اثر نانوسیلیس و سیلیسیم بر برخی صفات فیزیولوژیک و بیوشیمیایی نیشکر در شرایط رژیم های کم آبیاری

نوع مقاله : مقاله کامل علمی- پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران

2 مؤسسه تحقیقات و آموزش توسعه نیشکر و صنایع جانبی خوزستان، اهواز، اهواز ،

چکیده

سابقه و هدف: تنش خشکی، عامل اصلی محدودکنندۀ غیرزیستی است که بر بهره‌وری و کیفیت نیشکر در سراسر جهان تأثیر می‌گذارد. کمبود آب با اثرگذاری بر جنبه‌های فیزیولوژیک و بیوشیمیایی گیاه، از جمله روابط آبی، فتوسنتز، محتوای کلروفیل و ایجاد تنش اکسیداتیو، موجب کاهش عملکرد نیشکر می‌شود. سیلیسیم به‌عنوان عنصری مفید، نقش مهمی در افزایش تحمل گیاهان به تنش‌های غیرزیستی از جمله خشکی دارد. این عنصر با بهبود وضعیت آبی گیاه، حفظ رنگدانه‌های فتوسنتزی، تقویت سیستم آنتی‌اکسیدانی و افزایش تجمع متابولیت‌های سازگار، به بهبود تحمل در برابر خشکی کمک می‌کند. در این میان، نانوذرات سیلیسیم به‌دلیل اندازۀ کوچک و سطح ویژه بالا، از فراهمی زیستی و اثربخشی بیشتری نسبت به سیلیسیم معمولی برخوردار بوده و پتانسیل بالایی در ارتقای تحمل به خشکی نشان داده‌اند. بر این اساس، پژوهش حاضر با هدف مقایسه اثر نانوسیلیس و سیلیسیم معمولی بر تحمل به خشکی و ویژگی‌های فیزیولوژیک و بیوشیمیایی نیشکر انجام شد.
مواد و روش‌ها: این آزمایش مزرعه‌ای به‌صورت کرت‌های یک‌بار خردشده و در قالب طرح پایه بلوک‌های کامل تصادفی، در مزرعۀ پلنت واریتۀ CP69-1062 در فصل زراعی ۱۴۰۳، در شرکت کشت و صنعت امام خمینی و با سه تکرار اجرا شد. عامل اصلی شامل سه دور آبیاری در فواصل ۷، ۱۰ و ۱۳ روز و عامل فرعی پنج سطح کاربرد برگی شامل: شاهد (بدون محلول‌پاشی)، ۱۵۰ و ۳۰۰ میلی‌گرم بر لیتر نانوسیلیس، و ۳۰۰ و ۶۰۰ میلی‌گرم بر لیتر سیلیسیم بود. تیمارهای محلول‌پاشی سیلیسیم در دو نوبت و در مرحلۀ رشد سریع گیاه (مرحلۀ ۳ بر اساس مقیاس BBCH)، از اوایل فروردین‌ماه و با فاصلۀ زمانی ۱۵ روز اعمال شدند.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که با افزایش دور آبیاری، محتوای کاروتنوئیدها، کلروفیل a و b، شاخص کلروفیل، محتوای نسبی آب برگ، عملکرد نیشکر و عملکرد شکر به‌طور معنی‌داری کاهش یافت، در حالی‌که فعالیت آنزیم‌های کاتالاز، پراکسیداز، سوپراکسید دیسموتاز و غلظت مالون‌دی‌آلدئید افزایش یافت. تیمار نانوذرات سیلیس، به‌ویژه در غلظت ۳۰۰ میلی‌گرم بر لیتر، به‌طور مؤثر آثار نامطلوب کم‌آبیاری را کاهش داده و منجر به افزایش قابل‌توجه عملکرد نیشکر و شکر شد. این تیمار همچنین موجب افزایش شاخص کلروفیل، کلروفیل a و b، و حفظ مقادیر بالاتر هدایت روزنه‌ای و محتوای نسبی آب برگ گردید. برگ‌های تیمارشده با نانوسیلیس ۳۰۰ میلی‌گرم بر لیتر بیشترین تجمع سیلیسیم را نشان دادند. علاوه بر این، در همین تیمار بالاترین فعالیت آنزیم‌های پراکسیداز، کاتالاز و سوپراکسید دیسموتاز و کمترین میزان مالون‌دی‌آلدئید مشاهده شد. برتری نانوسیلیس نسبت به سیلیکات سدیم معمولی احتمالاً ناشی از فراهمی زیستی بالاتر آن است.
نتیجه‌گیری: به‌طور کلی، نتایج این پژوهش نشان داد که کاربرد نانوذرات سیلیس در مقایسه با سیلیسیم، از طریق بهبود صفات فتوسنتزی و تقویت سیستم دفاع آنتی‌اکسیدانی، مؤثرتر عمل کرده و موجب افزایش تحمل نیشکر به شرایط کم‌آبیاری می‌شود. این ویژگی‌ها نانوذرات سیلیس را به راهبردی کارآمد برای مدیریت تنش کم‌آبیاری و بهینه‌سازی تولید نیشکر در شرایط خشکی ناشی از محدودیت آبی تبدیل می‌کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Effect of nanosilica and silicon on physiological and biochemical traits of sugarcane under deficit irrigation regimes

