و افزایش محتوای کلروفیل، فعالیت APX، CAT و GPX شد (Praveen et al., 2018). تیمار برگی Fe3O4 NPs در Triticum aestivum نیز سبب افزایش طول و وزن تر اندام هوایی و ریشه، محتوای کلروفیل، عناصر غذایی ضروری و فعالیت آنزیمهای آنتی اکسیدانی SOD، APX و GPX شد (Feng et al., 2022). همچنین نانوآهن منجر به افزایش فاکتورهای رشدی در گیاه Stevia rebaudiana شد (Khan et al., 2020). نانو آهن در مقایسه با کلات آهن، سبب افزایش محتوای نیتروژن، فسفر، پتاسیم، آهن، روی و منگنز در Cayenne pepperشد (Alkarawi et al., 2024). نانو ذرات آهن بر محتوی گاما-آمینوبوتیریک اسید (GABA; Gamma-Amino Butyric Acid) نیز اثر میگذارند. گلوتامات، آمینواسیدی محوری در متابولیسم گیاهان، پیشساز برای سنتز پروتئینها، آلکالوئیدها و مولکولهای تتراپیرولی نظیر کلروفیل و همچنین GABA است (Qiu et al., 2020). در شرایط غیر تنش، گیاه تلاش میکند تا بخش عمدهای از گلوتامات را به سمت مسیرهای آنابولیکی هدایت کند که مستقیماً منجر به رشد، فتوسنتز و انباشت زیستتوده میشوند؛ به جای اینکه آن را صرف تولید متابولیتهای دفاعی همانند GABAکند (Asgari-Ravandi et al., 2025). با توجه به نقش نانو ذرات آهن در ارتقای کارایی فتوسنتزی و افزایش جذب آهن (به عنوان یک ریزمغذی ضروری برای سنتز کلروفیل)، بررسی تأثیر آنها بر محتوی کلروفیل و GABA از اهمیت ویژهای برخوردار است.
گوجهفرنگی بهعنوان یکی از اساسیترین محصولات کشاورزی در سراسر جهان از جایگاه برجستهای در تغذیه انسانی برخوردار است (Collins et al., 2022). عوامل مختلفی مانند کمبود عناصر غذایی یا انواع تنشها، تولید این محصول را تحت تأثیر قرار میدهند (Kaboré et al., 2022). استفاده از نانو ذرات آهن به عنوان یک راه حل نوآورانه میتواند نقش کلیدی در بهبود رشد و به دست آوردن محصولاتی با کیفیت بالاتر ایفا کند (El-Desouky et al., 2021). اما کاربرد این نانو ذرات در بخش کشاورزی، علیرغم تمامی فواید بالقوه آن، هنوز نسبتاً محدود است و پژوهشهای اندکی درباره اثرات نانو ذراتFe3O4 (Fe₃O₄ NPs) بر بهبود رشد گیاهان، بهویژه توسط محلولپاشی برگی، انجام شده است. بنابراین در این پژوهش، اثر تیمار برگی Fe3O4 NPs بر برخی صفات زیخت شناسی، فیزیولوژیکی و آنزیمی در گوجهفرنگی مورد بررسی قرار گرفت. هدف از این پژوهش، درک بهتر عملکرد این نانو ذرات و تعیین غلظت بهینه آن در گوجه فرنگی است.
مواد و روشها
شرایط رشد گیاه و اعمال تیمارها
بذرهای گوجهفرنگی (cv. Calj-N3) تهیه شده از شرکت گلس گاردن (Glass Garden)، ابتدا توسط محلول هیپوکلریت سدیم 1/0 درصد برای ۱۵ دقیقه استریل شدند. پس از شستشو با آب مقطر دو بار تقطیر، بذرها روی کاغذ صافی درون پتری دیش کشت شدند. سه روز پس از جوانهزنی به گلدانهایی با بستر پرلیت منتقل شدند و آبیاری و تغذیه آنها با محلول غذایی هوگلند (Hoagland & Arnon, 1950) با نصف غلظت (1/0±7/5=pH) انجام شد. شرایط رشد در گلخانه شامل ۱۶ ساعت روشنایی و ۸ ساعت تاریکی، دمای 25 درجه سانتیگراد در روز و ۲۰ درجه سانتیگراد در شب و رطوبت نسبی 70 درصد بود. برای سنتز Fe3O4 NPs در محیط نیتروژن مایع، از کلرید آهن سه ظرفیتی شش آب (6/4 گرم، 017/0 مولار) و کلرید آهن دو ظرفیتی چهار آب (2/2 گرم، 011/0 مولار) استفاده شد که در 100 میلیلیتر آب دیونیزه در دمای 60 درجه سانتیگراد حل شدند، سپس 10 میلیلیتر NH4OH 25درصد به مخلوط اضافه شد و واکنش به مدت 60 دقیقه ادامه یافت و پس از سرد شدن مخلوط به دمای اتاق، نانو ذرات تولیدی تحت جداسازی مغناطیسی خارجی (آهنربا) قرار گرفتند و سپس چندین بار با آب مقطر دیونیزه شسته شدند. محصول نهایی در دمای محیط خشک شد. حضور نانو ذرات توسط تکنیک XRD (شکل A1) بررسی شد و اندازه و شکل آنها با کمک میکروسکوپ الکترونی SEM مورد ارزیابی قرار گرفت (Rostami et al., 2018). تصویر میکروسکوپ الکترونی SEM به وضوح اندازه نانو ذرات را در بازه 56/24 تا 04/53 نانومتر نمایش داد (شکل B1). Fe3O4 NPs در غلظتهای 0، 25، 50 و 100 میلیگرم در لیتر آماده شدند و به مدت ۴۵ دقیقه اولتراسونیک شدند و بلافاصله بهصورت محلولپاشی روزانه و به مدت 4 روز روی گیاهان در مرحله 4 برگی استفاده شد. یک هفته پس از اتمام تیمار، اندام هوایی و ریشهها جدا شده و بلافاصله در نیتروژن مایع منجمد و در دمای ۸۰- درجه سانتیگراد برای آزمایشهای بعدی نگهداری شدند.
