Efficacité des nanoparticules de ZnO dans l'enrichissement en Zn et la séparation des grains de blé et de riz sous stress salin

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 2022 (2023) Citer cet article

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La carence en zinc (Zn) est un problème de santé majeur dans les pays en développement en raison de la dépendance à l'égard d'un régime alimentaire à base de céréales. Les céréales sont intrinsèquement pauvres en Zn et l'utilisation inévitable de terres stressées a encore aggravé le problème. L'objectif des recherches actuelles était d'améliorer la concentration en Zn des grains de blé et de riz cultivés dans des sols salins grâce à des nanoparticules d'oxyde de zinc (ZnO-NPs) en raison de leur disponibilité élevée en perspective. Les ZnO-NPs ont été préparés par la méthode de co-précipitation et caractérisés par diffraction des rayons X (XRD) et microscope électronique à balayage (SEM). Deux expériences en pot distinctes pour le blé et le riz ont été menées pour vérifier l'efficacité relative des ZnO-NPs par rapport à d'autres sources de Zn en vrac, à savoir le sulfate de zinc heptahydraté (ZnSO4·7H2O) et le ZnO. Les résultats ont montré que le stress salin avait un impact négatif sur les paramètres testés. Il y a eu une amélioration significative (p ≤ 0,05) de la croissance, de la tolérance au sel, de l'absorption de Zn par les plantes et des concentrations de Zn dans les grains par l'application de Zn via des sources de Zn. Les ZnO-NPs ont montré une amélioration maximale des paramètres des cultures par rapport à d'autres sources en raison de leur absorption et de leur translocation plus élevées dans les plantes dans des conditions de sol normales et stressées. Ainsi, les nanoparticules de ZnO se sont avérées plus efficaces pour l'enrichissement des grains en Zn dans les cultures de blé et de riz testées dans des conditions normales et salines.

La salinité a été une préoccupation majeure pour l'agriculture mondiale et est devenue le stress environnemental abiotique le plus menaçant, entraînant une perte de fertilité et de productivité des cultures1. L'augmentation des concentrations de sodium (Na+) et de chlorure (Cl−) et le stress osmotique entraînent une absorption réduite des nutriments essentiels, une disponibilité réduite de l'eau et des troubles fonctionnels de plusieurs processus physiologiques des plantes2,3. Par conséquent, le rendement et la qualité des cultures sont grandement compromis. Le déséquilibre ionique et la concentration élevée de Na+ dans les plantes entraînent un retard de croissance et une mauvaise teneur en éléments nutritifs des céréales4, y compris le blé et le riz. Présence de quelques-uns ou de tous les facteurs tels que le climat aride, la température régionale élevée entraînant un mouvement net de l'eau vers le haut et l'accumulation de sel de surface, une utilisation déséquilibrée et insuffisante d'engrais, une faible matière organique (OM), un pH élevé, un sol calcaire et une eau d'irrigation à haute teneur en carbonate, etc. conduit à la salinité du sol et à la carence de la plupart des nutriments, y compris le Zn5.

Le zinc a été évalué comme le micronutriment le plus souvent déficient dans la plupart des sols calcaires après N et P6. Les cultures céréalières couramment cultivées, le blé et le riz sont les plus susceptibles de souffrir d'une carence en Zn dans les pays en développement7. Le Zn est un composant vital de plusieurs enzymes et agit comme cofacteur de plus de 300 enzymes. Chez les plantes, le Zn est nécessaire pour la translocation, la transcription et la régulation de la plupart des activités enzymatiques et est vital pour la stabilité structurelle de plusieurs protéines8 et des composants structurels des ribosomes7.

Environ la moitié de la population des pays asiatiques et africains est à risque de carence en Zn et le taux augmente à une échelle alarmante9. La carence en Zn est plus fréquente chez les femmes et les enfants en raison d'une malnutrition sévère. La dépendance au régime alimentaire à base de céréales avec une très faible concentration en Zn et une faible biodisponibilité est la principale raison de ce scénario. Des sols de plus en plus détériorés aggravent encore le problème et ne peuvent pas répondre au besoin humain d'une absorption suffisante de Zn. Les sols salins et/ou sodiques ont une solubilité réduite des micronutriments, de sorte que les plantes cultivées sur de tels sols doivent faire face à la carence en micronutriments, en particulier en Zn10. Il a été rapporté que le Zn joue un rôle important dans l'atténuation du stress et aide à réduire l'accumulation de Na+ dans les plantes et à augmenter l'accumulation de K+ dans les plantes dans des conditions salines11.

