Wirksamkeit von ZnO-Nanopartikeln bei der Zn-Anreicherung und -Aufteilung von Weizen- und Reiskörnern unter Salzstress

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 2022 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Ein Mangel an Zink (Zn) stellt in Entwicklungsländern aufgrund der Abhängigkeit von einer getreidebasierten Ernährung ein großes Gesundheitsproblem dar. Getreide hat von Natur aus einen niedrigen Zn-Gehalt und die unvermeidliche Nutzung beanspruchter Flächen hat das Problem noch verschärft. Ziel der aktuellen Forschung war es, die Zn-Konzentration von in salzhaltigen Böden angebauten Weizen- und Reiskörnern durch Zinkoxid-Nanopartikel (ZnO-NPs) aufgrund ihrer perspektivisch hohen Verfügbarkeit zu verbessern. Die ZnO-NPs wurden durch die Kopräzipitationsmethode hergestellt und durch Röntgenbeugung (XRD) und Rasterelektronenmikroskop (REM) charakterisiert. Es wurden zwei separate Topfexperimente für Weizen und Reis durchgeführt, um die relative Wirksamkeit von ZnO-NPs im Vergleich zu anderen Zn-Massenquellen, d. h. Zinksulfat-Heptahydrat (ZnSO4·7H2O) und ZnO, zu überprüfen. Die Ergebnisse zeigten, dass Salzstress die getesteten Parameter negativ beeinflusste. Es gab eine signifikante (p ≤ 0,05) Verbesserung des Wachstums, der Salztoleranz, der pflanzlichen Zn-Aufnahme und der Korn-Zn-Konzentrationen durch die Zn-Anwendung über Zn-Quellen. Die ZnO-NPs zeigten im Vergleich zu anderen Quellen eine maximale Verbesserung der Pflanzenparameter aufgrund ihrer höheren Aufnahme und Translokation in Pflanzen sowohl unter normalen als auch unter beanspruchten Bodenbedingungen. Somit erwiesen sich ZnO-Nanopartikel als wirksamer für die Getreide-Zn-Anreicherung sowohl in den getesteten Weizen- als auch in den Reiskulturen unter normalen und salzhaltigen Bedingungen.

Der Salzgehalt ist ein großes Problem für die globale Landwirtschaft und hat sich zum bedrohlichsten abiotischen Umweltstress entwickelt, der zu Fruchtbarkeits- und Ernteproduktivitätsverlusten führt1. Erhöhte Konzentrationen von Natrium (Na+) und Chlorid (Cl−) sowie osmotischer Stress führen zu einer verminderten Aufnahme essentieller Nährstoffe, einer verminderten Wasserverfügbarkeit und Funktionsstörungen mehrerer physiologischer Prozesse der Pflanzen2,3. Dadurch werden Ernteertrag und -qualität stark beeinträchtigt. Ein Ionenungleichgewicht und eine hohe Na+-Konzentration in Pflanzen führen zu einem verzögerten Wachstum und einem schlechten Nährstoffgehalt von Getreide4, einschließlich Weizen und Reis. Auftreten einiger oder aller Faktoren wie trockenes Klima, hohe regionale Temperaturen, die zu einer Nettoaufwärtswasserbewegung und Salzansammlung an der Oberfläche führen, unausgewogene und unzureichende Düngemittelverwendung, niedrige organische Substanz (OM), hoher pH-Wert, kalkhaltiger Boden und Bewässerungswasser mit hohem Karbonatgehalt usw . führt zu einer Versalzung des Bodens und einem Mangel an den meisten Nährstoffen, einschließlich Zn5.

Zink wurde in den meisten kalkhaltigen Böden nach N und P6 als der am häufigsten mangelhafte Mikronährstoff eingestuft. Häufig angebaute Getreidearten, Weizen und Reis leiden in Entwicklungsländern am häufigsten unter Zn-Mangel7. Das Zn ist ein lebenswichtiger Bestandteil mehrerer Enzyme und fungiert als Cofaktor von mehr als 300 Enzymen. In Pflanzen wird Zn für die Translokation, Transkription und Regulierung der meisten enzymatischen Aktivitäten benötigt und ist für die strukturelle Stabilität mehrerer Proteine8 und struktureller Bestandteil von Ribosomen7 von entscheidender Bedeutung.

Etwa die Hälfte der Bevölkerung asiatischer und afrikanischer Länder ist von einem Zinkmangel bedroht, und die Rate nimmt in alarmierendem Ausmaß zu9. Der Zn-Mangel kommt aufgrund schwerer Mangelernährung häufiger bei Frauen und Kindern vor. Die Abhängigkeit von einer getreidebasierten Ernährung mit sehr niedriger Zn-Konzentration und geringer Bioverfügbarkeit ist der Hauptgrund für dieses Szenario. Die sich zunehmend verschlechternden Böden verschlimmern das Problem noch weiter und können den menschlichen Bedarf an ausreichender Zn-Aufnahme nicht mehr decken. Salzhaltige und/oder natriumhaltige Böden weisen eine verringerte Löslichkeit von Mikronährstoffen auf, so dass Pflanzen, die auf solchen Böden wachsen, mit einem Mangel an Mikronährstoffen, insbesondere Zn10, zu kämpfen haben. Es wird berichtet, dass Zn eine wichtige Rolle bei der Stresslinderung spielt und zu einer verringerten Na+-Anreicherung in Pflanzen und einer höheren K+-Anreicherung in Pflanzen unter salzhaltigen Bedingungen beiträgt11.