بررسی برخی ویژگیهای بیوشیمیایی
برای سنجش رنگدانههای فتوسنتزی، 200 میلیگرم از بافت برگ در 15 میلیلیتر استون 80 درصد آسیاب و سپس سانتریفیوژ شد (Lichtenthaler, 1987). جذب عصاره در طول موجهای 470، 646 و 663 نانومتر توسط اسپکتروفتومتر (مدل 1700، شرکت Shimadzu، Japan) اندازهگیری شد. جهت سنجش محتوای مالون دآلدئید (MDA) و سایر آلدئیدها، ابتدا 2/0 گرم از بافت منجمد شده با 5 میلیلیتر تری کلرواستیک اسید (TCA) 1/0 درصد آسیاب شد. عصاره بهدست آمده به مدت 5 دقیقه درg 10000 سانتریفیوژ شدند. به یک میلیلیتر از محلول رویی 4 میلیلیتر تریکلرواستیک اسید (TCA) 20 درصد که حاوی 5/0 درصد تیوباربیوتیک اسید (TBA)بود اضافه شد. این مخلوط به مدت 30 دقیقه در دمای 95 درجه سانتیگراد گرم شد، سپس فوراً سرد و مجدد سانتریفیوژ شد. میزان جذب در طول موج 455، 532 و 600 نانومتر خوانده شد. برای اندازهگیری محتوای MDA از ضریب خاموشی معادل Mm-1cm-1 155 و برای سایر آلدئیدها از Mm-1cm-1 105×457/0 استفاده شد و نتایج بر حسب نانومول بر گرم وزن تر ارائه شد (Heath & Packer, 1968). جهت تعیین محتوای پراکسید هیدروژن، 500 میلیگرم از بافت گیاهی در تری کلرواستیک اسید 1/0 درصد سائیده شد و عصاره حاصل در سانتریفیوژ یخچالدار (مدل Eppendorf Centrifuge 5804، Germany) به مدّت 15 دقیقه سانتریفیوژ شد. سپس 5/0 میلیلیتر از محلول رویی، 5/0 میلیلیتر بافر پتاسیم فسفات 10 میلیمولار و 1 میلیلیتر یدید پتاسیم 1 مولار ترکیب شدند و جذب محلولها در طول موج 390 نانومتر اندازهگیری شد. مقدار پراکسید هیدروژن موجود توسط ضریب خاموشی M-1cm-1 28/0 محاسبه و نتایج بهصورت میکرومول بر گرم وزن تر ارائه شد (Velikova et al., 2000).
تعیین محتوای گاما آمینو بوتریک اسید
برای تعیین محتوای GABA توسط HPLC (مدلAgilent 1100، استرالیا) 5/0گرم نمونه با 1میلیلیتر محلول آب: کلروفرم: متانول (به نسبت 12:5:3) سائیده شد و به مدت 2 دقیقه در g10000 در ˚C4 سانتریفوژ شد. روشناور جمعآوری و خشک شد و دوباره در 100 میکرولیتر آب حل شد و سپس با 150 میکرولیتر بافر بوراکس (8pH=) و 250 میکرولیتر از معرف مشتقسازی هیدروکسینفتالدئید (3/0 درصد w/vدر متانول) مخلوط شد. مخلوط در یک حمام آب به مدت 20 دقیقه در ˚C80 گرم و سپس در دمای اتاق سرد شد. حجم نهایی محلول با متانول به 1 میلیلیتر رسید و سپس توسط فیلتر 45/0 میکرومتری قبل از تزریق به ستون HPLC (Zorbax Eclipse XDB-C18; 150 × 4.6 mm, 5 µm) فیلتر شد. حجم تزریق نمونه 20 میکرولیتر، سرعت جریان 5/0 میلیلیتر در دقیقه و فاز متحرک متانول: آب (38:62 V/V) بود و تشخیص توسط آشکارساز UV در 330 نانومتر انجام شد. زمان نگهداری برای GABA، 12 دقیقه و مجموع مدت زمان شستشو20 دقیقه بود. کمیسازی با منحنی استاندارد بهدست آمده توسط مساحت سطح زیر پیک غلظتهای مختلف GABA به عنوان نمونه استاندارد انجام شد (Baum et al., 1996).
تهیه عصاره برای سنجش محتوی پروتئین و فعالیت آنزیمی
برای استخراج پروتئینها و بررسی فعالیت آنزیمها از بافتهای گیاهی عصارهای تهیه شد. در این فرایند از بافر فسفات پتاسیم به غلظت 50 میلیمولار (7=pH) استفاده شد. به این محلول، 1 میلیمولار Phenyl Methane Sulfonyl Fluoride (PMSF)، 1 میلیمولار Sodium Ethylene Diamine Tetraacetic Acid (Na2EDTA)و 1 درصد جرمی/ حجمی Poly Vinyl Pyrrolidone (PVP) افزوده شد. نمونهها پس از همگنسازی و سانتریفیوژ در دمای ۴ درجه سانتیگراد، برای اندازهگیری محتوای پروتئین و فعالیت آنزیمی آماده شدند. برای سنجش محتوای پروتئین، 1/0 میلیلیتر از عصاره فوق با 5 میلیلیتر معرف بیوره مخلوط و سریعا ورتکس شد (Bradford, 1976). تمام اندازهگیریها توسط اسپکتروفتومتر و در حجم نهایی 3 میلیلیتر انجام شد.