La carence en zinc et le stress salin sont généralement considérés comme deux facteurs distincts limitant la croissance, tandis que leur effet d'interaction n'est pas étudié en détail et n'est pas bien rapporté. Cependant, peu de chercheurs ont documenté l'effet du stress salin sur l'absorption de Zn. Les sols avec un SAR et un pH élevés ont une très faible solubilité des micronutriments12. La force ionique élevée du milieu de croissance a un effet négatif important sur l'absorption de Zn par les plantes.

Le blé et le riz sont les aliments de base les plus importants, en particulier dans les pays en développement d'Asie du Sud-Est et les habitants de ces pays dépendent de ces deux céréales pour la majeure partie de leur apport calorique quotidien. Ces deux céréales sont considérées comme une mauvaise source de Zn en termes de biodisponibilité et de teneur totale en Zn. Les céréales les plus couramment utilisées comme le blé et le riz souffriraient d'une carence en Zn dans les sols calcaires5,6. La situation s'aggrave lorsqu'il y a un problème de stress salin.

Compte tenu du scénario actuel, nous devons maintenir un pool suffisamment important de sol de Zn disponible pour les plantes. Pour cela, nous avons fortement besoin du développement et de l'application de nouvelles technologies d'engrais pour fournir des cultures nutritives à cette population mondiale en augmentation rapide. La présente étude porte sur la fortification agronomique du blé et du riz en Zn. L'enrichissement agronomique s'est avéré très efficace pour les céréales, en particulier le blé et le riz. Étant donné qu'une concentration plus élevée de Zn est nécessaire pour obtenir un impact calculable sur la santé humaine et aussi pour éviter toute perte de rendement des plantes due à une carence en Zn. Par conséquent, pour la biofortification des cultures en Zn, fournir suffisamment de Zn par le biais d'engrais par différents moyens est d'une importance cruciale.

À cet égard, l'utilisation des nanotechnologies peut être un moyen efficace de faire face à la situation. En raison de leur plus petite taille et de leur plus grande surface13, les NP ont de nombreuses applications potentielles dans l'agriculture, y compris les nano-engrais14. Parmi les nanomatériaux manufacturés, les nanoparticules d'oxyde de zinc (ZnO-NP) sont des nanoparticules d'oxyde métallique couramment utilisées. Le nano-ZnO fait également partie des composés de Zn répertoriés comme "généralement reconnus comme sûrs" (GRAS) par l'USFDA (United States Food and Drug Administration)15. Les nanoparticules de ZnO apparaissent normalement sous forme de poudre blanche. Il est peu soluble dans l'eau. En raison de leur petite taille et de leur grande surface, les nanoparticules de ZnO devraient être le remplacement idéal des engrais Zn conventionnels pour les plantes16.

Compte tenu de ces scénarios et problèmes actuels, la présente étude a été mise en place pour comprendre les réactions des nanoparticules de ZnO dans le système végétal du sol afin qu'une évaluation puisse être faite pour son utilisation possible comme option de fertilisation plus efficace par rapport aux ressources en vrac disponibles de Zn. Évaluer principalement l'efficacité des ZnO-NPs dans des conditions de stress salin en raison de l'utilisation prévisible inévitable des terres stressées pour la croissance des céréales.

Les nanoparticules de ZnO ont été préparées par la méthode de co-précipitation. Une procédure proposée a été suivie avec de légères modifications17. En bref, une solution de NaOH fraîchement préparée a été lentement ajoutée à la solution de ZnSO4.7H2O goutte à goutte à un rapport de 2:1 respectivement. Le mélange blanc laiteux résultant a été agité pendant 12 h sur un agitateur magnétique. Les précipités de ZnO préparés ont été filtrés (Whatman n° 42) puis lavés abondamment avec de l'eau désionisée. Le lavage et la filtration ont été effectués au moins trois fois pour laver complètement les précipités. Ensuite, les précipités ont été séchés à 105°C dans une étuve à air pulsé. Les précipités séchés ont été broyés dans un pilon et un mortier et calcinés à 550°C pendant 2 h. La méthode par étapes est présentée à la Fig. 1. L'équation de réaction équilibrée est la suivante :

Organigramme de la synthèse des nanoparticules de ZnO.

La diffraction des rayons X sur poudre (XRD), le sizer Zeta et l'analyse par microscopie électronique à balayage (SEM) ont été utilisés pour caractériser les nanoparticules préparées18.

Une analyse par diffractomètre à rayons X a été effectuée pour déterminer la structure de la phase cristalline et la taille des ZnO-NPs. La taille des cristaux de ZnO NPs a été calculée par l'équation de Debye-Scherrer19 :

où, D = la taille cristalline moyenne, k = la constante de Scherer (0,89), λ = la longueur d'onde des rayons X, β = la pleine largeur de l'intensité maximale du demi-crête (FWHM) (en radians) notée \(\Delta \left(2 \uptheta \right)\) et θ = angle de diffraction de Bragg.

