塩ストレス下での小麦および米粒の亜鉛強化および分配における ZnO ナノ粒子の有効性

Scientific Reports volume 13、記事番号: 2022 (2023) この記事を引用

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発展途上国では、穀物ベースの食事への依存により、亜鉛（Zn）欠乏症が大きな健康上の懸念となっています。 穀物は本質的に亜鉛が少なく、ストレスを受けた土地の必然的な使用が問題をさらに悪化させています。 現在の研究の目的は、利用可能性が高いという観点から、酸化亜鉛ナノ粒子 (ZnO-NP) を使用して、塩性土壌で栽培される小麦および米穀粒の Zn 濃度を向上させることでした。 ZnO-NP は共沈法によって調製され、X 線回折 (XRD) および走査型電子顕微鏡 (SEM) によって特性評価されました。 他のバルク亜鉛源、すなわち硫酸亜鉛七水和物 (ZnSO4・7H2O) および ZnO と比較した ZnO-NP の相対的な有効性をチェックするために、小麦と米について 2 つの別々のポット実験を実施しました。 結果は、塩分ストレスがテストされたパラメーターに悪影響を与えることを示しました。 亜鉛源を介した亜鉛施用により、成長、耐塩性、植物の亜鉛摂取量、および穀物の亜鉛濃度に有意な（p ≤ 0.05）改善が見られました。 ZnO-NP は、通常の土壌条件とストレスを受けた土壌条件の両方で植物への取り込みと移動がより高いため、他の供給源と比較して作物パラメーターの最大の改善を示しました。 したがって、ZnO ナノ粒子は、試験した小麦と米の両方の作物において、通常条件および塩分条件下での穀物の Zn 強化により効果的であることが証明されました。

塩分は世界の農業にとって大きな懸念事項であり、肥沃度と作物の生産性の損失をもたらす最も脅威的な非生物的環境ストレスとなっています1。 ナトリウム (Na+) と塩化物 (Cl-) の濃度の増加と浸透圧ストレスは、必須栄養素の吸収の減少、利用可能な水の減少、および植物のいくつかの生理学的プロセスの機能障害を引き起こします2,3。 したがって、作物の収量と品質は大きく損なわれます。 植物内のイオンの不均衡と高濃度の Na+ は、小麦や米などの穀物 4 の成長の遅れと栄養含有量の低下をもたらします。 乾燥した気候、水の上昇と地表の塩の蓄積を引き起こす地域の高い気温、不均衡で不十分な肥料の使用、有機物（OM）の低下、高いpH、石灰質土壌、高炭酸塩の灌漑水などの要因の一部またはすべての発生。 . 土壌の塩分濃度とZn5を含むほとんどの栄養素の欠乏につながります。

亜鉛は、ほとんどの石灰質土壌で N および P6 に次いで最も一般的に欠乏している微量栄養素であると評価されています。 発展途上国では、一般的に栽培されている穀物、小麦、米が亜鉛欠乏症に見舞われる可能性が最も高い7。 亜鉛はいくつかの酵素の重要な成分であり、300 以上の酵素の補因子として機能します。 植物では、Zn はほとんどの酵素活性の転座、転写、調節に必要であり、いくつかのタンパク質 8 およびリボソームの構造成分 7 の構造安定性に不可欠です。

アジアおよびアフリカ諸国の人口の約半数が亜鉛欠乏症の危険にさらされており、その割合は驚くべき規模で増加しています9。 亜鉛欠乏症は、重度の栄養失調により女性と子供に多く見られます。 亜鉛濃度が非常に低く、生体利用効率が低い穀物ベースの食事への依存が、このシナリオの背後にある主な理由です。 土壌の劣化が進むと問題はさらに悪化し、十分な亜鉛の摂取という人間のニーズを満たすことができなくなります。 塩分土壌および/またはナトリウム土壌では微量栄養素の溶解度が低下しているため、そのような土壌で栽培される植物は微量栄養素、特に Zn10 の欠乏に直面する必要があります。 亜鉛はストレスの軽減に重要な役割を果たし、塩水条件下で植物の Na+ の減少と植物の K+ の蓄積の増加に役立つことが報告されています 11。

