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Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 2700 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Silizium-Nanopartikel (Si-NPs) haben ihr Potenzial für den Einsatz in der Landwirtschaft unter wasserarmen Bedingungen gezeigt. Daher wurde das Experiment durchgeführt, um die Auswirkungen der Samenvorbereitung von Si-NPs auf das Wachstum und den Ertrag von Weizen (Triticum aestivum L.) bei verschiedenen Dürreniveaus zu untersuchen. Die Pflanzen wurden in Töpfen unter natürlichen ökologischen Umweltbedingungen gezüchtet und am 25. April 2020 geerntet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Samenvorbereitung mit Si-NPs (0, 300, 600 und 900 mg/L) die Ährenlänge deutlich verbesserte , Körner pro Ähre, 1000-Körner-Gewicht, Pflanzenhöhe, Kornertrag und biologischer Ertrag um 12–42 %, 14–54 %, 5–49 %, 5–41 %, 17–62 % und 21–64 %, bzw. relativ zur Kontrolle. Die Si-NPs verbesserten die Blattgasemissionen und die Chlorophyll-a- und -b-Konzentrationen, verringerten jedoch den oxidativen Druck in den Blättern, was durch die verringerte Elektrolytleckage und die Verbesserung der Superoxiddismutase- und Peroxidaseaktivitäten in den Blättern unter Si-NPs-Behandlungen gegenüber der Kontrolle gezeigt wurde . Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Si-NPs den Weizenertrag während einer Trockenperiode verbessern könnten. Auf diese Weise ist die Nutzung von Si-NPs durch die Seed-Priming-Technik eine praktische Methode zur Kontrolle des Trockenstresses bei Weizen. Diese Erkenntnisse werden die Grundlage für zukünftige Forschungen bilden und dazu beitragen, die Ernährungssicherheit bei dürre- und hitzebedingten Herausforderungen zu verbessern.

Dürre ist neben anderen abiotischen Stressfaktoren ein auffälliger ökologischer Stressfaktor, der sich negativ auf das Pflanzenwachstum und den Ernteertrag auf der ganzen Welt auswirkt1. Die Produktivität von Nutzpflanzen nimmt aufgrund begrenzter Wasservorräte2, geringerer Nährstoffaufnahme und schlechter Photosynthese3 ab. Auch wenn Dürre die Weizenleistung in allen Wachstumsstadien beeinträchtigt, ist sie während der Blüte- und Kornfüllphase (Endtrockenzeit) rudimentärer, was zu erheblichen Ertragsverlusten führt. Die Hauptursachen für diese Verluste sind die verminderte Netto-Photosyntheserate aufgrund von Stoffwechseleinschränkungen, oxidative Beeinträchtigungen der Chloroplasten und Stomata-Verschluss sowie aufgegebene Kornbildung und -verbesserung4. Dennoch fördert Trockenstress die Bildung von Ethylen5,6, was das Wurzelwachstum und die Wurzelverlängerung verzögert und verlangsamt2,7. Alles in allem haben Pflanzen verschiedene vielseitige Mechanismen entwickelt, um den Wassermangel zu akklimatisieren, indem sie eine Reihe physiologischer und biochemischer Reaktionen auslösen8. Unter diesen Komponenten spielen Antioxidantien eine entscheidende Rolle bei der Reduzierung oxidativer Schäden durch Dürre9.

Die Auswirkungen der Dürre in Pakistan sind aufgrund der massiven Abhängigkeit von der Agrarindustrie noch schwerwiegender. Darüber hinaus ist Pakistan aufgrund mangelnden Stressbewusstseins und mangelnder Kontrollpraktiken10 anfälliger für Dürren und aufgrund der jüngsten Klimaveränderungen11,12 einem hohen Risiko für die Zukunft ausgesetzt. Weizen ist eine wichtige Ernte der Rabi-Saison und trägt 8,7 % zur Wertsteigerung der Agrarindustrie und 1,7 % zum pakistanischen BIP bei. Die Weizenanbaufläche in Pakistan betrug im Zeitraum 2019–2020 8.825.000 Hektar, was einem Wachstum von 1,7 % entspricht, verglichen mit der Fläche vor einem Jahr, die 8.678.000 Hektar betrug. Darüber hinaus belief sich die geschätzte Weizenproduktion im Jahr 2019 auf 24,946 Millionen Tonnen, was 2,5 % mehr als im Vorjahr war13,14.

Über die Hälfte der Weizenfelder der Welt sind von periodischem Dürrestress betroffen15. Der rasche Klimawandel und die globale Erwärmung haben in Zukunft die schlimmsten Auswirkungen auf die Nutzpflanzen, da sie aufgrund weniger Niederschläge und hoher Temperaturen auf der Erde die Häufigkeit und Intensität von Dürren erhöhen16. Um den Ertrag zu steigern und den Weizen vor solchen Belastungen zu schützen, müssen daher mehr Verständnis und Ansätze zur Überwindung dieser Probleme entwickelt werden17.

Im letzten Jahrzehnt spielen Nanopartikel aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften wie größere Absorptionsfähigkeit, größere Oberfläche, effiziente Abgabemethode für eine bestimmte Stelle und Technologien, die auf vielfältige Weise eingesetzt werden, z. B. als Zusatzstoffe, Pflanzenwachstumsverstärker, Nanodünger und Pflanzenschutzmittel18,19. Sedghi et al.20 gaben an, dass die Verwendung von Silizium-Nanopartikeln eine wesentliche Rolle bei der Pflanzenresistenz gegen den Wassermangel durch steigende Aminosäuren, Chlorophyll-B-Gehalte, Lipide und Proteine spielt. Neben anderen NPs sind die Si-NPs hilfreich bei der Steigerung des Pflanzenwachstums und der Photosynthese unter einer intensiven Atmosphäre21,22.