فعالیت آنزیم سوپراکسید دیسموتاز (SOD) (EC: 1.15.1.1)
فعالیت این آنزیم از روش اندازهگیری درصد ممانعت از احیای نیتروبلوتترازولیوم (NBT) به دی فورمازان تعیین شد. برای این کار مخلوط واکنش شامل بافر فسفات 50 میلیمولار (7=pH)، NBT (Nitro Blue Tetrazolium) به غلظت 075/0 میکرولار، Na-EDTA 1/0 میلیمولار، ریبوفلاوین 75 میکرومولار، متیونین 13 میلیمولار و 50 میکرولیتر عصاره آنزیمی بود. این مخلوط به مدت 8 دقیقه در نور قرار گرفت و سپس جذب در طول موج 560 نانومتر اندازهگیری شد. یک واحد آنزیمی SOD به مقدار آنزیمی اطلاق میشود که بتواند 50 درصد از احیای NBTرا در مقایسه با نمونههای شاهد جلوگیری کند (Giannopolitis & Ries, 1977).
فعالیت آنزیم آسکوربات پراکسیداز (APX) EC: 1.11.1.1)
برای سنجش فعالیت این آنزیم کاهش جذب در طول موج 290 نانومتر به علّت اکسیداسیون ASC مورد بررسی قرار گرفت. مخلوط واکنش شامل پتاسیم فسفات ۵۰ میلیمولار (7=pH)، EDTA 1/0 میلیمولار، پراکسید هیدروژن 15/0 میلیمولار، آسکوربات 5/0 میلیمولار و 15/0 میلیلیتر عصاره آنزیمی بود. یک واحد فعالیت APX به مقدار آنزیمی اطلاق میشود که بتواند یک میلیمولار ASC را در یک دقیقه تجزیه کند (Nakano & Asada, 1981).
فعالیت آنزیم کاتالاز (CAT) (EC: 1.11.1.6 )
فعالیت این آنزیم با اندازهگیری سرعت تجزیه پراکسید هیدروژن در طول موج 240 نانومتر سنجیده شد. مخلوط واکنش در حجم 3 میلیلیتر شامل 870/2 میلیلیتر بافر فسفات 50 میلیمولار (7=pH) و 30 میکرولیتر پراکسید هیدروژن به غلظت 5/1 مولار بود. با اضافه کردن 100 میکرولیتر عصاره آنزیمی واکنش آنزیمی آغاز شد (Dhindsa et al., 1981).
تجزیه و تحلیل عناصر توسط طیف سنجی نشر پلاسمای جفت شده القایی (ICP-MS; Coupled Plasma Mass Spectrometry)
برای سنجش عناصر پتاسیم (k)، کلسیم (Ca)، منیزیم (Mg)،آهن (Fe)، منگنز (Mn)،روی (Zn) و مس (Cu) از روش Sagner et al. (1998) استفاده شد. نمونهها، به مدت ۷۲ ساعت در دمای ۷۰ درجه سانتیگراد در آون خشک شدند. 5/0 گرم از بافت گیاهی در ۱۰ میلیلیتر اسید نیتریک غلیظ ۶۵ درصد وزنی/ حجمی حل و به مدت ۲۴ ساعت هضم شدند. این مخلوط سپس روی هیتر قرار گرفت تا به صورت تقریبی اما نه کامل خشک شود. پس از سرد شدن، حجم هر نمونه با استفاده از آب دو بار تقطیر به ۵۰ میلیلیتر رسانده شد. همچنین غلظت تمام عناصر توسط ICP-MSاندازهگیری شد. پایداری دستگاه بهطور منظم با استاندارد داخلی بررسی شد و از بلانکهای معرف برای شناسایی آلودگی احتمالی استفاده شد (Sagner et al., 1998).
تجزیه و تحلیل آماری
تمامی آزمایشها در سه تکرار انجام شد و نتایج به صورت میانگین± SD (Standard Deviation) ارائه شدند. تفاوتهای آماری توسط نرمافزار SPSS 20.0 و تحلیل واریانس دوطرفه (Two Way ANOVA) و سپس آزمون چند دامنهای دانکن ارزیابی شد. P≤0.05 برای نشان دادن تفاوتهای معنیداری در نظر گرفته شد.
نتایج
صفات ریختشناسی و رنگدانههای فتوسنتزی
شکلهای 2 و 3 نشان دادند Fe3O4 NPs اثر معنیداری بر وزن خشک و طول اندام هوایی و ریشه گیاه گوجه فرنگی داشت. غلظت ۲۵ میلیگرم در لیتر Fe3O4 NPs بیشترین افزایش در میزان وزن خشک و طول گیاه گوجه فرنگی را نشان داد. در غلظت 50 میلیگرم در لیتر Fe3O4 NPs نیز این افزایش مشاهده شد، امّا غلظت ۱۰۰ میلیگرم بر لیتر اثر منفی بر این صفات داشت که نشان میدهد این غلظت برای گیاه سمی بوده است. همچنین شکل 4 نشان داد محلولپاشی نانو ذرات آهن میزان رنگیزههای فتوسنتزی را نسبت به شاهد بهطور معنیداری افزایش داد. در غلظت ۲۵ میلیگرم در لیتر بیشترین میزان کلروفیل a، b، کل و کارتنوئید وجود داشت که به ترتیب سبب افزایش 3/55، 4/39، 8/50 و 5/87 درصد نسبت به شاهد شد، امّا غلظت 100 میلی گرم در لیتر نانو آهن منجر به کاهش محتوای رنگیزههای فتوسنتزی نسبت به شاهد شد.