亜鉛欠乏と塩分ストレスは通常、2 つの別々の成長制限因子として議論されますが、それらの相互作用効果は詳細に研究されておらず、十分な報告もされていません。 しかし、亜鉛の摂取に対する塩ストレスの影響を文書化した研究者はほとんどいません。 SAR と pH が高い土壌では、微量栄養素の溶解度が非常に低くなります12。 成長培地のイオン強度が高いと、植物の亜鉛摂取に大きな悪影響を及ぼします。

特に東南アジアの発展途上国では、小麦と米はどちらも最も重要な主食であり、これらの国の人々は1日のカロリー摂取量の大部分をこれら2つの穀物に依存しています。 これらの穀物は両方とも、生物学的利用能と総亜鉛含有量の観点から、亜鉛の供給源が乏しいと考えられています。 小麦や米などの最も一般的に使用される穀物は、石灰質土壌では亜鉛欠乏に悩まされることが報告されています5,6。 塩分ストレスの問題があると状況はさらに悪化します。

現在のシナリオを考慮すると、植物が利用できる亜鉛の十分な量の土壌プールを維持する必要があります。 そのためには、急速に増加する世界人口に栄養価の高い作物を提供するための新しい肥料技術の開発と応用が強く必要です。 本研究は、亜鉛による小麦と米の農業強化に焦点を当てています。 農業学的強化は、穀物、特に小麦と米に非常に効果的であることが証明されています。 人間の健康に対する計算可能な影響を達成し、また亜鉛欠乏による植物の収量損失を回避するには、より高い濃度の亜鉛が必要であるという事実を考慮すると。 したがって、作物の亜鉛生物強化では、さまざまな手段で肥料を通じて十分な亜鉛を供給することが非常に重要です。

これらの点で、ナノテクノロジーの使用は状況に対処する効果的な方法となり得る。 NP は、サイズが小さく表面積が大きいため 13、ナノ肥料 14 など、農業において多くの潜在的な用途があります。 人工ナノ材料の中で、酸化亜鉛ナノ粒子 (ZnO-NP) は一般的に使用される金属酸化物ナノ粒子です。 ナノ ZnO は、USFDA (米国食品医薬品局) によって「一般的に安全と認められる」 (GRAS) としてリストされている Zn 化合物の 1 つでもあります15。 ZnO ナノ粒子は通常、白い粉末として表示されます。 水にはほとんど溶けません。 ZnO ナノ粒子は、サイズが小さく表面積が大きいため、植物用の従来の Zn 肥料の理想的な代替品として期待されています 16。

これらの現在のシナリオと問題を念頭に置き、本研究は土壌植物システムにおける ZnO ナノ粒子の反応を理解し、利用可能なバルク資源の Zn と比較してより効率的な施肥オプションとしての使用の可能性を評価できるようにするために設立されました。 主に、穀物の生育のためにストレスを受けた土地を使用することが避けられないという観点から、塩ストレス条件下での ZnO-NP の有効性を評価します。

ZnOナノ粒子は共沈法により調製した。 提案された手順にわずかな変更を加えたものに従いました17。 簡単に言うと、新たに調製したNaOH溶液をZnSO4・7H2Oの溶液にそれぞれ2:1の比率でゆっくりと滴下した。 得られた乳白色の混合物をマグネティックスターラーで12時間撹拌した。 調製したZnO沈殿物を濾過し(Whatman No.42)、次いで脱イオン水で十分に洗浄した。 沈殿物を完全に洗浄するために、洗浄と濾過を少なくとも３回行った。 その後、沈殿物を強制空気オーブン内で 105 °C で乾燥させました。 乾燥した沈殿物を乳棒と乳鉢で粉砕し、550℃で2時間焼成しました。 ステップワイズ法を図 1 に示します。平衡反応式は次のとおりです。

ZnO ナノ粒子合成のフローチャート。

粉末 X 線回折 (XRD)、ゼータ サイザー、および走査型電子顕微鏡 (SEM) 分析を使用して、調製されたナノ粒子の特性を評価しました 18。

X 線回折計分析を行って、ZnO-NP の結晶相構造とサイズを決定しました。 ZnO NP の結晶サイズは、Debye-Scherrer 式 19 によって計算されました。

ここで、D = 平均結晶サイズ、k = シェラー定数 (0.89)、λ = X 線の波長、β = \(\Delta \left(2) で示される半値最大値 (FWHM) 強度の全幅 (ラジアン単位) \uptheta \right)\) および θ = ブラッグ回折角。

