Eficacia de las nanopartículas de ZnO en la fortificación y partición de granos de trigo y arroz con Zn bajo estrés salino

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 2022 (2023) Citar este artículo

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La deficiencia de zinc (Zn) es un problema de salud importante en los países en desarrollo debido a la dependencia de una dieta basada en cereales. Los cereales son inherentemente bajos en Zn y el uso inevitable de tierras estresadas ha elevado aún más el problema. El objetivo de la investigación actual fue mejorar la concentración de Zn en granos de trigo y arroz cultivados en suelos salinos a través de nanopartículas de óxido de zinc (ZnO-NP) debido a su alta disponibilidad. Las ZnO-NP se prepararon mediante el método de coprecipitación y se caracterizaron mediante difracción de rayos X (XRD) y microscopio electrónico de barrido (SEM). Se realizaron dos experimentos separados en macetas para trigo y arroz para comprobar la eficacia relativa de las ZnO-NP en comparación con otras fuentes de Zn a granel, es decir, sulfato de zinc heptahidratado (ZnSO4·7H2O) y ZnO. Los resultados mostraron que el estrés salino impactó negativamente los parámetros probados. Hubo una mejora significativa (p ≤ 0,05) en el crecimiento, la tolerancia a la sal, la absorción de Zn en las plantas y las concentraciones de Zn en los granos mediante la aplicación de Zn a través de fuentes de Zn. Las ZnO-NP mostraron una mejora máxima en los parámetros de los cultivos en comparación con otras fuentes debido a su mayor absorción y translocación en las plantas en condiciones de suelo normales y estresadas. Por lo tanto, las nanopartículas de ZnO demostraron ser más efectivas para la fortificación de granos con Zn en cultivos de trigo y arroz probados en condiciones normales y salinas.

La salinidad ha sido una preocupación importante para la agricultura mundial y se ha convertido en el estrés ambiental abiótico más amenazante que resulta en la pérdida de fertilidad y productividad de los cultivos1. El aumento de las concentraciones de sodio (Na+) y cloruro (Cl-) y el estrés osmótico conducen a una reducción de la absorción de nutrientes esenciales, una reducción de la disponibilidad de agua y trastornos funcionales de varios procesos fisiológicos de las plantas2,3. Por lo tanto, el rendimiento y la calidad de los cultivos se ven muy comprometidos. El desequilibrio iónico y la alta concentración de Na+ en las plantas dan como resultado un crecimiento retardado y un bajo contenido de nutrientes de los cereales4, incluidos el trigo y el arroz. Ocurrencia de algunos o todos los factores como clima árido, temperatura regional alta que resulta en un movimiento neto de agua cuesta arriba y acumulación de sal en la superficie, uso de fertilizante desequilibrado e insuficiente, bajo contenido de materia orgánica (MO), pH alto, suelo calcáreo y agua de riego con alto contenido de carbonato, etc. conduce a la salinidad del suelo ya la deficiencia de la mayoría de los nutrientes, incluido el Zn5.

El zinc ha sido evaluado como el micronutriente más comúnmente deficiente en la mayoría de los suelos calcáreos después de N y P6. Los cultivos de cereales, el trigo y el arroz cultivados comúnmente tienen más probabilidades de sufrir deficiencia de Zn en los países en desarrollo7. El Zn es un componente vital de varias enzimas y actúa como cofactor de más de 300 enzimas. En las plantas, el Zn es necesario para la translocación, la transcripción y la regulación de la mayoría de las actividades enzimáticas y es vital para la estabilidad estructural de varias proteínas8 y el componente estructural de los ribosomas7.

Aproximadamente la mitad de la población de los países asiáticos y africanos está en riesgo de deficiencia de Zn y la tasa está aumentando a una escala alarmante9. La deficiencia de Zn es más común en mujeres y niños debido a la desnutrición severa. La dependencia de la dieta basada en cereales con muy baja concentración de Zn y baja biodisponibilidad es la razón principal detrás de este escenario. Los suelos cada vez más deteriorados empeoran aún más el problema y no pueden satisfacer la necesidad humana de una absorción suficiente de Zn. Los suelos salinos y/o sódicos tienen una solubilidad reducida de los micronutrientes, por lo que las plantas que crecen en dichos suelos tienen que hacer frente a la deficiencia de micronutrientes, especialmente Zn10. Se informa que el Zn tiene un papel importante en el alivio del estrés y ayuda a reducir la acumulación de Na+ en las plantas y aumentar la acumulación de K+ en las plantas en condiciones salinas11.