شکل 1- ویژگیهای Fe3O4 NPs توسط تکنیکهای (A) XRDو (B) SEM
Figure 1- Properties of Fe3O4 NPs by techniques XRD pattern (A) and SEM micrograph (B).
شکل 2- اثر غلظتهای مختلف Fe3O4 NPs بر وزن خشک اندام هوایی و ریشه در گوجهفرنگی. مقادیر، میانگین 3 تکرار ± SD است. حروف یکسان، بیانگر عدم اختلاف معنیدار در سطح P < 0.05 با استفاده از آزمون دانکن است.
Figure 2- Effects of different concentrations of Fe3O4 NPs on shoot dry Weight in tomato. Values are mean ± SD of 3 replicates. Mean values followed by similar letters did not differ significantly (P < 0.05) when determined by the Duncan test.
شکل 3- اثر غلظتهای مختلف Fe3O4 NPs بر طول اندام هوایی و ریشه در گوجهفرنگی. مقادیر، میانگین 3 تکرار ± SD است. حروف یکسان، بیانگر عدم اختلاف معنیدار در سطح P < 0.05 با استفاده از آزمون دانکن است.
Figure 3- Effects of different concentrations of Fe3O4 NPs on shoot and root length in tomato. Values are mean ± SD of 3 replicates. Mean values followed by similar letters did not differ significantly (P < 0.05) when determined by the Duncan test.
شکل 4- اثر غلظتهای مختلف Fe3O4 NPs بر کلروفیل a، b، کل و کارتنوئید در گوجهفرنگی. مقادیر، میانگین 3 تکرار ± SD است. حروف یکسان، بیانگر عدم اختلاف معنیدار در سطح P < 0.05 با استفاده از آزمون دانکن است.
Figure 4- Effects of different concentrations of Fe3O4 NPs on Chla, Chlb, Chlt, and Car in tomato. Values are mean ± SD of 3 replicates. Mean values followed by similar letters did not differ significantly (P < 0.05) when determined by the Duncan test.
صفات بیوشیمیایی
جدول 1 نشان داد محلولپاشی Fe3O4 NPs سبب کاهش معنیدار محتوای مالون دآلدئید، سایر آلدئیدها، وH2O2 اندام هوایی و ریشه گوجهفرنگی نسبت به شاهد شد و غلظت 25 میلیگرم در لیتر بیشترین تأثیر را داشت، بهطوری که سبب کاهش 9/86، 1/39 درصد در محتوای مالون دآلدئید، 7/43 و 50 درصد در سایر آلدئیدها، 87/19 و 41/20 درصد درH2O2 در اندام هوایی و ریشه نسبت به شاهد شد. همچنین 25 میلیگرم در لیتر Fe3O4 NPs، محتوای GABA اندام هوایی و ریشه را به میزان 9/31 و 4/22 درصد در اندام هوایی و ریشه در مقایسه با شاهد کاهش داد. اسپری Fe3O4 NPs بر محتوای پروتئین نیز تأثیر معنیداری داشت. غلظت 25 میلیگرم در لیتر Fe3O4 NPs سبب افزایش 9/43 و 2/28 درصد در محتوای پروتئین در اندام هوایی وریشه در مقایسه با شاهد شد.
جدول 1- اثر غلظتهای مختلف Fe3O4 NPs بر محتوای MDA، سایر آلدئیدها، H2O2 و GABA اندام هوایی و ریشه در گوجهفرنگی
Table 1- effects of different concentrations of Fe3O4 NPs on MDA, Aldehydes, H2O2 and GABA in tomato.
|
nano-Fe3O4(mg/l) |
Shoot MDA (nM/gr FW) |
Shoot Aldehydes (nM/gr FW) |
Root MDA (nM/gr FW) |
Root Aldehydes (nM/gr FW) |
Shoot H2O2 (µM/g Fw) |
Root H2O2 (µM/g Fw) |
Shoot GABA (µM /gr FW) |
Root GABA (µM /gr FW) |
Shoot protein (mg/gr FW) |
Root protein (mg/gr FW) |
|
0 |
0.13±0.017a |
0.016±0.002b |
0.24±0.019ab |
0.017±0.002b |
26.98±0.896b |
56.19±2.61b |
39.04±2.31b |
53.21±3.71b |
6.19±0.29c |
5.39±0.49b |
|
25 |
0.05±0.006c |
0.008±0.002c |
0.16±0.002c |
0.009±0.003c |
22.02±1.81c |
43.98±1.88c |
27.08±1.11c |
39.98±3.11c |
9.12±0.21a |
6.83±011a |
|
50 |
0.08±0.006b |
0.019±0.002ab |
0.19±0.007b |
0.03±0.004ab |
30.94±1.89b |
64.07±1.62a |
36.03±2.91b |
57.35±3.12ab |
7.18±0.41b |
4.79±0.59bc |
|
100 |
0.13±0.021ab |
0.031±0.003a |
0.31±0.021a |
0.03±0.003a |
38.05±1.62a |
53.92±3.11b |
47.95±1.61a |
67.19±3.21a |
7.61±0.21b |
3.68±.019c |
مقادیر، میانگین 3 تکرار ± SD است. حروف یکسان، بیانگر عدم اختلاف معنیدار در سطح P < 0.05 با استفاده از آزمون دانکن است.
Values are mean ± SD of 3 replicates. Mean values followed by similar letters did not differ significantly (P < 0.05) when determined by the Duncan test.
آنزیمهای آنتی اکسیدانی
مطابق با نتایج جدول 2، محلولپاشی Fe3O4 NPs در همه غظتها منجر به افزایش فعالیت آنزیمهای آنتی اکسیدانی در گوجه فرنگی شد که بیشترین افزایش در غلظت 25 میلیگرم در لیتر بود. غلظت 25 میلیگرم در لیتر Fe3O4 NPs سبب افزایش فعالیتCAT به میزان 64/117و 26/143،APX به میزان 17/86 و 05/98 و SOD به میزان 1/101 و 24/57 درصد به ترتیب در اندام هوایی و ریشه شد.