Pour chaque application de nanoparticules, la quantité déjà pesée de nanoparticules de ZnO requises pour le blé et le riz (tableau 2) a été mise en suspension directement dans de l'eau déminéralisée dans un flacon, puis les particules ont été dispersées par vibration ultrasonique dans un sonicateur à bain-marie pendant 30 minutes juste avant l'application. de traitement. Chaque réplication et chaque traitement ont été soniqués séparément.

Le cultivar de blé FSD-2008 a été obtenu auprès de l'Institut de recherche sur le blé Faisalabad et le cultivar de riz IR-6 a été utilisé et obtenu auprès de l'Institut de recherche sur le riz Kala Shah Kaku. Les deux sont des variétés approuvées et la permission a été accordée de les utiliser à des fins expérimentales à partir des stations de recherche respectives. Deux expériences en pot distinctes pour les cultures de blé et de riz ont été organisées dans la maison grillagée de l'Institut des sciences du sol et de l'environnement de l'Université d'agriculture de Faisalabad.

Le sol de surface normal (0–20 cm) a été collecté dans des champs agricoles de la ferme d'utilisation des terres, Université d'agriculture de Faisalabad (UAF) au Pakistan. Des analyses de sol avant semis ont été effectuées selon les méthodes standard (tableau 1). Le remplissage des pots a été fait à raison de 12 kg de terre par pot pour le blé et 8 kg par pot pour le riz. La salinité a été développée en mélangeant une quantité calculée de NaCl dans le sol de chaque pot avant le remplissage du pot. Le Zn a été appliqué à l'aide de trois sources (ZnSO4·7H2O, ZnO et nanoparticules de ZnO) pour chaque culture. Le plan de traitement pour l'expérience de blé et de riz est décrit dans le tableau 2.

Les graines ont été semées directement dans le cas du blé, tandis que la pépinière a été élevée pour le riz au champ, puis les semis âgés de 30 jours ont été repiqués dans des pots traités. Les pots ont été disposés selon une conception complètement aléatoire et chaque traitement a été répété trois fois. L'urée (46% N), le phosphate di-ammonique (DAP, 46% P2O5, 18% N) et le sulfate de potassium (SOP, 50% K2O) ont été utilisés respectivement comme sources d'engrais de NPK. La dose complète de P et K a été appliquée au semis (repiquage dans le cas du riz) tandis que la moitié du N a été appliquée au semis/repiquage et l'autre moitié a été appliquée au début de la floraison. Pour le blé, 0,52 g d'urée, 2,68 g de DAP et 0,86 g de SOP ont été utilisés pour chaque pot de 12 kg tandis que pour le riz, 0,313 g d'urée, 1,20 g de DAP et 0,58 g de SOP ont été utilisés pour chaque pot de 8 kg.

La valeur de l'indice de la teneur totale en chlorophylle (TCC) en termes de Division d'analyse des produits spéciaux (SPAD, une division de Minolta) a été déterminée au stade de la feuille étendard à l'aide d'un SPAD-502m portatif (Minolta, Osaka, Japon). Les jeunes feuilles entièrement développées ont été sélectionnées à partir de l'apex pour obtenir des lectures. Trois lectures ont été prises de l'extrémité de la feuille à la base de la feuille et la moyenne a été prise20.

Les cultures ont été récoltées à maturité et les paramètres de croissance tels que la hauteur de la plante, le rendement en paille, le rendement en grains, le nombre de talles, le nombre d'épis et d'épillets ont été enregistrés. Des échantillons de grains et de paille ont été prélevés et séchés dans une étuve à ventilation forcée à 65 ± 5 °C pendant 72 h ou à moins que le poids constant ne soit atteint pour une analyse chimique plus poussée.

Les échantillons de plantes séchées ont été broyés dans un broyeur mécanique sous forme de poudre et stockés dans des sacs en plastique à fermeture à glissière. Des échantillons de plantes finement broyés et séchés ont été digérés selon la procédure de digestion humide modifiée21 pour une récupération élevée de Zn.

Le Na + et le K + ont été déterminés via un photomètre à flamme (Jenway PFP-7, Loughborough, Leicestershire, Royaume-Uni), tandis que Zn a été déterminé via un spectrophotomètre à absorption atomique à flamme (FAAS; Model Thermo S-Series, Thermo Electron Corporation, Cambridge, Royaume-Uni) suivant le procédures mentionnées dans le manuel de l'ICARDA (Centre international de recherche agricole dans les zones arides) par Estefan et al.22. Pour la détermination du Zn du riz, la balle du paddy a été retirée pour obtenir des résultats pour le grain de riz.