La deficiencia de zinc y el estrés salino generalmente se analizan como dos factores limitantes del crecimiento separados, mientras que su efecto de interacción no se estudia en detalle y no se informa bien. Sin embargo, pocos investigadores han documentado el efecto del estrés salino en la absorción de Zn. Los suelos con SAR y pH altos tienen una solubilidad muy baja de micronutrientes12. La alta fuerza iónica del medio de crecimiento tiene un alto efecto negativo en la absorción de Zn por la planta.

El trigo y el arroz son los alimentos básicos más importantes, especialmente en los países en desarrollo del sudeste asiático y la gente de estos países depende de estos dos cereales para la mayor parte de su ingesta diaria de calorías. Ambos cereales se consideran una fuente pobre de Zn en términos de biodisponibilidad y contenido total de Zn. Se informó que los cereales más utilizados, como el trigo y el arroz, sufren de deficiencia de Zn en suelos calcáreos5,6. La situación empeora cuando hay un problema de estrés salino.

En vista del escenario actual, necesitamos mantener una reserva de suelo adecuadamente grande de Zn disponible para las plantas. Para eso, necesitamos con urgencia el desarrollo y la aplicación de nuevas tecnologías de fertilizantes para proporcionar cultivos nutritivos a esta población mundial en rápido crecimiento. El presente estudio está enfocado en la fortificación agronómica de trigo y arroz con Zn. La fortificación agronómica ha demostrado ser muy eficaz para los cereales, especialmente el trigo y el arroz. Dado el hecho de que se requiere una mayor concentración de Zn para lograr un impacto computable en la salud humana y también para evitar cualquier pérdida de rendimiento en las plantas debido a la deficiencia de Zn. Por lo tanto, para la biofortificación de cultivos con Zn, es de vital importancia proporcionar suficiente Zn a través de fertilizantes por diferentes medios.

En este sentido, el uso de la nanotecnología puede ser una forma eficaz de hacer frente a la situación. Debido al tamaño más pequeño y al área de superficie más alta13, las NP tienen muchas aplicaciones potenciales en la agricultura, incluidos los nanofertilizantes14. Entre los nanomateriales de ingeniería, las nanopartículas de óxido de zinc (ZnO-NP) son nanopartículas de óxido de metal de uso común. El nano-ZnO también es uno de los compuestos de Zn catalogados como "generalmente reconocidos como seguros" (GRAS) por la USFDA (Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos)15. Las nanopartículas de ZnO normalmente aparecen como un polvo blanco. Es escasamente soluble en agua. Debido a su tamaño más pequeño y su gran área de superficie, se espera que las nanopartículas de ZnO sean el reemplazo ideal para los fertilizantes de Zn convencionales para las plantas16.

Teniendo en cuenta estos escenarios y problemas actuales, el presente estudio se estableció para comprender las reacciones de las nanopartículas de ZnO en el sistema de la planta del suelo para poder realizar una evaluación de su posible uso como una opción de fertilización más eficiente en comparación con los recursos a granel disponibles de Zn. Principalmente evaluando la efectividad de ZnO-NPs en condiciones de estrés salino debido a la perspectiva del uso inevitable de tierras estresadas para el crecimiento de cereales.

Las nanopartículas de ZnO se prepararon por el método de coprecipitación. Se siguió un procedimiento propuesto con ligeras modificaciones17. Brevemente, la solución de NaOH recién preparada se añadió lentamente a la solución de ZnSO4 · 7H2O gota a gota en una proporción de 2:1 respectivamente. La mezcla de color blanco lechoso resultante se agitó durante 12 h en un agitador magnético. Los precipitados de ZnO preparados se filtraron (Whatman No. 42) y luego se lavaron completamente con agua desionizada. El lavado y la filtración se realizaron al menos tres veces para lavar completamente los precipitados. Posteriormente, los precipitados se secaron a 105 °C en una estufa de aire forzado. Los precipitados secos se molieron en un mortero y se calcinaron a 550 °C durante 2 h. El método paso a paso se presenta en la Fig. 1. La ecuación de reacción balanceada es la siguiente:

Diagrama de flujo de la síntesis de nanopartículas de ZnO.

Se utilizaron análisis de difracción de rayos X en polvo (XRD), medidor Zeta y microscopía electrónica de barrido (SEM) para caracterizar las nanopartículas18 preparadas.

Se realizó un análisis de difractómetro de rayos X para determinar la estructura de la fase cristalina y el tamaño de las ZnO-NP. El tamaño de cristal de las NP de ZnO se calculó mediante la ecuación de Debye-Scherrer19:

donde, D = el tamaño cristalino medio, k = constante de Scherer (0.89), λ = longitud de onda de rayos X, β = ancho completo de la intensidad máxima de medio pico (FWHM) (en radianes) indicado como \(\Delta \left(2) \uptheta \right)\) y θ = ángulo de difracción de Bragg.

