Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł badawczy
Zastosowanie wermikulitu i Azospirillum brasilense, szczególnie w połączeniu, poprawiło wzrost pszenicy, wydajność ziarna, wskaźnik fotosyntezy, przewodność szparek i zawartość chlorofilu, jednocześnie zmniejszając utratę elektrolitów i akumulację Cd w tkankach roślinnych w warunkach stresu kadmu (Cd).
Zanieczyszczenie gleby uprawnej kadmem (Cd) stanowi poważne zagrożenie dla produktywności upraw i zdrowia ludzi. Badanie to oceniło potencjał wermikulitu i bakterii promowanej wzrost roślin Azospirillum brasilense w zmniejszeniu toksyczności Cd w pszenicy (Triticum aestivum L.). Przeprowadzono eksperyment w doniczkach z trzema powtórzeniami i dziewięcioma warunkami: T0 (Kontrola), T1 (Cd 100 mg/kg), T2 (Cd 100 mg/kg + wermikulit), T3 (Cd 100 mg/kg + A. brasilense), T4 (Cd 100 mg/kg + wermikulit + A. brasilense), T5 (Cd 200 mg/kg), T6 (Cd 200 mg/kg + wermikulit), T7 (Cd 200 mg/kg + A. brasilense) i T8 (Cd 200 mg/kg + wermikulit + A. brasilense). Wyższe poziomy Cd powodowały silniejsze hamowanie wzrostu pszenicy. Jednakże, zabiegi z użyciem wermikulitu i A. brasilense znacząco poprawiły wzrost roślin, zmniejszyły akumulację Cd w tkankach roślinnych i zwiększyły aktywność enzymów przeciwutleniających (SOD, CAT). Należy zauważyć, że połączone zastosowanie wermikulitu i A. brasilense (T4 i T8) wykazało najbardziej efektywne łagodzenie stresu spowodowanego kadmem. Przy 100 mg/kg Cd (T4), rośliny pszenicy wykazywały 10,67% wzrost wysokości, 10,21% dłuższą długość kłosów i 19,87% wyższy plon ziarna w porównaniu z warunkiem tylko z Cd. Pod wpływem stresu 200 mg/kg Cd (T8), ta sama kombinacja prowadziła do 44,83% wzrostu wysokości roślin, 17,63% poprawy długości kłosów i 44,83% wzrostu plonu w stosunku do nietraktowanych roślin poddanych stresowi Cd (T5). Wyniki te pokazują, że synergiczne zastosowanie wermikulitu i Azospirillum brasilense poprawia tolerancję pszenicy na toksyczność kadmu. Ich połączone zastosowanie poprawia parametry wzrostu, cechy fizjologiczne i plon w warunkach stresu kadmu, zapewniając ekologiczny sposób rekultywacji gleb zanieczyszczonych kadmem i utrzymania produktywności pszenicy.
Żyto (Triticum aestivum L.) jest podstawową rośliną uprawną, która dostarcza głównego źródła energii dla milionów ludzi1. Jako podstawowe źródło pokarmu, jest uprawiana na ogromnych obszarach gruntów rolnych, szczególnie w strefach umiarkowanych. Wszechstronność, wartość odżywcza i przystosowanie żyta do zróżnicowanej różnych warunków środowiskowych sprawiają, że jest ono fundamentem bezpieczeństwa żywnościowego2. Jednak potencjał plonu żyta jest często ograniczany przez różne czynniki stresu abiotycznego i biotycznego, co prowadzi do znacznych strat wydajności. Jednym z pilnych wyzwań stojących przed produkcją żyta obecnie jest zanieczyszczenie gleby metalami ciężkimi, szczególnie kadmem (Cd)2,3. Kadm, toksyczny metal ciężki, może być wprowadzany do gleb rolniczych poprzez działalność przemysłową, nawozy fosforowe i nawadnianie zanieczyszczoną wodą. W glebie, Cd jest łatwo absorbowany przez rośliny żyta, gdzie gromadzi się w różnych tkankach, prowadząc do stresu oksydacyjnego, upośledzenia funkcji fizjologicznych i ograniczenia wzrostu3. Toksyczne działanie Cd na żyto nie tylko zmniejsza plony, ale także powoduje problemy zdrowotne u ludzi poprzez spożywanie zanieczyszczonego zboża. Toksyczność metali ciężkich i inne czynniki, takie jak niedobór składników odżywczych, zła struktura gleby, stres suszy i nieoptymalne praktyki agronomiczne, przyczyniają się do niskiego plonu żyta4. Ciągle obecne zagrożenie zmian klimatu pogarsza te wyzwania, co sprawia, że osiągnięcie zrównoważonej produkcji żyta staje się coraz trudniejsze5.