L'absorption de Zn par les racines, les pousses et les grains a été calculée à l'aide de la formule suivante :

Le pourcentage de Zn dans chaque partie de la plante a été calculé par la formule suivante :

où ZnX est l'absorption de Zn dans une partie spécifique de la plante (racine, pousse et grain) mg plante-1 et ZnY est la somme de l'absorption de Zn dans la racine, la pousse et le grain de la plante (mg plante-1).

Les ZnO-NPs avec une taille moyenne de particules d'environ 20 à 60 nm ont été calculés à l'aide de l'équation de Scherrer. La caractérisation des particules synthétisées a été réalisée par XRD et SEM. L'analyse XRD a été effectuée pour déterminer la pureté et la taille cristalline des ZnO-NPs synthétisés. Le schéma de diffraction des rayons X ZnO-NPs est représenté sur les Fig. 2 et 3. Tous les pics représentés dans le diagramme de diffraction correspondaient bien aux plans cristallins de la structure hexagonale wurtzite ZnO (carte JCPDS n° 36-1451) car l'emplacement des pics de diffraction peut être vu aux angles de diffraction (2°Th.) 31,8°, 34,5°, 36,3°, 47,6°, 56,6°, 62,9°, 66,4°, 67,9°, 69,1° et 77° qui lui correspondent bien23,24.

Diagramme de diffraction des rayons X des ZnO-NPs.

Tous les pics de diffraction ont montré des intensités de pic pointues qui indiquent que le matériau préparé a une bonne nature cristalline et se compose de particules dans la gamme nano. Il a également confirmé la pureté des ZnO-NPs synthétisés car il n'y avait aucune trace de pics enregistrés autres que ceux de ZnO. Le diamètre des ZnO-NP préparés a été calculé par l'équation de Scherrer 19 et s'est avéré être de 22, 96 nm où β est la FWHM du pic de diffraction correspondant au plan (101) situé à 36, 3 °. Les images SEM à 20 kX ont également montré une taille de particules de 51 nm avec une forme sphérique.

Les données pour les paramètres de croissance et de rendement, par exemple la hauteur de la plante (PH), le nombre de talles (T), le rendement en grains (GY) et la teneur totale en chlorophylle (TCC) du blé sont répertoriées dans le tableau 3.

L'analyse de la variance des données de tous ces paramètres a montré une différence significative (p ≤ 0,05) entre les sources et les traitements au sel, tandis que les effets d'interaction n'étaient pas significatifs pour tous ces paramètres. Cela signifie que bien qu'il y ait une différence de comportement des trois sources dans les deux conditions de croissance (normales et salines), le comportement respectif de chaque source était presque le même en ce qui concerne les conditions de croissance (normales ou salines). La croissance des plantes a été grandement affectée par le stress salin mais s'est considérablement améliorée grâce à l'application de Zn. La réponse des plantes à l'application de Zn par chaque source était différente. L'augmentation maximale de la croissance concernant le contrôle respectif a été montrée par les ZnO-NPs suivis de ZnSO4·7H2O et le pourcentage d'augmentation le plus faible a été donné par l'application de ZnO en vrac dans des conditions de croissance salines et normales.

Les données présentées dans le tableau 4 concernant la concentration de Na + et de K + dans les pousses ont montré que la concentration de Na + était fortement augmentée dans des conditions salines pour tous les traitements appliqués, tandis que la concentration de K + était diminuée. L'application de zinc par toutes les sources a considérablement amélioré la situation. La diminution maximale du Na+ des pousses (30 %) a été montrée par ZnSO4·7H2O dans des conditions normales. Tandis que, dans des conditions salines, la diminution maximale (27 %) du Na + des pousses a été enregistrée par les ZnO-NPs. Un effet significatif (p ≤ 0,05) de différentes sources de Zn et de traitements au sel sur la concentration de Na+ et de K+ était évident dans l'analyse de la variance.

L'effet d'interaction de l'imposition de sel et de l'application de Zn était également significatif dans tous ces paramètres. De même, l'augmentation maximale du K + des pousses (28 et 22%) a été enregistrée sous traitement ZnO-NPs dans des conditions normales et salines respectivement. Une augmentation minimale du K+ des pousses a été enregistrée là où le ZnO en vrac a été appliqué. Normalement, il y avait une différence substantielle (p ≤ 0,05) entre la réponse de la masse de ZnO et celle des deux autres sources. Alors que la différence dans les réponses de ZnSO4·7H2O et ZnO-NPs était moins évidente dans quelques paramètres. Le rapport K+/Na+ a également été augmenté de manière positive en raison de l'application de Zn dans des conditions normales et salines.