Zinkmangel und Salzstress werden üblicherweise als zwei separate wachstumsbegrenzende Faktoren diskutiert, während ihre Wechselwirkung nicht im Detail untersucht und nicht ausreichend berichtet wird. Allerdings haben nur wenige Forscher die Auswirkung von Salzstress auf die Zn-Aufnahme dokumentiert. Böden mit hohem SAR- und pH-Wert weisen eine sehr geringe Löslichkeit von Mikronährstoffen auf12. Eine hohe Ionenstärke des Wachstumsmediums wirkt sich stark negativ auf die Zn-Aufnahme der Pflanze aus.

Weizen und Reis sind beide die wichtigsten Grundnahrungsmittel, insbesondere in den Entwicklungsländern Südostasiens, und die Menschen dieser Länder sind für einen Großteil ihrer täglichen Kalorienaufnahme auf diese beiden Getreidearten angewiesen. Beide Getreidesorten gelten im Hinblick auf die Bioverfügbarkeit und den Gesamtgehalt an Zn als schlechte Zn-Quelle. Es wurde berichtet, dass die am häufigsten verwendeten Getreidesorten wie Weizen und Reis in kalkhaltigen Böden unter einem Zn-Mangel leiden5,6. Die Situation wird noch schlimmer, wenn Salzstress auftritt.

Angesichts der aktuellen Situation müssen wir einen ausreichend großen Bodenvorrat an pflanzenverfügbarem Zn aufrechterhalten. Dafür benötigen wir dringend die Entwicklung und Anwendung neuer Düngemitteltechnologien, um dieser schnell wachsenden Weltbevölkerung nährstoffreiche Nutzpflanzen zu liefern. Die vorliegende Studie konzentriert sich auf die agronomische Anreicherung von Weizen und Reis mit Zn. Die agronomische Anreicherung hat sich bei Getreide, insbesondere Weizen und Reis, als sehr wirksam erwiesen. Angesichts der Tatsache, dass eine höhere Zn-Konzentration erforderlich ist, um eine berechenbare Auswirkung auf die menschliche Gesundheit zu erzielen und auch um Ertragsverluste bei Pflanzen aufgrund eines Zn-Mangels zu vermeiden. Daher ist für die Zn-Biofortifizierung von Nutzpflanzen die Bereitstellung ausreichend Zn durch Düngemittel auf verschiedene Weise von entscheidender Bedeutung.

In dieser Hinsicht kann der Einsatz von Nanotechnologie ein wirksames Mittel zur Bewältigung der Situation sein. Aufgrund der geringeren Größe und größeren Oberfläche13 haben NPs viele potenzielle Anwendungen in der Landwirtschaft, einschließlich Nanodünger14. Unter den technischen Nanomaterialien sind Zinkoxid-Nanopartikel (ZnO-NPs) häufig verwendete Metalloxid-Nanopartikel. Nano-ZnO ist auch eine der Zn-Verbindungen, die von der USFDA (United States Food and Drug Administration) als „allgemein als sicher anerkannt“ (GRAS) gelistet sind15. Die ZnO-Nanopartikel erscheinen normalerweise als weißes Pulver. Es ist in Wasser schwer löslich. Aufgrund ihrer geringeren Größe und großen Oberfläche dürften ZnO-Nanopartikel der ideale Ersatz für herkömmliche Zn-Düngemittel für Pflanzen sein16.

Unter Berücksichtigung dieser aktuellen Szenarien und Probleme wurde die vorliegende Studie erstellt, um die Reaktionen von ZnO-Nanopartikeln im Bodenpflanzensystem zu verstehen, damit eine Bewertung ihres möglichen Einsatzes als effizientere Düngeoption im Vergleich zu den verfügbaren Massenressourcen von Zn vorgenommen werden kann. Hauptsächlich wird die Wirksamkeit von ZnO-NPs unter Salzstressbedingungen bewertet, da die Nutzung von Stressflächen für den Getreideanbau perspektivisch unvermeidbar ist.

Die ZnO-Nanopartikel wurden durch die Kopräzipitationsmethode hergestellt. Ein vorgeschlagenes Verfahren wurde mit geringfügigen Änderungen befolgt17. Kurz gesagt, frisch zubereitete NaOH-Lösung wurde der Lösung von ZnSO4·7H2O langsam tropfenweise im Verhältnis 2:1 zugesetzt. Die resultierende milchig-weiße Mischung wurde 12 Stunden lang auf einem Magnetrührer gerührt. Vorbereitete ZnO-Niederschläge wurden filtriert (Whatman Nr. 42) und dann gründlich mit entionisiertem Wasser gewaschen. Waschen und Filtrieren wurden mindestens dreimal durchgeführt, um die Niederschläge vollständig zu waschen. Anschließend wurden die Niederschläge bei 105 °C in einem Umluftofen getrocknet. Getrocknete Niederschläge wurden in einem Mörser gemahlen und 2 Stunden lang bei 550 °C kalziniert. Die schrittweise Methode ist in Abb. 1 dargestellt. Die ausgeglichene Reaktionsgleichung lautet wie folgt:

Flussdiagramm der Synthese von ZnO-Nanopartikeln.

Zur Charakterisierung der vorbereiteten Nanopartikel wurden Röntgenpulverbeugung (XRD), Zeta-Größenbestimmung und Rasterelektronenmikroskopie (SEM)-Analyse eingesetzt18.

Zur Bestimmung der Kristallphasenstruktur und der Größe der ZnO-NPs wurde eine Röntgendiffraktometeranalyse durchgeführt. Die Kristallgröße der ZnO-NPs wurde mit der Debye-Scherrer-Gleichung berechnet19:

wobei D = die mittlere Kristallgröße, k = Scherer-Konstante (0,89), λ = Röntgenwellenlänge, β = volle Breite der Halbpeak-Maximum-Intensität (FWHM) (im Bogenmaß), bezeichnet als \(\Delta \left(2 \uptheta \right)\) und θ = Braggs Beugungswinkel.