ナノ粒子の塗布ごとに、小麦と米に必要な量の ZnO ナノ粒子 (表 2) をあらかじめ秤量し、フラスコ内の脱イオン水に直接懸濁し、塗布直前にウォーターバスソニケーターで 30 分間超音波振動によって粒子を分散させました。治療の。 各複製と処理は個別に超音波処理されました。

小麦品種 FSD-2008 は小麦研究所ファイサラバードから入手し、米品種 IR-6 は米研究所カラ・シャー・カクから入手して使用しました。 どちらも承認品種であり、それぞれの研究所から実験目的での使用許可が得られています。 ファイサラーバード農業大学土壌環境科学研究所のワイヤハウスで、小麦と米作物に対する 2 つの別々のポット実験が実施されました。

通常の表層土壌 (0 ～ 20 cm) は、パキスタンのファイサラバード農業大学 (UAF) の土地利用農場の農地から収集されました。 播種前の土壌分析は標準的な方法に従って実施されました (表 1)。 ポットへの充填は、小麦の場合はポットあたり 12 kg、米の場合はポットあたり 8 kg の割合で行いました。 塩分濃度は、ポットに充填する前に、計算された量の NaCl を各ポットの土壌に混合することによって生成されました。 Znは、作物ごとに3つの供給源（ZnSO4・7H2O、ZnO、およびZnOナノ粒子）を使用して施用されました。 小麦と米の実験の処理計画を表 2 に示します。

小麦の場合は直接種子を播き、イネの場合は畑で育苗し、生後30日の苗を処理ポットに移植しました。 ポットは完全にランダム化された設計で配置され、各処理は 3 回反復されました。 尿素 (46% N)、リン酸二アンモニウム (DAP、46% P2O5、18% N)、および硫酸カリウム (SOP、50% K2O) をそれぞれ NPK の肥料源として使用しました。 PとKは播種時（イネの場合は移植時）に全量施用し、Nは播種・移植時に半分、残りの半分を開花初期に施用した。 小麦の場合、各 12 kg ポットに 0.52 g 尿素、2.68 g DAP および 0.86 g SOP を使用し、一方、米の場合、各 8 kg ポットに 0.313 g 尿素、1.20 g DAP および 0.58 g SOP を使用しました。

特別製品分析部門（SPAD、ミノルタの一部門）の観点からの総クロロフィル含有量（TCC）指標値は、ハンドヘルド SPAD-502m（ミノルタ、大阪、日本）を使用して止葉段階で測定されました。 完全に展開した若い葉を頂部から選択して測定値を取得した。 葉の先端から葉の基部まで 3 回の測定値を取得し、平均を取りました 20。

作物は成熟時に収穫され、草丈、わら収量、穀粒収量、分げつの数、穂と小穂の数などの成長パラメータが記録されました。 穀物とわらのサンプルを収集し、65 ± 5 °C で 72 時間、またはさらなる化学分析のために一定の重量に達しない限り、強制送風オーブンで乾燥させました。

乾燥した植物サンプルを機械粉砕機で粉砕して粉末にし、ジップロック付きビニール袋に保管しました。 細かく粉砕して乾燥させた植物サンプルを、Zn を高回収するために修正された湿式消化手順 21 に従って消化しました。

Na+ と K+ はフレーム光度計 (Jenway PFP-7、ラフバラー、レスターシャー、英国) で測定しましたが、Zn はフレーム原子吸光光度計 (FAAS; モデル サーモ S シリーズ、サーモ エレクトロン コーポレーション、英国ケンブリッジ) で測定しました。 Estefan らによる ICARDA (国際乾燥地域農業研究センター) マニュアルに記載されている手順。22 米の亜鉛測定では、籾から籾殻を除去して米粒の結果を得ました。

根、新芽および穀粒の亜鉛摂取量は、次の式を使用して計算されました。

植物の各部分の亜鉛の割合は次の式で計算されました。

ここで、ZnX は植物の特定の部分（根、苗条、粒）における Zn の取り込み mg plant-1、ZnY は植物の根、苗条および粒における Zn の取り込みの合計（mg plant-1）です。