Wermikulit to naturalny minerał, który zyskał znaczną uwagę w rolnictwie ze względu na swoje unikalne właściwości i korzyści jako dodatek do gleby. Składający się głównie z hydratowanego magnezowo-glinowo-żelazowego krzemianu, wermikulit jest znany z jego zdolności do rozszerzania się po podgrzaniu, co daje lekkie, bardzo porowate materiały6. Ta rozszerzona forma wermikulitu wykazuje doskonałe właściwości zatrzymywania wody i przewietrzania, co czyni go idealnym medium do poprawy struktury gleby i poprawy wzrostu roślin. W zastosowaniach rolniczych, wermikulit służy jako kluczowy składnik mieszanek glebowych, szczególnie w obszarach o niskiej jakości gleby lub w warunkach wymagających ulepszania zarządzania wodą i składnikami odżywczymi7. Wermikulit ma zdolność zatrzymywania wody w glebie i utrzymywania wilgotności gleby podczas stresu wodnego. Jest on cenny w zapobieganiu przemoczeniu gleby i zapewnieniu stałego dostarczania wilgoci do korzeni roślin. Dodatkowo, wysoka pojemność wymiany kationów (CEC) wermikulitu pozwala mu dostarczać składniki odżywcze, takie jak potas (K), wapń (Ca) i magnez (Mg), które są dostępne dla roślin w czasie 8. Rola wermikulitu w łagodzeniu czynników stresu środowiskowego, takich jak zanieczyszczenie metalami ciężkimi, jest szczególnie interesująca w zrównoważonym rolnictwie6. Dzięki dużej powierzchni i powinowactwu do metali ciężkich, wermikulit może adsorbować i unieruchamiać toksyczne pierwiastki, takie jak kadm (Cd) w glebie, zmniejszając ich dostępność dla roślin. To nie tylko chroni uprawy przed szkodliwymi negatywnymi skutkami toksyczności metali, ale także pomaga w utrzymaniu zdrowia gleby poprzez usuwanie szkodliwych substancji6,9.
Azospirillum brasilense to dobrze znane bakterie korzeni roślin (PGPR), które przyciągnęły znaczne zainteresowanie w badaniach i praktykach rolniczych ze względu na jego zdolność do poprawy wzrostu i odporności roślin w różnych warunkach stresu10. Pierwotnie izolowane z rizosfery tropikalnych traw, A. brasilense to wolno żyjąca bakteria, która kolonizuje korzenie szerokiego zakresu upraw, w tym żyta (Triticum aestivum L.), gdzie nawiązuje korzystną relację z rośliną żywicielem11. Główne mechanizmy, którymi A. brasilense promuje wzrost upraw, polegają na wiązaniu azotu atmosferycznego N2 (azotu), który może łatwo absorbować i wykorzystywać do funkcji roślin. Ta biologiczna fiksacja azotu redukuje wymagania nawozów syntetycznych dla wzrostu roślin, przyczyniając się do bardziej zrównoważonych praktyk rolniczych1,11. A. brasilense jest znane z produkcji kwasu indolilo-3-octowego (IAA), który jest fytohormonem i może poprawić rozwój korzeni; ten rozwój korzeni może poprawić absorpcję składników odżywczych. Poza efektami promującymi wzrost, A. brasilense może również poprawić tolerancję roślin na toksyczność metali ciężkich12. W zanieczyszczonych glebach, A. brasilense moż
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wszystkie wytyczne lokalne, krajowe i międzynarodowe oraz przepisy prawne dotyczące stosowania roślin w niniejszym badaniu zostały przestrzegane. Stosowany sprzęt i odczynniki są wymienione w Tabeli Materiałów.