Für jede Anwendung von Nanopartikeln wurde die bereits abgewogene Menge der erforderlichen ZnO-Nanopartikel für Weizen und Reis (Tabelle 2) direkt in entionisiertem Wasser in einem Kolben suspendiert und dann wurden die Partikel unmittelbar vor der Anwendung 30 Minuten lang durch Ultraschallvibration in einem Wasserbad-Ultraschallgerät dispergiert der Behandlung. Jede Replikation und Behandlung wurde separat beschallt.

Die Weizensorte FSD-2008 wurde vom Wheat Research Institute Faisalabad bezogen und die Reissorte IR-6 wurde vom Rice Research Institute Kala Shah Kaku verwendet. Bei beiden Sorten handelt es sich um zugelassene Sorten, deren Verwendung zu Versuchszwecken von entsprechenden Forschungsstationen genehmigt wurde. Im Drahthaus des Instituts für Boden- und Umweltwissenschaften der Universität für Landwirtschaft Faisalabad wurden zwei separate Topfexperimente für Weizen- und Reispflanzen durchgeführt.

Normaler Oberflächenboden (0–20 cm) wurde von landwirtschaftlichen Feldern der Landnutzungsfarm der Universität für Landwirtschaft Faisalabad (UAF) Pakistan gesammelt. Bodenanalysen vor der Aussaat wurden nach Standardmethoden durchgeführt (Tabelle 1). Die Befüllung der Töpfe erfolgte mit 12 kg Erde pro Topf für Weizen und 8 kg pro Topf für Reis. Der Salzgehalt wurde durch Mischen der berechneten Menge NaCl in den Boden jedes Topfes vor dem Befüllen des Topfes ermittelt. Das Zn wurde unter Verwendung von drei Quellen (ZnSO4·7H2O, ZnO und ZnO-Nanopartikel) für jede Kultur ausgebracht. Der Behandlungsplan für das Weizen- und Reisexperiment ist in Tabelle 2 beschrieben.

Bei Weizen wurden die Samen direkt ausgesät, bei Reis wurden auf dem Feld Baumschulen angelegt und dann 30 Tage alte Sämlinge in behandelte Töpfe verpflanzt. Die Töpfe wurden in einem vollständig randomisierten Design angeordnet und jede Behandlung wurde dreimal wiederholt. Harnstoff (46 % N), Di-Ammoniumphosphat (DAP, 46 % P2O5, 18 % N) und Kaliumsulfat (SOP, 50 % K2O) wurden jeweils als Düngemittelquellen für NPK verwendet. Die vollständige Dosis von P und K wurde bei der Aussaat (bei Reis beim Umpflanzen) ausgebracht, während die Hälfte des N bei der Aussaat/Umpflanzung und die andere Hälfte im frühen Blütestadium ausgebracht wurde. Für Weizen wurden 0,52 g Harnstoff, 2,68 g DAP und 0,86 g SOP pro 12-kg-Topf verwendet, während für Reis 0,313 g Harnstoff, 1,20 g DAP und 0,58 g SOP pro 8-kg-Topf verwendet wurden.

Der Indexwert des Gesamtchlorophyllgehalts (TCC) in Bezug auf die Special Products Analysis Division (SPAD, eine Abteilung von Minolta) wurde im Flaggenblattstadium mit einem handgehaltenen SPAD-502m (Minolta, Osaka, Japan) bestimmt. Junge, vollständig entfaltete Blätter wurden an der Spitze ausgewählt, um Messwerte zu erhalten. Von der Blattspitze bis zur Blattbasis wurden drei Messungen vorgenommen und der Durchschnitt ermittelt20.

Die Pflanzen wurden zum Zeitpunkt der Reife geerntet und Wachstumsparameter wie Pflanzenhöhe, Strohertrag, Kornertrag, Anzahl der Bestockungen, Anzahl der Ähren und Ährchen wurden aufgezeichnet. Getreide- und Strohproben wurden gesammelt und in einem Umluftofen bei 65 ± 5 °C 72 Stunden lang getrocknet oder bis zur weiteren chemischen Analyse das konstante Gewicht erreicht.

Getrocknete Pflanzenproben wurden in einer mechanischen Mühle zu Pulver gemahlen und in Plastiktüten mit Reißverschluss aufbewahrt. Fein gemahlene und getrocknete Pflanzenproben wurden nach einem modifizierten Nassaufschlussverfahren21 aufgeschlossen, um eine hohe Zn-Ausbeute zu erzielen.

Na+ und K+ wurden mit einem Flammenphotometer (Jenway PFP-7, Loughborough, Leicestershire, UK) bestimmt, wohingegen Zn mit einem Flammen-Atomabsorptionsspektrophotometer (FAAS; Modell Thermo S-Series, Thermo Electron Corporation, Cambridge, UK) im Anschluss bestimmt wurde Verfahren, die im ICARDA-Handbuch (International Center for Agricultural Research in the Dry Areas) von Estefan et al.22 erwähnt werden. Für die Zn-Bestimmung von Reis wurde die Schale vom Reis entfernt, um Ergebnisse für Reiskörner zu erhalten.

Die Zn-Aufnahme von Wurzel, Spross und Korn wurde anhand der folgenden Formel berechnet:

Der Zn-Prozentsatz in jedem Pflanzenteil wurde nach der folgenden Formel berechnet:

Dabei ist ZnX die Zn-Aufnahme in einem bestimmten Pflanzenteil (Wurzel, Spross und Korn) mg Pflanze−1 und ZnY die Summe der Zn-Aufnahme in Pflanzenwurzel, Spross und Korn (mg Pflanze−1).

