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Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 2700 (2023) Citar este artículo

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Las nanopartículas de silicio (Si-NP) han demostrado su potencial para su uso en la agricultura en condiciones de escasez de agua. Por lo tanto, el experimento se realizó para explorar los impactos del cebado de semillas de Si-NP en el crecimiento y rendimiento del trigo (Triticum aestivum L.) bajo diferentes niveles de sequía. Las plantas se cultivaron en macetas en condiciones ambientales ecológicas naturales y se cosecharon el 25 de abril de 2020. Los resultados revelaron que el cebado de semillas de Si-NP (0, 300, 600 y 900 mg/L) mejoró sugerentemente, la longitud de la espiga , granos por espiga, peso de 1000 granos, altura de la planta, rendimiento de grano y rendimiento biológico en 12–42 %, 14–54 %, 5–49 %, 5–41 %, 17–62 % y 21–64 %, respectivamente, en relación con el control. Los Si-NP mejoraron los atributos del comercio de gas de la hoja y las concentraciones de clorofila a y b, aunque disminuyeron la presión oxidativa en las hojas, lo que se demostró por la disminución de la fuga de electrolitos y la mejora en las actividades de superóxido dismutasa y peroxidasa en la hoja bajo los remedios de Si-NP sobre el control. . Los resultados propusieron que los Si-NP podrían mejorar el rendimiento del trigo bajo un período de sequía. De esta manera, la utilización de Si-NPs mediante la técnica de cebado de semillas es una metodología práctica para controlar el estrés por sequía en trigo. Estos hallazgos proporcionarán la base para futuras investigaciones y serán útiles para mejorar la seguridad alimentaria ante los desafíos relacionados con la sequía y el calor.

La sequía es un estrés ecológico sorprendente entre otros estreses abióticos, que influyen negativamente en el crecimiento y el rendimiento de los cultivos en todo el mundo1. La productividad de los cultivos está disminuyendo debido a las existencias restringidas de agua2, la menor ingesta de nutrientes y la fotosíntesis deficiente3. Aunque la sequía afecta el rendimiento del trigo en todas las etapas de crecimiento, es más rudimentaria durante las etapas de floración y llenado de grano (estación seca terminal), lo que resulta en una pérdida considerable de rendimiento. Las principales explicaciones detrás de estas pérdidas son la disminución de la tasa de fotosíntesis neta debido a las limitaciones metabólicas, el deterioro oxidativo de los cloroplastos y el cierre de los estomas, y el abandono del cuajado y la mejora del grano4. Sin embargo, el estrés por sequía anima la creación de etileno5,6 que retrasa y ralentiza el crecimiento y la prolongación de las raíces2,7. En definitiva, las plantas han establecido diferentes mecanismos versátiles para aclimatar la escasez de agua provocando una sucesión de reacciones fisiológicas y bioquímicas8. Entre estos componentes, los antioxidantes juegan un papel vital en la reducción del daño oxidativo causado por la sequía9.

El impacto de la sequía en Pakistán es más significativo debido a su enorme dependencia de la agroindustria. Además de esto, Pakistán se vuelve más vulnerable a la sequía debido a la falta de concienciación sobre el estrés y prácticas de control10, y al alto riesgo en el futuro debido a los cambios recientes en el clima11,12. El trigo es un cultivo importante de la temporada del rabi que contribuye con el 8,7% del crecimiento económico de la agroindustria y el 1,7% del PIB de Pakistán. El territorio bajo crecimiento de trigo en Pakistán durante 2019-2020 fue de 8825 mil hectáreas con un crecimiento del 1,7% en comparación con el espacio de hace un año que fue de 8678 mil hectáreas. Además, la producción estimada de trigo fue de 24.946 millones de toneladas en 2019, un 2,5% superior a la del año anterior13,14.

Más de la mitad de los campos de trigo del mundo están afectados por sequías periódicas15. El rápido cambio climático y el calentamiento global tienen el peor impacto en los cultivos en el futuro porque aumenta la frecuencia y la intensidad de las sequías debido a la disminución de las precipitaciones y las altas temperaturas en la tierra16. En consecuencia, para mejorar el rendimiento y preservar el trigo de tales tensiones es necesario desarrollar una mayor comprensión y enfoques para superar estos problemas17.

En la última década, las nanopartículas desempeñan un papel imperativo en la agricultura debido a sus propiedades únicas, como una mayor capacidad de absorción, una mayor área de superficie, un método de entrega eficiente para un lugar específico y dicha tecnología utilizada de muchas maneras como aditivos, potenciadores del crecimiento de las plantas, nanofertilizantes y fitosanitarios18,19. Sedghi et al.20 afirmaron que la utilización de nanopartículas de silicio está asumiendo un papel importante en la resistencia de las plantas frente a la escasez de agua por la expansión de aminoácidos, contenido de clorofila b, lípidos y proteínas. Entre otras NP, las Si-NP son útiles para elevar el crecimiento de las plantas y la fotosíntesis en una atmósfera intensiva21,22.

