واکنش‌های گیاهی نسبت به تنش غیرزیستی
گیاهانی که ارگانیسمی بی‌ساقه (sessile) هستند، در طول چرخه عمر خود با تنش‌های غیرزیستی روبرو می‌شوند که بر رشد و بهره‌وری آنها اثر می‌گذارد. در پاسخ به تنش‌های محیطی، گیاهان با اصلاح بیوشیمیایی، مورفولوژیکی، مولکولی (تغییر بیان ژن) و مسیرهای فیزیولوژیکی خود، سیستم‌های دفاعی را در سطوح مختلف توسعه می‌دهند. با این حال، این موارد برای خنثی کردن تمام اثرات منفی تنش‌های محیطی کافی نیستند. برای مثال شوری، پتانسیل اسمزی خاک را کاهش می‌دهد و این امر باعث عدم تعادل تغذیه‌ای می‌شود. افزایش سمیت یونی بر فرآیندهای مختلف بیوشیمیایی و فیزیولوژیکی حیاتی نظیر فتوسنتز، سنتز پروتیین و متابولیسم چربی به طرز نامطلوبی اثر می‌گذارد.
ردیابی سریع سازگاری گیاه نسبت به تنش‌های غیرزیستی با استفاده از نانومواد
در حال حاضر امنیت غذایی به دلیل رشد جمعیت جهان و کاهش همزمان تولید محصولات کشاورزی همراه با تغییرات تدریجی محیط‌زیست، در وضعیتی چالش برانگیز قرار دارد. بنابراین، نگرانی اصلی دانشمندان یافتن راهی برای تسریع روند سازگاری گیاهان با تغییرات محیطی است.
برخی از روش‌هایی که گیاهان با تنش‌های غیرزیستی مختلف سازگار می‌شوند عبارتند از؛
- فعال‌سازی سیستم آنزیمی گیاهان
- تنظیم هورمونی
- بیان ژن تنش
- تنظیم میزان جذب فلزات سمی
- اجتناب از تنش ناشی از کمبود آب و یا سیل ناگهانی از طریق کوتاه شدن چرخه عمر گیاه
پیشرفت‌ها در مهندسی نانومواد نشان می‌دهد که چگونه کودهای نانو می‌توانند بهره‌وری محصول را در شرایط نامساعد محیطی افزایش دهند.
در یک گزارش مشخص شد، به دنبال روش‌های معمول کشاورزی، تنش شوری به تنهایی، تولید محصول را حدود ۲۳ درصد کاهش می‌دهد. تحقیقات قبلی در مورد استفاده از نانوسیلیکا (SiO2) در گیاه گوجه‌فرنگی و کدوحلوایی نشان داد که استفاده از کود نانو در شرایط شوری چندین اثر مثبت دارد.
این اثرات ممکن است شامل افزایش سرعت جوانه زنی بذر، وزن بیشتر گیاه (خشک و تازه)، مقدار کلروفیل کل و تجمع پرولین باشد. در شرایط تنش مشابه، اسپری فولیار نانوذرات (نانو فروس سولفات (FeSO4))، افزایش سطح برگ، نرخ جذب خالص کربن دی‌اکسید، مقدار کلروفیل کل، وزن خشک و بهبود کارآیی فتوشیمیایی فتوسیستم II (Fv/Fm) را نشان داد.
خشکی یکی از شایع‌ترین تنش‌های غیرزیستی است که باعث کاهش چشمگیر تولید محصولات زراعی در مناطق خشک می‌شود. استفاده از نانوذرات سیلیکا، تحمل گیاه را نسبت به تنش خشکی افزایش می‌دهد. عمل‌آوری زالزالک با غلظت‌های مختلفی از نانوذرات سیلیکا، با تغییر فرآیندهای فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی تحمل خشکی را افزایش می‌دهد.
گیاهی که با نانوذرات سیلیکا عمل‌آوری شد تاثیر مثبت بر ﻣﺤﺘﻮای ﻧﺴﺒﻲ آب، پارامترهای فوتوسنتز، نشت الکترولیت غشایی و مقدار کلروفیل کل، کربوهیدرات، پرولین و کاروتنوئید را نشان داد.