تغییر محتوا و تجمع عناصر غذایی تحت تیمارهای پژوهش
مقایسه میانگینها مربوط به محتوای تجمع یافته عناصر غذایی مهمی مانند K, Fe, Mn, Mg, Zn, Cu, Ca در ساقه و ریشه گیاهان تحت تیمار نشان دادند محلولپاشی Fe3O4 NPs سبب افزایش معنی دار محتوای عناصر غذایی سنجش شده در گوجهفرنگی نسبت به شاهد شد. بیشترین مقدار عناصر غذایی در غلظت 25 میلیگرم در لیتر Fe3O4 NPs بدست آمد و کمترین مقدار عناصر غذایی مربوط به تیمار شاهد بود. غلظت 25 میلیگرم در لیتر Fe3O4 NPs سبب افزایش محتوای پتاسیم ساقه و ریشه به ترتیب به میزان 5/53 و 5/32 درصد، کلسیم ساقه و ریشه به ترتیب به میزان 78 درصد و 35/1 برابر، منیزیم ساقه و ریشه به ترتیب به میزان 2/43 و 3/54 درصد، آهن ساقه و ریشه به ترتیب به میزان 5/59 درصد و 3/66، منگنز ساقه و ریشه به ترتیب به میزان 47/1 و 14/1 برابر، روی (Zn) ساقه و ریشه به ترتیب نیز به میزان 9/41 و 4/65 درصد و مس ساقه و ریشه به ترتیب به میزان 8/80 درصد و 44/1 برابر نسبت به شاهد شد (جدول 3).
جدول 2- اثر غلظتهای مختلف Fe3O4 NPs بر محتوای CAT، APX و SOD اندام هوایی و ریشه در گوجهفرنگی
Table 2- Effects of different concentrations of Fe3O4 NPs on CAT, APX, SOD in tomato.
|
nano-Fe3O4(mg/l) |
Shoot CAT (U/mg Protein) |
Root CAT (U/mg Protein) |
Shoot APX (U/mg Protein) |
Root APX (U/mg Protein) |
Shoot SOD (U/mg Protein) |
Root SOD (U/mg Protein) |
|
0 |
1.36±0.21c |
1.04±0.13c |
1.23±0.12c |
1.03±0.04d |
0.86±0.10c |
1.45±0.12c |
|
25 |
2.96±0.34a |
2.53±0.14a |
2.29±0.03a |
2.04±0.16a |
1.73±0.12a |
2.28±0.21a |
|
50 |
1.86±0.27b |
1.57±0.11b |
1.74±0.17b |
1.36±0.10c |
1.27±0.27b |
1.66±0.07bc |
|
100 |
1.76±0.10bc |
1.63±0.20b |
1.52±0.12ab |
1.79±0.16b |
0.98±0.95bc |
1.84±0.08b |
مقادیر، میانگین 3 تکرار ± SD است. حروف یکسان، بیانگر عدم اختلاف معنیدار در سطح P < 0.05 توسط آزمون دانکن است.
Values are mean ± SD of 3 replicates. Mean values followed by similar letters did not differ significantly (P < 0.05) when determined by the Duncan test.
جدول 3- اثر غلظتهای مختلف Fe3O4 NPs بر محتوای K، Ca، Mg، Fe، Mn، Zn، Cu اندام هوایی و ریشه در گوجهفرنگی
Table 3- Effects of different concentrations of Fe3O4 NPs on shoot and root K, Ca, Mg, Fe, Mn, Zn and Cu content. in tomato.
|
nano-Fe3O4 (mg/l) |
Shoot K g/kg dry weight |
Root K g/kg dry weight |
Shoot Ca g/kg dry weight |
Root Ca g/kg dry weight |
Shoot Mg g/kg dry weight |
Root Mg g/kg dry weight |
Shoot Fe mg/kg dry weight |
Root Fe mg/kg dry weight |
Shoot Mn mg/kg dry weight |
Root Mn mg/kg dry weight |
Shoot Zn mg/kg dry weight |
Root Zn mg/kg dry weight |
Shoot Cu mg/kg dry weight |
Root Cu mg/kg dry weight |
|
0 |
60.55±2.67c |
45.25±1.61c |
20.23±2.16c |
17.44±1.09c |
4.81±0.16c |
3.53±0.25b |
87.75±4.95d |
66.54±6.99c |
307.56±29.03c |
366.09±30.69c |
73.16±3.43c |
62.25±3.94c |
13.44±0.86c |
13.51±0.47c |
|
25 |
92.98±0.90a |
59.98±0.65a |
36.08±1.11a |
41.08±1.09a |
6.89±0.21a |
5.45±0.09a |
139.98±5.23c |
110.68±4.59b |
760.18±27.92a |
781.93±33.87a |
103.85±3.36a |
102.97±2.61a |
24.31±0.59a |
32.95±1.41a |
|
50 |
72.99±1.69bc |
54.02±1.31b |
28.01±0.91b |
26.12±1.03b |
5.74±0.19b |
2.31±0.15c |
159.92±4.95b |
151.01±5.01a |
522.26±44.48b |
498.06±49.98b |
83.01±2.99bc |
76.49±1.01b |
18.02±1.24b |
21.03±0.99b |
|
100 |
75.82±7.52b |
52.19±3.74bc |
28.02±0.88b |
22.88±1.56b |
2.72±0.16d |
3.34±0.14b |
175.72±3.41a |
155.55±18.57a |
470.40±42.73b |
490.13±21.16b |
88.78±6.88b |
84.17±5.13b |
17.30±1.00b |
20.40±0.96b |
مقادیر، میانگین 3 تکرار ± SD است. حروف یکسان، بیانگر عدم اختلاف معنیدار در سطح P < 0.05 توسط آزمون دانکن است.