La aplicación de nanopartículas amplió las cualidades de crecimiento, clorofila y comercio de gases en el grano de trigo y disminuyó la deficiencia de agua23. Entre varias nanopartículas, las nanopartículas de sílice juegan un papel magnífico al aumentar la fotosíntesis que mejora el rendimiento de Cucurbita pepo L.24 y plántulas de espino25 en condiciones de estrés. Muchos tipos de investigación indicaron que el crecimiento de las plantas, las actividades antioxidantes y el proceso de absorción de nutrientes bajo estrés por sequía fueron más rápidos con la aplicación de nanopartículas porque dichas partículas mejoran la resistencia de las plantas21,26,27,28. Si-NPs mejora los parámetros de fotosíntesis de ciertas plantas durante la estación seca y tiene un mayor impacto en la agricultura en comparación con otros fertilizantes29,30,31. La aplicación exógena de NPs provoca la silicificación endodérmica de la raíz y la actividad del sistema antioxidante y controla la estabilidad del agua celular32. La aplicación de nanosilicio ha mejorado la producción y el crecimiento y mejorado el estado hídrico de las plantas con cambios extraordinarios en la ultraestructura de los orgánulos de las hojas, iniciación del sistema de protección y defensa de las plantas y búsqueda de partículas inequívocas33. Además, las NP de SiO2 se han descrito como un inductor del crecimiento de las plantas, lo que aumenta la silicificación endodérmica de la raíz, mejora el sistema antioxidante bajo presión y mejora la resiliencia al estrés abiótico y el equilibrio hídrico celular32. La conexión entre el SiO2 y la pared celular vegetal se ha informado en numerosas monocotiledóneas34.

Las nanopartículas se pueden aplicar de muchas maneras en condiciones bióticas y abióticas en el campo de la agricultura, como por ejemplo mediante la preparación de semillas, el suelo y la aplicación foliar, pero la preparación de semillas es el método más eficiente23,35,36,37. El cebado de semillas es una estrategia fructífera en muchos sentidos, por ejemplo, eliminando el peor efecto del estrés abiótico, estimulando los valiosos cambios fisiológicos, ayudando en la etapa inicial de la germinación, mejorando la tasa de germinación de las semillas, minimizando el tiempo de emergencia de las plántulas y, lo que es más importante, es una técnica rentable para los agricultores38,39,40,41,42,43. No existe literatura sobre el efecto de las Si-NP en los atributos morfofisiológicos y bioquímicos del trigo bajo condiciones de sequía en diferentes etapas de crecimiento. Entonces, el objetivo de este estudio es mitigar los efectos catastróficos de la sequía en el trigo bajo condiciones de sequía mediante la aplicación de nanopartículas de silicio.

El trabajo de investigación se llevó a cabo en Wirehouse, Departamento de Agronomía, Universidad Islamia de Bahawalpur, Pakistán (Latitud: 29° 23′ 60,00 N, Longitud: 71° 40′ 59,99 E). El diseño experimental fue un diseño de bloques completos al azar con cuatro repeticiones de cada tratamiento de nanopartículas de silicio (0, 300, 600 y 900 mg/L). Todas las macetas se regaron por igual hasta la emergencia completa, luego de eso se ejecutó la condición de deficiencia de agua en las etapas críticas de crecimiento, como las etapas de macollamiento, floración y llenado de granos, mientras que el riego completo se consideró como control.

Las semillas de trigo (Glaxy-2013) se esterilizaron con una solución de hipoclorito de sodio (cloro activo al 2,6 %) durante 120 s y se lavaron tres veces con agua destilada. Luego, la cantidad medida de nanopartículas de silicio, Sigma-Aldrich suministró Si-NP esféricas con un tamaño de partícula en el rango de 40 a 80 nm43, se mezcló con agua desionizada y ultrasonicación de cada tratamiento de Si-NP (0, 300, 600, y 900 mg/L) durante treinta minutos para una adecuada dispersión. Luego, las semillas de trigo se sumergieron en soluciones de NP durante 20 h en la oscuridad a temperatura ambiente. Para el tratamiento de control, las semillas se sumergieron en agua desionizada. Finalmente, se secó la semilla cebada del cultivo de trigo y se almacenó a 4 °C para continuar con el experimento.

En el presente estudio, las Si-NP se adquirieron de Sigma-Aldrich. Además de tener una pureza > 99 %, las Si-NP tenían una superficie específica > 80 m2g−1 y un peso molecular de 28,08. Se utilizó un microscopio electrónico de barrido para medir los tamaños de las NP (Fig. 1). El tamaño medio de las partículas principales fue de 63,09 ± 6,2 nm.

Caracterización de Si-NP. Los escaneos TEM indicaron partículas esféricas bien dispersas (A). (B) Gráfico de distribución normal con un diámetro medio de 63,09 ± 6,21 nm.