Die Anwendung von Nanopartikeln steigerte das Wachstum, die Chlorophyllsubstanzen und die Gashandelsqualitäten im Weizenkorn und verringerte den Wassermangel23. Neben verschiedenen Nanopartikeln spielen Silica-Nanopartikel eine hervorragende Rolle, indem sie die Photosynthese steigern, die den Ertrag von Cucurbita pepo L.24 und Weißdornsämlingen25 unter Stressbedingungen steigert. Viele Arten von Untersuchungen haben gezeigt, dass das Pflanzenwachstum, die antioxidativen Aktivitäten und der Nährstoffaufnahmeprozess unter Trockenstress durch den Einsatz von Nanopartikeln schneller ablaufen, da solche Partikel die Widerstandskraft der Pflanze erhöhen21,26,27,28. Si-NPs verbessern die Photosyntheseparameter bestimmter Pflanzen während der Trockenzeit und haben im Vergleich zu anderen Düngemitteln eine größere Wirkung in der Landwirtschaft29,30,31. Die exogene Anwendung von NPs provoziert eine endodermale Verkieselung der Wurzeln, eine Aktivität des antioxidativen Systems und steuert die Zellwasserstabilität32. Die Anwendung von Nanosilizium hat die Produktion und das Wachstum verbessert und den Wasserstatus der Pflanzen verbessert, mit außergewöhnlichen Veränderungen in der Ultrastruktur der Blattorganellen, der Aktivierung des Pflanzenschutz- und Abwehrsystems und der Suche nach eindeutigen Partikeln33. Darüber hinaus wurden SiO2-NPs als Pflanzenwachstumsinduktor beschrieben, der die endodermale Verkieselung der Wurzeln erhöht, das Antioxidationssystem unter Druck verbessert und die Widerstandsfähigkeit gegenüber abiotischem Stress und den Zellwasserhaushalt verbessert32. Über den Zusammenhang zwischen SiO2 und pflanzlicher Zellwand wurde bei zahlreichen Monokotyledonen berichtet34.

Nanopartikel können unter biotischen und abiotischen Bedingungen in der Landwirtschaft auf vielfältige Weise eingesetzt werden, beispielsweise durch Saatgutvorbereitung, Boden- und Blattapplikation, aber die Saatgutvorbereitung ist die effizienteste Methode23,35,36,37. Die Samenvorbereitung ist in vielerlei Hinsicht eine fruchtbare Strategie, zum Beispiel durch die Beseitigung der schlimmsten Auswirkungen von abiotischem Stress, die Stimulierung wertvoller physiologischer Veränderungen, die Unterstützung im Anfangsstadium der Keimung, die Steigerung der Samenkeimungsrate, die Minimierung der Keimlingsauflaufzeit und, was am wichtigsten ist, sie ist eine kostengünstige Technik für Landwirte38,39,40,41,42,43. Es gibt keine Literatur über die Wirkung von Si-NPs auf die morphophysiologischen und biochemischen Eigenschaften von Weizen bei Dürre in verschiedenen Wachstumsstadien. Ziel dieser Studie ist es daher, die katastrophalen Auswirkungen der Dürre auf Weizen unter Dürrebedingungen durch den Einsatz von Silizium-Nanopartikeln zu mildern.

Die Forschungsarbeiten wurden im Wirehouse, Abteilung für Agronomie, der Islamia University of Bahawalpur, Pakistan (Breite: 29° 23′ 60,00 N, Länge: 71° 40′ 59,99 E) durchgeführt. Der Versuchsaufbau war ein randomisierter vollständiger Blockaufbau mit vier Wiederholungen jeder Behandlung mit Siliziumnanopartikeln (0, 300, 600 und 900 mg/L). Alle Töpfe wurden bis zum vollständigen Auflaufen gleichmäßig bewässert. Danach wurde in kritischen Wachstumsstadien wie der Bestockung, der Blüte und der Kornfüllphase eine Wassermangelbedingung durchgeführt, während eine vollständige Bewässerung als Kontrolle galt.

Die Weizensamen (Glaxy-2013) wurden mit einer Lösung von Natriumhypochlorit (2,6 % aktives Chlor) 120 s lang sterilisiert und dreimal mit destilliertem Wasser gewaschen. Dann wurde die abgemessene Menge an Silizium-Nanopartikeln, Sigma-Aldrich lieferte kugelförmige Si-NPs mit einer Partikelgröße im Bereich von 40–80 nm43, mit entionisiertem Wasser gemischt und jede Si-NP-Behandlung mit Ultraschall behandelt (0, 300, 600, und 900 mg/L) 30 Minuten lang für eine ordnungsgemäße Dispersion durchgeführt. Die Weizensamen wurden dann 20 Stunden lang im Dunkeln bei Raumtemperatur in NP-Lösungen eingeweicht. Zur Kontrollbehandlung wurden die Samen in entionisiertem Wasser eingeweicht. Abschließend wurde das vorbereitete Saatgut der Weizenernte getrocknet und für weitere Experimente bei 4 °C gelagert.

In der vorliegenden Studie wurden Si-NPs von Sigma-Aldrich gekauft. Neben einer Reinheit von > 99 % hatten Si-NPs eine spezifische Oberfläche von > 80 m2g−1 und ein Molekulargewicht von 28,08. Zur Messung der NP-Größen wurde ein Rasterelektronenmikroskop verwendet (Abb. 1). Die mittlere Größe der Hauptpartikel betrug 63,09 ± 6,2 nm.

Si-NP-Charakterisierung. TEM-Scans zeigten gut dispergierte kugelförmige Partikel (A). (B) Normalverteilungsdiagramm mit 63,09 ± 6,21 nm mittlerem Durchmesser.