Values are mean ± SD of 3 replicates. Mean values followed by similar letters did not differ significantly (P < 0.05) when determined by the Duncan test.
بحث
نتایج پژوهش حاضر نشان داد غلظت ۲۵ میلیگرم در لیتر نانو ذرات Fe₃O₄، سبب افزایش معنیدار وزن خشک و طول اندام هوایی و ریشه و همچنین افزایش محتوای کلروفیل در گوجهفرنگی شد (شکلهای 2، 3 و 4). یافتههای ما با گزارش El-Desouky et al. (2021) مطابقت دارد که نشان دادند نانو ذرات آهن سبب افزایش وزن تر و خشک و طول گیاه گوجهفرنگی میشوند و این امر با بهبود رشد رویشی و افزایش سطح برگها برای جذب نور بیشتر همراه است ( El-Desouky et al., 2021). همچنین در پژوهشی که بر روی گیاهVigna radiata انجام شد، کاربرد نانو ذرات آهن منجر به افزایش میزان کلروفیل، نرخ فتوسنتز، بهبود عملکرد کوانتومی فتوسیستمها و تولید کربوهیدراتها شد (Rani et al., 2022). محلولپاشی برگی نانو ذرات آهن دسترسی مستقیم آهن را به کلروپلاستها افزایش داده و بدین ترتیب، کارایی فتوسنتزی گیاه را بهبود میبخشد (Alkarawi et al., 2024). این موارد با سازوکار عمل نانو ذرات Fe₃O₄ سازگار است؛ زیرا آنها با افزایش فراهمی زیستی آهن، به بهبود ساختار و عملکرد کلروپلاستها و افزایش سنتز کلروفیل کمک میکنند که این امر به نوبه خود منجر به بهبود کلی فتوسنتز میشود. همچنین با افزایش جذب فسفر و پتاسیم، فعالیت آنزیمهای دخیل در چرخه کالوین و تنفس را نیز بهبود میبخشند (Feng et al., 2022). در زنجیره انتقال الکترون فتوسنتز و تنفس، سیتوکرومها که نقش انتقال دهنده الکترون را بر عهده دارند، در ساختارشان آهن موجود است و نانو ذرات آهن به روش تقویت جذب آهن سبب بهبود انتقال الکترون میشوند (Torres et al., 2022).Torres et al. (2022) نشان دادهاند نانو ذرات Fe₃O₄ با بهبود کارایی انتقال الکترون در زنجیره فتوسنتزی، قادرند فرآیند فتوسنتز را در گیاه گوجهفرنگی تقویت کنند در پژوهش حاضر نیز ممکن است Fe3O4NPs با کاهش تنش اکسیداتیو، از تخریب کلروفیل جلوگیری کرده با افزایش محتوای کلروفیل، سبب بهبود رشد رویشی گوجه فرنگی شود (شکل 4 و جدول 1). در شرایط غیر تنش، گیاهان معمولاً گلوتامات را که پیشساز کلروفیل و GABA است، عمدتاً به سمت سنتز کلروفیل، پروتئینها، و سایر ترکیبات ضروری برای رشد و توسعه هدایت میکنند (Ul Haq et al., 2023). علّت این است که GABA عمدتاً به عنوان یک مولکول محافظ در برابر تنش و خنثیکننده گونههای فعال اکسیژن (ROS; Reactive Oxygen Species) عمل میکند (Ansari et al., 2021; Ul Haq et al., 2023). این اولویتبندی در پژوهش حاضر نیز دیده میشود، زیرا گیاه در شرایط غیر تنش قرار دارد و در نتیجه نیاز کمتری به GABA است. در پژوهش حاضر، غلظت ۲۵ میلیگرم در لیتر نانو ذرات Fe₃O₄ بهطور معنیداری موجب افزایش محتوای کلروفیل و پروتئین و در عین حال، کاهش سطح GABA شد. در مقابل، غلظت ۱۰۰ میلیگرم در لیتر نانو ذرات Fe₃O₄، با القاء سمیت در گیاه، به طور همزمان سبب کاهش محتوای کلروفیل و پروتئین و افزایش میزان GABA و تنش اکسیداتیو شد (شکل 4 و جدول 1). این تفاوت را میتوان به دوگانه بودن اثر نانوذرات آهن مرتبط دانست. در غلظت پائین (۲۵ میلیگرم در لیتر)، خواص آنتیاکسیدانی آنها تنش اکسیداتیو را کاهش داده و نیاز گیاه به تجمع GABA را به عنوان یک سازوکار دفاعی تعدیل میکند؛ امّا در غلظتهای بالا (100 میلیگرم در لیتر)، مضر و تنشزا هستند (جدول 1). این تنشزایی نه تنها از روش افزایش تولید گونههای فعال اکسیژن (ROS) قابل توجیه است، بلکه با توجه به نقش آهن به عنوان یک کاتیون و خاصیت آنتاگونیستی آن، میتواند منجر به کاهش جذب سایر کاتیونهای ضروری مانند Mn، Zn و Cu شود. این کمبودهای ناشی از آنتاگونیسم، به نوبه خود، فرایندهای فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی گیاه را مختل کرده و به عنوان یک عامل تنشزای ثانویه عمل میکنند که به ضرر کلی گیاه میافزاید ( Salehi Eskandari & Kharati Koopaei, 2020). وجود ارتباطی تنگاتنگ میان متابولیسم نیتروژن و GABA از پیش مشخص شده است (Ansari et al., 2021). نانو ذرات آهن با بهبود جذب و انتقال نیتروژن، دسترسی گیاه به این عنصر حیاتی را افزایش میدهند که پیامد آن، افزایش محتوای پروتئین و نیاز کمتر به GABA در گیاه است (Ansari et al., 2021; Ul Haq et al., 2023)؛ که این افزایش محتوای پروتئین و کاهش محتوای GABA در جدول 1 به وضوح نشان داده شده است.