Para cada aplicación de nanopartículas, la cantidad ya pesada de nanopartículas de ZnO requeridas para el trigo y el arroz (Tabla 2) se suspendió directamente en agua desionizada en un matraz y luego las partículas se dispersaron mediante vibración ultrasónica en un sonicador de baño de agua durante 30 minutos justo antes de la aplicación. de tratamiento Cada réplica y tratamiento se sonicó por separado.

El cultivo de trigo FSD-2008 se obtuvo del Instituto de Investigación de Trigo Faisalabad y el cultivo de arroz IR-6 se obtuvo del Instituto de Investigación de Arroz Kala Shah Kaku. Ambas son variedades aprobadas y se otorgó permiso para usarlas con fines experimentales de las respectivas estaciones de investigación. Se organizaron dos experimentos separados en macetas para cultivos de trigo y arroz en la casa de alambre del Instituto de Ciencias Ambientales y del Suelo de la Universidad de Agricultura Faisalabad.

Se recolectó suelo de superficie normal (0-20 cm) de campos agrícolas de Land Utilization Farm, Universidad de Agricultura Faisalabad (UAF) Pakistán. Los análisis de suelo previos a la siembra se realizaron siguiendo métodos estándar (Cuadro 1). El llenado de las macetas se hizo a razón de 12 kg de suelo por maceta para trigo y 8 kg por maceta para arroz. La salinidad se desarrolló mezclando la cantidad calculada de NaCl en el suelo de cada maceta antes de llenarla. El Zn se aplicó utilizando tres fuentes (ZnSO4·7H2O, ZnO y nanopartículas de ZnO) para cada cultivo. El plan de tratamiento para el experimento de trigo y arroz se describe en la Tabla 2.

Las semillas se sembraron directamente en el caso del trigo, mientras que el vivero se plantó en el campo para el arroz y luego las plántulas de 30 días se trasplantaron en macetas tratadas. Las macetas se dispusieron en un diseño completamente al azar y cada tratamiento se replicó tres veces. Se utilizaron urea (46 % N), fosfato diamónico (DAP, 46 % P2O5, 18 % N) y sulfato de potasio (SOP, 50 % K2O) como fuentes fertilizantes de NPK, respectivamente. La dosis completa de P y K se aplicó en la siembra (trasplante en el caso del arroz), mientras que la mitad del N se aplicó en la siembra/trasplante y la otra mitad se aplicó en la etapa de floración temprana. Para el trigo se utilizaron 0,52 g de urea, 2,68 g DAP y 0,86 g SOP por cada maceta de 12 kg mientras que para el arroz se utilizaron 0,313 g de urea, 1,20 g DAP y 0,58 g SOP por cada maceta de 8 kg.

El valor del índice del contenido total de clorofila (TCC) en términos de la División de Análisis de Productos Especiales (SPAD, una división de Minolta) se determinó en la etapa de la hoja bandera utilizando un SPAD-502m portátil (Minolta, Osaka, Japón). Se seleccionaron hojas jóvenes completamente expandidas desde el ápice para obtener lecturas. Se tomaron tres lecturas desde la punta de la hoja hasta la base de la hoja y se tomó el promedio20.

Los cultivos se cosecharon en la madurez y se registraron parámetros de crecimiento como altura de la planta, rendimiento de paja, rendimiento de grano, número de macollos, número de espigas y espiguillas. Las muestras de grano y paja se recolectaron y secaron en un horno de ventilación forzada a 65 ± 5 °C durante 72 h o a menos que se logre el peso constante para análisis químico adicional.

Las muestras de plantas secas se molieron en un molinillo mecánico hasta convertirlas en polvo y se almacenaron en bolsas de plástico con cierre hermético. Las muestras de plantas secas y finamente molidas se digirieron de acuerdo con el procedimiento de digestión húmeda modificado21 para una alta recuperación de Zn.

El Na+ y el K+ se determinaron mediante un fotómetro de llama (Jenway PFP-7, Loughborough, Leicestershire, Reino Unido), mientras que el Zn se determinó mediante un espectrofotómetro de absorción atómica de llama (FAAS; Modelo Thermo S-Series, Thermo Electron Corporation, Cambridge, Reino Unido) siguiendo el procedimientos mencionados en el manual ICARDA (Centro Internacional para la Investigación Agrícola en las Zonas Áridas) de Estefan et al.22. Para la determinación de Zn del arroz, se eliminó la cáscara del arroz para obtener resultados para el grano de arroz.

La absorción de Zn por raíces, brotes y granos se calculó utilizando la siguiente fórmula:

El porcentaje de Zn en cada parte de la planta se calculó mediante la siguiente fórmula:

donde ZnX es la absorción de Zn en una parte específica de la planta (raíz, brote y grano) mg planta−1 y ZnY es la suma de la absorción de Zn en la raíz, brote y grano de la planta (mg planta−1).