Die Samen der einheimischen Weizensorte (Galaxy-2013) wurden vom Regional Agricultural Research Institute (RARI) Bahawalpur bezogen, da sie lagerfähig und hitzebeständig sind. Weizensamen wurden am 9. November 2019 mit Si-NPs grundiert und in mit lehmigem Lehmboden gefüllte Plastiktöpfe (26 × 29 cm) gepflanzt. Vor dem Pflanzen wurde eine physikalisch-chemische Untersuchung des Bodens durchgeführt (Tabelle 1). Das Drahthaus war mit einer transparenten Plastikfolie abgedeckt, um die Pflanzen bei Bedarf vor Regen zu schützen. Die Pflanzenpopulation wurde nach 20-tägiger Aussaat auf 4 Pflanzen pro Topf gehalten und bis zum vollständigen Auflaufen der Sämlinge gleichmäßig bewässert. Danach wurde in den Töpfen unter Dürre in drei beobachteten Stadien eine Wasserhaltekapazität (WHC) von 30 % aufrechterhalten und 80 % WHC wurden als Kontrolle betrachtet.

Weizenwachstum, Ertrag und Ertragsmerkmale wie Ährenlänge (cm), Anzahl der Körner pro Ähren, 1000-Korn-Gewicht (g), Pflanzenhöhe (cm), organischer Ertrag pro Pflanze (g), Kornertrag pro Pflanze (g). ) und der Ernteindex wurden gemäß den Standardverfahren und -protokollen berechnet. Um den Ertrag zu steigern, wurden die Weizenpflanzen nach Abschluss des Lebenszyklus manuell geerntet. In ähnlicher Weise wurden zur Messung der Pflanzenhöhe vier Pflanzen willkürlich aus jedem Topf ausgewählt und die Höhe von der Bodenoberfläche bis zum Ährchen mit Hilfe eines Lineals gemessen, wobei Millimeter und Zentimeter angegeben wurden. Zur Messung der Ährenlänge und der Körner pro Ähre wurde eine Zentimeterskala verwendet, die die Länge von der Basis bis zum Ährchenende von zehn Pflanzen zufällig maß, und die Körner von zufällig ausgewählten zehn Samenbüscheln gezählt. Außerdem wurde zur Quantifizierung des 1000-Korn-Gewichts die Digitalwaage aufgrund ihrer Genauigkeit von 0,01 g verwendet.

Zur Messung des RWC wurden aus jeder Behandlung zufällig fünf reife, frische Fahnenblätter entnommen und sofort in Polyethylenbeutel gegeben und ins Labor gebracht. Erstens: Ermitteln Sie schnell das Frischgewicht der entnommenen Proben, bevor es zu einer Dehydrierung kommt. Anschließend wurde die Probe in destilliertes Wasser gegeben, um ein pralles Gewicht zu erhalten. Nach 3 Stunden wurde die Probe aus destilliertem Wasser entnommen und ihr Prallgewicht gemessen. Danach wurde die Probe zwei Tage lang bei 65 °C in einen Ofen gelegt und ihr Trockengewicht ermittelt. Schließlich wurde der relative Wassergehalt jeder Behandlung mithilfe der unten angegebenen Formel44 gemessen:

Dabei sind RWC, FW, DW und TW der relative Wassergehalt, das Frischgewicht, das Trockengewicht und das Prallgewicht der Blattproben.

Die Superoxiddismutase und Peroxidase wurden mit Hilfe eines Spektrophotometers gemessen. 0,5 g frisches Blattmaterial aus jeder Behandlung wurden mit 50 mM Phosphatpuffer mit 7,5 pH und 1 mM Dithiothreitol (DTT) unter gekühlten Bedingungen homogenisiert, nachdem die Probe mit distalem Wasser gewaschen und getrocknet wurde45. Die SOD-Aktivitäten wurden mit dem von Cakmak46,47 veröffentlichten Verfahren gemessen, während die POD mit der Methode von Zhang und Kirkham48 bestimmt wurde.

Die photosynthetischen Pigmente Chlorophyll (Chl a und Chl b) wurden in 80 % (v/v) Aceton extrahiert und spektrophotometrisch gemessen (Spectronic 601, Milton Roy Company, Rochester, NY, USA) nach Metzner et al.49. Die Blatt-Chl-Fluoreszenz wurde unter Verwendung eines tragbaren Fluorometers mit Pulsamplitudenmodulation (Handy PEA, Hansatech, Norfolk, UK) berechnet. Die Blätter waren dunkel und wurden 30 Minuten lang in einer Blattklammer adaptiert. Für alle Behandlungen wurden 30 Messungen (drei Replikate von 10 Blättern verschiedener Pflanzen) aufgezeichnet. Die erfassten Daten wurden verwendet, um die maximale Effizienz von PS II (FV/FM) und den Leistungsindex auf Absorptionsbasis (Pläne)50 gemäß den von Stirbet überprüften Gleichungen51 zu ermitteln.

Die STATISTIX-Software (Version 8.1) wurde mit den vorliegenden Daten ausgeführt, um die Varianzanalyse (ANOVA) zu bestimmen, und 5 % LSD wurden als Wahrscheinlichkeit für den Mittelwertvergleich der Daten verwendet52. Anschließend wurden die Daten für die Hauptkomponentenanalyse (PCA) durch R-Software (R Core Team, 2019) analysiert, um den Zusammenhang zwischen verschiedenen untersuchten morphophysiologischen Attributen zu überprüfen.

Alle Pflanzenexperimente entsprachen den relevanten institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien und Gesetzen.

