The response of pinto beans (Phaseolus vulgaris L) under salinity stress conditions to the application of potassium nanoparticles

Subject Areas : Plant physiology

Fatemeh Naghavi ¹ , sayed mohammad reza khoshroo ² , Maryam Kazemipour ³ , Mehrnaz Mahmoudi Zarandi ⁴

1 - Department of Biology, Kerman Branch, Islamic Azad University, Kerman, Iran
2 - Department of Biology, Kerman Branch, Islamic Azad University, Kerman, Iran
3 - Department of chemistry, Kerman Branch, Islamic Azad University, Kerman, Iran
4 - Department of Biology, Kerman Branch, Islamic Azad University, Kerman, Iran

Received: 2025-01-13 Accepted : 2025-03-10 Published : 2025-03-27

Keywords: Common bean, Green nanoparticles, Photosynthetic pigments, Salinity stress,

Abstract :

Salinity is one of the most significant abiotic stresses limiting seed germination, seedling establishment, and growth worldwide, leading to substantial reductions in agricultural productivity. In recent years, engineered nanoparticles have emerged as a promising alternative for mitigating the adverse effects of abiotic stresses such as salinity. This study aimed to investigate the response of common bean plants to potassium nanoparticles under salinity stress. Potassium nanoparticles were biosynthesized using Aloe vera plant extract and an aqueous solution of K₂SO₄.5H₂O. A factorial experiment in a completely randomized design was conducted to evaluate the effects of potassium nanoparticles on germination, growth parameters, and photosynthetic pigments of common bean under four salinity levels (0, 40, 80, and 120 mM NaCl) and four potassium nanoparticle concentrations (0, 20, 60, and 150 mg/L). Various analyses, including UV-visible, DLS, and SEM, were performed to characterize the synthesized nanoparticles. Analysis of variance revealed that increasing salinity stress decreased germination percentage and vegetative growth factors, as well as photosynthetic pigments. The interaction between salinity stress and potassium nanoparticles resulted in increased germination percentage, growth parameters (fresh and dry weight of root and shoot at 150 mg/L), and photosynthetic pigments (chlorophyll b, total chlorophyll, and carotenoids at 20 mg/L), while decreasing chlorophyll a content.

References:

1)Arif Y. Singh P. Siddiqui H.;Bajguz A. Hayat S.2020. Salinity induced physiological and biochemical changes in plants: An omic approach towards salt stress tolerance. Plant Physiology and Biochemistry, 156:64–77.
2)Balal RM. Shahid MA. Javaid MM. Iqbal Z. Liu GD. Zotarelli L. Khan N.2016. Chitosan alleviates phytotoxicity caused by boron through augmented polyamine metabolism and antioxidant activities and reduced boron concentration in Cucumis sativus L. Acta physiologiae plantarum, 39.
3) Ditta, A. Arshad, M,.2016. Applications and perspectives of using nanomaterials for sustainable plant nutrition. Nanotechnology reviews, 5.
4)Etesami H. Fatemi H. Rizwan M.2021. Interactions of nanoparticles and salinity stress at physiological, biochemical and molecular levels in plants: A review. Ecotoxicology and Environmental Safety, 225:112769.
5) Hameed, A. Ahmed, M.Z. Hussain T. Aziz I. Ahmad N. Gul B. Nielsen BL.2021. Effects of salinity stress on chloroplast structure and function. Cells, 10:2023.
6) Hao, S., Wang, Y., Yan, Y., Liu, Y., Wang, J., & Chen, S. 2021. A Review on Plant Responses to Salt Stress and Their Mechanisms of Salt Resistance. Horticulturae, 7(6), 132.
7) He, M. Ren TX. Jin ZD. Deng L. Liu HJ. Cheng YY. Li ZY. Liu XX. Yang Y. Chang H.2023. Precise analysis of potassium isotopiccomposition in plant materials by multi- collector inductively coupled plasma mass spectrometry. Spectrochim Acta Part B Spectrosc 209:106781.
8) Johnson, R., Vishwakarma, K., Hossen, M. S., Kumar, V., Shackira, A., Puthur, J. T., Abdi, G., Sarraf, M., & Hasanuzzaman, M. 2022. Potassium in plants: Growth regulation, signaling, and environmental stress tolerance. Plant Physiology and Biochemistry, 172, 56-69.
9) Kumari ,S. Chhillar, H. Chopra, P. Khanna RR, Khan MIR.2021 .Potassium: A track to develop salinity tolerant plants. Plant Physiology and Biochemistry, 167:1011-1023.
10) Nanehkaran,. FM. Razavi SM. Ghasemian A. Ghorbani A. & Zargar M.2024. Foliar applied potassium nanoparticles (K-NPs) and potassium sulfate on growth, physiological, and phytochemical parameters in Melissa officinalis L. under salt stress. Environmental Science and Pollution Research, 31(21):31108-31122.
11) Nayak, P. R. and Begur, D. N., 2023. Eco-friendly Biosynthesis of Silver Nanoparticles from Aloe vera Leaves Based on Various Parameters, Int. J. Multidisip. Res., 2023, vol. 5, no. 5, p. 1-8.
12) Noaema, AH. & Alhasany AR.2020. Effect of spraying nano fertilizers of potassium and boron on growth and yield of wheat (Triticum aestivum L.). In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 871(1): 012012. IOP Publishing.
13)Rahneshan Z. Fatemeh N. Ali A.2018 . Effects of salinity stress on some growth, physiological, biochemical parameters and nutrients in two pistachio (Pistacia vera L.) rootstocks, Journal of Plant Interactions, 13(1):73-82.
14) Shahraki, S. H., Ahmadi, T., Jamali, B. and Rahimi, M., 2024. The biochemical and growth-associated traits of basil (Ocimum basilicum L.) affected by silver nanoparticles and silver, BMC Plant Biol., , vol. 24, no. 1, p. 92.
15) Sheoran, PS. Goel R. Boora S. Kumari, S. Yashveer S.2021. Biogenic synthesis of potassium nanoparticles and their evaluation as a growth promoter in wheat. Plant Gene, 27:100310.
16) Torche, Y. Blair M. & Saida C.2018. Biochemical, physiological and phenological genetic analysis in common bean (Phaseolus vulgaris L.) under salt stress. Annals of Agricultural Sciences, 63(2):153-161.
17) Usman, M. Farooq, M. Wakeel A. Nawaz A. Cheema SA. Rehman Hu. et al.2020. Nanotechnology in agriculture: Current status, challenges and future opportunities. Science of The Total Environment,721:137778.
118) Vashisth ,A. Nagarajan S.2010. Effect on germination and early growth characteristics in sunflower (Helianthus annuus) seeds exposed to static magnetic field. Journal of Plant Physiology, 167:149–156.
19) Wang, X., Chen, Z., & Sui, N. 2024. Sensitivity and responses of chloroplasts to salt stress in plants. Frontiers in Plant Science, 15, 1374086.