Las semillas del cultivar de trigo autóctono (Galaxy-2013) se obtuvieron del Instituto Regional de Investigación Agrícola (RARI) Bahawalpur, ya que es acame y resistente al calor. Las semillas de trigo se cebaron con Si-NP y se plantaron en macetas de plástico (26 × 29 cm) llenas de suelo franco arcilloso el 9 de noviembre de 2019 y se realizó una investigación fisicoquímica del suelo antes de la siembra (Tabla 1). La caseta de alambre se cubrió con una lámina de plástico transparente para preservar las plantas de la lluvia, cuando era obligatorio. La población de plantas se mantuvo en 4 plantas por maceta después de 20 días de la siembra y se regó por igual hasta la emergencia completa de las plántulas. Después de eso, se mantuvo una capacidad de retención de agua (WHC) del 30 % en macetas bajo sequía en tres etapas observadas y se consideró un 80 % de WHC como control.

Crecimiento de trigo, rendimiento y atributos de rendimiento como longitud de la espiga (cm), número de granos por espiga, peso de 1000 granos (g), altura de la planta (cm), rendimiento orgánico por planta (g), rendimiento de grano por planta (g ), y el índice de cosecha se calcularon siguiendo los procedimientos y protocolos estándar. Para el rendimiento, las plantas de trigo se cosecharon manualmente después de completar el ciclo de vida. De manera similar, para medir la altura de la planta, se seleccionaron arbitrariamente cuatro plantas de cada maceta y se midió la altura desde la superficie del suelo hasta la espiguilla con la ayuda de una regla que leyó en milímetros y centímetros. Para medir la longitud de la espiga y los granos por espiga, se usó una escala de centímetros para medir la longitud desde la base hasta la espiguilla terminal de 10 plantas al azar y se contaron los granos de diez racimos de semillas seleccionados al azar. Además, para cuantificar el peso de 1000 granos se utilizó la balanza digital por su precisión de 0,01 g.

Para la medición del RWC se tomaron al azar 5 hojas bandera frescas maduras de cada tratamiento y se colocaron inmediatamente en bolsas de polietileno y se llevaron al laboratorio. Donde, en primer lugar, obtener el peso fresco de las muestras tomadas rápidamente antes de cualquier deshidratación. Luego, la muestra se colocó en agua destilada para obtener un peso turgente. Después de 3 h, la muestra se extrajo del agua destilada y se midió su peso turgente. Luego de eso la muestra se colocó en una estufa por 2 días a 65 °C y se obtuvo su peso seco. Finalmente, el contenido relativo de agua de cada tratamiento se midió utilizando la fórmula44 dada a continuación:

donde RWC, FW, DW y TW son contenidos relativos de agua, peso fresco, peso seco y peso turgente de las muestras de hojas.

La superóxido dismutasa y la peroxidasa se midieron con la ayuda de un espectrofotómetro. Se homogeneizó 0,5 g de material foliar fresco de cada tratamiento con tampón de fosfato 50 mM con pH 7,5 y ditiotreitol (DTT) 1 mM en condiciones de refrigeración después de lavar y secar la muestra con agua distal45. Las actividades de SOD se midieron utilizando el procedimiento publicado por Cakmak46,47, mientras que la POD se determinó mediante el método de Zhang y Kirkham48.

Los pigmentos fotosintéticos clorofila (Chl a y Chl b) se extrajeron en acetona al 80% (v/v) y se midieron espectrofotométricamente (Spectronic 601, Milton Roy Company, Rochester, NY, EE. UU.) según Metzner et al.49. La fluorescencia de Leaf Chl se calculó utilizando un fluorómetro portátil de modulación de amplitud de pulso (Handy PEA. Hansatech. Norfolk, Reino Unido). Las hojas se oscurecieron y se adaptaron en un clip de hojas durante 30 min. Para todos los tratamientos, se registraron 30 mediciones (tres repeticiones de 10 hojas de varias plantas). Los datos adquiridos se utilizaron para calcular la eficiencia máxima de PS II (FV/FM) y el índice de rendimiento en base a la absorción (Planes)50 según las ecuaciones revisadas por Stirbet51.

El software STATISTIX (versión 8.1) se ejecutó con los datos actuales para determinar el análisis de varianza (ANOVA) y se utilizó LSD al 5 % como probabilidad para la comparación de medias de los datos52. Luego, los datos se analizaron para el análisis de componentes principales (PCA) mediante el software R (R Core Team, 2019) para verificar la asociación entre los diferentes atributos morfofisiológicos estudiados.

Todos los experimentos con plantas cumplieron con las directrices y legislaciones institucionales, nacionales e internacionales pertinentes.

El resultado del análisis de varianza combinado mostró que la concentración de nanopartículas de silicio, los intervalos de sequía y los regímenes de riego de control afectaron significativamente todos los rasgos medidos. Hubo una conexión bidireccional crítica entre la concentración de NP y la sequía en la acción de la enzima, SOD y POD. Además, la interacción entre la concentración de nanopartículas, la sequía y los regímenes de riego fue significativa para la longitud de la espiga, el número de granos por espiga, el peso de 1000 granos, la altura de la planta, el rendimiento de grano y el rendimiento biológico. Además, hubo una correlación significativa entre la concentración de NP y el control, además de la interacción entre la concentración de NP y la sequía sobre la tasa de fotosíntesis, la tasa de transpiración, la conductancia estomática y el contenido de RWC. Además, el porcentaje de nitrógeno, fósforo y potasio se vio afectado por la triple asociación entre el tratamiento de sequía, control y nanopartículas.