Das Ergebnis der kombinierten Varianzanalyse zeigte, dass die Konzentration von Siliziumnanopartikeln, Dürreintervalle und Kontrollbewässerungssysteme alle gemessenen Merkmale signifikant beeinflussten. Es gab einen entscheidenden wechselseitigen Zusammenhang zwischen der NP-Konzentration und der Dürre auf die Enzymwirkung, SOD und POD. Darüber hinaus war die Wechselwirkung zwischen Nanopartikelkonzentration, Dürre und Bewässerungsregimen für die Ährenlänge, die Anzahl der Körner pro Ähre, das 1000-Korn-Gewicht, die Pflanzenhöhe, den Kornertrag und den biologischen Ertrag von Bedeutung. Darüber hinaus gab es eine signifikante Korrelation zwischen der NP-Konzentration und der NP-Kontrolle sowie zwischen der NP-Konzentration und der Dürre-Wechselwirkung auf die Photosyntheserate, die Transpirationsrate, die stomatäre Leitfähigkeit und den RWC-Gehalt. Darüber hinaus wurde der Anteil an Stickstoff, Phosphor und Kalium durch den dreifachen Zusammenhang zwischen Dürre, Kontrolle und Behandlung mit Nanopartikeln beeinflusst.

Bei der Analyse mit Kontrollbehandlungen spielten Silizium-Nanopartikel eine wichtige Rolle beim Pflanzenwachstum unter Dürrebedingungen in kritischen Phasen des Weizenwachstums. Die Pflanzenhöhe wurde im Vergleich zur Kontrollbewässerung bei DTS um 38,25 %, bei DFS um 9,07 % und bei DGFS um 6,77 % reduziert. Im Vergleich zur Kontrolle (0 mg/L NPs) mildern Anwendungen von 300, 600 und 900 mg/L Silizium-Nanopartikeln die negativen Auswirkungen von Dürre und erhöhen die Pflanzenhöhe um 2,5 %, 3,2 % bzw. 6,9 %. Die Ergebnisse zeigten, dass die Samenvorbereitung mit 900 mg/L Si-NPs am effektivsten war, wohingegen die Behandlung mit 0 mg/L Si-NPs zu den kürzesten Pflanzenhöhen führte.

Die Ertragsmerkmale wurden erheblich durch die Anwendung von Si-NPs unter wasserarmen Bedingungen beeinflusst, wie in Tabelle 2 gezeigt. Trockenstress verringerte die Ährenlänge (27,81, 21,18 und 22,82 %), die Anzahl der Körner pro Ähren (26,19, 25,43, und 22,9 %), 1000-Korn-Gewicht (48,22, 42,37 und 40,31 %), biologischer Ertrag (10,54, 10,17 und 6,04 %), Kornertrag (83,59, 79,56 und 66,22 %) und HI (67,7, 64,07 und 57,3 %). DGFS, DFS bzw. DTS im Vergleich zur Kontrollbehandlung. Die Anwendung von Silizium-Nanopartikeln linderte die negativen Auswirkungen von Wassermangel in kontrollierten und stressigen Umgebungen. Die Verwendung von Silizium-Nanopartikeln verbesserte die gesamten oben genannten Ertragseigenschaften im Gegensatz zur Kontrollbehandlung grundlegend. Darüber hinaus wurde im Vergleich zur Kontrollanwendung die höchste Kornproduktion (42,12 %) bei der Grundierung mit 900 mg/L Silizium-Nanopartikeln verzeichnet.

Die Samenvorbereitung mit Silizium-Nanopartikeln beeinflusste den Chlorophyllgehalt von Weizenblättern, die unter Trockenstress wuchsen, positiv (Abb. 2A, B). Im Vergleich zu gut bewässerten Pflanzen (Kontrolle) führt Dürre zu einer signifikanten Verringerung des Chlorophyll-a- (30,2, 38,7 und 39,8 %) und b-Gehalts (30,8, 40,1 und 39,2 %) in DGFS, DFS und DTS. Die Substanz Chlorophyll A und B wurde durch die Anwendung von Nanopartikeln deutlich erweitert. Allerdings wurden die Samen mit einer 900 mg/L-Lösung von Si-NPs grundiert, die den höchsten Chlorophyllgehalt aufwiesen.

Messungen des Chlorophyllgehalts. (A,B) Chlorophyll a- und b-Gehalte (C,D) Relative Wassergehalte und H2O2, beeinflusst durch Si-NPs (SINP0 = 0, SINP1 = 300, SINP2 = 600 und SINP3 = 900 mg/L) Anwendung unter Trockenstress bei kritische Wachstumsstadien (CK = Kontrolle, DTS = Dürre im Bestockungsstadium, DFS = Dürre im Blütestadium, DGFS = Dürre im Kornfüllstadium) von Weizen.

Trockenstress führte zu einer deutlichen Verringerung des RWC (Abb. 2C), wenn die Ernte reif wird. Die Verwendung von NPs, insbesondere 900 mg/L, erhöhte den RWC im Vergleich zur Kontrolle (NPs = 0 mg/L). Die Anwendung von 900 mg/L Si-NPs auf Pflanzen unter normalen Bedingungen (ohne Stress) und die Behandlung ohne Si-NPs im Bestockungsstadium bei Weizenpflanzen unter wasserarmen Bedingungen führten zum höchsten RWC (74,3 %) und zum niedrigsten RWC (31,8). %), jeweils. Andererseits reduzierte Dürre den Mittelwert des RWC im Vergleich zur normalen Bewässerung positiv, während die Nutzung von NPs in Pflanzen unter Trockenstress den Mittelwert des RWC der Blätter im Vergleich zur Kontrolle positiv erhöhte (4,6–13,5 %). H2O2 wird auch beeinflusst, wenn die Ernte in spätere Stadien übergeht (Abb. 2D).