Full-Text:



واحد گرمسار

گیاه و زیست فناوری ایران Iranian Journal of Plant & Biotechnology (IJPB)

 

DOI: 10.71829/BIOLOGY-2025-1199433

نوع مقاله: پژوهشی

 

پاسخ گیاه لوبیا چیتی (Phaseolus vulgaris L.) تحت شرایط تنش شوری به کاربرد نانو ذرات پتاسیم

فاطمه نقوی1، سید محمدرضا خوشرو (نویسنده مسئول) 2*، مریم کاظمی‌پور3 و مهرناز محمودی‌زرندی4

 1- دانشجوی دکتری، گروه زیست شناسی، واحد کرمان، دانشگاه آزاد اسلامی، کرمان، ایران، [e-mail]

2- استادیار، گروه زیست شناسی، واحد کرمان، دانشگاه آزاد اسلامی، کرمان، ایران،  [e-mail]

3- استاد، گروه شیمی، واحد کرمان، دانشگاه آزاد اسلامی، کرمان، ایران، [e-mail]

4- استادیار، گروه زیست شناسی، واحد کرمان، دانشگاه آزاد اسلامی، کرمان، ایران، [e-mail]

تاریخ دریافت: دی 1403  تاریخ پذیرش: فروردین 1404

The response of pinto beans (Phaseolus vulgaris L.) under salinity stress conditions to the application of potassium nanoparticles

Fatemeh Naghavi1, Seyyed Mohammadreza Khoshroo (Corresponding Author)2*, Maryam Kazemipour3 and Mehrnaz Mahmoudi Zarandi4

1- Ph.D Student, Department of Biology, Kerman Branch, Islamic Azad University, Kerman, Iran, [e-mail]

2*- Assistant Profesor., Department of Biology, Kerman Branch, Islamic Azad University, Kerman, Iran, [e-mail]

3- Professor, Department of chemistry, Kerman Branch, Islamic Azad University, Kerman, Iran, [e-mail]

4- Assistant Profesor., Department of Biology, Kerman Branch, Islamic Azad University, Kerman, Iran, [e-mail]

Received: January 2025       Accepted: April 2025

چکیده در جهان، شوری یکی از مهمترین عوامل غیرزیستی و محدود کننده جوانه‌زنی بذر و همچنین استقرار و رشد اولیه گیاهچه‌ها است که سبب کاهش قابل توجهی در بهره‌وری محصولات کشاورزی می‌شود. در سال‌های اخیر، نانوذرات مهندسی شده به‌عنوان یک جایگزین امیدوار کننده در مبارزه با عوامل تنش غیرزیستی مانند شوری مطرح شده‌اند. هدف از این پژوهش، بررسی پاسخ گیاه  لوبیا چیتی تحت شرایط تنش شوری به کاربرد نانو ذرات پتاسیم است. سنتز زيستي نانوذرات پتاسیم بوسيله عصاره گياه آلوئه ورا با استفاده از محلول آبی KSO4.5H2O صورت گرفت. آزمایشات به صورت فاکتوریل در قالب طرح تصادفی در جهت بررسی اثر نانوذرات پتاسیم بر پارامترهای رشد و رنگریزه‌های فتوسنتزی گیاه لوبیا چیتی در چهار سطح شـوري معـادل (صفر،40 ،80 ،120 میلی‌مولار) کلرید سدیم  و نانو ذرات  پتاسیم در چهار سطح (صفر، 20، 60 ، 150 میلی‌گرم  بر لیتر) صورت گرفت. تجزیه و تحلیل‌های مختلف شامل UV-Visible، DLS و SEM برای مشخصه‌یابی نانوذرات سنتز شده انجام شد. نتایج تجزیه و تحلیل واریانس نشان داد که با افزایش تنش شوری پارامترهای رشد، رنگریزه‌های فتوسنتزی کاهش یافت. برهمکنش تنش شوری و نانوذرات پتاسیم موجب افزایش پارامترهای رشد (وزن تر و خشک ریشه و ساقه در غلظت 150 میلی‌گرم بر لیتر)، رنگیزه‌های فتوسنتزی (کلروفیل b و کل و کاروتنوئید در غلظت 20 میلی‌گرم بر لیتر) و کاهش محتوای کلروفیل a شد. کلمات کلیدی: تنش شوری، رنگریزه‌های فتوسنتزی، لوبیا چیتی، نانوذرات سبز فصلنامه گیاه و زیست فناوری ایران  زمستان 1403، دوره 19، شماره 4، صص 71-61