نویسندگان [English]

  • Ali Hamdi Shengri 1
  • Afrasyab Rahnama 1
  • Ali Monsefi 1
  • Habib Alah Roshanfekr 1
  • Hossein Noroozi 2
1 Department of Plant Production and Genetics, Faculty of Agriculture, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran.
2 Khuzestan Sugarcane Research and Training Institute, Ahvaz, Iran.
چکیده [English]

Background and objectives: Drought stress is the major abiotic constraint affecting sugarcane productivity and quality worldwide. Water deficit not only reduces yield but also negatively affects key physiological and biochemical traits, including plant water relations, photosynthesis, chlorophyll content, and oxidative balance. Silicon, is a beneficial element known to enhance plant tolerance to abiotic stresses, particularly drought, by improving water status, preserving photosynthetic pigments, modulating antioxidant defense mechanisms, and promoting the accumulation of compatible metabolites. Silicon nanoparticles (nano-silica), owing to their small particle size and high specific surface area, exhibit greater bioavailability and physiological effectiveness than conventional silicon sources. Therefore, this study aimed to compare the effects of nano-silica and conventional silicon on drought tolerance and related physiological and biochemical responses in sugarcane.
Materials and Methods: The experiment was conducted during the 2024–2025 growing season using a split-plot arrangement within a randomized complete block design with three replications on sugarcane variety CP69-1062. Irrigation intervals (7, 10, and 13 days) were assigned to main plots, while foliar application treatments included a control (no application), nano-silica at 150 and 300 mg L⁻¹, and silicon at 300 and 600 mg L⁻¹were allocated to sub-plots. These. Foliar applications were applied twice during the rapid growth stage (BBCH stage 3), beginning in early April, with a 15-day interval between applications.
Results: Increasing irrigation intervals significantly reduced carotenoid content, chlorophyll a and b content, chlorophyll index, relative water content, cane yield, and sugar yield. In contrast, the activities of catalase, peroxidase, and superoxide dismutase, as well as malondialdehyde (MDA) concentration, increased significantly under water deficit conditions. Foliar application of nano-silica, particularly at 300 mg L⁻¹, effectively mitigated the adverse effects of deficit irrigation. This treatment significantly enhanced cane and sugar yield compared with untreated plants and silicon treatments. Moreover, nano-silica at 300 mg L⁻¹ increased chlorophyll index, chlorophyll a and b contents, maintained stomatal conductance and relative water content, and resulted in the highest silica accumulation in plant tissues. This treatment also showed the highest antioxidant enzyme activities and the lowest MDA content, indicating reduced oxidative damage. The superior performance of nano-silica is attributed to its higher bioavailability compared with silicon sources.
Conclusion: These findings indicate that silicon nanoparticles are more effective than conventional silicon in enhancing sugarcane tolerance to irrigation deficit. This improvement is primarily associated with enhanced photosynthetic capacity and a strengthened antioxidant defense system. Consequently, nano-silica represents a promising strategy for improving drought stress management and optimizing sugarcane productivity under limited irrigation conditions.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Antioxidant activity
  • Cane yield
  • Chlorophyll content
  • Malondialdehyde content
  • Stomatal conductance