Die Transpirations- und Photosyntheseraten sanken unter Trockenstress bei DTS, DFS und DGFS im Vergleich zur Kontrollbehandlung signifikant um 63,6, 57,8, 61,0, 44,2, 31,7 und 29,3 %. Darüber hinaus verringerte sich die stomatäre Leitfähigkeit unter Wasserstress positiv um 37,8, 30,0 und 29,1 % bei DTS, DFS und DGFS. Die Behandlung mit Si-NPs hatte einen erheblichen Einfluss auf die Gasaustauscheigenschaften von Weizenblättern, die Trockenstress ausgesetzt waren (Abb. 3A, B). Die Samenzubereitung von 300, 600 und 900 mg/L Si-NPs steigerte die Transpirations- und Photosyntheserate im Vergleich zur Kontrolle deutlich um 27,8, 34,6 %, 40,6 bzw. 20,3, 26,8, 34,2 %. Die Saatgutvorbereitung mit einer Si-NP-Anwendung von 900 mg/L erzielte bei Trockenheit die besten Ergebnisse im Vergleich zu anderen Behandlungen.

Photosyntheserate (Pr, A), Transpirationsrate (Tr, B), Wassernutzungseffizienz (WUE, C) und stomatale Leitfähigkeit (SC, D), die durch die Anwendung von Si-NPs beeinflusst werden (0, 300, 600 und 900 mg). /L) unter Trockenstress in kritischen Wachstumsstadien (CK-Kontrolle, DTS-Dürre im Bestockungsstadium, DFS-Dürre im Blütestadium, DGFS-Dürre im Kornfüllstadium) von Weizen.

Si-NPs beeinflussten die Wassernutzungseffizienz in Weizen sowohl unter Kontroll- als auch unter Dürrebedingungen erheblich, wie in Abb. 3C, D dargestellt. Der WUE-Wert sank unter Trockenstress bei DTS, DFS und DGFS im Vergleich zur Kontrollbehandlung um 43, 47 bzw. 35 %. Eine Saatgutzubereitung mit 300, 600 und 900 mg/L Si-NPs reduzierte die Auswirkungen der Dürre deutlich um 34 %. 42 % bzw. 56 % im Vergleich zu keiner Behandlung mit Si-NPs. In ähnlicher Weise sank die stomatale Leitfähigkeit (m mol m−2 s−1) unter Trockenstress bei DTS, DFS und DGFS im Vergleich zur Kontrollbehandlung um 37,8, 30,0 bzw. 29,2 %. Darüber hinaus verbesserte die Samenzubereitung von 300, 600 und 900 mg/L Si-NPs die stomatäre Leitfähigkeit im Vergleich zur Kontrolle deutlich um 15,1, 31,6 und 41,6 %. Unter Dürrebedingungen wurden die besten Ergebnisse durch eine Samenvorbereitung mit 900 mg/L Si-NPs-Behandlung erzielt.

Um die oxidative Schädigung in Weizenblättern zu beobachten, wurde die Wirkung von Si-NPs durch Schätzung der Konzentration von ROS und antioxidativen Enzymaktivitäten in Abb. 4 bewertet. Aus diesem Grund wurden die Aktivitäten von SOD, POD, MDA, EL und H2O2 ermittelt gemessen und höhere Mengen wurden in Kontrollpflanzen beobachtet. Darüber hinaus wurden bei einer höheren Dosis von Si-NPs die Werte dieser oben genannten Parameter verringert (Abb. 2D, 4A – D). Die EL-Gehalte wurden um 8,95 bzw. 20 % verringert; die MDA-Gehalte wurden um 5,5, 16,2 bzw. 31,7 % verringert; und H2O2 wurden bei der Saatzubereitung von 300, 600 und 900 mg/L Si-NPs im Vergleich zu den jeweiligen Kontrollen um 11, 18 und 26 % verringert. Die Werte der SOD- und POD-Aktivitäten wurden in Blättern gemessen, um die Aktivität antioxidativer Enzyme zu bestimmen. Die angewandten Behandlungen verbesserten den Inhaltsstoff der antioxidativen Enzyme erheblich, und die stärkste Verbesserung wurde bei der höchsten Behandlung mit NPs gemessen. Die SOD-Aktivität wurde um 2, 10 und 16 % und die POD-Wirkung um 5, 11 und 17 % bei 300, 600 und 900 mg/L NPs-Priming erhöht.

Auswirkungen von Si-NPs (0, 300, 600 und 900 mg/L) unter Trockenstress auf MDA (A), EL% (B), SOD (C) und POD (D). Kritische Wachstumsstadien von Weizen waren (CK-Kontrolle, DTS-Dürre in der Bestockungsphase, DFS-Dürre in der Blütephase und DGFS-Dürre in der Kornfüllphase) von Weizen.

Die Samen-NPK-Werte wurden durch die Anwendung von Si-NPs unter wasserarmen Bedingungen erheblich beeinflusst, wie in Abb. 5 dargestellt. Trockenstress verringerte den Stickstoffgehalt der Weizensamen (11,2, 21,9 und 17,83 %) und den P-Wert (35,5, 28,8 und 16,3). %) und K % (32,1, 23,2 und 14,3 %) bei unterschiedlichem Wachstum von DTS, DFS und DGFS im Vergleich zur Kontrollbehandlung. Die Anwendung von Silizium-Nanopartikeln linderte die negativen Auswirkungen von Wassermangel in kontrollierten und stressigen Umgebungen. Die Saatvorbereitung von 300, 600 und 900 mg/L Si-NPs erhöhte den Stickstoff-Prozentsatz (13,1, 23,0 und 26,9 Prozent), den P-Prozentsatz (24,2, 35,8 und 40,4 Prozent) und den K-Prozentsatz (7,8, 19,7 und 26,4 Prozent) deutlich. ), jeweils im Vergleich zur Kontrolle. Die Verwendung von Silizium-Nanopartikeln erhöhte im Gegensatz zur Kontrollbehandlung die gesamten oben genannten Nährstoffanteile.