Las nanopartículas de silicio desempeñaron un papel importante en el crecimiento de las plantas en condiciones de sequía en períodos críticos del crecimiento del trigo, cuando se analizaron con tratamientos de control. La altura de la planta se redujo en un 38,25 % en DTS, un 9,07 % en DFS y un 6,77 % en DGFS en comparación con el riego de control. En comparación con el control (0 mg/L de NP), las aplicaciones de 300, 600 y 900 mg/L de nanopartículas de silicio mitigan los efectos negativos de la sequía y aumentan la altura de las plantas en un 2,5 %, 3,2 % y 6,9 %, respectivamente. Los resultados mostraron que el cebado de semillas con 900 mg/L de Si-NP fue el más efectivo, mientras que el tratamiento con 0 mg/L de Si-NP resultó en plantas de menor altura.

Los atributos de rendimiento se vieron significativamente influenciados por la aplicación de Si-NP en condiciones de deficiencia de agua que se muestran en la Tabla 2. El estrés por sequía disminuyó la longitud de la espiga (27.81, 21.18 y 22.82%), el número de granos por espiga (26.19, 25.43, y 22.9%), peso de 1000 granos (48.22, 42.37 y 40.31%), rendimiento biológico (10.54, 10.17 y 6.04%), rendimiento de grano (83.59, 79.56 y 66.22%) y HI (67.7, 64.07 y 57.3%) en DGFS, DFS y DTS, respectivamente, en comparación con el tratamiento de control. Las aplicaciones de nanopartículas de silicio aliviaron los efectos adversos de la deficiencia de agua en entornos de estrés y control. El uso de nanopartículas de silicio mejoró fundamentalmente todos los atributos de rendimiento antes mencionados, en contraste con el tratamiento de control. Además, en comparación con la aplicación de control, la producción de grano más alta (42,12 %) se registró con un cebado de 900 mg/L de nanopartículas de silicio.

La preparación de semillas con nanopartículas de silicio influyó beneficiosamente en el contenido de clorofila de las hojas de trigo cultivadas bajo estrés por sequía (Fig. 2A, B). En comparación con las plantas bien regadas (control), la sequía provoca una reducción significativa en los contenidos de clorofila a (30,2, 38,7 y 39,8%) y b (30,8, 40,1 y 39,2%) en DGFS, DFS y DTS, respectivamente. La sustancia de clorofila ayb se expandió significativamente cuando se aplicaron nanopartículas. Sin embargo, las semillas fueron cebadas con una solución de 900 mg/L de Si-NP que mostraron la mayor cantidad de contenido de clorofila.

Mediciones de contenido de clorofila. (A,B) Contenido de clorofila a y b (C,D) Contenido relativo de agua y H2O2 afectados por Si-NP (SINP0 = 0, SINP1 = 300, SINP2 = 600 y SINP3 = 900 mg/L) aplicación bajo estrés por sequía en etapas críticas de crecimiento (CK = control, DTS = sequía en la etapa de macollamiento, DFS = sequía en la etapa de floración, DGFS = sequía en la etapa de llenado de grano) de trigo.

El estrés por sequía causó una reducción significativa en RWC (Fig. 2C) a medida que el cultivo alcanza la madurez. El uso de NP, particularmente 900 mg/L, aumentó el RWC en comparación con el control (NP = 0 mg/L). La aplicación de 900 mg/L de Si-NPs a plantas en condiciones normales (sin estrés) y el tratamiento sin Si-NPs en etapa de macollamiento en plantas de trigo en condiciones de deficiencia de agua causó el RWC más alto (74.3%) y el RWC más bajo (31.8 %), respectivamente. Por otro lado, la sequía redujo positivamente la media de RWC en comparación con el riego normal, mientras que la utilización de NP en plantas bajo estrés por sequía mejoró de manera beneficiosa la media de RWC de las hojas (4,6–13,5 %) en comparación con el control. El H2O2 también se ve afectado a medida que el cultivo pasa a etapas posteriores (Fig. 2D).

Las tasas de transpiración y fotosíntesis se redujeron significativamente en un 63,6, 57,8, 61,0, 44,2, 31,7 y 29,3% bajo estrés por sequía en DTS, DFS y DGFS, respectivamente, en comparación con el tratamiento de control. Además, la conductancia estomática disminuyó positivamente bajo estrés hídrico en un 37,8, 30,0 y 29,1% en DTS, DFS y DGFS. El tratamiento con Si-NP tuvo un efecto sustancial en los atributos de intercambio de gases de las hojas de trigo sometidas a estrés por sequía (Fig. 3A, B). La preparación de semillas de 300, 600 y 900 mg/L de Si-NP mejoró significativamente la tasa de transpiración y fotosíntesis en un 27,8, 34,6 %, 40,6 y 20,3, 26,8, 34,2 %, respectivamente, en comparación con el control. La preparación de semillas con 900 mg/L de aplicación de Si-NPs tuvo el mejor resultado que otros tratamientos bajo sequía.