مراجع

  1. FAO, 2023. Food and Agricultural Organization Statistical Yearbook. http://www.fao.org.
  2. Kumar, R., Sagar, V., Verma, V. , Kumari, M., Gujjar, R. S., Goswami, S. K., & Prasad, P. V. (2023). Drought and salinity stresses induced physio-biochemical changes in sugarcane: an overview of tolerance mechanism and mitigating approaches. Frontiers in Plant Science, 14, 1225234.‏
  3. Bashir, S. , Hussain, A., Hussain, S. J., Wani, O. A., Zahid Nabi, S., Dar, N. A., & Mansoor, S. (2021). Plant drought stress tolerance: Understanding its physiological, biochemical and molecular mechanisms. Biotechnology & Biotechnological Equipment, 35(1), 1912–1925.
  4. Sajid, M., Amjid, M., Munir, H., Ahmad, M., Zulfiqar, U., Ali, M. , & Artyszak, A. (2023). Comparative analysis of growth and physiological responses of sugarcane elite genotypes to water stress and sandy loam soils. Plants, 12(15), 2759.
  5. Ferreira, T. , Tsunada, M. S., Bassi, D., Araújo, P., Mattiello, L., Guidelli, G. V., & Menossi, M. (2017). Sugarcane water stress tolerance mechanisms and its implications on developing biotechnology solutions. Frontiers in Plant Science, 8, 1077.‏
  6. Verma, K. , Anas, M., Chen, Z., Rajput, V. D., Malviya, M. K., & Verma, C. L. (2020). Silicon supply improves leaf gas exchange, antioxidant defense system and growth in saccharum officinarum responsive to water limitation. Plants, 9(10), 1300.
  7. Teixeira, G. C. M., de Prado, R. M., Rocha, A. M. S., de Oliveira Filho, A. S. B., da Sousa Junior, G. S., & Gratão, P. (2022). Action of silicon on the activity of antioxidant enzymes and on physiological mechanisms mitigates water deficit in sugarcane and energy cane plants. Scientific Reports, 12(1), 17487.
  8. Verma, K. , Song, X. P., Lin, B., Guo, D. J., Singh, M., & Rajput, V. D. (2021). Silicon induced drought tolerance in crop plants: Physiological adaptation strategies. Silicon, 13(12), 4641-4657.
  9. El-Beltagi, H. , Shehata, W. F., Ahmad, A., Hassim, M. F., & Hadid, M. L. (2023). Role of silica nanoparticles in enhancing drought tolerance of cereal crops. Notulae Botanicae Horti Agrobotanici Cluj-Napoca, 51(4), 13480–13480.
  10. Fereres, E., & Soriano, M. A. (2007). Deficit irrigation for reducing agricultural water use. Journal of Experimental Botany, 58(2), 147-159.‏
  11. Farooq, M., & Dietz, K. J. (2015). Silicon as versatile player in plant and human biology: Overlooked and poorly understood. Frontiers in Plant Science, 6, 408.
  12. Das, A., & Das, B. (2019). Nanotechnology a Potential Tool to Mitigate Abiotic Stress in Crop Plants. In Abiotic and Biotic Stress in Plants (pp. 445-460). IntechOpen.
  13. Elsheery, N. I., Sunoj, V. S. , Wen, Y., Zhu, J. J., Muralidharan, G., & Cao, K. F. (2020). Foliar application of nanoparticles mitigates the chilling effect on photosynthesis and photoprotection in sugarcane. Plant Physiology and Biochemistry, 149, 50–60.
  14. Hoang, C.V., Thoai, D. , Cam, N. T. D., Phuong, T. T. T., Lieu, N. T., Hien, T. T. T., & V, Q.V. (2022). Large-scale synthesis of nanosilica from silica sand for plant stimulant applications. ACS Omega, 7(45), 41687-41695.