Układ eksperymentalny i materiał
Eksperyment w doniczkach został zaaranżowany na dachu budynku wydziału inżynierii rolniczej Uniwersytetu Khwaja Fareed Inżynierii i Technologii Informacyjnej w Pakistanie (28,42° N, 70,30° E) w celu zbadania roli wermikulitu i Azospirillum brasilense w łagodzeniu toksyczności kadmu (Cd) w pszenicy podczas zimy 2023–2024. Do eksperymentu zastosowano całkowicie zrandomyzowany układ (CRD) z trzema powtórzeniami. Zaakceptowana odmiana pszenicy “Dilkash-20” została uzyskana z Farmy Badawczej Adaptacyjnej w Rahim Yar Khan, która jest odpowiednia dla lokalnego regionu. Użyto doniczki o wymiarach 1 x 1 x 1 stopy (30,48 cm × 30,48 cm × 30,48 cm), zawierające 12 kg gleby. Sterilizacja nasion przeprowadzona została przed eksperymentem w laboratorium agronomicznym za pomocą 70% etanolu. Nasiona zasadziono 10 listopada 2023 r. Do każdej doniczki włożono 8 nasion pszenicy, a następnie utrzymywano 4 rośliny na etapie kłoszenia. Wermikulit uzyskano z lokalnego rynku i zastosowano podczas dodawania gleby w ilości 150 g/kg gleby. Azospirillum brasilense uzyskano z Uniwersytetu Państwowego w Lahaur (GCUL), Lahaur, Pakistan. Azospirillum brasilense zastosowano w zabiegu szczepienia nasion pszenicy zgodnie ze standardowym postępowaniem, jak podają Zaheer i wsp.17. Eksperyment składał się z 9 warunków (T0 = Kontrola (Bez nawożenia gleby, bez toksyczności Cd), T1 = Toksyczność Cd 100 mg/kg gleby, T2 = Cd 100 mg/kg gleby + Wermikulit, T3 = Cd 100 mg/kg gleby + A. brasilense, T4 = Cd 100 mg/kg gleby + Wermikulit + A. brasilense, T5 = Toksyczność Cd 200 mg/kg gleby, T6 = Cd 200 mg/kg gleby + Wermikulit, T7 = Cd 200 mg/kg gleby + A. brasilense, T8 = Cd 200 mg/kg gleby + Wermikulit + A. brasilense). Średnia miesięczna temperatura w °C i wilgotność w % na stanowisku eksperymentalnym są przedstawione w Tabeli 1. Przed rozpoczęciem eksperymentu przeprowadzono analizę gleby, a właściwości gleby są przedstawione w Tabeli 2. Irygację stosowano zgodnie z potrzebami na etapach kłoszenia, kłoszenia, kwitnienia i wypełniania ziarna, a nawozy również stosowano zgodnie z zaleceniami. Irygację stosowano ręcznie za pomocą beczki na wodę i utrzymywano 70% wilgotności gleby w każdej doniczce, bez stresu suszy. Nawozy stosowano zgodnie z zaleceniami departamentu rolnictwa (120-80-60 kg NPK ha-1). Nawozy obliczano zgodnie z wielkością każdej doniczki. Pełne dawki P i K oraz połowę dawki N stosowano podczas siewu, a pozostałą połowę dawki N stosowano na etapie kłoszenia. Destrukcyjne pobieranie próbek w celu zmierzenia długości korzeni i pędów (30 dni po posiewie) przeprowadzono na oddzielnych doniczkach przeznaczonych do wczesnego zbioru; doniczki te nie były używane do ostatecznych pomiarów plonu, więc wcześniejsze destrukcyjne pobieranie próbek nie wpłynęło na późniejsze dane dotyczące plonu. Schematyczny harmonogram eksperymentu przedstawia się następująco: Dzień 0 (przygotowanie gleby, zakwaszenie Cd, mieszanie wermikulitu, szczepienie nasion, siew), Dzień 10–30 (pobranie próbek korzeni do qPCR), Dzień 30 (długość korzeni i pędów), Dzień 85 (kwitnienie: pomiary fizjologiczne) i Dzień 120 (zbiór: parametry plonu). Próbki roślin pobierało się w trzech punktach czasowych. W 10, 20 i 30 dniu po posiewie (DAS) korzenie pobierało się z oddzielnych doniczek. W 30 dniu DAS oddzielne doniczki niszczono w celu zmierzenia długości korzeni i pędów. W 85 dniu DAS (kwitnienie) parametry fizjologiczne mierzyło się niedestrukcyjnie. W 120 dniu DAS rejestrowano ostateczne parametry plonu. Doniczki użyte do wczesnego destrukcyjnego pobierania próbek (10–30 DAS) nie były używane do pomiarów plonu.