آهن علیرغم اینکه یک ریزمغذی ضروری است، امّا در غلظتهای بالا، به علّت توانایی در تشکیل گونههای فعال اکسیژن (ROS) و همچنین ایجاد اثرات آنتاگونیستی با سایر کاتیونها و آنیونها (که مانع از جذب و انتقال کافی آنها میشود)، میتواند برای گیاهان مضر باشد (Salehi Eskandari & Kharati Koopaei, 2020). این عنصر در واکنش فنتون بین Fe⁺² و H₂O₂ منجر به تولید رادیکالهای هیدروکسیل سمی میشود (Pan et al., 2022). همچنین، اندازه نسبتاً کوچک و توانایی نانو ذرات در القای ROS، نقش کلیدی در سمیت احتمالی آنها ایفا میکند (Khan et al., 2023). این ROSها قادرند به سلولهای گیاهی آسیب رسانده و فرایندهای فیزیولوژیکی حیاتی را مختل سازند (Khan et al., 2023). افزایش مالوندیآلدئید (MDA)، که محصول اصلی تجزیه اسیدهای چرب غیراشباع در غشای زیستی سلولی است، اغلب به عنوان نشانگر تنش اکسیداتیو به کار میرود (Khan et al., 2023). در پژوهش حاضر، افزایش محتوای MDA، پس از تیمار با ۲۵ میلیگرم در لیتر نانو ذرات Fe₃O₄ مشاهده نشد. بلکه، کاهش معنیدار محتوای MDA و H2O2، همراه با افزایش فعالیت آنزیمهای کاتالاز (CAT)، آسکوربات پراکسیداز (APX) و سوپراکسید دیسموتاز (SOD) مشاهده شد. افزایش معنیدار فعالیت آنزیمهای آنتیاکسیدانی فوق در تیمار ۲۵ میلیگرم در لیتر نانو ذرات Fe₃O₄، نه تنها نشاندهنده تقویت سیستم دفاعی گیاه در برابر تنش اکسیداتیو است، بلکه آهن برای فعالیت آنزیمهای APX و CAT نیز به عنوان کوفاکتور عمل میکند (Salehi Eskandari & Kharati Koopaei, 2020). نانو ذرات Fe₃O₄ با فراهم آوردن آهن کافی، ممکن است دسترسی لازم را برای بیوسنتز یا بهبود عملکرد این آنزیمها فراهم کرده باشند، که به نوبه خود منجر به کاهش آسیبهای اکسیداتیو و بهبود وضعیت فیزیولوژیکی گیاه شده است (Salehi Eskandari & Kharati Koopaei, 2020). این نتایج نشان دادند غلظت ۲۵ میلیگرم در لیتر نانو ذرات Fe₃O₄، نه تنها سمیت قابل توجهی نداشت، بلکه به طور موثری آسیب اکسیداتیو را نیز کاهش داد. اما غلظت 100 میلیگرم در لیتر با القاء سمیت در گیاه سبب افزایش محتوای MDA و H2O2 شد (جدولهای 1 و 2). نانو ذرات آهن با تقویت فعالیت آنزیمهای آنتیاکسیدانی، قادر به کاهش سطح ROS بوده و بدین ترتیب، از گیاه در برابر تنش اکسیداتیو محافظت میکنند (Li et al., 2017). این نانوذرات با تحریک بیان ژن و افزایش فعالیت آنزیمهای آنتیاکسیدانی، نقش اساسی در خنثیسازی ROSها و کاهش آسیبهای ناشی از تنش اکسیداتیو ایفا میکنند (Khan et al., 2023). پژوهشهای متعدد نشان دادهاند که کاربرد نانوذرات آهن میتواند موجب افزایش چشمگیری در فعالیت آنزیمهای SOD، CAT و APX در گونههای مختلف گیاهی شود (Khan et al., 2020; Li et al., 2017; Rawat et al., 2017). یافتههای ما با نتایج قبلی مطابقت دارد. برای مثال، در گیاه ذرت گزارش شده است که برخی از ایزوفرمهای SOD برای فعالیت خود به آهن وابسته هستند و این آنزیم با کاهش اثرات مضر ROS تولید شده، به حفظ و افزایش محتوای کلروفیل کمک میکند (Alsamadany et al., 2024). در پژوهش حاضر، غلظت ۲۵ میلیگرم در لیتر نانو ذرات Fe₃O₄ با تقویت فعالیت آنزیمهای CAT، APX و SOD نقش ویژهای در کاهش تنش اکسیداتیو داشت. امّا غلظت 100 میلیگرم در لیتر، گیاه را در معرض سمیت و تنش اکسیداتیو قرار داد و سبب افزایش محتوای MDA و H2O2 شدکه نتایج جدول 1 نیز این مورد را به وضوح نشان میدهد. همچنین جدول 2 نشان دادند در غلظت 100 میلیگرم در لیتر با وجود اینکه فعالیت آنزیمهای SOD، CAT و APX افزایش یافته است، امّا این افزایش برای خنثی کردن سمیت القاشده کافی نبوده و گیاه دچار تنش اکسیداتیو شده که نهایت بصورت کاهش در رشد و زیستتوده گیاه نمودار میشود.