  15. Nadeem, M., Anwar-Ul-Haq, M., Xin, X., Shohag, M. I., Ayub, M. A., Ahmad, W., & He, Z. (2025). Exogenous Application of silica and nano silica particles improves nutrient acquisition and growth of Maize (Zea mays L.) under saline and water deficit conditions. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 56(12), 1872-1888.‏
  16. horne, S. , Hartley, S. E., & Maathuis, F. J. (2020). Is silicon a panacea for alleviating drought and salt stress in crops? Frontiers in Plant Science, 11, 568588.
  17. Hajizadeh, H. , Azizi, S., Rasouli, F., & Okatan, V. (2022). Modulation of physiological and biochemical traits of two genotypes of Rosa damascena Mill. by SiO2-NPs under In vitro drought stress. BMC Plant Biology, 22(1), 1-19.
  18. Verma, K. , Zeng, Y., Song, X. P., Singh, M., Wu, K. C., Rajput, V. D., & Li, Y. R. (2022). Nanosilicon: An approach for abiotic stress mitigation and sustainable agriculture. Frontiers in Plant Science, 13, 1025974.
  19. Mathur, P., & Roy, S. (2020). Nanosilica facilitates silica uptake, growth and stress tolerance in plants. Plant Physiology and Biochemistry, 157, 114–127.
  20. Liang, Y.C., Nikolic, M., Belanger, R., Gong, H.J., & Song, A.L. (2015). Silicon in Agriculture: From Theory to Practice. Dordrecht: Springer
  21. Barrs, H. , & Weatherley, P. E. (1962). A re-examination of the relative turgidity techniques for estimating water deficits in leaves. Australian Journal of Biological Sciences, 15, 413-428.
  22. Beers, R. , & Sizer, J. W. (1952). Spectrophotometric method for measuring breakdown of hydrogen peroxide catalase. Journal of Biological Chemistry, 195, 133-140.
  23. Nakano, Y., & Asada, K. (1981). Hydrogen peroxide is scavenged by ascorbate-specific peroxidase in spinach chloroplasts. Plant and Cell Physiology, 22(7), 867-880.
  24. Giannopolitis, C. , & Ries, S. K. (1997). Superoxide dismutases: I. Occurrence in higher plants. Plant Physiology, 59(2), 309-314.
  25. Nahar, K., Hasanuzzaman, M., Alam, M. , & Fujita, M. (2015). Roles of exogenous glutathione in antioxidant defense system and methylglyoxal detoxification during salt stress in mung bean. Biologia Plantarum, 59(4), 745-756.
  26. Heath, R. , & Packer, L. (1968). Photoperoxidation in isolated chloroplasts. Kinetics and stoichiometry of fatty acid peroxidation. Archives of Biochemistry and Biophysics, 125(1), 189-198.
  27. Elliott, C. , & Snyder, G. H. (1991). Autoclave-induced digestion for the colorimetric determination of silicon in rice straw. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 39, 1118-1119.
  28. Verma, K. , Wu, K. C., Singh, P., Malviya, M. K., Singh, R. K., Song, X. P., & Li, Y. R. (2019). The protective role of silicon in sugarcane under water stress: photosynthesis and antioxidant enzymes. Biomedical Journal of Scientific & Technical Research, 15(2), 1-7.‏
  29. Siddiqui, M. , & Al-Whaibi, M. H. (2014). Role of nano-SiO₂ in germination of tomato (Lycopersicum esculentum Mill.) seeds. Saudi Journal of Biological Sciences, 21(1), 13–17.
  30. Hafez, E., Osman, H. , Gowayed, S., Okasha, S., Omara, A., & Sami, R. (2021). Minimizing the adversely impacts of water deficit and soil salinity on maize growth and productivity in response to the application of plant growth-promoting rhizobacteria and silica nanoparticles. Agronomy, 11(11), 2127.
  31. Siddiqui, M. H., Al-Whaibi, M. , Firoz, M., & Al-Khaishany, M. Y. (2015). Role of nanoparticles in plants. Nanotechnology and Plant Sciences: Nanoparticles and Their Impact on Plants, 19-35.‏