Abstract Salinity is one of the most significant abiotic stresses limiting seed germination, seedling establishment, and growth worldwide, leading to substantial reductions in agricultural productivity. In recent years, engineered nanoparticles have emerged as a promising alternative for mitigating the adverse effects of abiotic stresses such as salinity. This study aimed to investigate the response of common bean plants to potassium nanoparticles under salinity stress. Potassium nanoparticles were biosynthesized using Aloe vera plant extract and an aqueous solution of K2SO4.5H2O. A factorial experiment in a completely randomized design was conducted to evaluate the effects of potassium nanoparticles on germination, growth parameters, and photosynthetic pigments of common bean under four salinity levels (0, 40, 80, and 120 mM NaCl) and four potassium nanoparticle concentrations (0, 20, 60, and 150 mg/L). Various analyses, including UV-visible, DLS, and SEM, were performed to characterize the synthesized nanoparticles. Analysis of variance revealed that increasing salinity stress decreased germination percentage and vegetative growth factors, as well as photosynthetic pigments. The interaction between salinity stress and potassium nanoparticles resulted in increased germination percentage, growth parameters (fresh and dry weight of root and shoot at 150 mg/L), and photosynthetic pigments (chlorophyll b, total chlorophyll, and carotenoids at 20 mg/L), while decreasing chlorophyll a content. Keywords: Common bean, Green nanoparticles, Photosynthetic pigments, Salinity stress     Iranian Journal of Plant & Biotechnology Winter 2024, Vol 19, No 4, Pp 61-71

 

 

فاکتورهای محیطی متعدد بر رشد و نمو و در نهایت تولید محصول در گیاهان تاثیر می‌گذارند.تنش شوری از جمله مهم‌ترین عواملی می‌باشد که تولید محصول را تحت تاثیر قرار می‌دهد. شوری از تنش‌های غیرزيستي مهمي است که فیزيولوژی گیاهان را تحت تأثیر قرار داده و رشد و عملکرد گیاهان زراعي را کاهش مي‌دهد. شوري تجمع بيش از حد املاح در خاك به نحوي است كه در اثر آن گياه در جذب آب با مشكل مواجه می­شود (Hao et al., 2021). شوری یک مشکل رو به رشد است که بر خاک و کشاورزی در بسیاری از نقاط جهان تأثیر می‌گذارد. وجود نمک در سلول‌های گیاهی بسیاری از فرآیندهای متابولیک (Metabolic) اساسی را مختل می‌کند و به اثرات منفی شدید بر رشد و نمو گیاه کمک می‌کند. شوری بر کلروپلاست‌ها، از جمله ساختار و عملکرد این اندامک‌ها تاثیر می‌گذارد. کلروپلاست‌ها واکنش‌های مختلف بیوشیمیایی مهمی از جمله فتوسنتز را در خود جای می‌دهند که اکثر آنها برای بقای گیاه ضروری هستند. شوری می‌تواند به روش‌های مختلفی بر این واکنش‌ها تأثیر بگذارد، به عنوان مثال، با تغییر اندازه کلروپلاست، تجمع لیپید و نشاسته و تداخل در انتقالات غشایی متقابل. تحقیقات نشان داده است که حفظ فیزیولوژی طبیعی کلروپلاست برای بقای کل گیاه ضروری است. بسیاری از گونه‌های گیاهی مکانیسم‌های مختلفی را برای مقاومت در برابر اثرات مضر سمیت ناشی از نمک بر روی کلروپلاست‌های خود ایجاد کرده‌اند. این تفاوت‌ها به گونه گیاهی و مرحله رشد بستگی دارد و می‌تواند بین گیاهان حساس به نمک (Glycophyte) و گیاهان مقاوم به نمک (Halophyte) کاملاً متفاوت باشد ((Hameed et al., 2021. نانوتکنولوژي به عنوان انقلابي در شرف وقوع، آينده اقتصادي کشورها و جايگاه آنها در جهان را تحت تاثير جدي قرار داده است و اثرات معجزه‌ آسايی در زمینه‌های مختلف از خود نشان داده است. در دهه ‌های گذشته، بازارهای جهانی فناوری نانو دربخش‌های مختلف از جمله بخش کشاورزی، به میزان قابل توجهی رشد یافته است. بخش وسیعی از مردم جهان به دلیل اثرات زیست محیطی با کمبود مواد غذایی روزانه یا کاهش کیفیت فراورده‌های غذایی مواجه هستند. فناوری نانو، رویکرد علمی نوینی است که قادر به رفع این موانع بوده و انتظار می‌رود که در سال‌های آینده موجب افزایش تولید و بهبود کارآیی گیاهان زراعی شده و پاسخگوی چالش‌های فراروی بخش کشاورزی گردد. در این راستا استفاده از نانوذرات در کشاورزی می‌تواند در بهبود وضعیت غذایی گیاه و انجام اقدامات اصلاحی مورد نیاز جهت رسیدگی به اختلالاتی که سبب کاهش عملکرد گیاه می‌شوند، سودمند و موثر باشد ((Usman et al., 2020. لوبیا یکی از مهم‌ترین محصولات حبوبات است. حاوی مقادیر قابل توجهی پروتئین، فیبر، کربوهیدرات، ویتامین‌ها و مواد معدنی است و تقریباً نیمی از حبوبات غلات مصرفی در سراسر جهان را تشکیل می‌دهد. وجود مواد شیمیایی گیاهی مانند ترکیبات پلی‌فنولی از اختلالات مختلف مانند بیماری‌های قلبی عروقی، قند خون، چاقی و سرطان روده بزرگ جلوگیری می‌کند. به علاوه فعالیت آنتی‌اکسیدانی بالایی را نشان می‌دهند. لوبیا در کشاورزی نیز حیاتی است زیرا با باکتری‌های تثبیت‌ کننده نیتروژن، گره‌های ریشه را از طریق انجمن‌های همزیستی تشکیل می‌دهد (Torche et al., 2018). پتاسیم (K) یک درشت مغذی حیاتی است و نقش مهمی در گیاهان مانند تنظیم اسمزی، تنظیم پتانسیل غشایی، سازگاری با تنش و رشد دارد. نقش‌های تنظیمی را در فرآیندهای بیوشیمیایی متنوع مربوط به سنتز پروتئین، متابولیسم کربوهیدرات و فعال سازی آنزیم ایفا می‌کند. فرآیندهای فیزیولوژیکی متعددی مانند فتوسنتز و کنترل روزنه بر پایه + K هستند. همچنین کاهش تنش‌های غیرزیستی را فراهم می‌کند و در شرایط شوری، + K هموستاز یونی را حفظ می‌کند و تعادل اسمزی را کنترل می‌کند. این باز شدن روزنه‌ها را در شرایط خشکی کنترل می‌کند و به گیاهان کمک می‌کند تا تحت شرایط تنش آبی سازگار شوند. شرایط تنش غیرزیستی مانند نمک، خشکسالی، دمای بالا و پایین و سرما باعث تولید گونه‌های اکسیژن فعال (ROS) می‌شود. نشانه‌های رو به رشد توصیه می‌کنند که افزایش وضعیت تغذیه‌ای K گیاه می‌تواند به طور قابل‌توجهی با تحمل تنش غیرزیستی با کاهش سطح ROS گیاهان مطابقت داشته باشد(Johnson et al., 2022). با توجه به اهمیت تغذیه‌ای لوبیا چیتی، حساسیت به تنش شوری و اینکه بسیاری از زمین‌های کشاورزی در کشور ما مشکل شوری و کم آبی دارند در این پژوهش تاثیر محلول پاشی نانوذرات پتاسیم بر پارامترهای رشد و رنگریزه‌های فتوسنتزی گیاه لوبیا در شرایط تنش مورد بررسی قرارگرفته است.

 

فرآیند پژوهش 

بیست و پنج گرم برگ آلوئه ورا کاملا شسته، و ریز خرد شد. سپس برگ‌های خرد شده در ارلن 250 میلی‌لیتری با 100 میلی‌لیتر آب یونیزه نشده به مدت 5 دقیقه در دمای 80 درجه سانتی‌گراد حرارت داده شد. سپس محلول از طریق یک باند استریل فیلتر شد تا ذرات جامد حذف شود. در نهایت، فیلتر توسط یک کاغذ صافی واتمن با اندازه منافذ 3/0.میکرومتر برای خالص‌سازی بیشتر عبور داده شد. عصاره برگ آلوئه ورا به‌دست‌آمده در دمای 4 درجه سانتی‌گراد، برای استفاده بعدی در سنتز نانوذرات پتاسیم نگهداری شد (Nayak and Begur, 2023).

سنتز سبز نانوذرات پتاسیم با استفاده از گیاه آلوئه‌ورا: 50 میلی‌لیتر از محلول 5/0 مولار سولفات پتاسیم به 50 میلی‌لیتر از عصاره گیاهی در یک ارلن اضافه و روی هیتر قرار گرفت و دمای بر روی 50 درجه سانتی‌گراد تنظیم شد. رنگ محلول از قهوه‌ای تیره به قهوه‌ای روشن تغییر کرد که مشخصه بیوسنتز نانوذرات پتاسیم است. مخلوط به مدت 24 ساعت انکوبه شد و سپس به مدت 20 دقیقه در 10000 دور در دقیقه سانتریفیوژ شد. رسوب حاصل بعد از دو بار شستشو، برای تجزیه وتحلیل‌های بعدی آماده شد (Sheoran et al., 2021). طرح آزمایشی کاملاً تصادفی با دو فاکتور شوری و نانو ذرات پتاسیم (چهار غلظت نمک کلرید سدیم و چهار غلظت نانوذرات پتاسیم) و سه تکرار برای هر تیمار بود.

تهیه محلول‌های کلرید سدیم و نانوذرات پتاسیم سبز: محلول اولیه 1000 میلی‌مولار کلرید سدیم تهیه شد. براساس روش سریال رقت‌سازی ، محلول‌های کلرید سدیم با غلظت‌های صفر، 40، 80 و 120 میلی‌مولار از محلول اولیه تهیه شد و pH محلول‌ها با استفاده از محلول 01/0 مولار HCl و NaOH روی 7 تنظیم شد. محلول‌های نانوذرات پتاسیم سنتز شده سبز با غلظت‌های صفر، 20، 60 و 150 میلی‌گرم در لیتر تهیه شد. از آب مقطر به عنوان شاهد با غلظت صفر استفاده شد.

تیمار نانوذرات سبز پتاسیم بذر لوبیا چیتی تحت تنش شوری: پانزده بذر وزن شده هم وزن به مدت 4 ساعت در هر غلظت به صورت جداگانه در محلول­های نانوذرات سبزپتاسیم قرار داده شدند. بذرهای پیش تیمار شده با نانوذرات، در دمای آزمایشگاه در زیر هود لامینار تدریجا خشک و میزان رطوبت آن­ها به مقدار اولیه (با کنترل وزن بذرها) رسانده شد. سپس ده بذر از هر پیش تیمار نانوذرات در پتری­دیش (قطر 15 سانتی‌متر) (سه پتری­دیش برای هر تیمار شوری و کنترل) بر روی سه لایه کاغذ صافی قرار داده و با یک لایه کاغذ صافی پوشانده شدند. پتری­ها هر روز با 5 میلی­لیتر از محلول‌های NaCl به­تدریج تا حجم نهایی 20 میلی­لیتر (برای جلوگیری از شوک شوری) از هر غلظت مورد نظر نمک آبیاری و در دمای 25 درجه سانتی­گراد، رطوبت نسبی 50 درصد، و تاریکی در یک اتاق رشد انکوبه شدند. شمارش تعداد بذرهای جوانه زده (براساس خروج 2 میلی­متر ریشه­چه) به طور روزانه و مرتب تا روز پانزدهم از شروع آزمایش ادامه یافت.

وزن تر و خشک ساقه و ریشه: ساقه و ریشه با دقت ازیکدیگر جدا شدند. ریشه از ذرات خاک کاملا پاک شد و وزن تر ریشه و ساقه با استفاده از ترازوی دیجیتال (آنالیتیک) اندازه‌گیری شد. وزن خشک قسمت‌های ریشه، ساقه، برگ در آون در دمای 75 درجه سانتی‌گراد به مدت 48 ساعت خشک و با ترازو اندازه‌گیری شدVashisth and Nagarajan, 2010)).

رنگریزه‌های فتوسنتزی: نمونه‌های برگ تازه از برگ‌های کاملاً باز شده گیاهان لوبیا پایان دوره تیمار جمع‌آوری شد. تقریباً 5/0.گرم از بافت برگ تازه وزن شده و با استفاده از نیتروژن مایع به پودر ریز تبدیل شد. بافت برگ آسیاب شده در نیتروژن مایع در 10 میلی‌لیتر استون 80 درصد همگن شد. محتویات هموژن با دور 5000 به مدت 15 دقیقه سانتریفیوژ شد تا مایع رویی جدا شود. مایع رویی از طریق کاغذ فیلتر واتمن شماره 1 فیلتر شد تا ذرات جامد باقیمانده حذف شود. میزان جذب عصاره کلروفیل در طول موج های 645، 663 و 470 نانومتر اندازه گیری شد تا حاوی کاروتنوئیدها با استفاده از دستگاه اسپکتروفتومتر مرئی UV (مدل DB-20) باشد. مقادیر جذب برای محاسبه کلروفیل a ،b و کل و کاروتنوئیدها با استفاده از معادلات زیر استفاده شد:

Chl a = ((13.95 x A665) - (6.88 x A649)) × (V/1000) × W

Chl b = ((24.96 x A649) - (7.32 x A665)) × (V/1000) × W

 [((A470 x V x DF x 5.1) - (0.114 x Chl a) - (1.03 x Chl b))/245] ×(V/1000) ×W Car =

A جذب در یک طول موج خاص، V حجم حلال استخراج، DF ضریب رقت، 5.1 ضریب تبدیل کاروتنوئیدها، و W وزن برگ استفاده شده بر حسب گرم است et al., 2024) Shahraki).

تجزیه و تحلیل آماری: تجزیه داده­هاي آزمايش با استفاده از نرم‌افزار SPSS v.26 وتجزيه و تحلیل واريانس یک‌طرفه و مقايسه ميانگين­ها با آزمون دانکن در سطح احتمال پنج درصد (P≤0.05) انجام شد.

نتایج و بحث

طیف سنجی UV–Vis نشان داد بلندی قله در 248 نانومتر و جذب آن تقریبا در 20/3 نانومتر است که نشان از تشکیل نانوذرات پتاسیم است (شکلA1). تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی از نانوذرات پتاسیم در بزرگنمایی‌ 75 هزار برابر و ولتاژ 10 هزار ولت و میانگین اندازه ذرات پتاسیم حدود 27-18 نانومتر است و پراکندگی نسبتا یکنواخت و همگن از نانوذرات در تصویر دیده می‌شود (شکلB 1). تجزیه و تحلیل DLS نمونه نانوذرات پتاسیم در  شکل C 1 نشان داده شده است. در اینجا توزیع اندازه ذرات در محلول 490/0 می‌باشد که نشان دهنده ايجاد ذرات با توزیع یکنواخت و اندازه کوچک در محلول مي‌باشد. قطر هیدرودینامیکی نانوذرات اندازه­گیری شده در این تحقیق برابر با 10 تا 100 نانومتر می‌باشد. 

 

 

                                                                                A

    B                                                                    

                  

 

 

                                                                     

 

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل 1- A) طیف UV–Vis، B) تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی، C) DLS پتاسیم سبز سنتز شده

Fig 1- A) UV–Vis spectrum, B) SEM image, C) DLS of synthesized green potassium

 

طبق نتایج مشخص شد که تاثیر تیمارشوری بر وزن تر و خشک ریشه و ساقه، وزن خشک برگ، کلروفیل a، b، کلروفیل کل، کاروتنوئید در سطح 5 درصد (p<0.05) تفاوت معنی‌دار دارد. با افزایش شوری، وزن تر و خشک ریشه، وزن تر و خشک ساقه  کاهش یافت. بیشترین مربوط به گیاه شاهد و کمترین آن مربوط به تیمار شوری در غلظت 120 میلی‌مولار بود. تیمار شوری منجر به کاهش رنگیزه‌های فتوسنتزی (کلروفیل a، b و کل، کاروتنوئید) شد. بیشترین میزان در گیاهان تیمار شده با غلظت 40 میلی‌مولار و کمترین آن مربوط به تیمار شوری در غلظت 120 میلی‌مولار بود. غلظت شوری80 میلی‌مولار، تیمار شوری با نانوذرات پتاسیم در غلظت150 میلی‌گرم بر لیتر و غلظت شوری 120 میلی‌مولار، تیمار شوری با نانوذرات پتاسیم در غلظت 20، 60، 150 میلی‌گرم بر لیتر موجب افزایش وزن تر ریشه نسبت به نمونه شاهد شد (شکل A2). غلظت شوری 40، 80، 120 میلی‌مولار، تیمار شوری با نانو ذرات پتاسیم در غلظت 60، 150 میلی‌گرم بر لیتر موجب افزایش وزن خشک ریشه نسبت به نمونه شاهد شد (شکلB2). غلظت شوری 40 میلی‌مولار، تیمار شوری با نانوذرات پتاسیم در غلظت 20، 60، 150 میلی‌گرم بر لیتر و غلظت شوری 120 میلی‌مولار، تیمار شوری با نانوذرات پتاسیم در غلظت 150 میلی‌گرم بر لیتر موجب افزایش وزن تر ساقه نسبت به نمونه شاهد شد (شکلC2). غلظت شوری 40 میلی‌مولار، تیمار شوری با نانوذرات پتاسیم در غلظت 20، 60، 150 میلی‌گرم بر لیتر و غلظت شوری 80  میلی‌مولار، تیمار شوری با نانوذرات پتاسیم در غلظت 150 میلی‌گرم بر لیتر و غلظت شوری 120 میلی‌مولار، تیمار شوری با نانوذرات پتاسیم در غلظت 150 میلی‌گرم بر لیتر موجب افزایش وزن خشک ساقه نسبت به نمونه شاهد شد (شکلD2). غلظت 120 میلی‌مولار، تیمار شوری با نانو ذرات پتاسیم در غلطت 150 میلی‌گرم بر لیتر موجب کاهش میزان کلروفیل a شد (شکل A3). غلظت شوری 40 میلی‌مولار، تیمار شوری با نانوذرات پتاسیم در غلظت150،20 میلی‌گرم بر لیتر و غلظت شوری 80 میلی‌مولار، تیمار شوری با نانوذرات پتاسیم در غلظت 20، 150 میلی‌گرم بر لیتر موجب افزایش میزان کلروفیل b نسبت به نمونه شاهد شد (شکل B3). غلظت شوری 40، 80، 120 میلی‌مولار، تیمار شوری با نانوذرات پتاسیم در غلظت 20 میلی‌گرم بر لیتر موجب افزایش کلروفیل کل نسبت به نمونه شاهد شد (شکل C3). غلظت شوری 40 میلی‌مولار تیمار ­­شوری ­با ­نانو ذرات­ پتاسیم در غلظت صفر،20 میلی‌گرم بر لیتر و غلظت شوری 40، 80 میلی‌مولار، تیمار شوری با نانو ذرات پتاسیم در غلظت 20 میلی‌گرم بر لیتر موجب افزایش میزان کاروتنوئید نسبت به نمونه شاهد شد (شکلD3) (جدول 1).

 

 

 

 

 

 

 

 

جدول 1- تجزیه واریانس میانگین مربعات اثرات شوری، نانوذرات پتاسیم بر  پارامترهای رشد و رنگریزه‌های فتوسنتزی لوبیا

Table 1- Analysis of variance (ANOVA) of the effects of salinity and potassium nanoparticles on growth parameters and photosynthetic pigments of bean plants

منابع تغییرات	درجه آزادی	وزن تر ساقه	وزن تر ریشه	وزن خشک ساقه	وزن خشک ریشه	کلروفیلa	کلروفیل b	کلروفیل کل	کاروتنوئید
شوری	3	*13/2	*91/0	*14/0	*26/0	*69/42	*35/114	59/286	*87/0
نانوذره پتاسیم	3	*10/1	*35/1	034/0	*17/0	*50/8	*50/12	*97/225	*74/0
شوری× نانوذره پتاسیم	9	*69/0	*58/0	027/0	*15/0	*71/10	*89/18	*90/49	*33/0
خطا	110	27/0	12/0	022/0	029/0	11/0	*18/3	46/2	23/0

معنی‌داری در سطح 05/0

                                                                                       

 

                                                                                          

 

 

 

 

 

 

 

 

                                           

                            

 

 

 

 

         

 

 

شکل 2- تاثیر تنش شوری و نانوذره پتاسیم بر پارامترهای رشد گیاه لوبیا Mean±SE))

Fig 2- The effect of salinity stress and potassium nanoparticles on the growth parameters of bean plants (Mean ± SE)

 

 

 

                                                                                                             

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل3- تاثیر تنش شوری و نانوذره پتاسیم بر رنگریزه‌های فتوسنتزی گیاه لوبیا (Mean±SE)

Fig 3- Effect of salinity stress and potassium nanoparticles on photosynthetic pigments of bean plants (Mean ± SE)

 

تیمارهای شوری باعث کاهش قابل توجه وزن تر و خشک اندام هوایی و ریشه دانه‌رست می‌شوند  (Balal et (al., 2016. غلظت بالای شوری در محلول خاک منجر به افزایش تنش اسمزی می­شود که جذب آب توسط گیاه را محدود می­کند و بر فتوسنتز (کاهش غلظت کلروفیل) تأثیر می‌گذارد و در نهایت منجر به کاهش رشد گیاه می­شود (Etesami et al.,2021). شوري سبب كاهش وزن تر وخشك ساقه، ريشه در گياهان لوبيا شده است (Arif et al., 2020; Hao et al., 2021). از مهم‌ترین اثرات تنش شوری بر گیاهان تاثیر بر فتوسنتز است. تنش شوری باعث بسته شدن روزنه‌ها و کاهش غلظت دی‌ اکسید کربن درون سلولی می‌شود ( Rahneshan et al., 2018). شوری بر تبادلات گازی مانند هدایت روزنه‌ای و سرعت فتوسنتز تأثیر نامطلوب دارد و موجب کاهش فتوسنتز می‌گردد. کاهش مقادیر کلروفیل  aو b در شرایط تنش ناشی از فعالیت آنزیم‌های تخریب کننده کلروفیل (کلروفیلاز) و یا تخریب کلروپلاست و ناپایداری ترکیبات پروتئینی رنگدانه‌ها می‌باشد (Wang et al., 2024; Nanehkaran et al., 2024). که با نتایج این پژوهش همسو بود. افزودن نانو ذراتی مانند نانوذرات پتاسیم به محلول غذایی گیاه به عنوان کود، به دلیل داشتن اثرهایي مانند نفوذ سریع‌تر و راحت‌تر به درون غشاي سلولی، افزایش مقاومت بذر گیاهان در مقابل تنش‌هاي محیطی، افزایش فتوسنتز و عملکرد گیاهان نیز توجه زیادي را در بین تولیدگنندگان به خود اختصاص داده است (Kumari et al., 2021). بهبود رشد گیاه و افزایش بیومس در دو ژنوتیپ یونجه در تنش شوری بر نانوذرات سولفات پتاسیم گزارش شده است (Ditta. and Arshad, 2016). با توجه به اهمیت پتاسیم در تنظیم باز و بسته شدن روزنه‌ها و محدود کردن تجزیه کلروفیل ((He et al., 2023، استفاده از نانوذرات پتاسیم، شاخص‌های فتوسنتزی و تبادل گاز را افزایش می‌دهد ( (Nanehkaran et al., 2024. با استفاده از تیمار نانوذره پتاسیم، محتوای نسبی کلروفیل‌ها، بهره‌وری فتوشیمیایی فتوسیستمII، هدایت روزنه‌ای، کلروفیلa، b و کاروتنوئیدها به ویژه در غلظت 150 میلی‌مول تحریک شد (Nanehkaran et al., 2024). همچنین مطالعات نشان داد که با افزایش نانوذرات پتاسیم در محلول پاشی برگ، میزان کلروفیل برگ‌ها به‌طور قابل‌توجهی افزایش یافت. دلیل افزایش محتوای کلروفیل ممکن است به نقش پتاسیم در فعالیت بسیاری از آنزیم‌های مهم و همچنین افزایش توانایی گیاه در انجام فتوسنتز مرتبط باشد که منجر به افزایش محتوای کلروفیل برگ‌ها شده است(Noaema et al., 2020)  که با نتایج این پژوهش همسو بود.

نتیجه‌گیری کلی

گیاه لوبیا به شوری حساس است و با توجـه بـه اینکـه بخـش وسیعی از زمین‌هاي کشور به دلیل شرایط خـاص آب و هـوایی، طبیعت مواد مادري و کیفیت نامناسب آب آبیاري شور بوده یـا روند آنها به سمت شور شدن هر چه بیشتر می‌باشـد، طبیعـی است که کشت گیاهان در این شرایط با مشـکل مواجـه بـوده و لازم است تا حد امکان تدابیر لازم به منظور جلوگیري از کاهش عملکرد گیاهان به عمل آید. در این راستا یکی از موادی کـه مـی‌توانـد بـا بهبود وضعیت آب گیاه، اثرات شوري را تعدیل نماید نانوذرات سبز است. بنا به نتایج این پژوهش، غلظت بهینه برای پارامترهای رشد (وزن تر و خشک ریشه و ساقه در غلظت 150 میلی‌گرم بر لیتر)، رنگیزه‌‌های فتوسنتزی (کلروفیل b و کل، کاروتنوئید در غلظت 20 میلی‌گرم بر لیتر) بود. استفاده از نانو ذرات پتاسیم می‌تواند به‌عنوان یک جایگزین عالی برای بهبود بهره‌وری گیاه لوبیا، به ویژه برای تولید محصولات با کیفیت بالاتر استفاده شود. اگرچه، تحقیقات بیشتری برای توجه به تأثیرات نانوذرات پتاسیم بر گیاهان زراعی مورد نیاز است.  

سپاسگزاری: از دانشگاه آزاد اسلامی واحد شهید حاج قاسم سلیمانی (کرمان) بخاطر فراهم کردن شرایط آزمایشگاهی، دستگاهی و تجهیزات تشکر می­شود.

منابع 

1) Arif, Y., Singh, P., Siddiqui, H., Bajguz, A. and S, Hayat. 2020. Salinity induced physiological and biochemical changes in plants: An omic approach towards salt stress tolerance. Plant Physiology and Biochemistry, 156: 64–77.

2) Balal, R.M., Shahid, M.A., Javaid, M.M., Iqbal, Z., Liu, G.D., Zotarelli, L. and N, Khan. 2016. Chitosan alleviates phytotoxicity caused by boron through augmented polyamine metabolism and antioxidant activities and reduced boron concentration in Cucumis sativus L. Acta physiologiae plantarum, 39.

3) Ditta, A. and M, Arshad. 2016. Applications and perspectives of using nanomaterials for sustainable plant nutrition. Nanotechnology reviews, 5.

4) Etesami, H., Fatemi, H. and M, Rizwan. 2021. Interactions of nanoparticles and salinity stress at physiological, biochemical and molecular levels in plants: A review. Ecotoxicology and Environmental Safety, 225: 112769.

5) Hameed, A., Ahmed, M.Z., Hussain, T., Aziz, I., Ahmad, N., Gul, B. and B.L, Nielsen. 2021. Effects of salinity stress on chloroplast structure and function. Cells, 10: 2023.

6) Hao, S., Wang, Y., Yan, Y., Liu, Y., Wang, J., & Chen, S. 2021. A Review on Plant Responses to Salt Stress and Their Mechanisms of Salt Resistance. Horticulturae, 7(6): 132.

7) He, M., Ren, T.X., Jin, Z.D., Deng, L., Liu, H.J., Cheng, Y.Y., Li, Z.Y., Liu, X.X., Yang, Y. and H, Chang. 2023. Precise analysis of potassium isotopiccomposition in plant materials by multi- collector inductively coupled plasma mass spectrometry. Spectrochim Acta Part B Spectrosc, 209: 106781

8) Johnson, R., Vishwakarma, K., Hossen, M.S., Kumar, V., Shackira, A., Puthur, J.T., Abdi, G., Sarraf, M. and M, Hasanuzzaman. 2022. Potassium in plants: Growth regulation, signaling, and environmental stress tolerance. Plant Physiology and Biochemistry, 172: 56-69.

9) Kumari, S., Chhillar, H., Chopra, P., Khanna, R.R. and M.I.R, Khan. 2021. Potassium: A track to develop salinity tolerant plants. Plant Physiology and Biochemistry, 167: 1011-1023.

10) Nanehkaran, F.M., Razavi, S.M., Ghasemian, A., Ghorbani, A. and M, Zargar. 2024. Foliar applied potassium nanoparticles (K-NPs) and potassium sulfate on growth, physiological, and phytochemical parameters in Melissa officinalis L. under salt stress. Environmental Science and Pollution Research, 31(21): 31108-31122.

11) Nayak, P.R. and D.N, Begur. 2023. Eco-friendly Biosynthesis of Silver Nanoparticles from Aloe vera Leaves Based on Various Parameters. International Multidisciplinary Research Journal, 5(5): 1-8.

12) Noaema, A.H. and A.R, Alhasany. 2020. Effect of spraying nano fertilizers of potassium and boron on growth and yield of wheat (Triticum aestivum L.). In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 871(1): 012012. IOP Publishing.

13) Rahneshan, Z., Fatemeh, N. and A, Ali. 2018. Effects of salinity stress on some growth, physiological, biochemical parameters and nutrients in two pistachio (Pistacia vera L.) rootstocks. Journal of Plant Interactions, 13(1): 73-82.

14) Shahraki, S.H., Ahmadi, T., Jamali, B. and M, Rahimi. 2024. The biochemical and growth-associated traits of basil (Ocimum basilicum L.) affected by silver nanoparticles and silver. BMC Plant Biology, 24(1): 92.

15) Sheoran, P.S., Goel, R., Boora, S., Kumari, S. and S, Yashveer. 2021. Biogenic synthesis of potassium nanoparticles and their evaluation as a growth promoter in wheat. Plant Gene, 27: 100310.

16) Torche, Y., Blair, M. and C, Saida. 2018. Biochemical, physiological and phenological genetic analysis in common bean (Phaseolus vulgaris L.) under salt stress. Annals of Agricultural Sciences, 63(2): 153-161.

17) Usman, M., Farooq, M., Wakeel, A., Nawaz, A., Cheema, S.A. and R, Hu. 2020. Nanotechnology in agriculture: Current status, challenges and future opportunities. Science of The Total Environment, 721: 137778.

18) Vashisth, A., Nagarajan, S. 2010. Effect on germination and early growth characteristics in sunflower (Helianthus annuus) seeds exposed to static magnetic field. Journal of Plant Physiology, 167: 149–156.

19) Wang, X., Chen, Z. and N, Sui. 2024. Sensitivity and responses of chloroplasts to salt stress in plants. Frontiers in Plant Science,167(2): 149-56.