Tasa de fotosíntesis (Pr, A), tasa de transpiración (Tr, B), eficiencia del uso del agua (WUE, C) y contenido de conductancia estomática (SC, D) afectados por la aplicación de Si-NP (0, 300, 600 y 900 mg /L) bajo estrés por sequía en etapas críticas de crecimiento (control CK, sequía DTS en la etapa de macollamiento, sequía DFS en la etapa de floración, sequía DGFS en la etapa de llenado de grano) de trigo.

Los Si-NP afectaron significativamente la eficiencia del uso del agua en el trigo tanto en condiciones de control como de sequía, como se indica en la Fig. 3C, D. WUE se redujo en un 43, 47 y 35 % bajo estrés por sequía en DTS, DFS y DGFS, respectivamente, en comparación con el tratamiento de control. La preparación de semillas de 300, 600 y 900 mg/L de Si-NP redujo significativamente el impacto de la sequía en un 34 %. 42% y 56%, respectivamente, en comparación con ningún tratamiento con Si-NP. De manera similar, la conductancia estomática (m mol m-2 s-1) se redujo en un 37,8, 30,0 y 29,2 % bajo estrés por sequía en DTS, DFS y DGFS, respectivamente, en comparación con el tratamiento de control. Además, la preparación de semillas de 300, 600 y 900 mg/L de Si-NP mejoró significativamente la conductancia estomática en un 15,1, 31,6 y 41,6 % en comparación con el control. En condiciones de sequía, los resultados más altos se lograron mediante el cebado de semillas con 900 mg/L de tratamiento con Si-NP.

Para observar el daño oxidativo en hojas de trigo, se evaluó el efecto de Si-NPs estimando la concentración de ROS y actividades de enzimas antioxidantes en la Fig. 4. Por esta razón, las actividades de SOD, POD, MDA, EL y H2O2 fueron Se observaron cantidades medidas y más altas en las plantas de control. Además, a una dosis más alta de Si-NP, los valores de estos parámetros mencionados anteriormente se redujeron (Figs. 2D, 4A-D). Los contenidos de EL se redujeron en 8.95 y 20%: los contenidos de MDA se redujeron en 5.5, 16.2 y 31.7%; y el H2O2 se redujeron en un 11, 18 y 26 % en la preparación de semillas de 300, 600 y 900 mg/L de Si-NP sobre los controles respectivos. Los valores de las actividades SOD y POD se midieron en hojas para determinar la actividad de las enzimas antioxidantes. Los tratamientos aplicados mejoraron ampliamente el ingrediente de enzimas antioxidantes, y la mejora más extrema se midió en el tratamiento más alto de NPs. La actividad de SOD se expandió en un 2, 10 y 16 %, y la acción de POD se expandió en un 5, 11 y 17 % en cebado de 300, 600 y 900 mg/L de NP.

Efectos de Si-NPs (0, 300, 600 y 900 mg/L) bajo estrés por sequía en MDA (A), EL% (B), SOD (C) y POD (D). Las etapas críticas de crecimiento del trigo fueron (control de CK, sequía DTS en la etapa de macollamiento, sequía DFS en la etapa de floración y sequía DGFS en la etapa de llenado de grano) del trigo.

Los valores de NPK de la semilla se vieron significativamente influenciados por la aplicación de Si-NP en condiciones de deficiencia de agua que se muestran en la Fig. 5. El estrés por sequía disminuyó el % de nitrógeno de la semilla de trigo (11,2, 21,9 y 17,83 %), el % de P (35,5, 28,8 y 16,3 % y K % (32,1, 23,2 y 14,3 %) a diferentes DTS, DFS y DGFS de crecimiento, respectivamente, en comparación con el tratamiento de control. Las aplicaciones de nanopartículas de silicio aliviaron los efectos adversos de la deficiencia de agua en entornos de estrés y control. La preparación de semillas de 300, 600 y 900 mg/L de Si-NP mejoró significativamente el % de nitrógeno (13,1, 23,0 y 26,9 %), el % de P (24,2, 35,8 y 40,4 %) y el % de K (7,8, 19,7 y 26,4 %). ), respectivamente en comparación con el control. El uso de nanopartículas de silicio mejoró todos los porcentajes de nutrientes mencionados anteriormente, en contraste con el tratamiento de control.

Efecto de las aplicaciones de Si-NP (0, 300, 600 y 900 mg/L) en la semilla (A) porcentaje de nitrógeno (N%), (B) porcentaje de fósforo (P%) y (C) porcentaje de potasio (K% ) bajo estrés por sequía en etapas críticas de crecimiento (control de CK, sequía DTS en la etapa de macollamiento, sequía DFS en la etapa de floración y sequía DGFS en la etapa de llenado de grano) de trigo.