L'analyse de la variance de la concentration de Zn a montré que la réponse du blé à l'application de Zn était hautement significative (p ≤ 0,05) et qu'il existait une différence substantielle entre l'absorption de Zn par différentes sources de Zn appliqué. Dans un sol normal, la concentration de Zn dans le grain était de 25,6 mg kg−1 sans application de Zn (tableau 4). La concentration maximale de Zn dans le grain (52,9 mg kg−1) a été observée lors d'un traitement où des ZnO-NP ont été appliqués. Dans des conditions salines, sans application de Zn, la concentration de Zn dans les grains était de 18,5 mg kg−1, qui a été augmentée à 45,7 mg kg−1 avec l'application de ZnO-NPs. Une tendance similaire a été observée dans les concentrations de Zn dans les pousses et les racines. L'interaction de la salinité × source de Zn était hautement significative pour l'absorption de Zn par plante dans les trois composants du blé (pousses, racines et grains). En ce qui concerne la répartition du Zn dans chaque partie de la plante, plus de Zn a été transloqué vers le grain où les ZnO-NP ont été appliqués dans des conditions normales et salines. La translocation du Zn dans chaque partie de la plante du blé est illustrée à la Fig. 4, qui représente le pourcentage de Zn total transloqué dans chaque partie de la plante.

Répartition en pourcentage du Zn transféré dans différentes parties de la plante du blé à maturité (chaque valeur est une moyenne, n = 3 statistiquement significatif à p ≤ 0,05, les barres T représentent ± l'erreur standard des moyennes).

Les données pour les réponses de différents paramètres de croissance comme la longueur des pousses, le nombre de talles, le rendement en paddy et la teneur totale en chlorophylle (TCC) du riz sont présentées dans le tableau 5. Les résultats pour les réponses de croissance sont presque conformes aux réponses que nous avons obtenues pour les plants de blé. . Les réponses de tous les paramètres étaient significativement positives vis-à-vis de l'application de Zn dans des conditions normales et salines. Mais les effets d'interaction n'étaient significatifs que pour le rendement du paddy.

Dans la croissance générale, les talles maximales ont été produites par ZnSO4·7H2O dans des conditions salines tandis que tous les autres paramètres ont montré l'augmentation maximale sous ZnO-NPs (T8) suivie de l'application de ZnSO4·7H2O. Alors que l'augmentation minimale en pourcentage a été observée sous l'application d'une application en vrac de ZnO. Dans des conditions de sol normales, la différence entre T2 et T4 est généralement non significative.

En cas de réponses de rendement, le rendement maximal de paddy a été enregistré en T4 (pot de 26 g-1) suivi de T2 (pot de 23 g-1) dans des conditions normales et de T8 (pot de 12 g-1) suivi de T6 (pot de 10 g-1). ) dans des conditions salines. Les teneurs en chlorophylle en termes de valeur SPAD ont été significativement augmentées lorsque les traitements au Zn ont été appliqués dans des conditions normales et salines. Mais la différence entre les sources n'était pas significative.

Dans la présente étude de culture en pot, la concentration de Na +, la concentration de K + et le rapport K + / Na + (tableau 6) étaient significativement (p ≤ 0, 05) affectés par l'imposition de sel. La concentration de Na + a été fortement augmentée sous stress salin tandis que la concentration de K + et le rapport K + / Na + ont été considérablement diminués dans des conditions salines. L'application de Zn a amélioré les aspects négatifs du stress salin en augmentant la concentration de K+ et vice versa pour la concentration de Na+ dans toutes les parties de la plante. L'analyse de la variance des données a montré qu'il existe une différence significative (p ≤ 0,05) entre les sources en ce qui concerne la concentration de K+ et de Na+ dans les pousses et les racines dans des conditions de sol normales et salines. Mais les effets d'interaction (salinité × source) pour les concentrations de K+ et de Na+ des pousses n'étaient pas significatifs. Le ZnO-NPs donne de meilleurs résultats dans des conditions de sol normales et salines par rapport à d'autres sources (ZnSO4·7H2O et ZnO).

Il y avait une différence significative (p ≤ 0,05) entre les différentes sources de Zn dans la concentration de Zn dans les plantes. Une forte augmentation de la concentration en Zn des pousses, des grains et des racines (tableau 6) du plant de riz avec application de Zn dans les deux conditions de croissance (normales et salines) a été enregistrée. Le Zn des pousses est passé de 22 mg kg-1 chez le témoin à 34 mg kg-1 chez T4 dans des conditions de croissance normales et de 15 mg kg-1 chez le témoin salin à 25 mg kg-1 chez T8 dans des conditions salines. Le maximum de Zn de grain a été enregistré là où les ZnO-NP ont été appliqués tandis que le ZnO sous forme en vrac a montré une augmentation minimale par rapport au contrôle respectif.