محققان بر این باورند که کشت محصولات زراعی با چرخه‌های عمر کوتاه‌تر می‌تواند برای مناطق کم باران و مستعد سیل ناگهانی بسیار موثر باشد؛ چرا که در آن مناطق، رسیده شدن زودرس محصولات یکی از عوامل اساسی در تولید پایدار محصولات است. مطالعات نشان می‌دهند چرخه عمر کشت گندم (تاریخ کاشت تا برداشت محصول) با استفاده از کودهای نانو در مقایسه با کشت گندم با استفاده از کودهای متداول، (۱۳۰ روز در مقایسه با ۱۷۰ روز) به میزان قابل‌توجهی کوتاه‌تر است.
نانومواد می‌توانند آلاینده‌های مضر مانند فلزات سنگین را به طور موثر دفع کنند. استفاده از فولیار نانوذرات سیلیکا، در گیاه برنج میزان تحمل نسبت به تنش کادمیم، سرب، روی و مس را با تنظیم میزان انباشتگی آن به مقدار قابل توجهی افزایش می‌دهد.
چگونه نانومواد رشد گیاه در تنش‌های غیرزیستی را تقویت می‌کند؟
با وجود اینکه مطالعات بسیاری در زمینه استفاده از نانومواد در رشد گیاه در شرایط تنش انجام شده‌است، هنوز مکانیسم‌های اصلی ناشناخته هستند. با این حال، محققان بر این باورند که اثرات نانومواد بر رشد محصول تحت شرایط نامساعد محیطی تا حدودی ناشی از افزایش فعالیت‌های آنزیمی است.
نانوذرات در تنظیم فعالیت‌های آنزیم‌های آنتی‌اکسیدانی مانند سوپراکسید دیسموتاز (SOD)، کاتالاز (CAT) و پراکسیداز (POD) نقش دارند.
استفاده از نانوذرات تیتانیوم دی‌اکسید (TiO2) در نهال‌های پیاز بذری افزایش فعالیت SOD را نشان داده است. این مطالعه اهمیت تعداد نانوذرات مورد استفاده را نشان داد، یعنی در غلظت کم نانوذرات تیتانیوم دی‌اکسید افزایش جوانه زنی بذر در پیاز رخ می‌دهد در حالی که در سطوح بالاتر، جوانه زنی بذر مهار می‌شود.
فعالیت آنزیم در غلظت‌های کم‌تر تیتانیوم دی‌اکسید بیشتر است. نانومواد (نانوسیلیکا و نانو روی اکسید) باعث تجمع پرولین آزاد و اسیدهای آمینه می‌شوند. آنها همچنین می‌توانند جذب مواد مغذی و آب را افزایش دهند. استفاده از این نانوذرات باعث افزایش بیشتر فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدانی مانند SOD ، CAT، POD و نیترات ردوکتاز می‌شود که در نهایت موجب تحمل گیاهان نسبت به تنش‌های غیرزیستی می‌گردد.
نانومواد همچنین می‌توانند بیان ژن تنش را تنظیم نمایند. برای مثال، آنالیز ریزآرایه نشان داد که نانوذرات نقره می‌توانند چندین بیان ژن را در آرابیدوپسیس کنترل کنند. در این رابطه، بخش قابل‌توجهی از بیان ژن مرتبط با واکنش به فلزات، تنش اکسیداتیو (اکسیداز وابسته به سیتوکروم پی۴۵۰، SOD و POD) پاتوژن‌ها و محرک‌های هورمونی (سیگنال‌دهی اتیلن) همراه است. بنابراین، این واکنش‌های ژنتیکی ناشی از نانومواد مستقیما با حفاظت از گیاه در برابر تنش‌ها مرتبط هستند.
واکنش گیاهان به کودهای نانو با توجه به گونه‌های گیاهی، مراحل رشد و ماهیت نانومواد مورد استفاده متفاوت است. بنابراین، درک برهمکنش گیاه و نانوذرات برای به دست آوردن نتیجه مطلوب یعنی کاهش تنش غیرزیستی در محصولات زراعی ضروری است.