Kadmium stosowano w postaci chlorku kadmu (CdCl2·2,5H2O, stopnia analitycznego, czystość ≥98%). Wymagane ilości dla docelowych stężeń 100 mg Cd/kg gleby i 200 mg Cd/kg gleby obliczono na podstawie suchej wagi gleby (12 kg na doniczkę). CdCl2 rozpuszczono w 500 ml wody dejonizowanej na doniczkę i dokładnie wymieszano z glebą za pomocą mieszadła mechanicznego przez 15 min, aby zapewnić jednorodne rozmieszczenie. Po wymieszaniu, zainfekowaną glebę umieszczono w doniczkach wyłożonych plastikiem i pozostawiono w temperaturze pokojowej (25 ± 2 °C) przez 14 d
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wysokość roślin (PH) była znacząco wpłynięta przez modyfikacje gleby we wszystkich badanych warunkach (Tabela 4). Najwyższy pH zauważono w T0 (199,44 cm), gdy nie było modyfikacji gleby i brak było toksyczności Cd, następnie w T4 (98,44 cm), gdy toksyczność Cd wynosiła 100 mg/kg gleby z zastosowaniem wermikulitu i A. brasilense. Najniższy pH (82,37 cm) zauważono w T5, gdy toksyczność Cd wynosiła 200 mg/kg gleby. Zaobserwowano również, że PH zmniejszał się wraz ze wzrostem toksyczności Cd, a znac...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Toksyczność kadmu znacząco zmniejszyła wszystkie mierzone parametry wzrostu i plonu pszenicy22. To tłumienie wzrostu może być przypisane stresowi oksydacyjnemu indukowanego przez kadm, który zakłóca podział i wydłużanie komórek, upośledza przyswajanie składników odżywczych i zmniejsza efektywność fotosyntezy. Podobnie, liczba kłosków na kłosie, ziarna na kłosie, waga ziarna i plon na roślinę znacząco spadły w warunkach stresu kadmowego. Te ustalenia są zgodne z wcześniejszymi badaniami podkreślają...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy deklarują, że nie mają żadnych konfliktów interesów. Podczas przygotowywania niniejszego rękopisu autorzy korzystali z ChatGPT oraz Grammarly w celu poprawy technicznej i języka angielskiego w artykule. Po użyciu tego narzędzia/usługi autorzy przejrzeli i edytowali treść według potrzeb oraz przyjmują pełną odpowiedzialność za treść publikacji.
Autorzy dziękują za wsparcie finansowe udzielone przez Dziekanat Badań Naukowych, Wiceprezidium ds. Studiów Podyplomowych i Badań Naukowych, Uniwersytet King Faisal, Arabia Saudyjska, dla tego badania (Numer grantu KFU263053).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Atomic absorption spectrophotometer (AAS) | PerkinElmer, USA | AAnalyst 800 | Weryfikacja stężenia Cd w glebie |
| Azospirillum brasilense | Government College University Lahore (GCUL), Pakistan | Odtwarzalna szczep z kolekcji GCUL | Inokulacja nasion |
| Chlorek kadmu (CdCl2·2.5H2O) | Merck, Niemcy | CAS No. 7790-78-5 | Indukcja stresu Cd |
| Miernik chlorofilu | Nieoznaczony | CL-1 | Pomiar zawartości chlorofilu |
| DNeasy PowerSoil Kit | QIAGEN, Hilden, Niemcy | Nr kat. 12888-100 | Ekstrakcja DNA z korzeni |
| Excel 2010 | Microsoft, USA | Wersja 14.0 | Kompletacja danych i podstawowe statystyki |
| Infrared gas analyzer (IRGA) | Nieoznaczony | CI-340 | Szybkość fotosyntezy i przewodność stoma |
| Specyficzne dla nifH primery | Syntezowanie na zamówienie | Sekwencje podane w tekście | Amplifikowanie qPCR |
| Ninhydryna | Sigma-Aldrich, USA | CAS No. 485-47-2 | Oznaczanie zawartości proliny |
| QuantStudio 5 Real-Time PCR System | Applied Biosystems, USA | QuantStudio 5 | Analiza qPCR |
| Spektrofotometr | Nieoznaczony | Nieoznaczony | Pomiar zawartości proliny |
| Statistik 8.1 | Analytical Software, USA | Wersja 8.1 | Analiza statystyczna (ANOVA, LSD) |
| SYBR Green Master Mix | Applied Biosystems, USA | Nr kat. 4309155 | Detekcja qPCR |
| Wermikulit (jakość ogrodnicza) | Rynek lokalny, Rahim Yar Khan, Pakistan | Brak | Modyfikacja gleby |
| Odmiany pszenicy “Dilkash-20” | Adaptive Research Farm, Rahim Yar Khan, Pakistan | Lokalna zatwierdzona odmiana | Materiał roślinny |