Los ZnO-NP con un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 20 a 60 nm se calcularon utilizando la ecuación de Scherrer. La caracterización de las partículas sintetizadas se realizó mediante XRD y SEM. El análisis XRD se realizó para determinar la pureza y el tamaño cristalino de las ZnO-NP sintetizadas. El patrón de difracción de rayos X de ZnO-NP se representa en las Figs. 2 y 3. Todos los picos representados en el patrón de difracción coincidían bien con los planos cristalinos de la estructura hexagonal de wurtzita ZnO (tarjeta JCPDS n.º 36-1451), ya que la ubicación de los picos de difracción se puede ver en ángulos de difracción (2°Th.) 31,8°, 34,5°, 36,3°, 47,6°, 56,6°, 62,9°, 66,4°, 67,9°, 69,1° y 77° que le corresponden bien23,24.

Patrón de difracción de rayos X de ZnO-NP.

Patrón de difracción de rayos X de ZnO-NP.

Todos los picos de difracción mostraron intensidades de pico agudas que indican que el material preparado tiene una buena naturaleza cristalina y consiste en partículas en el rango nanométrico. También confirmó la pureza de las ZnO-NP sintetizadas, ya que no se registraron rastros de picos distintos de los de ZnO. El diámetro de las ZnO-NP preparadas se calculó mediante la ecuación de Scherrer 19 y se encontró que era de 22,96 nm, donde β es el FWHM del pico de difracción correspondiente al plano (101) ubicado a 36,3°. Las imágenes SEM a 20 kX también mostraron un tamaño de partículas de 51 nm con forma esférica.

Los datos de los parámetros de crecimiento y rendimiento, por ejemplo, altura de la planta (PH), número de macollos (T), rendimiento de grano (GY) y contenido total de clorofila (TCC) del trigo se enumeran en la Tabla 3.

El análisis de varianza para los datos de todos estos parámetros mostró una diferencia significativa (p ≤ 0.05) entre fuentes y tratamientos de sal, mientras que los efectos de interacción no fueron significativos para todos estos parámetros. Eso significa que aunque hay una diferencia en el comportamiento de las tres fuentes en ambas condiciones de crecimiento (normal y salina), el comportamiento respectivo de cada fuente fue casi el mismo con respecto a las condiciones de crecimiento (ya sea normal o salina). El crecimiento de las plantas se vio muy afectado por el estrés salino, pero mejoró significativamente mediante la aplicación de Zn. La respuesta de las plantas a la aplicación de Zn a través de cada fuente fue diferente. El aumento máximo en el crecimiento con respecto al control respectivo fue mostrado por ZnO-NPs seguido por ZnSO4·7H2O y el menor porcentaje de aumento fue dado por la aplicación de ZnO en forma masiva en condiciones de crecimiento tanto salinas como normales.

Los datos presentados en la Tabla 4 con respecto a la concentración de Na+ y K+ en los brotes mostraron que la concentración de Na+ aumentó mucho en condiciones salinas para todos los tratamientos aplicados, mientras que la concentración de K+ disminuyó. La aplicación de zinc a través de todas las fuentes mejoró significativamente la situación. La máxima disminución de Na+ en los brotes (30%) fue mostrada por ZnSO4·7H2O en condiciones normales. Mientras que, en condiciones salinas, las ZnO-NPs registraron una disminución máxima (27 %) en el Na+ de los brotes. Un efecto significativo (p ≤ 0.05) de diferentes fuentes de Zn y tratamiento de sal en la concentración de Na+ y K+ fue evidente en el análisis de varianza.

El efecto de interacción de la imposición de sal y la aplicación de Zn también fue significativo en todos estos parámetros. De manera similar, el aumento máximo de K+ en los brotes (28 y 22 %) se registró con el tratamiento con ZnO-NP en condiciones normales y salinas, respectivamente. Se registró un aumento mínimo de K+ en los brotes cuando se aplicó ZnO en forma masiva. Normalmente hubo una diferencia sustancial (p ≤ 0.05) entre la respuesta de ZnO a granel y otras dos fuentes. Mientras que la diferencia en las respuestas de ZnSO4·7H2O y ZnO-NPs fue menos evidente en algunos parámetros. La relación K+/Na+ también aumentó de manera positiva debido a la aplicación de Zn tanto en condiciones normales como salinas.