L'absorption de Zn par plante a également montré la même tendance que la concentration de Zn. La translocation du Zn dans le plant de riz sous la forme d'un pourcentage du Zn total de la plante présent dans chaque partie de la plante est présentée à la Fig. 5. La translocation du Zn de la pousse au grain a diminué dans des conditions salines. Mais l'application de Zn a considérablement amélioré cette translocation de la pousse au grain. Bien que dans le cas du riz, il n'y avait pas de différence significative entre les différentes sources dans l'amélioration de la translocation du Zn de la pousse au grain dans des conditions salines.

Répartition en pourcentage du Zn transféré dans différentes parties de la plante du riz à maturité (chaque valeur est une moyenne, n = 3 statistiquement significatif à p ≤ 0,05, les barres T représentent ± erreur standard des moyennes).

Le stress salin diminue la croissance des plantes et entraîne une dépression physiologique due au stress osmotique et au déséquilibre nutritionnel25. Le zinc est essentiel à la croissance des plantes et au rendement en grain. Le Zn est nécessaire aux processus de croissance fondamentaux comme la division cellulaire et les processus d'élongation26. Ainsi, un apport adéquat en Zn a amélioré la hauteur de la plante et le nombre de talles. Il a également amélioré la concentration de chlorophylle dans de nombreux génotypes de riz montrant l'implication du Zn dans la synthèse de la chlorophylle27,28 et l'application de Zn a positivement amélioré la croissance du blé et du riz sous le stress salin.

Les paramètres de croissance des plantes ont une réponse assez élevée avec la résilience des cultures au sel et la réactivité à la supplémentation en Zn dans des conditions salines. L'approvisionnement en Zn et la disponibilité adéquate de Zn pour planter sous stress salin améliorent le rendement en grain du blé et du riz29,30 en raison de l'amélioration des relations hydriques, du maintien d'un RWC plus élevé, de la turgescence et des pigments photosynthétiques11,31. L'application de zinc dans le sol par différentes sources a considérablement amélioré les paramètres de croissance des plantes et la teneur en chlorophylle des plantes. L'application au sol de ZnSO4·7H2O a amélioré la teneur totale en chlorophylle du riz, ce qui peut être dû à l'implication du Zn dans la synthèse de la chlorophylle27. L'appareil photosynthétique est l'un des principaux sites d'action du Zn dans les plantes, ce qui peut être la raison pour laquelle la teneur en chlorophylle de la plante a été améliorée sous l'application de Zn32,33. Les ZnO-NPs et ZnSO4·7H2O se sont avérés améliorer les caractéristiques de croissance du blé et du riz dans des conditions normales et salines. Cela peut être dû au fait que la diffusion dans le sol de ZnSO4·7H2O est plus efficace et que ZnSO4.7H2O provoque également une légère acidification de la zone du sol en raison de la présence du facteur acide SO42−34. Il a été rapporté que l'engrais ZnSO4·7H2O favorise une meilleure diffusion du Zn que les engrais à base de ZnO35 cependant, dans le cas des ZnO-NPs, ils ont une stabilité colloïdale accrue et une répartition dans l'eau interstitielle du sol, en particulier à un pH du sol de 8 et il y a une concentration totale en Zn plus élevée dans la solution du sol à travers ZnO-NPs par rapport à ZnSO436.

De nombreux chercheurs ont signalé que les plantes réagissent différemment à l'application de Zn en fonction des différentes sources de Zn, de l'état du sol en Zn et du génotype de la plante37. Les ZnO-NPs ont augmenté la SDW et d'autres paramètres de croissance du cotonnier dans des conditions salines38. L'efficacité des ZnO-NPs sur le ZnO et le ZnSO4·7H2O de taille normale a également été rapportée chez le pois chiche39.

Une réponse élevée des ZnO-NPs par rapport à d'autres sources peut être attribuée à une activité plus faible de la SOD et de la peroxydase et donc à un niveau de ROS et à une peroxydation lipidique plus faibles dans les plantes traitées avec des ZnO-NPs39. La composition chimique (Na +, K + et Zn2 +) des différents composants végétaux du blé (tableau 4) et du riz (tableau 6) a montré un effet hautement significatif du stress salin sur les plantes. En termes de teneurs en Na+ et K+, le riz semble être plus affecté par le stress salin. L'affinité du riz pour l'absorption de Na+ (2,93 g kg-1) était supérieure à celle du blé (1,42 g kg-1) ; et le pourcentage de diminution de la croissance du riz et du rendement du contrôle respectif était également supérieur à celui du blé en raison du stress salin. Le riz serait moins tolérant au stress que le blé25. Cependant, le modèle de réponse des deux cultures à l'application de Zn était presque similaire dans des conditions normales et salines. Il y avait une différence notable dans le schéma de réponse des différentes sources de Zn. La réponse des ZnO-NPs a été plus prononcée pour atténuer le stress salin et augmenter la concentration de Zn dans les racines, les pousses et les grains des deux cultures (blé et riz) par rapport aux deux autres sources (ZnSO4·7H2O et ZnO en vrac).