Auswirkung von Si-NPs-Anwendungen (0, 300, 600 und 900 mg/L) auf den Stickstoffanteil (N %), (B) den Phosphoranteil (P %) und (C) den Kaliumanteil (K %) im Saatgut. ) unter Trockenstress in kritischen Wachstumsstadien (CK-Kontrolle, DTS-Dürre im Bestockungsstadium, DFS-Dürre im Blütestadium und DGFS-Dürre im Kornfüllstadium) von Weizen.

Eine Hauptkomponentenanalyse (PCA) wurde durchgeführt, um die Variationen und Zusammenhänge zwischen verschiedenen morphophysiologischen Parametern von Weizen unter der Anwendung von Silizium-Nanopartikeln und Trockenstress zu analysieren. Die Behandlungen waren auf verschiedene Biplots verteilt, während die Parameter als Vektoren dargestellt wurden (Abb. 6). Die ersten beiden PCs (PC1 86 % und PC2 5,1 %) deckten die 91,1 %ige Variabilität der Gesamtvariation der 22 Parameter ab. Der erste PC bezog sich auf alle untersuchten Parameter mit Ausnahme von EL%, H2O2 und MDA, die PC2 zugeordnet wurden. Alle Behandlungen von Si-NPs (SiNP0 = 0, SiNP1 = 300, SiNP2 = 600 und SiNP3 = 900 mg/ L) in verschiedenen Stadien (CK = Kontrolle, DTS = Dürre im Bestockungsstadium, DFS = Blütestadium und DGFS = Kornfüllungsstadium) von Weizen unter Trockenstress zeigten Unterschiede zwischen den Behandlungen und Wachstumsstadien. Die Menge an H2O2 stieg bei Trockenheit mit negativen Eigenwerten (Abb. 6). In ähnlicher Weise reduzierte auch die kombinierte Wirkung von SiNPs und Dürre den MDA.

Hauptkomponentenanalyse (PCA) basierend auf morphophysiologischen und agronomischen Parametern von Weizen unter Si-NPs und Trockenstress. Pflanzenhöhe (PH, cm), Ährenlänge (SL, cm), Anzahl der Körner pro Ähren (NGPS), 1000-Korn-Gewicht (GW, g), Kornertrag pro Pflanze (GY, g), biologischer Ertrag pro Pflanze ( BY, g), Ernteindex (HI), Chlorophyll a (Chl a), Chlorophyll b (Chl b), Photosyntheserate (PR), Transpirationsrate (Tr), Wassernutzungseffizienz (WUE), stomatale Leitfähigkeit (SC), Wasserstoffperoxid (H2O2), Malondialdehyd (MDA), Superoxiddismutase (SOD), Peroxidase (POD) und Elektroleckage-Prozentsatz (EL%). Anwendung von Si-NPs (0, 300, 600 und 900 mg/L) unter Trockenstressbedingungen in verschiedenen Wachstumsstadien (CK-Kontrolle, DTS-Dürre im Bestockungsstadium, DFS-Dürre im Blütestadium und DGFS-Dürre im Kornfüllstadium).

Das Hauptziel dieser Studie bestand darin, die optimalen Dosen von Si-NPs für die Samenvorbereitung zu bestimmen, um die Weizenentwicklung zu beschleunigen und die negativen Auswirkungen der Dürre abzumildern. Signifikante Verbesserungen der Wachstumseigenschaften wurden bei Samen beobachtet, die unter Stress mit 900 mg/L vorbehandelt wurden. Sowohl die Samenkeimung als auch das Pflanzenwachstum werden durch Trockenstress negativ beeinflusst47. In mehreren Studien wurde beobachtet, dass Trockenstress die Keimrate von Weizen verringert23,35. Es hat sich gezeigt, dass Dürre die Samenkeimung, das Wachstum und den Weizenertrag verringert4,23,32. Die Samenvorbereitung mit Nanopartikeln verbesserte die Keimung, den Sämling, die Wurzelstruktur und die Nährstoffaufnahme und minimierte die Auswirkungen von Wassermangelbedingungen18,20,37,41.

Unter Dürre verringerte sich die Wuchshöhe von Weizen in verschiedenen kritischen Stadien signifikant, wie Raza et al.53 berichteten. Dementsprechend beobachteten Aslam et al.54, dass die Wuchshöhe bei Quinoa-Pflanzen unter wasserlimitierten Bedingungen reduziert wurde, was mit unserer Studie übereinstimmt. Liu und Lal55 gaben an, dass Nanopartikel eine weitere Möglichkeit darstellen, Pflanzen in Dürresituationen mit Nährstoffen zu versorgen, was sich positiv auf die Pflanzenhöhe auswirkt. In ähnlicher Weise fanden Paparella et al.56 heraus, dass Sämlinge im Frühstadium aufgrund der Samenvorbereitung kräftiger werden, was das Stoffwechselsystem der Weizensamen anregt. Darüber hinaus wurde die Pflanzenhöhe durch die Anwendung von Si erhöht, da es bei der Ablagerung in Blattapoplasten als Barriere fungierte und die Pflanze vor Stress schützte57. Die Samengrundierung mit Silizium-Nanopartikeln steigerte die Pflanzenhöhe von Weizen unter wasserarmen Bedingungen in kritischen Phasen des Weizenwachstums positiv. Denn Si kann die Proteinsubstanz, die Nährstoffaufnahme und die Photosyntheserate verbessern und die Zellmembran in verschiedenen Pflanzen verringern58,59. Eine weitere plausible Erklärung ist, dass die Pflanzenhöhe und die morphologischen Aktivitäten aufgrund der Ansammlung von Wasser und Nährstoffen im Samen während der Vorbereitungszeit mit Nanopartikeln verbessert wurden60,61. In dieser Studie wurde auch die Rolle von Si-NPs beim Weizenwachstum mit und ohne Dürre untersucht.