El análisis de varianza para la concentración de Zn mostró que la respuesta del trigo a la aplicación de Zn fue altamente significativa (p ≤ 0.05) y existió una diferencia sustancial entre la absorción de Zn a través de diferentes fuentes de aplicación de Zn. En suelo normal, la concentración de Zn en el grano fue de 25,6 mg kg−1 sin aplicación de Zn (Cuadro 4). La concentración máxima de Zn en el grano (52,9 mg kg−1) se observó en el tratamiento donde se aplicaron ZnO-NP. En condiciones salinas, sin aplicación de Zn, la concentración de Zn en los granos fue de 18,5 mg kg−1, que se incrementó a 45,7 mg kg−1 con la aplicación de ZnO-NPs. Se observó una tendencia similar en las concentraciones de Zn en brotes y raíces. La interacción de la salinidad × fuente de Zn fue muy significativa para la absorción de Zn por planta en los tres componentes del trigo (brote, raíz y grano). En cuanto a la partición de Zn en cada parte de la planta, se translocó más Zn al grano donde se aplicaron ZnO-NP en condiciones normales y salinas. La translocación de Zn en cada parte de la planta de trigo se representa en la Fig. 4, que representa el porcentaje de Zn total translocado en cada parte de la planta.

Distribución porcentual de Zn translocado en diferentes partes de la planta de trigo en la madurez (Cada valor es una media, n = 3 estadísticamente significativo en p ≤ 0,05, las barras T representan ± error estándar de las medias).

Los datos de las respuestas de diferentes parámetros de crecimiento, como la longitud de los brotes, el número de macollos, el rendimiento del arroz y el contenido total de clorofila (TCC) del arroz se presentan en la Tabla 5. Los resultados de las respuestas de crecimiento están casi de acuerdo con las respuestas que obtuvimos para las plantas de trigo. . Las respuestas de todos los parámetros fueron significativamente positivas hacia la aplicación de Zn tanto en condiciones normales como salinas. Pero los efectos de la interacción solo fueron significativos para el rendimiento del arroz.

En general, el crecimiento máximo fue producido por ZnSO4·7H2O en condiciones salinas, mientras que todos los demás parámetros mostraron el máximo aumento en ZnO-NP (T8), seguido de la aplicación de ZnSO4·7H2O. Mientras que el porcentaje mínimo de aumento se observó bajo la aplicación de ZnO a granel. En condiciones normales del suelo, la diferencia entre T2 y T4 generalmente no es significativa.

En caso de respuestas de rendimiento, el rendimiento máximo del arroz con cáscara se registró en T4 (26 g pot-1) seguido de T2 (23 g pot-1) en condiciones normales y T8 (12 g pot-1) seguido de T6 (10 g pot-1). ) en condiciones salinas. El contenido de clorofila en términos de valor SPAD aumentó significativamente cuando los tratamientos con Zn se aplicaron tanto en condiciones normales como salinas. Pero la diferencia entre las fuentes no fue significativa.

En el presente estudio de cultivo en macetas, la concentración de Na+, la concentración de K+ y la relación K+/Na+ (Tabla 6) se vieron afectados significativamente (p ≤ 0,05) por la imposición de sal. La concentración de Na+ aumentó mucho en condiciones de estrés salino, mientras que la concentración de K+ y la relación K+/Na+ disminuyeron sustancialmente en condiciones salinas. La aplicación de Zn mejoró los aspectos negativos del estrés salino al aumentar la concentración de K+ y viceversa para la concentración de Na+ en todas las partes de la planta. El análisis de varianza de los datos mostró que existe una diferencia significativa (p ≤ 0.05) entre las fuentes hacia la concentración de K+ y Na+ en los brotes y las raíces en condiciones de suelo tanto normales como salinas. Pero los efectos de interacción (salinidad × fuente) para las concentraciones de K+ y Na+ en los brotes no fueron significativos. Las ZnO-NPs dan mejores resultados tanto en condiciones de suelo normales como salinas en comparación con otras fuentes (ZnSO4·7H2O y ZnO).

Hubo una diferencia significativa (p ≤ 0.05) entre diferentes fuentes de Zn en la concentración de Zn en la planta. Se registró un aumento profundo en la concentración de Zn en brotes, granos y raíces (Tabla 6) de la planta de arroz con aplicación de Zn en ambas condiciones de crecimiento (normal y salina). Shoot Zn se incrementó de 22 mg kg-1 en control a 34 mg kg-1 en T4 en condiciones normales de crecimiento y de 15 mg kg-1 en control salino a 25 mg kg-1 en T8 en condiciones salinas. Se registró el máximo de Zn en grano donde se aplicaron ZnO-NP, mientras que el ZnO a granel mostró un aumento mínimo con respecto al control respectivo.