  32. De Camargo, M. , Baltieri, G. J., Santos, H. L., Carnietto, M. R. A., dos Reis, A. R., Pacheco, A. C., & de Almeida Silva, M. (2023). Silicon fertilization enhances photosynthetic activity and sugar metabolism in sugarcane cultivars under water deficit at the ripening phase. Silicon, 15(7), 3021–3033.
  33. Rahnama, A., James, R. , Poustini, K., & Munns, R. (2010). Stomatal conductance as a screen for osmotic stress tolerance in durum wheat growing in saline soil. Functional Plant Biology, 37, 255-263.
  34. Gong, H., Chen, K. , Chen, G. C., Wang, S. M., & Zhang, C. L. (2003). Effects of silicon on growth of wheat under drought. Journal of Plant Nutrition, 26(5), 1055–1063.
  35. Apel, K., & Hirt, H. (2004). Reactive oxygen species: metabolism, oxidative stress, and signal transduction. Annual Review of Plant Biology, 55(1), 373-399.‏
  36. Mittler, R. (2002). Oxidative stress, antioxidants and stress tolerance. Trends in Plant Science, 7(9), 405–410.
  37. Gill, S. , & Tuteja, N. (2010). Reactive oxygen species and antioxidant machinery in abiotic stress tolerance in crop plants. Plant Physiology and Biochemistry, 48(12), 909-930.
  38. Ma, J. , & Yamaji, N. (2006). Silicon uptake and accumulation in higher plants. Trends in Plant Science, 11(8), 392-397.
  39. Tripathi, D. , Singh, S., Singh, V. P., Prasad, S. M., Dubey, N. K., & Chauhan, D. K. (2017). Silicon nanoparticles more effectively alleviated UV-B stress than silicon in wheat (Triticum aestivum L.) seedlings. Plant Physiology and Biochemistry, 110, 70–81.
  40. Liang, Y., Chen, Q., Liu, Q., Zhang, W., & Ding, R. (2003). Exogenous silicon (Si) increases antioxidant enzyme activity and reduces lipid peroxidation in roots of salt-stressed barley (Hordeum vulgare ). Journal of Plant Physiology, 160(10), 1157–1164.
  41. Yousefvand, P., Sohrabi, Y., Heidari, G., Weisany, W., & Mastinu, A. (2022). Salicylic acid stimulates defense systems in Allium hirtifolium grown under water deficit stress. Molecules, 27.
  42. Davey, M. , Stals, E., Panis, B., Keulemans, J., & Swennen, R. L. (2005). High-throughput determination of malondialdehyde in plant tissues. Analytical Biochemistry, 347(2), 201–207.
  43. Suriyaprabha, R., Karunakaran, G., Yuvakkumar, R., Prabu, P., Rajendran, V., & Kannan, N. (2012). Growth and physiological responses of maize (Zea mays) to porous silica nanoparticles in soil. Journal of Nanoparticle Research, 14(12), 1294.‏
  44. Mehareb, E., & Gadallah, A. (2020). Yield and quality of some sugarcane varieties as affected by irrigation number. SVU-International. Journal of Agricultural Sciences, 2(2), 144-165.
  45. Noorghadami, Z., Mansoori, Y., Sheikhdavoodi, M. , Rahnama, A., & Taghizadeh, A. (2022). Investigation on the effect of drying-off and harvest date management on quantitative and qualitative yield of sugarcane. Sugar Technology, 24, 1699–1709.
  46. De Camargo, M. S., Bezerra, B. K. L., Vitti, A. C., Silva, M. A., & Oliveira, A. L. (2017). Silicon fertilization reduces the deleterious effects of water deficit in sugarcane. Journal of Soil Science and Plant Nutrition, 17(1), 99-111.‏
مجله تولید گیاهان زراعی
دوره 19، شماره 1
فروردین 1405
صفحه 145-154

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار