Tutte le linee guida e normative locali, nazionali e internazionali per l'uso delle piante in questo studio sono state rispettate. I reagenti e le attrezzature utilizzate sono elencati nella Tabella dei Materiali.
Disposizione sperimentale e materiale
Un esperimento con la marijuana è stato organizzato sul tetto dell'edificio del dipartimento di ingegneria agricola della Khwaja Fareed University of Engineering and Information Technology, Pakistan (28,42° N, 70,30° E) per indagare il ruolo della vermiculite e dell'Azospirillum brasilense nel mitigare la tossicità del cadmio (Cd) nel raccolto di grano durante la stagione invernale 2023–2024. Per questo esperimento è stato utilizzato un disegno completamente randomizzato (CRD), con tre repliche. Una varietà di grano approvata di "Dilkash-20" è stata ottenuta dalla Fattoria di Ricerca Adottiva Rahim Yar Khan, adatta alla regione locale. È stato utilizzato un vaso di dimensione 1 x 1 x 1 piede (30,48 cm × 30,48 cm × 30,48 cm), con 12 kg di terreno. La sterilizzazione dei semi è stata effettuata prima dell'esperimento nel laboratorio di agronomia con il 70% di etanolo. I semi sono stati piantati il 10novembre 2023. Sono stati messi 8 semi di grano in ogni vaso e 4 piante sono state mantenute nella fase di coltivazione. La vermiculite veniva ottenuta dal mercato locale e applicata durante l'aggiunta del terreno a una quantità di 150 g/kg di terreno. Azospirillum brasilense è stato ottenuto presso il Government College University Lahore (GCUL), Lahore, Pakistan. Azospirillum brasilense è stato applicato con l'inoculazione dei semi nel raccolto di grano secondo la procedura standard riportata da Zaheer et al.17. L'esperimento è stato composto da 9 trattamenti (T0 = Controllo (Nessuna modifica del suolo, nessuna tossicità da Cd), T1 = Tossicità da CD 100 mg/kg di terreno, T2 = Cd 100 mg/kg di terreno + Vermiculite, T3 = Cd 100 mg/kg di terreno + A. brasilense, T4 = Cd 100 mg/kg di terreno + Vermiculite + A. brasilense, T5 = Tossicità Cd 200 mg/kg di terreno, T6 = Cd 200 mg/kg di terreno + Vermiculite, T7 = Cd 200 mg/kg di terreno + A. brasilense, T8 = Cd 200 mg/kg di terreno + Vermiculite + A. brasilense). La temperatura media mensile in °C e l'umidità in % nel sito sperimentale sono mostrate nella Tabella 1. Prima dell'inizio dell'esperimento, è stata effettuata un'analisi del suolo e le proprietà del suolo sono mostrate nella Tabella 2. L'irrigazione è stata applicata secondo le esigenze nelle fasi di lavorazione, stivatura, antesi e riempimento del grano, e i fertilizzanti sono stati applicati uniformemente come raccomandato. L'irrigazione veniva applicata manualmente con l'uso di un barattolo d'acqua e manteneva il 70% dell'umidità del suolo in ogni vaso, senza stress da siccità. I fertilizzanti sono stati applicati secondo le raccomandazioni del dipartimento dell'agricoltura (120-80-60 kg NPK ha-1). I fertilizzanti venivano calcolati in base alla dimensione di ogni vaso. Dosi complete di P e K e mezza dose di N sono state applicate al momento della semina, mentre la restante mezza dose di N è stata applicata alla fase di tillering. Un campionamento distruttivo per le misurazioni della lunghezza delle radici e dei germogli (30 giorni dopo la semina) è stato effettuato su vasi separati destinati al raccolto nelle prime fasi iniziali; Questi vasi non venivano utilizzati per le misurazioni finali della resa, quindi il campionamento distruttivo precoce non influenzava i dati successivi sulla resa. Una timeline schematica dell'esperimento è la seguente: Giorno 0 (preparazione del suolo, spiking del Cd, miscelazione della vermiculite, inoculazione dei semi, semina), Giorno 10–30 (campionamento radicale per qPCR), Giorno 30 (lunghezza della radice e del germoglio), Giorno 85 (antesi: misurazioni fisiologiche) e Giorno 120 (raccolta: parametri di resa). I campioni di piante sono stati raccolti in tre momenti temporali. A 10, 20 e 30 giorni dopo la semina (DAS), le radici venivano raccolte da vasi separati. A 30 DAS, vasi separati venivano raccolti in modo distruttivo per la lunghezza delle radici e dei germogli. A 85 DAS (antesi), i parametri fisiologici sono stati misurati in modo non distruttivo. A 120 DAS, sono stati registrati i parametri finali di resa. I vasi utilizzati per il campionamento distruttivo precoce (10–30 DAS) non venivano utilizzati per le misurazioni della resa.
Il cadmio veniva applicato come cloruro di cadmio (CdCl₂•2,5H₂O, grado analitico, ≥98% di purezza). Le quantità richieste per concentrazioni target di 100 mg Cd kg⁻1 suolo e 200 mg Cd kg⁻1 sono state calcolate in base al peso secco del suolo (12 kg per vaso). Il CdCl₂ è stato sciolto in 500 mL di acqua deionizzata per vaso e mescolato accuratamente con il terreno utilizzando un miscelatore meccanico per 15 minuti per garantire una distribuzione omogenea. Dopo la miscelazione, il terreno puntato veniva posto in vasi rivestiti di plastica e lasciato in equilibrio per 14 giorni a temperatura ambiente (25 ± 2 °C) con miscelazioni periodiche ogni 3 giorni per stabilizzare la speciazione Cd e permettere l'invecchiamento. L'umidità del suolo è stata mantenuta al 70% della capacità del campo durante il periodo di equilibrio. Dopo l'equilibrio, campioni rappresentativi di suolo (10 g per vaso) sono stati raccolti, asciugati all'aria, digeriti con HNO₃/HClO₄ (4:1, v/v) e analizzati per la concentrazione totale di Cd utilizzando uno spettrofotometro di assorbimento atomico per verificare i livelli effettivi di Cd. Le concentrazioni di Cd misurate sono state 98,4 ± 3,2 mg kg⁻1 per il trattamento a 100 mg kg⁻1 e 197,6 ± 5,1 mg kg⁻1 per il trattamento a 200 mg kg⁻1 , confermando che i livelli target erano stati raggiunti. Le proprietà fisicochimiche e il contenuto di metalli pesanti della vermicolite utilizzata in questo studio sono mostrate nella Tabella 3.
| Mese | Temperatura (°C) | Umidità (%) |
| Novembre 2023 | 28 | 56 |
| Dicembre 2023 | 18 | 62 |
| Gennaio 2024 | 17 | 63 |
| Febbraio 2024 | 18 | 32 |
| Marzo 2024 | 21 | 25 |
| Aprile 2024 | 24 | 20 |
Tabella 1: Temperatura media e umidità del sito sperimentale durante il periodo 2023–2024.
| Parametri | Valori (2023-24) |
| Materia organica | 0.56% |
| pH | 7.42 |
| EC | 227 μS/cm |
| T.S.S. | 0.54% |
| Available-P | 5,21 ppm |
| Disponibili-K | 119 ppm |
| Percentuale di saturazione | 34 |
| Separazioni del suolo: Sabbia, limo, argilla (%) | 36%, 40 %, 24 % |
Tabella 2: Proprietà del suolo utilizzato per l'esperimento prima della semina della coltura.
| Proprietà | Valore | Metallo | Concentrazione (mg kg⁻¹) |
| Grado | Grado orticolo | Cadmio (Cd) | < 0,01 (sotto il limite di rilevamento) |
| Dimensione delle particelle | 2-4 mm | Lead (PB) | 2.1 |
| pH (1:5 in H₂O) | 7.2 | Rame (Cu) | 1.8 |
| Capacità di scambio cationico (CEC) | 85,4 cmolc kg⁻¹ | Zinco (Zn) | 5.3 |
| Capacità di ritenzione dell'acqua (WHC) | 450% (a settimana) | - | - |
| Densità globale | 0,12 g cm-3 | - | - |
| Tasso di candidatura | 150 g kg⁻¹ di terreno (15% p/w) | - | - |
| Quantità per vaso (12 kg di terreno) | 1,8 kg | - | - |
Tabella 3: Proprietà fisicochimiche e contenuto di metalli pesanti della vermicolite utilizzata in questo studio.
Tratti studiati
Tutti i parametri relativi alla crescita delle piante, come altezza della pianta, lunghezza della spina, numero di spiche per punta, grani per spina, peso di 1000 grani e resa per pianta, venivano registrati manualmente con l'uso di una barra di misura e un bilancio di peso tramite una procedura standard. Analisi biochimiche (determinazione delle attività enzimatiche antiossidanti) e analisi fisiologiche (tasso fotosintetico, conduttanza stomatica, contenuto di clorofilla, perdita di elettroliti (EL), velocità di crescita delle colture (CGR) e indice dell'area fogliare (LAI)) sono state effettuate allo stadio dell'antesi dopo 85 giorni di semina. La lunghezza delle radici e dei germogli è stata nota dopo 30 giorni di crescita delle piante di grano, quando le piante sono state rimosse per mantenere 4 piante nel vaso dopo 20 giorni di semina. Un analizzatore di gas a infrarossi (Cl-340) e un misuratore di clorofilla (CL-1) sono stati utilizzati per osservare rispettivamente la velocità fotosintetica, la conduttanza stomatica e il contenuto di clorofilla. La perdita di elettroliti (EL) è stata misurata con l'equazione riportata da Mussell eStaples 18 secondo la procedura standard riportata da Zaheer et al.14. EL è stato calcolato come: EL (%) = (EC iniziale / EC finale) × 100, dove l'EC iniziale è la conducibilità elettrica misurata dopo 24 ore di incubazione a 25 °C, e la CE finale è la conducibilità misurata dopo l'autoclav dei campioni a 121 °C per 20 minuti.
L'azoto organico disciolto (DOC), il carbonio organico disciolto (DOC) e il carbonio organico del suolo (SOC) sono stati misurati con la procedurastandard 19. LAI e CGR sono stati rilevati secondo la procedura20. È stata notata l'acquisizione di N, P e K da parte dell'impianto di grano, come riportato nella procedura descritta dal precedenterapporto 21.
Analisi statistica
Tutti i dati per questa ricerca sono stati raccolti da tre repliche, compilati e mediati. I dati sono stati analizzati statisticamente con l'uso di Statistic 8.1 e Microsoft Excel 2010. I dati sono stati analizzati utilizzando ANOVA unidirezionale seguita dal test di Fisher per la Differenza Minima Significativa (LSD) a p ≤ 0,05 per la separazione media. Diverse lettere che mostrano i dati/risultati mostrano la differenza statistica tra ogni trattamento.