平均粒径約 20 ～ 60 nm の ZnO-NP は、Scherrer 式を使用して計算されました。 合成された粒子の特性評価は、XRD および SEM によって行われました。 合成された ZnO-NP の純度および結晶サイズを決定するために、XRD 分析が行われました。 ZnO-NPのX線回折パターンを図1と図2に示します。 回折パターンで表されるすべてのピークは、回折ピークの位置が回折角 (2°Th) で見られるため、六方晶系ウルツ鉱 ZnO 構造 (JCPDS カード No. 36-1451) の結晶面とよく一致しました。それによく対応する 31.8°、34.5°、36.3°、47.6°、56.6°、62.9°、66.4°、67.9°、69.1°、および 77°。23,24。

ZnO-NP の X 線回折パターン。

ZnO-NP の X 線回折パターン。

すべての回折ピークは鋭いピーク強度を示し、調製された材料が良好な結晶性を有し、ナノ範囲の粒子で構成されていることを示しています。 また、ZnO 以外のピークの痕跡が記録されなかったため、合成された ZnO-NP の純度も確認されました。 調製された ZnO-NP の直径は Scherrer 式 19 によって計算され、22.96 nm であることがわかりました。ここで、β は 36.3°に位置する面 (101) に対応する回折ピークの FWHM です。 20 kX の SEM 画像でも、サイズが 51 nm で球形の粒子であることが示されました。

成長および収量パラメータのデータ、たとえば小麦の草丈 (PH)、分げつ数 (T)、穀粒収量 (GY)、総クロロフィル含有量 (TCC) を表 3 に示します。

これらすべてのパラメーターのデータの分散分析では、供給源と塩処理間で有意な差 (p ≤ 0.05) が示されましたが、相互作用効果はこれらすべてのパラメーターで有意ではありませんでした。 つまり、両方の成長条件 (正常および生理食塩水) で 3 つのソースすべての挙動に違いはありますが、成長条件 (正常または生理食塩水のいずれか) に関しては、すべてのソースのそれぞれの動作がほぼ同じでした。 植物の成長は塩ストレス下では大きな影響を受けましたが、亜鉛の施用により大幅に改善されました。 各供給源を介した亜鉛の施用に対する植物の反応は異なりました。 それぞれの対照に関する最大の増殖増加は、ZnO-NP、次いでZnSO4・7H2Oによって示され、最小の増加率は、生理食塩水および通常の増殖条件の両方におけるバルク形態のZnO適用によって与えられた。

苗条の Na+ および K+ 濃度に関する表 4 に示したデータは、適用されたすべての処理について生理食塩水条件下で Na+ 濃度が大幅に増加するのに対し、K+ 濃度は減少することを示しました。 あらゆる供給源を通じた亜鉛の適用により、状況は大幅に改善されました。 通常条件下では、シュート Na+ の最大減少 (30%) が ZnSO4・7H2O によって示されました。 一方、生理食塩水条件下では、シュート Na+ の最大減少 (27%) が ZnO-NP によって記録されました。 異なる Zn 源と塩処理が Na+ および K+ 濃度に及ぼす有意な効果 (p ≤ 0.05) は、分散分析で明らかでした。

塩の付与と亜鉛の適用の相互作用効果も、これらすべてのパラメータにおいて顕著でした。 同様に、シュート K+ の最大増加 (28 および 22%) は、それぞれ通常および生理食塩水条件下での ZnO-NPs 処理下で記録されました。 バルク形態の ZnO が適用された場合、シュート K+ の最小増加が記録されました。 通常、ZnO バルクと他の 2 つのソースの応答の間には大きな差 (p ≤ 0.05) がありました。 一方、ZnSO4・7H2O と ZnO-NP の応答の違いは、いくつかのパラメーターではあまり明らかではありませんでした。 K+/Na+ 比も、通常と生理食塩水の両方の条件で Zn を適用したことによりプラスの方向に増加しました。