Die ZnO-NPs mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von etwa 20–60 nm wurden mithilfe der Scherrer-Gleichung berechnet. Die Charakterisierung der synthetisierten Partikel erfolgte mittels XRD und SEM. Die XRD-Analyse wurde durchgeführt, um die Reinheit und Kristallgröße der synthetisierten ZnO-NPs zu bestimmen. Das Muster der Röntgenbeugung von ZnO-NPs ist in den Abbildungen dargestellt. 2 und 3. Alle im Beugungsmuster dargestellten Peaks stimmten gut mit den Kristallebenen der hexagonalen Wurtzit-ZnO-Struktur (JCPDS-Karte Nr. 36-1451) überein, da die Position der Beugungspeaks bei Beugungswinkeln (2°Th) erkennbar ist. 31,8°, 34,5°, 36,3°, 47,6°, 56,6°, 62,9°, 66,4°, 67,9°, 69,1° und 77°, die gut damit übereinstimmen23,24.

Röntgenbeugungsmuster von ZnO-NPs.

Röntgenbeugungsmuster von ZnO-NPs.

Alle Beugungspeaks zeigten scharfe Peakintensitäten, was darauf hindeutet, dass das vorbereitete Material eine gute kristalline Beschaffenheit aufweist und aus Partikeln im Nanobereich besteht. Es bestätigte auch die Reinheit der synthetisierten ZnO-NPs, da keine Spuren anderer Peaks als ZnO-Peaks aufgezeichnet wurden. Der Durchmesser der vorbereiteten ZnO-NPs wurde mit der Scherrer-Gleichung 19 berechnet und betrug 22,96 nm, wobei β die Halbwertsbreite des Beugungspeaks ist, der der Ebene (101) bei 36,3° entspricht. Die REM-Bilder bei 20 kX zeigten ebenfalls eine Größe von 51 nm großen Partikeln mit Kugelform.

Daten zu Wachstums- und Ertragsparametern, z. B. Pflanzenhöhe (PH), Anzahl der Triebe (T), Kornertrag (GY) und Gesamtchlorophyllgehalt (TCC) von Weizen, sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Die Varianzanalyse der Daten aller dieser Parameter ergab einen signifikanten Unterschied (p ≤ 0,05) zwischen Quellen und Salzbehandlungen, während die Wechselwirkungseffekte für alle diese Parameter nicht signifikant waren. Das heißt, obwohl sich das Verhalten aller drei Quellen unter beiden Wachstumsbedingungen (normal und salzhaltig) unterscheidet, war das jeweilige Verhalten aller Quellen in Bezug auf die Wachstumsbedingungen (entweder normal oder salzhaltig) nahezu gleich. Das Pflanzenwachstum wurde unter Salzstress stark beeinträchtigt, durch die Anwendung von Zn jedoch deutlich verbessert. Die Reaktion der Pflanzen auf die Zn-Gabe über jede Quelle war unterschiedlich. Die maximale Wachstumssteigerung gegenüber der jeweiligen Kontrolle zeigten ZnO-NPs, gefolgt von ZnSO4·7H2O, und die geringste prozentuale Steigerung wurde durch die Anwendung von ZnO in Massenform sowohl unter salzhaltigen als auch unter normalen Wachstumsbedingungen erzielt.

Die in Tabelle 4 dargestellten Daten zur Na+- und K+-Konzentration im Spross zeigten, dass die Na+-Konzentration unter Salzlösungsbedingungen bei allen angewandten Behandlungen stark erhöht war, während die K+-Konzentration verringert war. Die Anwendung von Zink aus allen Quellen verbesserte die Situation deutlich. Die maximale Abnahme des Spross-Na+ (30 %) wurde bei ZnSO4·7H2O unter normalen Bedingungen gezeigt. Unter salzhaltigen Bedingungen hingegen wurde bei ZnO-NPs die maximale Abnahme (27 %) des Spross-Na+ verzeichnet. In der Varianzanalyse zeigte sich ein signifikanter Effekt (p ≤ 0,05) verschiedener Zn-Quellen und Salzbehandlungen auf die Na+- und K+-Konzentration.

Auch der Wechselwirkungseffekt der Salzaufbringung und der Zn-Anwendung war bei all diesen Parametern signifikant. In ähnlicher Weise wurde unter ZnO-NPs-Behandlung unter normalen bzw. salzhaltigen Bedingungen ein maximaler Anstieg des Spross-K+ (28 und 22 %) verzeichnet. Der minimale Anstieg des K+-Spießes wurde dort verzeichnet, wo ZnO in Massenform angewendet wurde. Normalerweise gab es einen erheblichen Unterschied (p ≤ 0,05) zwischen der Reaktion der ZnO-Masse und der anderen beiden Quellen. Während der Unterschied in den Reaktionen von ZnSO4·7H2O und ZnO-NPs bei einigen Parametern weniger deutlich war. Das K+/Na+-Verhältnis wurde aufgrund der Zn-Anwendung sowohl unter normalen als auch unter salzhaltigen Bedingungen ebenfalls positiv erhöht.