Se realizó un análisis de componentes principales (PCA) para analizar las variaciones y asociaciones entre diferentes parámetros morfofisiológicos del trigo bajo la aplicación de nanopartículas de silicio y estrés por sequía. Los tratamientos se dispersaron en diferentes biplots, mientras que los parámetros se representaron como vectores (Fig. 6). Los primeros dos PC (PC1 86% y PC2 5,1%) cubrieron el 91,1% de variabilidad de la variación total de los 22 parámetros. La primera PC se relacionó con todos los parámetros estudiados excepto EL%, H2O2 y MDA que se atribuyeron a PC2. Todos los tratamientos de Si-NP (SiNP0 = 0, SiNP1 = 300, SiNP2 = 600 y SiNP3 = 900 mg/ L) en diferentes etapas (CK = control, DTS = sequía en la etapa de macollamiento, DFS = etapa de floración y DGFS = etapa de llenado de grano) del trigo bajo estrés por sequía mostró variabilidad entre los tratamientos y las etapas de crecimiento. La cantidad de H2O2 aumentó bajo sequía con valores propios negativos (Fig. 6). De manera similar, el efecto combinado de SiNP y la sequía también redujo la MDA.

Análisis de componentes principales (PCA) basado en parámetros morfofisiológicos y agronómicos de trigo bajo Si-NP y estrés por sequía. Altura de la planta (PH, cm), longitud de la espiga (SL, cm), número de granos por espiga (NGPS), peso de 1000 granos (GW, g), rendimiento de grano por planta (GY, g), rendimiento biológico por planta ( BY, g), índice de recolección (HI), clorofila a (Chl a), clorofila b (Chl b), tasa de fotosíntesis (PR), tasa de transpiración (Tr), eficiencia en el uso del agua (WUE), conductancia estomática (SC), peróxido de hidrógeno (H2O2), malondialdehído (MDA), superóxido dismutasa (SOD), peroxidasa (POD) y porcentaje de electrofiltración (EL%). Aplicación de Si-NPs (0, 300, 600 y 900 mg/L) bajo condiciones de estrés por sequía en diferentes etapas de crecimiento CK Control, DTS Drought en macollamiento, DFS sequía en floración y DGFS sequía en etapa de llenado de grano).

El objetivo principal de este estudio fue determinar las dosis óptimas de Si-NP para el cebado de semillas con el fin de acelerar el desarrollo del trigo y mitigar los efectos negativos de la sequía. Se observaron mejoras significativas en las características de crecimiento en semillas cebadas con 900 mg/L bajo estrés. Tanto la germinación de las semillas como el crecimiento de las plantas se ven afectados negativamente por el estrés por sequía47. Varios estudios han observado que el estrés por sequía reduce la tasa de germinación del trigo23,35. Se ha demostrado que la sequía reduce la germinación de las semillas, el crecimiento y el rendimiento del trigo4,23,32. El cebado de semillas con nanopartículas mejoró la germinación, las plántulas, la estructura de las raíces, la absorción de nutrientes y minimizó el efecto de las condiciones de deficiencia de agua18,20,37,41.

Bajo sequía, la altura de la planta de trigo disminuyó significativamente en diferentes etapas críticas reportadas por Raza et al.53 En consecuencia, Aslam et al.54 observaron que la altura de la planta se redujo en las plantas de quinua en condiciones de limitación de agua, lo cual es paralelo a nuestro estudio. Liu y Lal55 afirmaron que las nanopartículas brindan un método más para proporcionar nutrientes a las plantas en situaciones de sequía, lo que es beneficioso para la altura de las plantas. De manera similar, Paparella et al.56 encontraron que las plántulas se vuelven más vigorosas en las primeras etapas debido al cebado de semillas que activa el sistema metabólico de la semilla de trigo. Además, la altura de la planta se mejoró con la aplicación de Si porque funcionó como una barrera cuando se depositó en los apoplastos de las hojas y protegió a la planta del estrés57. El cebado de semillas con nanopartículas de silicio mejoró beneficiosamente la altura de la planta de trigo en condiciones de deficiencia de agua en etapas críticas del crecimiento del trigo. Porque, Si puede mejorar la sustancia proteica, la absorción de nutrientes, la tasa fotosintética y disminuir la membrana celular en varias plantas58,59. Otra explicación plausible es que la altura de la planta y las actividades morfológicas mejoraron debido a la acumulación de agua y nutrientes en la semilla durante el tiempo de cebado con nanopartículas60,61. En este estudio, también se estudió el papel de las Si-NP en el crecimiento del trigo con y sin sequía.