亜鉛濃度の分散分析により、亜鉛施用に対する小麦の反応は非常に有意であり（p ≤ 0.05）、施用されたさまざまな供給源を介した亜鉛摂取量の間には実質的な差異が存在することが示されました。 通常の土壌では、Zn を施用しない場合、穀粒中の Zn 濃度は 25.6 mg kg-1 でした（表 4）。 穀粒中の最大 Zn 濃度 (52.9 mg kg-1) は、ZnO-NP が適用された処理で観察されました。 塩水条件下では、Zn を適用しない場合、穀粒中の Zn 濃度は 18.5 mg kg-1 でしたが、ZnO-NP の適用により 45.7 mg kg-1 に増加しました。 同様の傾向がシュートと根の Zn 濃度でも観察されました。 塩分×亜鉛源の相互作用は、小麦の 3 つの構成要素すべて (芽、根、粒) における植物あたりの亜鉛の取り込みにとって非常に重要でした。 植物の各部分における Zn の分配に関しては、ZnO-NP が通常条件と塩水条件の両方で適用された場合、より多くの Zn が穀粒に移動しました。 小麦の各植物部分における Zn の転位を図 4 に示します。これは、各植物部分に転位された合計 Zn の割合を表しています。

成熟時に小麦のさまざまな植物部分に移行した亜鉛の割合分布（各値は平均値、n = 3（p ≤ 0.05で統計的に有意）、Tバーは平均値の±標準誤差を表す）。

苗条の長さ、分げつ数、籾収量、イネの総クロロフィル含有量 (TCC) などのさまざまな成長パラメーターの応答データを表 5 に示します。成長応答の結果は、小麦植物で得られた応答とほぼ一致しています。 。 すべてのパラメータの反応は、正常および生理食塩水条件の両方で Zn の適用に対して有意に肯定的でした。 しかし、相互作用効果は水田収量に対してのみ有意でした。

一般的な成長では、最大の分げつは生理食塩水条件下で ZnSO4 ・ 7H2O によって生成されましたが、他のすべてのパラメータは ZnO-NP (T8) とそれに続く ZnSO4 ・ 7H2O の適用下で最大の増加を示しました。 一方、ZnO バルク塗布の適用下では、最小のパーセント増加が観察されました。 通常の土壌条件では、T2 と T4 の差は一般に有意ではありません。

収量反応の場合、最大の籾収量は、通常条件では T4 (26 g ポット -1) に続いて T2 (23 g ポット -1)、T8 (12 g ポット -1) に続いて T6 (10 g ポット -1) で記録されました。 ) 塩水条件下。 SPAD 値に関するクロロフィル含有量は、正常および生理食塩水条件の両方で Zn 処理を適用した場合に大幅に増加しました。 しかし、情報源間の違いは顕著ではありませんでした。

現在のポット栽培研究では、植物の Na+ 濃度、K+ 濃度、および K+/Na+ 比 (表 6) は、塩の賦課によって有意に (p ≤ 0.05) 影響を受けました。 Na+ 濃度は塩ストレス下で大幅に増加しましたが、K+ 濃度と K+/Na+ 比は食塩水条件下では大幅に減少しました。 亜鉛の適用は、植物のすべての部分の K+ 濃度を増加させ、またその逆に Na+ 濃度を増加させることにより、塩ストレスのマイナス面を改善しました。 データの分散分析により、通常の土壌条件と塩分土壌条件の両方において、苗条と根の K+ および Na+ 濃度に関して供給源間に有意な差 (p ≤ 0.05) が存在することが示されました。 しかし、シュートの K+ 濃度と Na+ 濃度の両方に対する相互作用効果 (塩分×ソース) は有意ではありませんでした。 ZnO-NP は、他のソース (ZnSO4・7H2O および ZnO) と比較して、通常の土壌条件と塩分土壌条件の両方で良好な結果をもたらします。

植物の Zn 濃度には、異なる Zn 源間で有意な差 (p ≤ 0.05) がありました。 両方の（正常および塩水）生育条件下で亜鉛を施用したイネの苗条、穀粒、および根の亜鉛濃度（表 6）の大幅な増加が記録されました。 シュート Zn は、通常の生育条件下でコントロールの 22 mg kg-1 から T4 の 34 mg kg-1 に増加し、生理食塩水条件下では生理食塩水コントロールの 15 mg kg-1 から T8 の 25 mg kg-1 に増加しました。 最大粒子 Zn は ZnO-NP が適用された場合に記録されましたが、バルク形態の ZnO はそれぞれの対照からの最小増加を示しました。