La absorción de Zn por planta también mostró una tendencia similar a la concentración de Zn. La translocación de Zn en la planta de arroz en forma de porcentaje del Zn total de la planta que está presente en cada parte de la planta se presenta en la Fig. 5. La translocación de Zn del brote al grano disminuyó en condiciones salinas. Pero la aplicación de Zn mejoró significativamente esta translocación de brote a grano. Aunque en el caso del arroz no hubo una diferencia significativa entre las diferentes fuentes en la mejora de la translocación de Zn del brote al grano en condiciones salinas.

Distribución porcentual de Zn translocado en diferentes partes de la planta de arroz en la madurez (Cada valor es una media, n = 3 estadísticamente significativo en p ≤ 0,05, las barras T representan ± error estándar de las medias).

El estrés salino disminuye el crecimiento de las plantas y plantea una depresión fisiológica debido al estrés osmótico y al desequilibrio nutricional25. El zinc es esencial para el crecimiento de las plantas y el rendimiento del grano. El Zn es necesario para los procesos fundamentales de crecimiento como la división celular y los procesos de elongación26. Entonces, el suministro adecuado de Zn mejoró la altura de la planta y el número de hijos. También mejoró la concentración de clorofila en muchos genotipos de arroz que muestran la participación de Zn en la síntesis de clorofila27,28 y la aplicación de Zn mejoró positivamente el crecimiento de trigo y arroz bajo estrés salino.

Los parámetros de crecimiento de las plantas tienen una respuesta bastante alta con la resistencia a la sal del cultivo y la capacidad de respuesta a la suplementación con Zn en condiciones salinas. El suministro de Zn y la disponibilidad adecuada de Zn para plantar bajo estrés salino mejoran el rendimiento de grano tanto de trigo como de arroz29,30 debido a mejores relaciones hídricas, mantenimiento de RWC más altos, turgencia y pigmentos fotosintéticos11,31. La aplicación de zinc en el suelo a través de diferentes fuentes mejoró significativamente los parámetros de crecimiento de las plantas y el contenido de clorofila de las plantas. La aplicación al suelo de ZnSO4·7H2O mejoró el contenido total de clorofila del arroz que puede deberse a la participación del Zn en la síntesis de clorofila27. El aparato fotosintético es uno de los principales sitios de acción de Zn en las plantas, lo que puede ser la razón por la cual los contenidos de clorofila de la planta mejoraron con la aplicación de Zn32,33. Las ZnO-NP y ZnSO4·7H2O demostraron mejorar las características de crecimiento tanto del trigo como del arroz en condiciones normales y salinas. Esto puede deberse a que la difusión del suelo de ZnSO4·7H2O es más efectiva y ZnSO4.7H2O también causa un poco de acidificación de la zona del suelo debido a la presencia del factor ácido SO42−34. Se ha informado que el fertilizante ZnSO4·7H2O promueve una mejor difusión de Zn que los fertilizantes a base de ZnO35; sin embargo, en el caso de las ZnO-NP, han aumentado la estabilidad coloidal y la partición en el agua intersticial del suelo, especialmente a un pH del suelo de 8 y hay una mayor concentración total de Zn en la solución del suelo a través de ZnO-NP en comparación con ZnSO436.

Muchos investigadores han informado que la planta responde de manera diferente a la aplicación de Zn a través de diferentes fuentes de Zn, el estado de Zn del suelo y el genotipo de la planta37. Los ZnO-NP aumentaron el SDW y otros parámetros de crecimiento de la planta de algodón en condiciones salinas38. La eficacia de ZnO-NPs sobre ZnO y ZnSO4·7H2O de tamaño normal también se ha informado en garbanzos39.

La alta respuesta de ZnO-NP con respecto a otras fuentes se puede atribuir a una menor actividad de SOD y peroxidasa y, por lo tanto, a un menor nivel de ROS y peroxidación lipídica en las plantas tratadas con ZnO-NP39. La composición química (Na+, K+ y Zn2+) de diferentes componentes vegetales de trigo (Cuadro 4) y arroz (Cuadro 6) mostró un efecto altamente significativo del estrés salino en las plantas. En términos de contenido de Na+ y K+, el arroz parece verse más afectado por el estrés salino. La afinidad del arroz para absorber Na+ (2,93 g kg-1) fue mayor en comparación con el trigo (1,42 g kg-1); y la disminución porcentual en el crecimiento y el rendimiento del arroz del control respectivo también fue mayor en comparación con el trigo debido al estrés salino. Se informa que el arroz es menos tolerante al estrés en comparación con el trigo25. Sin embargo, el patrón de respuesta de ambos cultivos a la aplicación de Zn fue casi similar tanto en condiciones normales como salinas. Hubo una diferencia notable en el patrón de respuesta de diferentes fuentes de Zn. La respuesta de las ZnO-NP fue más pronunciada para aliviar el estrés salino y aumentar la concentración de Zn en raíces, brotes y granos de ambos cultivos (trigo y arroz) en comparación con otras dos fuentes (ZnSO4·7H2O y ZnO a granel).

