يعتبر الإجهاد اللاحيوي في النباتات أحد المعوقات الرئيسية أمام الإنتاج الزراعي العالمي والأمن الغذائي. لذلك، هناك حاجة لتطوير مناهج علمية جديدة للتغلب على هذه المشاكل وتحقيق الاستدامة. وفي هذا السياق أكد الدكتور طارق قابيل – عضو هيئة التدريس بكلية العلوم- جامعة القاهرة أن تقنية النانو ظهرت كأحد الأساليب الجديدة لتحسين إنتاج المحاصيل، من خلال استخدام المنتجات النانوية، مثل الأسمدة النانوية ومبيدات الفطريات النانوية، ومبيدات الآفات النانوية.
Table of Contents
عبور الحواجز الخلوية
ووفقا للدكتور طارق قابيل، يتم استخدام الجسيمات النانوية على نطاق واسع كوسيلة زراعية حديثة، ووجد العلماء أن تطبيق الجسيمات النانوية فعال في تحسين الجوانب النوعية والكمية لإنتاج المحاصيل في ظل ظروف الإجهاد الحيوية وغير الحيوية المختلفة نظرًا لأنها قابلة للذوبان بسهولة، وأصغر حجمًا، وفعالة في قدرتها على عبور الحواجز الخلوية، مما يجعل الجسيمات النانوية مناسبة لتطبيقها في الزراعة.
الجسيمات النانوية وتطبيقها في الزراعة:
الجسيمات النانوية وتحمل الإجهاد الملحي
تُعد الملوحة (تراكم الملح المفرط في التربة) أحد التحديات الرئيسية التي تواجه الزراعة الحديثة، كما أن ندرة المياه الناتجة عن الاحتباس الحراري تدفع أيضًا إلى الري بالمياه المالحة في الأراضي الزراعية في جميع أنحاء العالم، مما يؤدي إلى زيادة محتوى الملح في التربة، وفي النهاية تعيق الملوحة نمو النبات وتطوره، وتنتهي بموت النبات.
تموت معظم النباتات عندما يكون محتوى كلوريد الصوديوم أعلى من 200 ملي مولار، نظرا لأن للملوحة تأثير كبير على كل مرحلة من مراحل دورة حياة النبات، بما في ذلك إنبات البذور، وتطور الشتلات، والنمو الخضري والازدهار.
وتتأثر العديد من المحاصيل البستانية، مثل الفواكه والخضروات، بالملوحة، بالإضافة إلى التسبب في الإجهاد المائي والإجهاد التأكسدي والإجهاد الغذائي وانخفاض انقسام الخلايا، فإن إجهاد الملح يخل بالقوة الأيونية التي لها تأثير على عدد من العمليات الكيميائية الحيوية والفسيولوجية والتمثيل الغذائي.
طبقا للعديد من الدراسات فإن تطبيق الجسيمات النانوية، كان فعالًا في التخفيف من التأثيرات السامة لإجهاد الملح في نباتات مختلفة.
ووجد أن الاستخدام الورقي لجسيمات البوتاسيم النانوية في نباتات البرسيم الحساسة للملح يحسن تحمل الملح عن طريق تعزيز محتوى البرولين وإنزيم مضادات الأكسدة.
وبالمثل، كان انخفاض الإجهاد التأكسدي واضحًا وزيادة نشاط مضادات الأكسدة في نباتات الدخن المعالجة بجسيمات الفضة النانوية، والتي قد تكون ناجمة عن انخفاض امتصاص الصوديوم في الأوراق.
الجسيمات النانوية لأكسيد السيريوم وزيادة نشاط التمثيل الضوئي
وتم اكتشاف أن الجسيمات النانوية لأكسيد السيريوم مفيدة في زيادة نشاط التمثيل الضوئي في حشيشة الكرنب من خلال تغيير خلايا الجذر وبالتالي تحسين امتصاص المعادن.
وتشير البيانات بشكل متزايد إلى أن تطبيق الجسيمات النانوية على النباتات يمكن أن يقلل بشكل كبير من الآثار الضارة للإجهاد الملحي، وبالتالي التحكم في تكيف النبات.
الجسيمات النانوية وتحمل إجهاد الجفاف
يعتبر الجفاف من أكثر الضغوط البيئية ضررًا، حيث يقلل من غلة المحاصيل أكثر من أي شيء آخر. وفقًا للهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ(IPCC) ، سيرتفع متوسط درجة الحرارة بمقدار 1.8 إلى 4.0 درجة مئوية بحلول عام 2100، وسيؤثر الجفاف على مناطق شاسعة من العالم.
ويؤثر الجفاف على الزراعة عندما لا يكون لدى النباتات رطوبة كافية لتتطور بشكل طبيعي وتستكمل دورات حياتها. وتزداد شدة الجفاف بسبب الانخفاض المستمر في هطول الأمطار وزيادة الطلب على التبخر.
على سبيل المثال، يمنع إجهاد الجفاف نمو النبات، لأن الماء مطلوب لامتلاء الخلية، وهو الضغط الذي يمارسه السائل على جدران الخلية، مما يتسبب في تمدد الخلايا.
وتشمل الآثار الرئيسية للجفاف على نباتات المحاصيل معدلات أبطأ من انقسام الخلايا ونموها، وأوراق أصغر، وسيقان وجذور أطول، وتذبذبات غير منتظمة، وتغير علاقات المياه والمغذيات مع انخفاض إنتاج المحاصيل واستخدام غير فعال للمياه.
الآثار الرئيسية للجفاف على نباتات المحاصيل
وفقًا للدراسات السابقة، تسبب الجسيمات النانوية مجموعة متنوعة من التغيرات المورفولوجية والفسيولوجية والكيميائية الحيوية في النباتات لأنها تزيد من مقاومتها لإجهاد الجفاف عن طريق زيادة التوصيل الهيدروليكي لجذر النبات وامتصاص الماء وإظهار وفرة متباينة من البروتينات المشاركة في تقليل الأكسدة وإزالة السموم، وإشارات الإجهاد ومسارات الهرمونات.
والتطبيق الورقي لجسيمات أكاسيد المعادن النانوية، مثل ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) وأكسيد الزنك (ZnO) وأكسيد الحديد(Fe3O4) ، كان فعالًا في تعزيز الأنشطة الفسيولوجية والتمثيل الغذائي للنبات تحت إجهاد الجفاف.
اقترحات
اقترح الباحثون أن جسيمات أكسيد الزنك النانوية التي تم رشها موضعيًا بتركيزات منخفضة يمكن أن تعزز بنجاح تحمّل الطماطم لضغط الجفاف. ومع ذلك، فإن دراسة أخري أشارت إلى أن الفوائد المحتملة لاستخدام الجسيمات النانوية في تعزيز مقاومة النبات للجفاف لا تتحقق إلا في ظل ظروف بيئية محددة.
الجسيمات النانوية وتحمل إجهاد البرد (الصقيع)
يساهم تغير المناخ العالمي أيضًا في البرودة أو الإجهاد الناتج عن درجات الحرارة المنخفضة، مما يضر بنمو النبات وتطوره. وغالبًا ما تواجه النباتات نوعين من الإجهاد الناتج عن درجات الحرارة المنخفضة: التبريد والتجميد. تتراوح درجات حرارة التبريد للنباتات من 0 إلى 15 درجة مئوية، اعتمادًا على الأنواع ومستوى تحمل النبات.
تعتبر درجة حرارة الهواء وسرعة الرياح أثناء التعرض من العوامل الأخرى التي تؤثر على درجات حرارة التبريد. على عكس استجابته لدرجات الحرارة المنخفضة، فإن النبات سيكافح ضد درجات حرارة التجمد (أقل من 0 درجة مئوية). ويمكن أن تتضرر أنواع المحاصيل أو تقتل بسبب درجات الحرارة المنخفضة، والتي يمكن أن يكون لها تأثير على إنتاجيتها، وبقائها على قيد الحياة.
انخفاض نشاط الإنزيمات والبروتينات
ونظرًا لانخفاض نشاط الإنزيمات والبروتينات الأخرى في درجات الحرارة الباردة، يؤدي إجهاد البرد إلى إبطاء نمو النبات، وتتأثر العديد من العمليات في هذه النباتات بدرجات الحرارة المنخفضة، بما في ذلك العمليات التي تشارك في التمثيل الغذائي الثانوي، والتنفس، والدفاع، وإنتاج البروتين والحمض النووي.