Die Analyse der Varianz der Zn-Konzentration zeigte, dass die Reaktion des Weizens auf die Zn-Anwendung hochsignifikant war (p ≤ 0,05) und dass ein erheblicher Unterschied zwischen der Zn-Aufnahme durch verschiedene Quellen der Zn-Anwendung bestand. Im Normalboden betrug die Zn-Konzentration im Getreide ohne Zn-Gabe 25,6 mg kg−1 (Tabelle 4). Die maximale Zn-Konzentration im Getreide (52,9 mg kg−1) wurde bei der Behandlung beobachtet, bei der ZnO-NPs angewendet wurden. Unter salzhaltigen Bedingungen, ohne Zn-Anwendung, betrug die Zn-Konzentration in den Körnern 18,5 mg kg−1, die durch die Anwendung von ZnO-NPs auf 45,7 mg kg−1 erhöht wurde. Ein ähnlicher Trend wurde bei den Zn-Konzentrationen in Spross und Wurzel beobachtet. Die Wechselwirkung zwischen Salzgehalt und Zn-Quelle war für die Zn-Aufnahme pro Pflanze in allen drei Weizenbestandteilen (Spross, Wurzel und Korn) von großer Bedeutung. Was die Zn-Verteilung in jedem Pflanzenteil betrifft, so wurde mehr Zn in das Korn verlagert, wo ZnO-NPs sowohl unter normalen als auch unter salzhaltigen Bedingungen ausgebracht wurden. Die Zn-Translokation in jedem Pflanzenteil von Weizen ist in Abb. 4 dargestellt, die den Prozentsatz des gesamten in jedem Pflanzenteil translozierten Zn darstellt.

Prozentuale Verteilung von Zn, das bei der Reife in verschiedene Pflanzenteile von Weizen transloziert wird (Jeder Wert ist ein Mittelwert, n = 3 statistisch signifikant bei p ≤ 0,05, T-Balken stellen ± Standardfehler des Mittelwerts dar).

Daten zu Reaktionen verschiedener Wachstumsparameter wie Trieblänge, Anzahl der Bestockungen, Reisertrag und Gesamtchlorophyllgehalt (TCC) von Reis sind in Tabelle 5 dargestellt. Die Ergebnisse für Wachstumsreaktionen stimmen fast mit den Reaktionen überein, die wir für Weizenpflanzen erhalten haben . Die Reaktionen aller Parameter waren sowohl unter normalen als auch unter salzhaltigen Bedingungen signifikant positiv gegenüber der Zn-Anwendung. Die Interaktionseffekte waren jedoch nur für den Reisertrag von Bedeutung.

Im allgemeinen Wachstum wurden durch ZnSO4·7H2O unter Salzbedingungen maximale Bestockungen erzeugt, während alle anderen Parameter den maximalen Anstieg unter ZnO-NPs (T8) zeigten, gefolgt von der Anwendung von ZnSO4·7H2O. Der minimale prozentuale Anstieg wurde jedoch bei der Anwendung von ZnO-Massenanwendungen beobachtet. Bei normalen Bodenbedingungen ist der Unterschied zwischen T2 und T4 im Allgemeinen nicht signifikant.

Bei Ertragsreaktionen wurde der maximale Reisertrag in T4 (26 g Topf-1) gefolgt von T2 (23 g Topf-1) unter normalen Bedingungen und in T8 (12 g Topf-1) gefolgt von T6 (10 g Topf-1) aufgezeichnet ) unter salzhaltigen Bedingungen. Der Chlorophyllgehalt im Sinne des SPAD-Werts stieg deutlich an, wenn Zn-Behandlungen sowohl unter normalen als auch unter salzhaltigen Bedingungen durchgeführt wurden. Der Unterschied zwischen den Quellen war jedoch nicht signifikant.

In der vorliegenden Topfkulturstudie wurden die Na+-Konzentration, die K+-Konzentration und das K+/Na+-Verhältnis der Pflanze (Tabelle 6) durch die Salzzugabe signifikant (p ≤ 0,05) beeinflusst. Die Na+-Konzentration war unter Salzstress stark erhöht, während die K+-Konzentration und das K+/Na+-Verhältnis unter salzhaltigen Bedingungen erheblich sanken. Die Anwendung von Zn verbesserte die negativen Aspekte des Salzstresses durch eine Erhöhung der K+-Konzentration und umgekehrt für die Na+-Konzentration in allen Pflanzenteilen. Die Varianzanalyse der Daten zeigte, dass es einen signifikanten Unterschied (p ≤ 0,05) zwischen den Quellen hinsichtlich der K+- und Na+-Konzentration in Spross und Wurzeln sowohl bei normalen als auch bei salzhaltigen Bodenbedingungen gibt. Die Interaktionseffekte (Salzgehalt × Quelle) für die K+- und Na+-Konzentrationen der Triebe waren jedoch nicht signifikant. Die ZnO-NPs liefern im Vergleich zu anderen Quellen (ZnSO4·7H2O und ZnO) sowohl unter normalen als auch unter salzhaltigen Bodenbedingungen bessere Ergebnisse.

Es gab einen signifikanten Unterschied (p ≤ 0,05) zwischen verschiedenen Zn-Quellen in der pflanzlichen Zn-Konzentration. Es wurde ein deutlicher Anstieg der Zn-Konzentration in Spross, Korn und Wurzel (Tabelle 6) von Reispflanzen mit Zn-Anwendung sowohl unter (normalen als auch in salzhaltigen) Wachstumsbedingungen festgestellt. Trieb-Zn wurde von 22 mg kg-1 in der Kontrolle auf 34 mg kg-1 in T4 unter normalen Wachstumsbedingungen und von 15 mg kg-1 in der Kochsalzlösung-Kontrolle auf 25 mg kg-1 in T8 unter Kochsalzlösungsbedingungen erhöht. Die maximale Zn-Körnung wurde dort aufgezeichnet, wo ZnO-NPs aufgetragen wurden, während ZnO in Massenform einen minimalen Anstieg gegenüber der jeweiligen Kontrolle aufwies.