Dans la présente étude, la concentration de Na + des racines, des grains et des pousses des plantes a été considérablement augmentée jusqu'à deux fois par rapport au contrôle respectif dans les cultures de blé et de riz dans des conditions de stress salin. De même, une augmentation de la concentration de Na + jusqu'à deux fois et une diminution de la concentration de K + et du rapport K + / Na + sous un stress salin de Na2SO4 ont également été signalées. Cela peut être dû à une absorption élevée de Na + par les plantes, entraînant une absorption plus faible de K + et, deuxièmement, un efflux de K + cytosolique25, 40, 41. Une concentration élevée de Na + entraîne également un stress oxydatif, un déséquilibre de l'homéostasie cellulaire, une carence en nutriments, un retard de croissance et même la mort des plantes. Les résultats de l'étude actuelle ont également montré qu'avec l'imposition de la salinité, la concentration de Zn dans différentes parties de la plante a également diminué dans les cultures de blé et de riz, ce qui peut être dû à la concurrence des canaux de transport pour entrer dans la plante. Dans des conditions salines, le pH du sol augmente en raison de la présence de bicarbonate de sodium et la disponibilité de Zn diminue42. Il est également rapporté que le stress salin entraîne une réduction de la production de phytosidérophores et une réduction de l'acidification de la rhizosphère43, ce qui entraîne une moindre disponibilité des nutriments pour les plantes. Des teneurs élevées en sel dans le milieu de croissance inhibent l'absorption de ZnO NP par le plant de blé44.

Il y a eu une augmentation de la concentration de K+ et du rapport K+/Na+ de la racine des pousses et du grain avec l'application de différentes sources de Zn. Cela peut être dû au rôle du Zn dans le maintien de l'intégrité de la biomembrane45. La liaison préférable du Zn au groupe -SH de la fraction protéique membranaire, soit directement, soit à proximité d'un site du groupe -SH, rapporte qu'elle protège les protéines et les phospholipides de la formation de disulfures et de l'oxydation des thiols46,47. Il a été rapporté qu'avec l'augmentation du Zn appliqué dans des conditions salines et non salines, la concentration de Zn dans les pousses et les grains augmente48,49. L'application de zinc aide à maintenir une faible quantité de Na + dans les pousses et, par conséquent, le rapport K + / Na + cytosolique est augmenté. Le maintien d'un K+/Na+ plus élevé est un trait clé de la tolérance au sel50. L'effet combiné du stress salin et de l'application de Zn a montré que le stress salin réduit l'absorption de Zn dans les plantes, mais l'application progressive de Zn atténue les impacts négatifs du stress salin chez le blé51. Une augmentation du rapport K+/Na+ est observée par l'application de Zn dans le blé et le riz respectivement dans des conditions salines42,43. L'application de Zn à n'importe quel niveau de salinité a amélioré la concentration de Zn dans les pousses de riz. L'augmentation de la concentration de Zn dans la plante due à l'application de Zn dans le sol était la principale caractéristique qui améliore finalement la concentration de Zn dans le grain. L'application d'engrais Zn joue un rôle important dans l'amélioration de la concentration en Zn du grain de riz44.

La concentration de zinc dans le grain peut être comprise entre 08 et 47 mg kg−1 sous différents traitements d'application de Zn et état du sol en Zn37. Normalement, une concentration de Zn supérieure à 50 mg kg−1 dans les céréales est considérée comme enviable pour obtenir un impact bénéfique optimal sur la santé humaine afin de lutter contre la malnutrition.

Dans la présente étude, il y avait une différence significative entre les sources de Zn quant à la disponibilité du Zn pour les plantes cultivées. Les ZnO-NPs ont amélioré la teneur en Zn des pousses et des grains à un taux plus élevé que les autres sources. Cela peut être dû à la différence de réactions chimiques que chaque source subit dans différentes conditions de sol. Il existe une différence de vitesse de diffusion de différentes sources de Zn dans différentes conditions de sol. Le ZnSO4·7H2O a montré un taux de diffusion plus élevé que le ZnO en raison des interactions ioniques de Zn2+ et SO42−34. Des résultats similaires ont été rapportés selon lesquels le sulfate de zinc favorise une diffusion plus élevée du Zn dans le sol que les engrais à base de ZnO35. Il a également été signalé que les engrais à base de ZnO peuvent être mieux dissous à un pH élevé du sol et s'ils sont bien dispersés34. Cela peut justifier la réponse plus élevée des ZnO-NP dans l'absorption de Zn par les plantes. Les ZnO-NPs ont mieux répondu que ZnSO4·7H2O à une dose presque 15 fois plus faible dans la croissance de l'arachide52. Les nano-engrais ou les engrais nano-enrobés ont une utilisation accrue des nutriments livrés et une livraison plus spécifique au site53. Il est suggéré qu'en raison d'une plus grande dissolution dans la rhizosphère, une meilleure teneur en Zn et une meilleure absorption sont induites par les engrais enrobés de ZnO-NPs par rapport au revêtement en vrac. De plus, les revêtements ZnO NPs présentent la même menace écotoxicologique que la forme en vrac54. De nombreux chercheurs ont signalé de meilleures performances des ZnO-NPs dans différentes plantes telles que les grains de maïs55, l'arachide52, le riz56 et le haricot mungo57.