Además, nuestros resultados exhibieron una actividad de fotosíntesis mejorada positivamente con la aplicación de Si-NP (Fig. 2). Como la investigación reveló que los contenidos de clorofila afectan directamente el crecimiento y desarrollo de las plantas. En nuestra investigación, bajo la aplicación de Si-NP mejoró significativamente la chl. un chl. b, contenido de carotenoides y parámetros de intercambio de gases con y sin condiciones de estrés (Fig. 2). En los últimos experimentos, los investigadores observaron un incremento similar en la fotosíntesis con la aplicación de nanopartículas23,62,63. El Si podría reducir la influencia del estrés por sequía en los pigmentos fotosintéticos al aumentar la citoquinina de forma endógena, lo que restaura la formación de clorofila y mejora la ultraestructura de los cloroplastos64. Además de esto, Asgari et al.36 afirmaron que podría ser el resultado de que las NP mejoren los nutrientes en las plantas que mejoran la fotosíntesis. Además, las Si-NP aumentaron el grosor de la pared celular y mejoraron el transporte de nutrientes mediante la apertura del xilema, que es una de las principales causas de la mejora de la tasa de fotosíntesis36,65.

El estrés por sequía disminuyó la tasa de fotosíntesis, la tasa de transpiración, la conductancia estomática, la eficiencia del uso del agua y el contenido relativo de agua de las hojas en las plantas en condiciones de deficiencia de agua. Hubo una estrecha relación entre la fotosíntesis, la tasa de transpiración y el enfoque total de clorofila para el crecimiento del trigo bajo estrés por sequía66. Abaaszadeh et al.67 concluyeron que la producción de peroxidasa, fenólicos y clorofilasa se redujo en condiciones de estrés hídrico debido a que las concentraciones de clorofila se vieron muy afectadas. Además, la reducción de la eficiencia en el uso del agua y RWC en plantas bajo estrés por sequía disminuyó la presión de turgencia, la retención de agua y el tamaño de la planta. Farooq et al.68, Zhao et al.69 y Mamnouie et al.70 observaron resultados comparativos relacionados con nuestro estudio. Contrariamente a esto, la tasa de fotosíntesis, la tasa de transpiración, la conductancia estomática y la RWC se expandieron como resultado de la aplicación de Si-NP en ambos regímenes de riego, particularmente en plantas bajo estrés por sequía. Zhu y Gong71 afirmaron que estos incrementos en los parámetros de intercambio de gases pueden deberse al potencial del Si para preservar el agua en condiciones de sequía. Además, el Si se acumula debajo de la cutícula de las hojas, enmarcando una doble capa de Si-cutícula, consecuentemente, la acumulación de Si ha disminuido la transpiración72. En consecuencia, se recomienda que una capa doble de cutícula de sílice enmarcada en el tejido epidérmico de la hoja sea responsable del RWC más alto de las hojas. De acuerdo con nuestros resultados, Gong et al.73 encontraron que el uso de Na2SiO3 mejoró la LA, la masa seca, la RWC y el grosor de las hojas de las plantas de trigo bajo estrés hídrico. Asimismo, las NP de sílice mejoraron la eficiencia en el uso del agua, la RWC y el contenido de clorofila en cultivos de maíz74,75.

La aplicación de Si-NP mejoró significativamente la acción de SOD y POD, mientras que las sustancias H2O2, EL y MDA disminuyeron significativamente, como se muestra en la Fig. 2D y la Fig. 4A-D. Además, la disminución significativa de especies reactivas de oxígeno se debió al mantenimiento y recuperación de la membrana celular en plantas de trigo con la aplicación de Si-NPs76,77. De manera similar, muchos investigadores informaron que las nanopartículas aumentan la actividad de los antioxidantes en muchos cultivos23,62,78,79. En consecuencia, la aplicación de silicio mejora las actividades de SOD, glutatión reductasa80 y catalasa81 equilibrando moderadamente el efecto adverso de la sequía en las plantas.

La absorción de nutrientes, incluidos N, P y K por parte de las plantas, también se ve afectada negativamente por el estrés por sequía. Se ha demostrado en varios estudios que el estrés por sequía provoca una disminución tanto en el contenido de N, K y P en el tejido vegetal como en la tasa de absorción de nutrientes del suelo. Está bien documentado que el contenido de N de la soja cae significativamente durante el estrés por sequía78. Rizwan et al.23 documentaron una pérdida significativa de nitrógeno y fósforo en los tejidos vegetales en situaciones de estrés por sequía. La investigación actual encontró que, en comparación con el control, los Si-NP mejoraron significativamente el contenido de N, P y K en circunstancias de sequía.

En condiciones de sequía, el crecimiento y desarrollo del trigo se ven disminuidos debido a la fluctuación en el balance de nutrientes82. El rendimiento y la biomasa del trigo se mejoran al aumentar la cantidad de Si-NP (0–900 mg/L) que se muestra en la Tabla 2. El cebado de semillas con Si-NP demuestra los impactos ventajosos en las plantas de trigo. Como investigaciones anteriores denunciaron que los cambios moleculares, bioquímicos y fisiológicos debidos al estrés por sequía han tenido un impacto negativo en el crecimiento y el rendimiento de las plantas83. Por ejemplo, la producción de materia seca en las plantas disminuye debido a la limitación de la fotosíntesis y el cierre de estomas, lo que reduce la concentración de dióxido de carbono bajo estrés por sequía84. Además, Yazdanpanah et al.85 afirmaron que, bajo estrés por sequía, la acumulación excesiva de ROS provocaba daño oxidativo de lípidos, proteínas y ADN en las plantas, lo que disminuía su crecimiento y desarrollo. De manera similar, otros investigadores informaron que el estrés por sequía disminuye la biomasa, el grano y el rendimiento del trigo86,87.