En el presente estudio, la concentración de Na+ en raíces, granos y brotes de plantas aumentó significativamente hasta dos veces con respecto al control respectivo en cultivos de trigo y arroz en condiciones de estrés salino. De manera similar, también se informó un aumento en la concentración de Na+ de hasta dos veces y una disminución en la concentración de K+ y la relación K+/Na+ bajo estrés salino de Na2SO4. Esto puede deberse a que la alta absorción de Na+ por parte de las plantas dio como resultado una menor absorción de K+ y, en segundo lugar, una salida de K+ citosólico25,40,41. La alta concentración de Na+ también resulta en estrés oxidativo, desequilibrio en la homeostasis celular, deficiencia de nutrientes, crecimiento retardado e incluso muerte de la planta. Los resultados del estudio actual también mostraron que con la imposición de la salinidad, la concentración de Zn en diferentes partes de la planta también disminuyó en los cultivos de trigo y arroz, lo que puede deberse a la competencia de los canales de transporte para ingresar a la planta. En condiciones salinas, el pH del suelo aumenta debido a la presencia de bicarbonato de sodio y la disponibilidad de Zn disminuye42. También se informa que el estrés salino da como resultado una producción reducida de fitosideróforos y una acidificación de la rizosfera reducida43 que da como resultado una menor disponibilidad de nutrientes para las plantas. Los altos contenidos de sal en el medio de crecimiento inhiben la absorción de ZnO NP por la planta de trigo44.

Hubo un aumento en la concentración de K+ y la relación K+/Na+ de la raíz del brote y el grano con la aplicación de diferentes fuentes de Zn. Eso puede deberse al papel del Zn en el mantenimiento de la integridad de la biomembrana45. Se informa que la unión preferible de Zn al grupo –SH del resto de la proteína de membrana, ya sea directamente o cerca de un sitio del grupo –SH, protege a las proteínas y los fosfolípidos de la formación de disulfuro y la oxidación del tiol46,47. Se informó que con el aumento de Zn aplicado en condiciones salinas y no salinas, la concentración de Zn en brotes y granos aumenta48,49. La aplicación de zinc ayuda a mantener niveles bajos de Na+ en los brotes y, por lo tanto, aumenta la relación K+/Na+ citosólica. Mantener un nivel más alto de K+/Na+ es un rasgo clave en la tolerancia a la sal50. El efecto combinado del estrés salino y la aplicación de Zn mostró que el estrés salino reduce la absorción de Zn en las plantas, pero la aplicación progresiva de Zn alivió los impactos negativos del estrés salino en el trigo51. Se observa un aumento de la relación K+/Na+ mediante la aplicación de Zn en trigo y arroz, respectivamente, en condiciones salinas42,43. La aplicación de Zn a cualquier nivel de salinidad mejoró la concentración de Zn en los brotes de arroz. El aumento en la concentración de Zn en la planta debido a la aplicación de Zn en el suelo fue la principal característica que finalmente mejora la concentración de Zn en el grano. La aplicación de fertilizantes de Zn tiene un papel importante en la mejora de la concentración de Zn en el grano de arroz44.

La concentración de zinc en el grano puede oscilar entre 08 y 47 mg kg−1 bajo diferentes tratamientos de aplicación de Zn y estado de Zn en el suelo37. Normalmente, una concentración de Zn superior a 50 mg kg-1 en el grano de cereal se considera envidiable para obtener un impacto beneficioso óptimo en la salud humana para combatir la desnutrición.

En el presente estudio, hubo una diferencia significativa entre las fuentes de Zn hacia la disponibilidad de Zn para las plantas de cultivo. Los ZnO-NP mejoraron los contenidos de Zn de brotes y granos a un ritmo mayor que otras fuentes. Eso puede deberse a la diferencia en las reacciones químicas por las que pasa cada fuente en diferentes condiciones del suelo. Existe una diferencia en la tasa de difusión de diferentes fuentes de Zn en diferentes condiciones del suelo. El ZnSO4·7H2O mostró mayor velocidad de difusión que el ZnO debido a las interacciones iónicas de Zn2+ y SO42−34. Se informaron resultados similares de que el sulfato de zinc promueve una mayor difusión de Zn en el suelo que los fertilizantes a base de ZnO35. También se informó que los fertilizantes a base de ZnO se pueden disolver mejor a un pH alto del suelo y si se dispersan bien34. Esto puede justificar la mayor respuesta a través de ZnO-NP en la absorción de Zn de la planta. Los ZnO-NP respondieron mejor que el ZnSO4·7H2O a una dosis casi 15 veces menor en el crecimiento del maní52. Los nanofertilizantes o los fertilizantes nanorrevestidos han aumentado la utilización de los nutrientes entregados y una entrega más específica del sitio53. Se sugiere que debido a una mayor disolución en la rizósfera, los fertilizantes recubiertos con ZnO-NP inducen mejores contenidos y absorción de Zn en comparación con el recubrimiento a granel. Además, los recubrimientos de NP de ZnO presentan la misma amenaza ecotoxicológica que la forma a granel54. Muchos investigadores informaron un mejor desempeño de las ZnO-NP en diferentes plantas, como granos de maíz55, maní52, arroz56 y frijol mungo57.