植物当たりの亜鉛摂取量も亜鉛濃度と同様の傾向を示しました。 イネにおける亜鉛の移行を、植物の各部分に存在する植物全体の亜鉛の割合の形で図5に示します。苗条から粒への亜鉛の移行は、塩水条件下で減少しました。 しかし、Zn の適用により、シュートから粒へのこの転位が大幅に改善されました。 イネの場合、塩水条件下での苗条から穀粒への亜鉛の移行の改善に関して、異なる供給源間で有意な差はありませんでした。

成熟時にイネのさまざまな植物部分に移行した亜鉛の割合の分布（各値は平均値、n = 3（p ≤ 0.05で統計的に有意）、Tバーは平均値の±標準誤差を表します）。

塩ストレスは植物の成長を低下させ、浸透圧ストレスと栄養の不均衡により生理学的抑制を引き起こします25。 亜鉛は植物の成長と穀物の収量に不可欠です。 亜鉛は、細胞分裂や伸長プロセスなどの基本的な成長プロセスに必要です26。 したがって、適切な亜鉛の供給により、草丈と分げつの数が改善されました。 また、多くのイネ遺伝子型におけるクロロフィル濃度も向上し、クロロフィル合成への亜鉛の関与を示し 27,28 、亜鉛の適用により塩ストレス下での小麦とイネの生育が積極的に改善されました。

植物の成長パラメーターは、塩分条件下で作物の塩の回復力と亜鉛補給の応答性によりかなり高い応答性を示します。 塩ストレス下で作付けするための亜鉛の供給と適切な亜鉛の利用可能性は、水関係の改善、より高いRWC、膨圧および光合成色素の維持により、小麦と米の両方の穀粒収量を向上させます29,30。 さまざまな供給源を介して土壌に亜鉛を適用すると、植物の成長パラメータと植物のクロロフィル含有量が大幅に改善されました。 ZnSO4・7H2O の土壌施用により、米の総クロロフィル含有量が向上しました。これは、クロロフィル合成への Zn の関与による可能性があります 27。 光合成装置は植物における Zn の主な作用部位の 1 つであり、これが Zn 施用下で植物のクロロフィル含量が改善された理由である可能性があります 32,33。 ZnO-NP と ZnSO4・7H2O は、通常および塩水条件下で小麦と米の両方の生育特性を改善することが証明されました。 これは、ZnSO4・7H2Oの土壌拡散がより効果的であり、ZnSO4・7H2Oも酸性因子SO42〜34の存在により土壌ゾーンのわずかな酸性化を引き起こすためである可能性があります。 ZnSO4・7H2O 肥料は、ZnO ベースの肥料よりも Zn の拡散を促進すると報告されています 35。ただし、ZnO-NP の場合、特に土壌 pH 8 ではコロイドの安定性と土壌間隙水中での分配が増加し、総 Zn 濃度が高くなります。 ZnSO436 と比較した場合の ZnO-NP による土壌溶液中での影響。

多くの研究者は、Zn 源、土壌 Zn 状態、植物の遺伝子型の違いによって、植物は Zn 施用に対して異なる反応を示すと報告しています 37。 ZnO-NP は、塩水条件下でのワタ植物の SDW およびその他の成長パラメーターを増加させました 38。 通常サイズの ZnO および ZnSO4・7H2O を超える ZnO-NP の有効性は、ひよこ豆でも報告されています 39。

他の供給源に対する ZnO-NP の高い応答は、SOD とペルオキシダーゼの活性が低いため、ZnO-NP 処理植物における ROS レベルと脂質過酸化が低いことに起因すると考えられます 39。 小麦 (表 4) および米 (表 6) のさまざまな植物成分の化学組成 (Na+、K+、および Zn2+) は、植物に対する塩ストレスの非常に顕著な影響を示しました。 Na+とK+の含有量に関しては、米は塩分ストレスの影響をより大きく受けているようです。 Na+を取り込む米の親和性（2.93 g kg-1）は小麦（1.42 g kg-1）と比較して高かった。 また、それぞれの対照からのイネの成長と収量の減少率も、塩ストレスによる小麦と比較して大きかった。 米は小麦と比較してストレス耐性が低いと報告されています25。 しかし、Zn 施用に対する両作物の反応パターンは、通常条件と塩水条件の両方でほぼ同様でした。 異なる Zn ソースの応答パターンには顕著な違いがありました。 ZnO-NP の反応は、他の 2 つの供給源 (ZnSO4・7H2O および ZnO バルク) と比較して、塩ストレスの緩和と両作物 (小麦および米) の根、苗条および穀粒中の Zn 濃度の増加においてより顕著でした。