Auch die Zn-Aufnahme pro Pflanze zeigte einen ähnlichen Trend wie die Zn-Konzentration. Die Zn-Translokation in Reispflanzen in Form des Prozentsatzes des gesamten pflanzlichen Zn, der in jedem Pflanzenteil vorhanden ist, ist in Abb. 5 dargestellt. Die Zn-Translokation vom Spross zum Korn wurde unter salzhaltigen Bedingungen verringert. Durch die Anwendung von Zn konnte diese Translokation vom Spross zum Korn deutlich verbessert werden. Allerdings gab es im Fall von Reis keinen signifikanten Unterschied zwischen verschiedenen Quellen hinsichtlich der Verbesserung der Zn-Translokation vom Spross zum Korn unter salzhaltigen Bedingungen.

Prozentuale Verteilung von Zn, das in verschiedenen Pflanzenteilen von Reis zum Zeitpunkt der Reife transloziert wurde (jeder Wert ist ein Mittelwert, n = 3 statistisch signifikant bei p ≤ 0,05, T-Balken stellen ± Standardfehler der Mittelwerte dar).

Salzstress verringert das Pflanzenwachstum und führt aufgrund von osmotischem Stress und Ernährungsungleichgewicht zu einer physiologischen Depression25. Zink ist für das Pflanzenwachstum und den Getreideertrag unerlässlich. Das Zn ist für grundlegende Wachstumsprozesse wie Zellteilung und Zellverlängerungsprozesse26 notwendig. Eine ausreichende Zn-Versorgung verbesserte die Pflanzenhöhe und die Anzahl der Triebe. Es verbesserte auch die Chlorophyllkonzentration in vielen Reisgenotypen, was zeigte, dass Zn an der Chlorophyllsynthese beteiligt ist27,28 und die Anwendung von Zn verbesserte positiv das Wachstum von Weizen und Reis unter Salzstress.

Pflanzenwachstumsparameter reagieren unter salzhaltigen Bedingungen relativ stark auf die Salzresistenz der Kulturpflanzen und die Reaktionsfähigkeit der Zn-Supplementierung. Die Zn-Versorgung und die ausreichende Zn-Verfügbarkeit für Pflanzen unter Salzstress verbessern den Getreideertrag von Weizen und Reis29,30 aufgrund verbesserter Wasserverhältnisse, Aufrechterhaltung eines höheren RWC-, Turgor- und photosynthetischen Pigments11,31. Die Anwendung von Zink im Boden aus verschiedenen Quellen verbesserte die Pflanzenwachstumsparameter und den Chlorophyllgehalt der Pflanzen deutlich. Die Bodenanwendung von ZnSO4·7H2O verbesserte den Gesamtchlorophyllgehalt von Reis, was auf die Beteiligung von Zn an der Chlorophyllsynthese zurückzuführen sein kann27. Der Photosyntheseapparat ist einer der Hauptwirkungsorte von Zn in Pflanzen, was der Grund dafür sein kann, dass der Chlorophyllgehalt der Pflanze durch die Anwendung von Zn verbessert wurde32,33. Die ZnO-NPs und ZnSO4·7H2O verbesserten nachweislich die Wachstumseigenschaften von Weizen und Reis unter normalen und salzhaltigen Bedingungen. Dies kann daran liegen, dass die Bodendiffusion von ZnSO4·7H2O effektiver ist und ZnSO4·7H2O aufgrund des Säurefaktors SO42−34 auch eine leichte Versauerung der Bodenzone verursacht. Es wurde berichtet, dass der ZnSO4·7H2O-Dünger eine bessere Zn-Diffusion fördert als Düngemittel auf ZnO-Basis35. ZnO-NPs weisen jedoch eine erhöhte Kolloidstabilität und Verteilung im Bodenporenwasser auf, insbesondere bei einem Boden-pH-Wert von 8, und es liegt eine höhere Gesamt-Zn-Konzentration vor in Bodenlösung durch ZnO-NPs im Vergleich zu ZnSO436.

Viele Forscher haben berichtet, dass Pflanzen je nach Zn-Quelle, Zn-Status im Boden und Pflanzengenotyp unterschiedlich auf die Anwendung von Zn reagieren37. Die ZnO-NPs erhöhten SDW und andere Wachstumsparameter von Baumwollpflanzen unter salzhaltigen Bedingungen38. Über die Wirksamkeit von ZnO-NPs gegenüber normalgroßem ZnO und ZnSO4·7H2O wurde auch bei Kichererbsen berichtet39.

Eine hohe Reaktion von ZnO-NPs im Vergleich zu anderen Quellen kann auf eine geringere Aktivität von SOD und Peroxidase und damit auf einen geringeren ROS-Spiegel und eine geringere Lipidperoxidation in mit ZnO-NPs behandelten Pflanzen zurückgeführt werden39. Die chemische Zusammensetzung (Na+, K+ und Zn2+) verschiedener Pflanzenbestandteile von Weizen (Tabelle 4) und Reis (Tabelle 6) zeigte einen hochsignifikanten Effekt von Salzstress auf Pflanzen. Hinsichtlich der Na+- und K+-Gehalte scheint Reis stärker von Salzstress betroffen zu sein. Die Affinität von Reis zur Aufnahme von Na+ (2,93 g kg−1) war höher als die von Weizen (1,42 g kg−1); und der prozentuale Rückgang des Reiswachstums und -ertrags bei der jeweiligen Kontrolle war im Vergleich zu Weizen aufgrund von Salzstress ebenfalls stärker. Berichten zufolge ist Reis im Vergleich zu Weizen weniger stresstolerant25. Allerdings war das Reaktionsmuster beider Kulturpflanzen auf die Zn-Anwendung sowohl unter normalen als auch unter salzhaltigen Bedingungen nahezu ähnlich. Es gab einen bemerkenswerten Unterschied im Reaktionsmuster verschiedener Zn-Quellen. Die Reaktion von ZnO-NPs war im Vergleich zu den beiden anderen Quellen (ZnSO4·7H2O und ZnO-Bulk) deutlicher bei der Linderung von Salzstress und der Erhöhung der Zn-Konzentration in Wurzeln, Spross und Körnern beider Nutzpflanzen (Weizen und Reis).