Los nanofertilizantes pueden ser una mejor opción para fortalecer los cultivos de cereales con Zn, pero en el caso de la aplicación al suelo, es necesario comprender mejor las interacciones de las nanopartículas con diferentes propiedades y componentes del suelo. Actualmente, es fundamental desarrollar una comprensión profunda del comportamiento y el destino de las nanopartículas de ZnO en diferentes entornos de suelo y regímenes de Zn del suelo y su posible impacto en la absorción de Zn en las plantas.

Se puede resumir que el método de coprecipitación para la preparación de ZnO-NP se puede considerar como una opción mejor y algo económica para una nanosíntesis exitosa. Los ZnO-NP con un rango de tamaño de 22 a 60 nm se pueden sintetizar a través de este método y, con un mejor conjunto de condiciones, el tamaño se puede mejorar aún más.

Todas las fuentes de Zn utilizadas aliviaron eficazmente los efectos negativos del estrés salino en el crecimiento de las plantas, el rendimiento y la concentración de Zn. Se registraron mejoras máximas donde se aplicaron ZnO-NP. Se puede concluir que los nanofertilizantes, cuando se usan apropiadamente con condiciones mejoradas de suelo y plantas, pueden ser una mejor opción para fortificar cultivos de cereales con Zn. Una comprensión profunda de las nanopartículas de Zn y las interacciones del suelo y su retención y disponibilidad requiere una investigación más detallada en condiciones de campo.

Todos los datos obtenidos se adjuntan a este manuscrito.

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Descargar referencias

Los investigadores desean agradecer al Decanato de Investigación Científica de la Universidad de Qassim por financiar la publicación de este proyecto. Los investigadores también agradecen a SARC-ISES, la Universidad de Agricultura de Faisalabad y HEC-Pakistán por su asistencia en el suministro de productos químicos y material de vidrio para realizar el presente trabajo de investigación.

Instituto de Ciencias Ambientales y del Suelo, Universidad de Agricultura, Faisalabad, 38040, Pakistán

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

Centro de Investigación de Agricultura Salina, Universidad de Agricultura, Faisalabad, 38040, Pakistán

Zuhra Mazhar, Javaid Akhtar y Tayyaba Naz

Departamento de Física, Facultad de Ciencias, Universidad de Qassim, Buraydah, 51452, Arabia Saudita

Aiyeshah Alhodaib

Departamento de Ciencias Ambientales, Facultad de Ciencias Biológicas, Universidad Quaid-i-Azam, Islamabad, 45320, Pakistán

Mazhar Iqbal Zafar

Laboratorio de Análisis de Suelos y Aguas, Departamento de Agricultura, Instituto de Investigación Agrícola Ayub, Gobierno de Punjab, Chiniot, 35400, Pakistán

Mohamed Mazhar Iqbal

Departamento de Farmacia, Facultad de Ciencias Biológicas, Universidad Quaid-i-Azam, Islamabad, 45320, Pakistán

Humaria Fátima

Departamento de Biología, Unidad de Ciencias, Decanato de Servicios Educativos, Universidad de Qassim, Buraydah, 51425, Arabia Saudita

Iffat Naz

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Conceptualización: JA, TN, ZM; Curación de datos: ZM, TN; Análisis formal: ZM; Investigación: ZM; Metodología: ZM, TN; recursos: JA, TN; Redacción—borrador original: MMI, ZM; Redacción—revisión y edición: MMI, MIZTN; adquisición de fondos, AA, IN, HF Todos los autores han leído y están de acuerdo con la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Aiyeshah Alhodaib o Muhammad Mazhar Iqbal.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Mazhar, Z., Akhtar, J., Alhodaib, A. et al. Eficacia de las nanopartículas de ZnO en la fortificación y partición de granos de trigo y arroz bajo estrés salino. Informe científico 13, 2022 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26039-8

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Recibido: 12 febrero 2022

Aceptado: 08 diciembre 2022

Publicado: 04 febrero 2023

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

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