本研究では、塩ストレス条件下では、小麦と米の両方の作物において、植物の根、穀粒、苗条の Na+ 濃度がそれぞれの対照と比較して最大 2 倍まで有意に増加しました。 同様に、Na2SO4 塩ストレス下では、Na+ 濃度が最大 2 倍増加し、K+ 濃度と K+/Na+ 比が減少することも報告されました。 これは、植物による高い Na+ 取り込みにより K+ 取り込みが低下し、次に細胞質からの K+ 流出が起こったためである可能性があります 25,40,41。 また、高い Na+ 濃度は、酸化ストレス、細胞恒常性の不均衡、栄養素欠乏、成長遅延、さらには植物の枯死を引き起こします。 現在の研究結果では、塩分濃度の賦課により、植物のさまざまな部分の亜鉛濃度も小麦と米の両方で減少することが示されており、これは植物に入る輸送経路の競合によるものである可能性があります。 塩分濃度下では、重炭酸ナトリウムの存在により土壌の pH が上昇し、亜鉛の利用可能性が減少します 42。 また、塩ストレスによりフィトシデロフォアの生成が減少し、根圏の酸性化が減少し43、植物が利用できる栄養素が減少することも報告されています。 成長培地中の塩含有量が高いと、小麦植物による ZnO NP の取り込みが阻害されます 44。

異なる Zn 源を適用すると、苗条と穀物の K+ 濃度と K+/Na+ 比が増加しました。 これは、生体膜の完全性の維持における亜鉛の役割によるものである可能性があります 45。 膜タンパク質部分の –SH 基への Zn の直接または –SH 基部位の近くへの好ましい結合は、タンパク質とリン脂質をジスルフィド形成やチオール酸化から保護すると報告されています 46,47。 塩水および非塩水条件で適用される Zn が増加すると、シュートおよび粒の Zn 濃度が増加することが報告されています 48,49。 亜鉛の適用はシュートの Na+ を低く維持するのに役立ち、その結果サイトゾルの K+/Na+ 比が増加します。 より高い K+/Na+ を維持することは、耐塩性の重要な特性です50。 塩ストレスと亜鉛施用の複合効果は、塩ストレスが植物の亜鉛摂取を減少させるが、亜鉛を漸進的に施用することで小麦における塩ストレスの悪影響を軽減することを示した51。 K+/Na+ 比の増加は、塩水条件下でそれぞれ小麦と米に Zn を適用することによって観察されます 42,43。 いかなる塩分レベルでも亜鉛を適用すると、稲芽中の亜鉛濃度が高まりました。 土壌への Zn 施用による植物内の Zn 濃度の増加は、最終的に穀物の Zn 濃度を高める主な特徴でした。 亜鉛肥料の施用は、米の穀粒亜鉛濃度を高める上で重要な役割を果たします44。

穀物中の亜鉛濃度は、さまざまな Zn 施用処理と土壌の Zn 状態の下で 08 ～ 47 mg kg-1 の範囲にあります 37。 通常、穀物中の亜鉛濃度が 50 mg kg-1 を超えると、栄養失調と闘うために人間の健康に最適な有益な影響が得られると考えられています。

現在の研究では、作物への亜鉛の利用可能性に関して、亜鉛源ごとに有意な差があった。 ZnO-NP は、他の供給源よりも高い割合でシュートと穀粒の Zn 含有量を改善しました。 これは、土壌の状態が異なると各供給源が経験する化学反応の違いが原因である可能性があります。 異なる土壌条件では、異なる Zn 源の拡散速度に差が存在します。 ZnSO4・7H2Oは、Zn2+とSO42-34のイオン相互作用により、ZnOよりも高い拡散速度を示しました。 同様の結果が、硫酸亜鉛は ZnO ベースの肥料よりも土壌中での Zn の拡散を促進することが報告されています 35。 また、ZnO ベースの肥料は、土壌 pH が高く、よく分散されていれば、よりよく溶解できることも報告されています 34。 これは、植物の Zn 取り込みにおける ZnO-NP を介したより高い応答を正当化することができます。 ZnO-NP は、ピーナッツの成長において、ほぼ 15 分の 1 の用量で ZnSO4 ・ 7H2O よりもよく反応しました 52。 ナノ肥料またはナノコーティングされた肥料は、送達される栄養素の利用率を高め、より特定の場所に送達します53。 根圏での溶解度が高いため、バルク形態のコーティングと比較して、ZnO-NPs でコーティングされた肥料によってより良好な Zn 含有量と取り込みが誘発されることが示唆されます。 また、ZnO NP コーティングは、バルク形態と同様の生態毒性学的脅威をもたらします 54。 多くの研究者が、トウモロコシ 55、落花生 52、米 56、緑豆 57 など、さまざまな植物における ZnO-NP の優れた性能を報告しています。