نتایج جدول 3 افزایش معنیدار محتوای عناصر ماکرو (K، Ca و Mg) و میکرو (Fe، Mn، Zn، Cu) را در غلظت ۲۵ میلیگرم در لیتر نانوذرات آهن نشان میدهد و نقش کلیدی آنها را در بهبود وضعیت تغذیهای گوجهفرنگی آشکار میسازد. نانو ذرات آهن، به علّت ویژگیهای فیزیکوشیمیایی منحصربهفرد خود، نفوذپذیری بالایی دارند؛ میتوانند از موانع برگی عبور کرده و مستقیماً در فرآیندهای فیزیولوژیکی و تغذیهای گیاه مشارکت کنند؛ که به جذب و انتقال کارآمدتر عناصر غذایی منجر میشود (Yang et al., 2020). این نانو ذرات با القای تولید و فعالیت هورمونهای گیاهی مانند اکسین و سیتوکینین، تقسیم سلولی و رشد اندامهای هوایی و ریشه را تحریک میکنند (Divte et al., 2021). این امر با افزایش حجم ریشه و تعداد ریشههای جانبی، جذب بهتر عناصر غذایی ضروری و در نتیجه بهبود رشد و عملکرد کلی گیاه را به همراه دارد (Divte et al., 2021). همانگونه که پیشتر اشاره شد محلولپاشی برگی نانو ذرات آهن (FeNPs)، سبب افزایش کارایی فتوسنتزی میشود. فتوسنتز بهینه، ضمن افزایش تولید کربوهیدراتها، سنتز آدنوزین تریفسفات (ATP) را نیز ارتقاء میبخشد (El-Desouky et al., 2021). این منابع انرژی و کربن برای جذب فعال یونها (نظیر پتاسیم، کلسیم، منیزیم) و سنتز پروتئینها و آنزیمهای دخیل در متابولیسم عناصر (مانند منگنز، مس، روی) ضروری هستند (El-Desouky et al., 2021). در پژوهش حاضر نیز غلظت 25 میلیگرم در لیتر نانو ذرات آهن ضمن بهبود محتوای کلروفیل و فاکتورهای رشد سبب افزایش محتوای عناصر غذایی ماکرو (K، Ca و Mg) و میکرو (Fe، Mn، Zn، Cu) شدند (جدول 3). Askary, et al (2017) نیز گزارش کردند نانوذرات آهن با تأثیر بر سیستمهای انتقال فعال در غشاء، سبب افزایش جذب مواد مغذی کلیدی در گیاه Catharanthus roseus میشود و این بهبود وضعیت مواد مغذی، به احتمال زیاد به افزایش رشد و ظرفیت فتوسنتزی گیاه کمک میکند (Askary et al., 2017). همچنین، کاربرد نانوذرات آهن در نعنا، افزایش جذب عناصر غذایی ماکرو مانند فسفر (P)، Mg و Ca و ریزمغذیهایی نظیر Fe و Zn را نشان داد (Mohammadi et al., 2018). در گندم نیز تیمار نانو ذرات Fe₃O₄ به بهبود جذب P، Fe و K منجر شد (Feng et al., 2022)، که یافتههای ما نیز موافق با نتایج فوق است. از سوی دیگر، نانوذرات آهن ممکن است به عنوان سیگنالدهندههای مولکولی عمل کرده و بیان ژنهای کدکننده پروتئینهای ناقل(Transporters) را تنظیم کنند (Yang et al., 2020). تحریک بیان این ژنها میتواند کارایی جذب و توزیع عناصر غذایی را افزایش دهد (Yang et al., 2020). همچنین، گیاهانی که تحت تنش کمتری هستند، انرژی بیشتری برای جذب و انتقال عناصر غذایی تخصیص میدهند که به بهبود کلی جذب عناصر ماکرو و میکرو منجر میشود(Feng et al., 2022). در پژوهش حاضر نیز غلظت 25 میلی گرم در لیتر نانوذرات آهن نقش کلیدی در ایجاد محیطی با تنش کمتر دارد (جدول 1 و 2) و تحت این شرایط گیاه سهم بیشتری از انرژی را صرف جذب و انتقال عناصر غذایی میکند که در رشد و زیستتوده بهتر نمود پیدا می کند (جدول 3). در مجموع، یافتههای این پژوهش، بر پتانسیل بالای محلولپاشی برگی نانو ذرات آهن به عنوان یک راهکار نوین و کارآمد در تغذیه گیاهان تأکید دارند. این روش نه تنها به بهبود جذب عناصر ضروری کمک میکند، بلکه میتواند راهکاری سریع و مؤثر برای رفع کمبودهای تغذیهای باشد.
نتیجهگیری
در این پژوهش، غلظت ۲۵ میلیگرم در لیتر Fe₃O₄ NPsآثار مثبت قابل توجهی بر گوجهفرنگی نشان داد. این نانو ذرات با القای فعالیت آنزیمهای آنتیاکسیدانی، منجر به کاهش تنش اکسیداتیو شدند. همچنین افزایش معنیدار محتوای رنگدانههای فتوسنتزی و عناصر غذایی مفید، بهویژه آهن نیز مشاهده شد. این بهبود همزمان در محتوای رنگدانههای فتوسنتزی و عناصر مغذی ضروری، منجر به ارتقاء رشد در گوجهفرنگی شد. یافتههای این پژوهش حاکی از آن است کهFe₃O₄ NPs میتوانند به عنوان جایگزینی نویدبخش برای کودهای آهن سنتی در کشاورزی مطرح شوند. با این وجود، برای تأئید این نتایج و روشن شدن بهتر سازوکارهای اثرگذاری در شرایط مزرعه، انجام پژوهشهای مزرعهای ضروری به نظر میرسد.
)