In der vorliegenden Studie war die Na+-Konzentration von Pflanzenwurzeln, Körnern und Trieben im Vergleich zur jeweiligen Kontrolle sowohl in Weizen- als auch in Reiskulturen unter Salzstressbedingungen signifikant bis auf das Zweifache erhöht. In ähnlicher Weise wurde auch über einen Anstieg der Na+-Konzentration um das Zweifache und eine Abnahme der K+-Konzentration und des K+/Na+-Verhältnisses unter Na2SO4-Salzstress berichtet. Dies kann auf die hohe Na+-Aufnahme durch Pflanzen zurückzuführen sein, die zu einer geringeren K+-Aufnahme und zweitens zum zytosolischen K+-Ausfluss führte25,40,41. Eine hohe Na+-Konzentration führt auch zu oxidativem Stress, einem Ungleichgewicht der zellulären Homöostase, Nährstoffmangel, verzögertem Wachstum und sogar zum Absterben der Pflanzen. Die Ergebnisse der aktuellen Studie zeigten auch, dass mit zunehmendem Salzgehalt auch die Zn-Konzentration in verschiedenen Pflanzenteilen sowohl in Weizen- als auch in Reiskulturen abnahm, was auf die Konkurrenz der Transportkanäle um den Eintritt in die Pflanze zurückzuführen sein kann. Unter salzhaltigen Bedingungen steigt der pH-Wert des Bodens aufgrund des Vorhandenseins von Natriumbicarbonat und die Verfügbarkeit von Zn nimmt ab42. Es wird auch berichtet, dass Salzstress zu einer verminderten Produktion von Phytosiderophoren und einer geringeren Versauerung der Rhizosphäre führt43, was zu einer geringeren Nährstoffverfügbarkeit für Pflanzen führt. Hohe Salzgehalte im Wachstumsmedium hemmen die ZnO-NP-Aufnahme durch Weizenpflanzen44.

Bei der Anwendung verschiedener Zn-Quellen kam es zu einem Anstieg der K+-Konzentration und des K+/Na+-Verhältnisses von Sprosswurzel und Korn. Dies kann auf die Rolle von Zn bei der Aufrechterhaltung der Biomembranintegrität zurückzuführen sein45. Die bevorzugte Bindung von Zn an die –SH-Gruppe der Membranproteineinheit, entweder direkt oder in der Nähe einer –SH-Gruppenstelle, soll Proteine ​​und Phospholipide vor Disulfidbildung und Thioloxidation schützen46,47. Es wurde berichtet, dass mit zunehmender Zn-Zugabe unter salzhaltigen und nicht salzhaltigen Bedingungen die Zn-Konzentration in Spross- und Körnern zunimmt48,49. Die Anwendung von Zink hilft bei der Aufrechterhaltung eines niedrigen Na+-Gehalts in den Trieben und erhöht somit das zytosolische K+/Na+-Verhältnis. Die Aufrechterhaltung eines höheren K+/Na+-Wertes ist ein Schlüsselmerkmal der Salztoleranz50. Die kombinierte Wirkung von Salzstress und Zn-Anwendung zeigte, dass Salzstress die Zn-Aufnahme in Pflanzen verringert, aber eine fortschreitende Anwendung von Zn linderte die negativen Auswirkungen von Salzstress bei Weizen51. Ein erhöhtes K+/Na+-Verhältnis wird durch die Zn-Anwendung in Weizen bzw. Reis unter salzhaltigen Bedingungen beobachtet42,43. Die Zn-Anwendung bei jedem Salzgehalt erhöhte die Zn-Konzentration im Reissprossen. Der Anstieg der Zn-Konzentration in der Pflanze aufgrund der Zn-Einbringung im Boden war das Hauptmerkmal, das letztendlich die Zn-Konzentration im Korn erhöht. Die Anwendung von Zn-Düngemitteln spielt eine wichtige Rolle bei der Erhöhung der Zn-Konzentration im Reiskorn44.

Die Zinkkonzentration im Getreide kann je nach Zn-Anwendungsbehandlung und Boden-Zn-Status zwischen 08 und 47 mg kg−1 liegen37. Normalerweise gilt eine Zn-Konzentration von mehr als 50 mg kg−1 in Getreidekörnern als beneidenswert, um eine optimale positive Wirkung auf die menschliche Gesundheit zu erzielen und Unterernährung zu bekämpfen.