تم استخدام جزيئات الشيتوزان النانوية وجسيمات أكسيد المعادن النانوية، مثل ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) على نطاق واسع في مجموعة متنوعة من الدراسات لكفاءتها في تحمل إجهاد البرد.
ووجد الباحثون أن تطبيق جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية كانت فعالة في تحسين نشاط التمثيل الضوئي وتلف الغشاء وتغيير التمثيل الغذائي لنمو النبات تحت ظروف الإجهاد البارد في نباتات الحمص.
علاوة على ذلك، قد يقلل التطبيق الورقي لجسيمات أكسيد الزنك (ZnO) النانوية من الإجهاد البارد في نباتات الأرز، من خلال النظام المضاد للأكسدة وعوامل النسخ المشاركة في استجابة التبريد.
الجسيمات النانوية في تحمل إجهاد المعادن الثقيلة
يعد إجهاد المعادن الثقيلة أحد العوامل الضارة التي تقلل من إنتاجية المحاصيل في العصر الحديث. وأدت الأنشطة البشرية، مثل التصنيع، إلى التلوث بالمواد الخطرة في جميع أنحاء العالم. كما ساهم التنفيذ المعزز للأدوات الزراعية الحديثة، مثل مبيدات الآفات الكيماوية والأسمدة، في إجهاد المعادن الثقيلة في نباتات المحاصيل.
المعادن الثقيلة لها تأثيرات ضارة على النباتات، ونظرًا لأن النباتات تقيم في خط الأساس للأنظمة الغذائية، فإن فرص التراكم الأحيائي لهذه المعادن الثقيلة عبر السلسلة الغذائية عالية، وهذا يؤدي في النهاية إلى إعاقات صحية مزمنة، مثل تلف الكلى والكبد، في البشر والحيوانات الأخرى.
بالإضافة إلى ذلك، فإن المعادن الثقيلة لها تأثير مباشر على النباتات، مثل التشوهات المورفولوجية والفسيولوجية وضعف المسارات الأيضية. وتؤثر على جودة وكمية المنتجات النباتية، خاصة في المحاصيل الزراعية والنباتات الطبية.
تم إجراء عدد من الدراسات حول استخدام الجسيمات النانوية للتخفيف من إجهاد المعادن الثقيلة، ويمكن للجسيمات النانوية المطبقة على التربة امتصاص وتحويل المعادن الثقيلة في التربة، مما يقلل من التراكم البيولوجي وتم تقليل توافر معدن الكادميوم في التربة عن طريق تطبيق الجسيمات النانوية التي يمكن أن تقلل من التأثيرات السامة للمعادن في التربة ويمكن أن تحافظ على درجة الحموضة في التربة عن طريق إطلاق أيونات الفوسفات.
تقلل الجسيمات النانوية أيضًا محتوى المعادن الثقيلة في الجذ، علاوة على ذلك، يمكن اعتراض المعادن الثقيلة من خلال تنظيم جينات نقل المعادن في النباتات باستخدام جسيمات نانوية محددة، والتي يمكن أن تمنع انتقال المعادن الثقيلة عن طريق تكوين معقدات معها.
الجسيمات النانوية وتحمل إجهاد غمر المياه (الفيضان)
معظم النباتات حساسة للفيضانات، وتحدث الفيضانات إما بسبب هطول الأمطار الغزيرة أو سوء تصريف التربة أو ممارسات الري.
ويمكن أن يكون غمر النباتات بالكامل في مياه الفيضانات كارثيًا على المحاصيل، وبالتالي فإن الفيضانات هي واحدة من العديد من عوامل الإجهاد اللاحيوي التي تؤثر على توافر الغذاء واقتصادات البلدان.
كما إنها تؤثر على النباتات المزروعة في أنظمة بيئية مختلفة، مثل السهول الفيضية والمستنقعات المالحة ومناطق المد والجزر والأراضي الرطبة.