Además, los resultados mostraron que la utilización de algunas concentraciones de Si-NP aumentó la biomasa, la altura de la planta, el rendimiento y los componentes del rendimiento en ambos regímenes de riego. En general, el efecto positivo de la aplicación de Si en las plantas no es demasiado evidente en condiciones óptimas, pero es más evidente cuando la planta se encuentra en condiciones subóptimas88. Sin embargo, las Si-NP mejoraron el efecto destructivo de la sequía sobre el crecimiento, el rendimiento y sus componentes debido a una variación en la transpiración, una mejora en la tasa de fotosíntesis y el estado hídrico de la planta33,89. Estos hallazgos están en línea con Sharifi Rad et al.90 y Shallan et al.91. Los Si-NP tienen el potencial de aumentar la RWC, el contenido de clorofila, las actividades de ROS, las condiciones de crecimiento y el rendimiento de los cultivos34,92,93.

Los resultados revelaron que el cebado de semillas con nanopartículas de silicio (Si-NP) en condiciones de sequía mejora significativamente el crecimiento del trigo y reduce el estrés hídrico. La biomasa, la altura de la planta y el rendimiento del cultivo de trigo aumentaron debido al cebado de semillas con Si-NP. Se puede concluir que el aumento de la concentración de Si-NP en las plantas de trigo mejoró significativamente la cantidad de enzimas antioxidantes, el contenido de clorofila y los parámetros de intercambio de gases, y minimizó el estrés hídrico. Además, las Si-NPs de cebado de semillas mejoraron las actividades enzimáticas que minimizaron las concentraciones de ROS en las hojas de trigo. Por lo tanto, los resultados sugieren que la aplicación de cebado de semillas de Si-NP puede ser útil para las plantas de trigo, ya sea en riego normal o en estrés por sequía. Sin embargo, aún se necesitan más investigaciones a nivel de maceta y de campo para ver cómo las nanopartículas inician este impacto en el estrés por sequía en los cereales mediante la aplicación primaria de NP en condiciones de sequía.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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El apoyo técnico para estos estudios fue proporcionado por el área de investigación Departamento de Agronomía, la Universidad Islamia de Bahawalpur y la Comisión de Educación Superior, Pakistán (Award of Scholarship Under Indigenous 5000 Ph.D. Fellowship (Phase-II) Batch-VI. The El análisis del suelo se realizó cordialmente con el apoyo del Laboratorio de Pruebas de Suelo y Agua, Multan.

Financiamiento de acceso abierto habilitado y organizado por Projekt DEAL.

Departamento de Agronomía, Facultad de Agricultura y Medio Ambiente, Universidad Islamia de Bahawalpur, Bahawalpur, 63100, Pakistán

Muhammad Aown Sammar Raza, Bilal Zulfiqar, Rashid Iqbal, Muhammad Usman Aslam, Faqeer Muhammad, Jawad Amin y Muhammad Arif Ibrahim

Departamento de Agronomía, MNS-Universidad de Agricultura, Multan, 60000, Pakistán

Muhammad Noor Muzamil

Instituto de Protección Vegetal (IPP), MNS-Universidad de Agricultura, Multan, Pakistán

Hafiz Muhammad Usman Islam

Instituto Nacional de Genómica y Biotecnología Avanzada (NIGAB), Centro Nacional de Investigación Agrícola (NARC), Park Road, Islamabad, 45500, Pakistán

muhammad uzair

Grupo de Ciencias de Cultivos, Instituto de Ciencias de Cultivos y Conservación de Recursos (INRES), Universidad de Bonn, Bonn, Alemania

Muhammad Habib-ur-Rahman

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Conceptualización, MASR, BZ y RI; metodología, MUA.; software, RI, BZ y MU; validación y análisis formal, FM, JA, MAI, MNM, MU y RI; recursos, MASR; curación de datos, RI, MNM, MH-u.-R., JA, BZ y FM; redacción—preparación del borrador original, MASR, RI y BZ; redacción—revisión y edición, MASR, MU, MH-u.-R., HMUA y BZ; visualización, MU; supervisión, MASR, MH-u.-R. Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Muhammad Aown Sammar Raza o Muhammad Habib-ur-Rahman.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Raza, MAS, Zulfiqar, B., Iqbal, R. et al. Respuesta morfofisiológica y bioquímica del trigo a diversos tratamientos de nanopartículas de silicio en condiciones de estrés por sequía. Informe científico 13, 2700 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29784-6

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Recibido: 07 Octubre 2022

Aceptado: 10 febrero 2023

Publicado: 15 febrero 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29784-6

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