In der vorliegenden Studie gab es einen signifikanten Unterschied zwischen den Zn-Quellen hinsichtlich der Zn-Verfügbarkeit für Kulturpflanzen. Die ZnO-NPs verbesserten den Zn-Gehalt von Spross und Getreide schneller als andere Quellen. Dies kann auf unterschiedliche chemische Reaktionen zurückzuführen sein, die jede Quelle bei unterschiedlichen Bodenbedingungen durchläuft. Es besteht ein Unterschied in der Diffusionsgeschwindigkeit verschiedener Zn-Quellen in unterschiedlichen Bodenbedingungen. Das ZnSO4·7H2O zeigte aufgrund der ionischen Wechselwirkungen von Zn2+ und SO42−34 eine höhere Diffusionsgeschwindigkeit als ZnO. Ähnliche Ergebnisse wurden berichtet, dass Zinksulfat eine stärkere Zn-Diffusion im Boden fördert als Düngemittel auf ZnO-Basis35. Es wurde auch berichtet, dass sich Dünger auf ZnO-Basis bei einem hohen pH-Wert des Bodens und bei guter Verteilung besser auflösen lässt34. Dies kann die stärkere Reaktion durch ZnO-NPs bei der pflanzlichen Zn-Aufnahme rechtfertigen. Die ZnO-NPs reagierten beim Erdnusswachstum besser als ZnSO4·7H2O bei einer fast 15-mal niedrigeren Dosis52. Nanodünger oder nanobeschichtete Düngemittel ermöglichen eine bessere Nutzung der zugeführten Nährstoffe und eine ortsspezifischere Abgabe53. Es wird vermutet, dass aufgrund der stärkeren Auflösung in der Rhizosphäre ein besserer Zn-Gehalt und eine bessere Zn-Aufnahme durch mit ZnO-NPs beschichtete Düngemittel im Vergleich zu Massenformbeschichtungen induziert werden. Auch ZnO-NPs-Beschichtungen stellen die gleiche ökotoxikologische Gefahr dar wie die Massenform54. Viele Forscher berichteten über eine bessere Leistung von ZnO-NPs in verschiedenen Pflanzen, beispielsweise in Maiskörnern55, Erdnüssen52, Reis56 und Mungobohnen57.

Nanodünger können eine bessere Option für die Anreicherung von Getreidekulturen mit Zn sein. Bei der Bodenanwendung besteht jedoch Bedarf an einem besseren Verständnis der Wechselwirkungen von Nanopartikeln mit verschiedenen Bodeneigenschaften und -bestandteilen. Derzeit ist es von entscheidender Bedeutung, ein umfassendes Verständnis des Verhaltens und Verbleibs von ZnO-Nanopartikeln in verschiedenen Bodenumgebungen und Zn-Regimen im Boden sowie ihrer möglichen Auswirkungen auf die pflanzliche Zn-Aufnahme zu entwickeln.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kopräzipitationsmethode zur Herstellung von ZnO-NPs als eine bessere und einigermaßen wirtschaftliche Option für eine erfolgreiche Nanosynthese angesehen werden kann. Die ZnO-NPs mit einem Größenbereich von 22–60 nm können mit dieser Methode synthetisiert werden und mit besseren Bedingungen kann die Größe weiter verbessert werden.

Alle verwendeten Zn-Quellen milderten wirksam die negativen Auswirkungen von Salzstress auf Pflanzenwachstum, Ertrag und Zn-Konzentration. Die maximale Verbesserung wurde dort verzeichnet, wo ZnO-NPs angewendet wurden. Daraus lässt sich schließen, dass Nanodünger bei sachgemäßer Anwendung und verbesserten Boden- und Pflanzenbedingungen eine bessere Option für die Anreicherung von Getreidekulturen mit Zn darstellen können. Ein umfassendes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Zn-Nanopartikeln und Boden sowie ihrer Retention und Verfügbarkeit erfordert weitere detaillierte Forschung unter Feldbedingungen.

Alle gewonnenen Daten sind diesem Manuskript beigefügt.

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Die Forscher möchten dem Dekanat für wissenschaftliche Forschung der Qassim-Universität für die Finanzierung der Veröffentlichung dieses Projekts danken. Die Forscher danken außerdem SARC-ISES, der University of Agriculture Faisalabad und HEC-Pakistan für ihre Unterstützung bei der Bereitstellung von Chemikalien und Glaswaren für die Durchführung der vorliegenden Forschungsarbeit.

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Zuhra Mazhar, Javaid Akhtar, Tayyaba Naz und Muhammad Mazhar Iqbal

Saline Agriculture Research Centre, Universität für Landwirtschaft, Faisalabad, 38040, Pakistan

Zuhra Mazhar, Javaid Akhtar und Tayyaba Naz

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Aiyeshah Alhodaib

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Mazhar Iqbal Zafar

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Muhammad Mazhar Iqbal

Abteilung für Pharmazie, Fakultät für Biowissenschaften, Quaid-i-Azam-Universität, Islamabad, 45320, Pakistan

Humaria Fatima

Abteilung für Biologie, Wissenschaftsabteilung, Dekanat für Bildungsdienste, Qassim-Universität, Buraydah, 51425, Saudi-Arabien

Iffat Naz

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Konzeptualisierung: JA, TN, ZM; Datenkuration: ZM, TN; Formale Analyse: ZM; Untersuchung: ZM; Methodik: ZM, TN; Ressourcen: JA, TN; Schreiben – Originalentwurf: MMI, ZM; Schreiben – Rezension und Bearbeitung: MMI, MIZTN; Finanzierungseinwerbung, AA, IN, HF Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz mit Aiyeshah Alhodaib oder Muhammad Mazhar Iqbal.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Mazhar, Z., Akhtar, J., Alhodaib, A. et al. Wirksamkeit von ZnO-Nanopartikeln bei der Zn-Anreicherung und -Partitionierung von Weizen- und Reiskörnern unter Salzstress. Sci Rep 13, 2022 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26039-8

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Eingegangen: 12. Februar 2022

Angenommen: 08. Dezember 2022

Veröffentlicht: 04. Februar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26039-8

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