وتظهر النباتات المزروعة في أنظمة بيئية مختلفة استجابات متنوعة لإجهاد الفيضانات؛ وتُظهر أنواع نباتات الأراضي الرطبة تحملاً لإغراق التربة بالمياه، في حين أن أنواع الأراضي الجافة حساسة لإجهاد الفيضانات.
يؤدي دخول المياه المفرط في الفراغات الهوائية إلى تأخير تبادل وانتشار الغاز بين الجذور والغلاف الجوي، مما يثبط التنفس بسبب نقص الأكسجين الذي يؤدي إلى نقص الأكسجة ويؤدي في النهاية إلى نقص الأكسجين في النباتات تحت إجهاد الفيضان، وتتأثر درجة الحموضة في التربة وإمكانية الأكسدة والاختزال، ويزيد محتوى ثاني أكسيد الكربون ويزيد تعبئة السموم النباتية، مما يؤثر على استقلاب الجذور، وامتصاص المغذيات ونمو النبات بشكل عام.
استخدمت بعض الدراسات الجسيمات النانوية لتخفيف إجهاد الفيضانات في النباتات، وفي نباتات فول الصويا تحت ضغط الفيضان، ساعدت الجسيمات النانوية على تخفيف ظروف الإجهاد عن طريق تنظيم تخليق الأحماض الأمينية، والبروتينات، وتحلل السكر وتكوين الشمع، وعززت نمو نباتات فول الصويا على الرغم من الإجهاد.
وتم إجراء دراسة أخرى على نباتات فول الصويا تحت إجهاد الفيضان، حيث نجحت المعالجة بالجسيمات النانوية في تخفيف ضعف النمو الناجم عن إجهاد الفيضان، وزادت من طول الجذر، وقمعت البروتينات المشاركة في تحلل السكر، وأدت لزيادة بروتينات الريبوسومات.
الجسيمات النانوية وتحمل الإجهاد الحراري
يمكن أن تسبب درجات الحرارة المرتفعة الإجهاد الحراري. وفي العقود الأخيرة، أدى الاحتباس الحراري إلى تفاقم هذا الاتجاه. غالبًا ما يُفهم ارتفاع درجة الحرارة فوق حد حرج لفترة أطول كافية لإلحاق الضرر الدائم بنمو النبات على أنه يشكل إجهادًا حراريًا.
وقد تؤدي التغييرات الشديدة إلى إتلاف الوصلات بين الجزيئات المطلوبة لتحقيق النمو الأمثل خلال فصول الصيف الحارة، مما قد يعيق نمو النبات وتكوين الثمار، وبشكل عام، يقلل الإجهاد الحراري من فعالية عمليات التمثيل الضوئي، ويقصر دورة حياة النبات ويقلل من الإنتاجية، وقد يصبح الإجهاد الحراري مشكلة كبيرة تقيد إنتاجية المحاصيل الحقلية في المناطق الاستوائية وشبه الاستوائية.
وكانت معالجة نباتات الذرة الرفيعة المعرضة لدرجات حرارة عالية بالجسيمات النانوية مفيدة في التخفيف من الآثار السلبية، مثل تلف الأغشية وتقليل إنبات حبوب اللقاح وإنتاجية المحاصيل، من خلال تنشيط نظام الدفاع المضاد للأكسدة.
وعلى غرار هذا، تم اكتشاف أن جزيئات الزنك النانوية مفيدة في تحسين قدرة القمح على تحمل الإجهاد الحراري عن طريق زيادة إنتاج إنزيمات مضادات الأكسدة وتقليل بيروكسيد الدهون، ويتم تنشيط التطبيق الورقي للجسيمات النانوية على أوراق الطماطم عندما تتجاوز درجة الحرارة حدودًا معينة وتحمي النباتات من الإجهاد الحراري.
وتظهر العديد من البحوث التي تهتم بتطبيق تكنولوجيا النانو ومنتجاتها الجديدة العديد من النجاحات في التغلب على الاجهادات اللاحيوية الناتجة عن التغييرات المناخية، ومن المتوقع أن يكون لها دور كبير في تحسين أداء العديد من المحاصيل، وعلاج الكثير من المشكلات البيئية والصحية المرتبطة بمجال الزراعة والإنتاج الزراعي حول العالم، ومكافحة التأثيرات السلبية للتغيرات المناخية في المستقبل القريب.