穀物に亜鉛を強化するにはナノ肥料がより良い選択肢になる可能性がありますが、土壌施用の場合は、ナノ粒子と土壌のさまざまな特性や成分との相互作用をより深く理解する必要があります。 現在、さまざまな土壌環境および土壌亜鉛体制における ZnO ナノ粒子の挙動と運命、およびそれらが植物の亜鉛摂取に及ぼす影響について徹底的に理解することが重要です。

ZnO-NP 調製のための共沈法は、ナノ合成を成功させるためのより優れた、ある程度経済的な選択肢と見なすことができると要約できます。 この方法では、サイズ範囲が 22 ～ 60 nm の ZnO-NP を合成でき、より適切な条件を設定することでサイズをさらに改善できます。

使用されたすべての亜鉛源は、植物の成長、収量、亜鉛濃度に対する塩ストレスの悪影響を効果的に軽減しました。 ZnO-NP を適用した場合に最大の改善が記録されました。 ナノ肥料は、土壌と植物の条件を改善して適切に使用すると、穀物の亜鉛強化においてより良い選択肢となり得ると結論付けることができます。 亜鉛ナノ粒子と土壌の相互作用、それらの保持力と利用可能性を完全に理解するには、野外条件下でのさらなる詳細な研究が必要です。

取得したすべてのデータはこの原稿に同梱されます。

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研究者らは、このプロジェクトの出版に資金を提供してくれたカシム大学科学研究部長に感謝したいと思います。 研究者らはまた、本研究作業を実施するための化学物質とガラス器具の提供について支援をいただいた SARC-ISES、ファイサラバード農業大学、および HEC-パキスタンに感謝しています。

農業大学土壌環境科学研究所、ファイサラバード、38040、パキスタン

ズフラ・マザール、ジャイド・アクタル、タイヤバ・ナズ、ムハンマド・マザール・イクバル

塩類農業研究センター、農業大学、ファイサラバード、38040、パキスタン

ズフラ・マザール、ジャイド・アクタル、タイヤバ・ナズ

カシム大学理学部物理学科、ブライダー、51452、サウジアラビア

アイエシャ・アルホダイブ

クエイド・イ・アザム大学生物科学部環境科学科、イスラマバード、45320、パキスタン

マザール・イクバル・ザファル

土壌および水試験研究所、農務省、アユーブ農業研究所、パンジャブ州政府、チニオット、35400、パキスタン

ムハンマド・マザール・イクバル

クエイド・イ・アザム大学生物科学部薬学部、イスラマバード、45320、パキスタン

フマリア・ファティマ

カシム大学、ブライダー、51425、サウジアラビア、生物学部、科学ユニット、教育学部長職

イファット・ナズ

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概念化: JA、TN、ZM。 データキュレーション: ZM、TN; 正式な分析: ZM; 調査: ZM; 方法論: ZM、TN; リソース: JA、テネシー州; 執筆 - 原案: MMI、ZM。 執筆 - レビューおよび編集: MMI、MIZTN。 資金調達、AA、IN、HF すべての著者が原稿の出版版を読み、同意しました。

アイエシャ・アルホダイブまたはムハンマド・マザール・イクバルへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Mazhar、Z.、Akhtar、J.、Alhodaib、A. 他。 塩ストレス下での小麦および米粒の亜鉛強化および分配における ZnO ナノ粒子の有効性。 Sci Rep 13、2022 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-26039-8

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受信日: 2022 年 2 月 12 日

受理日: 2022 年 12 月 8 日

公開日: 2023 年 2 月 4 日

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

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