Darüber hinaus zeigten unsere Ergebnisse, dass die Photosyntheseaktivität durch die Anwendung von Si-NPs positiv gesteigert wurde (Abb. 2). Untersuchungen ergaben, dass der Chlorophyllgehalt das Pflanzenwachstum und die Pflanzenentwicklung direkt beeinflusst. In unserer Forschung hat die Anwendung von Si-NPs den Chl-Wert deutlich erhöht. ein chl. b, Carotinoidgehalte und Gasaustauschparameter mit und ohne Stressbedingungen (Abb. 2). In den neuesten Experimenten beobachteten Forscher einen ähnlichen Anstieg der Photosynthese durch den Einsatz von Nanopartikeln23,62,63. Das Si könnte den Einfluss von Trockenstress auf photosynthetische Pigmente verringern, indem es das Cytokinin endogen erhöht, was die Chlorophyllbildung wiederherstellt und die Ultrastruktur der Chloroplasten verbessert64. Darüber hinaus gaben Asgari et al.36 an, dass dies darauf zurückzuführen sein könnte, dass NPs die Nährstoffe in Pflanzen erhöhen, die die Photosynthese verbessern. Darüber hinaus erhöhten Si-NPs die Dicke der Zellwand und verbesserten den Nährstofftransport durch die Öffnung des Xylems, was eine Hauptursache für die Steigerung der Photosyntheserate ist36,65.

Trockenstress verringerte die Photosyntheserate, die Transpirationsrate, die stomatale Leitfähigkeit, die Wassernutzungseffizienz und den relativen Wassergehalt der Blätter in Pflanzen unter wasserarmen Bedingungen. Es gab einen engen Zusammenhang zwischen der Photosynthese, der Transpirationsrate und dem gesamten Chlorophyllfokus für das Weizenwachstum unter Trockenstress66. Abaaszadeh et al.67 kamen zu dem Schluss, dass die Produktion von Peroxidase, Phenol und Chlorophyllase unter Wasserstressbedingungen reduziert war, da sich die Chlorophyllkonzentrationen negativ auswirkten. Darüber hinaus verringerte die Verringerung der Wassernutzungseffizienz und des RWC in Pflanzen unter Trockenstress den Turgordruck, die Wasserretention und die Pflanzengröße. Vergleichende Ergebnisse im Zusammenhang mit unserer Studie wurden von Farooq et al.68, Zhao et al.69 und Mamnouie et al.70 festgestellt. Im Gegensatz dazu stiegen die Photosyntheserate, die Transpirationsrate, die Stomata-Leitfähigkeit und der RWC durch die Anwendung von Si-NPs in beiden Bewässerungssystemen, insbesondere bei Pflanzen unter Trockenstress. Zhu und Gong71 gaben an, dass diese Erhöhungen der Gasaustauschparameter möglicherweise auf das Potenzial von Si zurückzuführen sind, das Wasser bei Dürre zu schützen. Darüber hinaus reichert sich Si unter der Kutikula der Blätter an und umrahmt eine zweifache Si-Kutikulaschicht. Folglich hat die Ansammlung von Si die Transpiration verringert72. Dementsprechend wird empfohlen, dass eine zweifache Siliciumdioxid-Kutikula-Schicht, die auf Blattepidermisgewebe eingerahmt ist, für einen höheren RWC der Blätter verantwortlich ist. In Übereinstimmung mit unseren Ergebnissen stellten Gong et al.73 fest, dass die Verwendung von Na2SiO3 die LA, die Trockenmasse, den RWC und die Blattdicke von Weizenpflanzen unter Wasserstress steigerte. Ebenso verbesserten Silizium-NPs die Wassernutzungseffizienz, den RWC und den Chlorophyllgehalt in Maiskulturen74,75.

Die Anwendung von Si-NPs verstärkte die Wirkung von SOD und POD erheblich, während die Wirkung von H2O2-, EL- und MDA-Substanzen deutlich verringert wurde, wie in Abb. 2D und Abb. 4A–D dargestellt. Darüber hinaus war der signifikante Rückgang der reaktiven Sauerstoffspezies auf die Erhaltung und Wiederherstellung der Zellmembran in Weizenpflanzen durch die Anwendung von Si-NPs76,77 zurückzuführen. In ähnlicher Weise berichteten viele Forscher, dass Nanopartikel die Aktivität von Antioxidantien in vielen Nutzpflanzen erhöhen23,62,78,79. Folglich steigert die Anwendung von Silizium die Aktivitäten von SOD, Glutathionreduktase80 und Katalase81 und gleicht die negativen Auswirkungen von Dürre auf Pflanzen moderat aus.

Auch die Aufnahme von Nährstoffen wie N, P und K durch Pflanzen wird durch Trockenstress negativ beeinflusst. In einer Reihe von Studien wurde gezeigt, dass Trockenstress sowohl den Gehalt an N, K und P im Pflanzengewebe als auch die Geschwindigkeit der Nährstoffaufnahme aus dem Boden verringert. Es ist gut dokumentiert, dass der N-Gehalt von Sojabohnen bei Trockenstress deutlich abnimmt78. Ein erheblicher Verlust von Stickstoff und Phosphor in Pflanzengeweben wurde von Rizwan et al.23 unter Trockenstresssituationen dokumentiert. Die aktuelle Forschung ergab, dass Si-NPs im Vergleich zur Kontrolle den N-, P- und K-Gehalt unter Dürrebedingungen deutlich erhöhten.