Les nano-engrais peuvent être une meilleure option pour enrichir les cultures céréalières avec du Zn, mais en cas d'application au sol, il est nécessaire de mieux comprendre les interactions des nanoparticules avec différentes propriétés et composants du sol. Actuellement, il est essentiel de développer une compréhension approfondie du comportement et du devenir des nanoparticules de ZnO dans différents environnements de sol et régimes de Zn du sol et de leur impact possible sur l'absorption de Zn par les plantes.

On peut résumer que la méthode de co-précipitation pour la préparation de ZnO-NPs peut être considérée comme une option meilleure et quelque peu économique pour une nanosynthèse réussie. Les ZnO-NPs avec une gamme de taille de 22 à 60 nm peuvent être synthétisés par cette méthode et avec un meilleur ensemble de conditions, la taille peut encore être améliorée.

Toutes les sources de Zn utilisées ont efficacement atténué les effets négatifs du stress salin sur la croissance des plantes, le rendement et la concentration en Zn. Une amélioration maximale a été enregistrée là où les ZnO-NP ont été appliqués. On peut conclure que les nano-engrais, lorsqu'ils sont utilisés de manière appropriée avec un ensemble amélioré de conditions du sol et des plantes, peuvent être une meilleure option pour enrichir les cultures céréalières avec du Zn. Une compréhension approfondie des nanoparticules de Zn et des interactions avec le sol, ainsi que de leur rétention et de leur disponibilité nécessite des recherches plus approfondies dans des conditions de terrain.

Toutes les données obtenues sont jointes à ce manuscrit.

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Les chercheurs tiennent à remercier le décanat de la recherche scientifique de l'Université Qassim pour avoir financé la publication de ce projet. Les chercheurs sont également reconnaissants à SARC-ISES, à l'Université d'agriculture de Faisalabad et à HEC-Pakistan pour leur aide dans la fourniture de produits chimiques et de verrerie pour mener les travaux de recherche actuels.

Institut des sciences du sol et de l'environnement, Université d'agriculture, Faisalabad, 38040, Pakistan

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

Centre de recherche sur l'agriculture saline, Université d'agriculture, Faisalabad, 38040, Pakistan

Zuhra Mazhar, Javaid Akhtar et Tayyaba Naz

Département de physique, Collège des sciences, Université Qassim, Buraydah, 51452, Arabie saoudite

Aiyeshah Alhodaib

Département des sciences environnementales, Faculté des sciences biologiques, Université Quaid-i-Azam, Islamabad, 45320, Pakistan

Mazhar Iqbal Zafar

Laboratoire d'analyse des sols et de l'eau, Département de l'agriculture, Institut de recherche agricole d'Ayub, Gouvernement du Pendjab, Chiniot, 35400, Pakistan

Mohammed Mazhar Iqbal

Département de pharmacie, Faculté des sciences biologiques, Université Quaid-i-Azam, Islamabad, 45320, Pakistan

Humaria Fatima

Department of Biology, Science Unit, Deanship of Educational Services, Qassim University, Buraydah, 51425, Arabie Saoudite

Sifat Naz

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Conceptualisation : JA, TN, ZM ; Conservation des données : ZM, TN ; Analyse formelle : ZM ; Enquête : ZM ; Méthodologie : ZM, TN ; ressources : JA, TN ; Rédaction — brouillon original : MMI, ZM ; Rédaction—révision et édition : MMI, MIZTN ; financement acquisition, AA, IN, HF Tous les auteurs ont lu et accepté la version publiée du manuscrit.

Correspondance à Aiyeshah Alhodaib ou Muhammad Mazhar Iqbal.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Mazhar, Z., Akhtar, J., Alhodaib, A. et al. Efficacité des nanoparticules de ZnO dans l'enrichissement en Zn et la séparation des grains de blé et de riz sous stress salin. Sci Rep 13, 2022 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26039-8

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Reçu : 12 février 2022

Accepté : 08 décembre 2022

Publié: 04 février 2023

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

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