Unter Dürrebedingungen werden das Wachstum und die Entwicklung von Weizen aufgrund von Schwankungen im Nährstoffgleichgewicht beeinträchtigt82. Weizenertrag und Biomasse werden durch die Erhöhung der Anzahl der Si-NPs (0–900 mg/L) gesteigert, wie in Tabelle 2 gezeigt. Die Samenvorbereitung von Si-NPs zeigt die vorteilhaften Auswirkungen auf Weizenpflanzen. Frühere Untersuchungen zeigten, dass sich molekulare, biochemische und physiologische Veränderungen aufgrund von Trockenstress negativ auf das Pflanzenwachstum und den Ertrag ausgewirkt haben83. Beispielsweise nimmt die Trockenmasseproduktion in Pflanzen aufgrund der Einschränkung der Photosynthese und des Spaltöffnungsverschlusses ab, was die Kohlendioxidkonzentration unter Trockenstress verringert84. Darüber hinaus stellten Yazdanpanah et al.85 fest, dass es bei Trockenstress zu einer übermäßigen Anreicherung von ROS kommt, was zu oxidativen Schäden an Lipiden, Proteinen und DNA in Pflanzen führt, was zu einer Verringerung des Pflanzenwachstums und der Pflanzenentwicklung führt. In ähnlicher Weise berichteten andere Forscher, dass Trockenstress die Biomasse, das Korn und den Ertrag von Weizen verringert86,87.

Darüber hinaus zeigten die Ergebnisse, dass die Nutzung einiger Konzentrationen von Si-NPs die Biomasse, die Pflanzenhöhe, den Ertrag und die Ertragskomponenten in beiden Bewässerungssystemen erhöhte. Im Allgemeinen ist der positive Effekt der Si-Anwendung in Pflanzen unter optimalen Bedingungen nicht allzu offensichtlich, am deutlichsten wird er jedoch, wenn die Pflanze unter suboptimalen Bedingungen steht88. Si-NPs verbesserten jedoch die zerstörerische Wirkung von Dürre auf das Wachstum, den Ertrag und seine Komponenten aufgrund einer Variation in der Transpiration, einer Verbesserung der Photosyntheserate und des Wasserzustands der Pflanzen33,89. Diese Ergebnisse stimmen mit Sharifi Rad et al.90 und Shallan et al.91 überein. Si-NPs haben das Potenzial, den RWC, den Chlorophyllgehalt, die ROS-Aktivitäten, die Wachstumsbedingungen und den Ernteertrag zu steigern34,92,93.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Samenvorbereitung mit Silizium-Nanopartikeln (Si-NPs) unter Dürrebedingungen das Wachstum von Weizen deutlich steigert und den Wasserstress reduziert. Die Biomasse, die Pflanzenhöhe und der Ertrag der Weizenernte wurden durch die Samenvorbereitung mit Si-NPs gesteigert. Daraus lässt sich schließen, dass eine Erhöhung der Konzentration von Si-NPs in Weizenpflanzen die Anzahl antioxidativer Enzyme, den Chlorophyllgehalt und die Gasaustauschparameter deutlich steigerte und den Wasserstress minimierte. Darüber hinaus steigerten Samen-Priming-Si-NPs die Enzymaktivitäten, die die ROS-Konzentrationen in Weizenblättern minimierten. Daher deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Saatgut-Priming-Anwendung von Si-NPs für Weizenpflanzen sowohl bei normaler Bewässerung als auch bei Trockenstress hilfreich sein kann. Allerdings sind noch weitere Untersuchungen auf Topf- und Feldebene erforderlich, um herauszufinden, wie Nanopartikel diesen Einfluss auf Trockenstress in Getreide durch die vorbereitende Anwendung von NPs unter Dürrebedingungen auslösen.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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Die technische Unterstützung für diese Studien wurde vom Forschungsbereich Department of Agronomy der Islamia University of Bahawalpur und der Higher Education Commission, Pakistan (Award of Scholarship Under Indigenous 5000 Ph.D. Fellowship (Phase-II) Batch-VI) bereitgestellt Die Bodenanalyse wurde freundlicherweise mit Unterstützung des Soil and Water Testing Laboratory, Multan, durchgeführt.

Open-Access-Förderung ermöglicht und organisiert durch Projekt DEAL.

Abteilung für Agronomie, Fakultät für Landwirtschaft und Umwelt, The Islamia University of Bahawalpur, Bahawalpur, 63100, Pakistan

Muhammad Aown Sammar Raza, Bilal Zulfiqar, Rashid Iqbal, Muhammad Usman Aslam, Faqeer Muhammad, Jawad Amin und Muhammad Arif Ibrahim

Abteilung für Agronomie, MNS-Universität für Landwirtschaft, Multan, 60000, Pakistan

Muhammad Noor Muzamil

Institut für Pflanzenschutz (IPP), MNS-Universität für Landwirtschaft, Multan, Pakistan

Hafiz Muhammad Usman Islam

National Institute for Genomics and Advanced Biotechnology (NIGAB), National Agricultural Research Center (NARC), Park Road, Islamabad, 45500, Pakistan

Muhammad Uzair

Crop Science Group, Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz (INRES), Universität Bonn, Bonn, Deutschland

Muhammad Habib-ur-Rahman

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Konzeptualisierung, MASR, BZ und RI; Methodik, MUA.; Software, RI, BZ und MU; Validierung und formale Analyse, FM, JA, MAI, MNM, MU und RI; Ressourcen, MASR; Datenkuration, RI, MNM, MH-u.-R., JA, BZ und FM; Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung, MASR, RI und BZ; Schreiben – Rezension und Bearbeitung, MASR, MU, MH-u.-R., HMUA und BZ; Visualisierung, MU; Supervision, MASR, MH-u.-R. Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz mit Muhammad Aown Sammar Raza oder Muhammad Habib-ur-Rahman.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Raza, MAS, Zulfiqar, B., Iqbal, R. et al. Morphophysiologische und biochemische Reaktion von Weizen auf verschiedene Behandlungen mit Silizium-Nanopartikeln unter Trockenstressbedingungen. Sci Rep 13, 2700 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29784-6

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Eingegangen: 07. Oktober 2022

Angenommen: 10. Februar 2023

Veröffentlicht: 15. Februar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29784-6

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