Selenium nanoparticles synthesized using the native Saudi Arabian succulent Aizoon canariense enhance salinity tolerance in maize and soybean

في المناطق القاحلة وشبه القاحلة من العالم، غالبًا ما تحتفظ الأرض بالكثير من الملح. لا يقتصر الأمر مجرد مسألة تربة جافة؛ بل هو خلل كيميائي يجعل من الصعب على النباتات الشرب. فعندما يكون الماء في التربة مالحًا جدًا، تكافح النباتات لسحب الرطوبة إلى جذورها، تمامًا مثل شخص يحاول الشرب من كأس من مياه البحر. ومع تراكم الملح، فإنه يخل بالكيمياء الداخلية الدقيقة للنبات، مستبدلاً العناصر الغذائية الأساسية بأيونات سامة، ومسببًا ضررًا للهياكل الصغيرة داخل الخلاق المسؤولة عن تحويل ضوء الشمس إلى غذاء. وبالنسبة لمحاصيل مثل الذرة وفول الصويا، وهي محاصيل حيوية للإمدادات الغذائية العالمية ولكنها متوسطة التحمل للملوحة فقط، يمكن لهذا الإجهاد أن يعيق النمو، ويدمر المحاصيل، ويترك الحقول قاحلة. وقد بحث العلماء طويلاً عن طرق لمساعدة هذه النباتات على البقاء في مثل هذه الظروف القاسية دون اللجوء إلى معالجات التربة المكلفة أو الهندسة الوراثية.

استكشف فريق من الباحثين في المملكة العربية السعودية مؤخرًا نهجًا مختلفًا، حيث لجأوا إلى الطبيعة لإيجاد حل. فقد ركزوا على نوع معين من السيلينيوم، وهو معدن يمكن للنباتات استخدامه بكميات ضئيلة لتعزيز دفاعاتها، ولكنه يصبح ضارًا إذا كانت الجرعة عالية جدًا. تساءل الباحثون عما إذا كان بإمكانهم إنشاء نسخة خاصة فائقة الدقة من هذا المعدن باستخدام نبات صحراوي محلي يسمى "آيزون كناري" (Aizoon canariense). هذا النبات العصاري، الموطن الأصلي للمنطقة، معروف باحتوائه على مركبات طبيعية قوية يمكن أن تعمل كمضادات للأكسدة. ومن خلال استخدام مستخلص من هذا النبات لتحويل ملح سيلينيوم شائع إلى جسيمات نانوية — وهي جسيمات متناهية الصغر تقاس بأجزاء من المليار من المتر — أمَل الفريق في إنشاء علاج أكثر أمانًا وفعالية من الأشكال الكيميائية القياسية. وقد اختبروا هذه الفكرة على نباتات الذرة وفول الصويا التي كانت تُزرع في ظروف مالحة، بهدف معرفة ما إذا كان هذا العلاج "الأخضر المصنع" يمكن أن يساعد المحاصيل على الشرب بشكل أفضل، والحفاظ على عناصرها الغذائية، والاستمرار في النمو رغم الإجهاد.

بدأ الباحثون بجمع النبات العصاري الصحراوي وغلي أوراقه وسيقانه لإنشاء مستخلص سائل. وخلطوا هذا المستخلص مع محلول من سيلينيت الصوديوم، وهو شكل شائع للسيلينيوم، وراقبوا كيف تغير لون الخليط من الأصفر الشاحب إلى الأحمر الطوبي الداكن. وقد أشار هذا التحول إلى أن مستخلص النبات قد نجح في تحويل السيلينيوم إلى جسيمات نانوية. ثم قام الفريق بتوصيف هذه الجسيمات الجديدة بعناية، مؤكدين أنها موحدة الحجم ومغلفة بالمركبات الطبيعية للنبات. ومع جاهزية علاجهم الجديد، أقاموا تجربة واسعة النطاق في دفيئة زراعية (صوبة). حيث زرعوا الذرة وفول الصويا في أصص، مع تعريضها لمستويات مختلفة من الإجهاد الملحي. تلقت بعض النباتات لا ملح، وبعضها تلقى ملحًا متوسطًا، والبعض الآخر تلقى ملحًا شديدًا. وضمن كل مستوى ملحي، عولجت النباتات بكميات مختلفة من جسيمات السيلينيوم النانوية، تتراوح من عدم وجودها إلى تركيز محدد قدره 1.0 ملليجرام لكل لتر. ولضمان أن النتائج تعود حقًا للجسيمات النانوية وليس لمجرد مستخلص النبات أو ملح السيلينيت الخام، أدرج الفريق أيضًا مجموعات من النباتات التي عولجت بمستخلص النبات وحده أو بسيلينيت الصوديوم القياسي.

أظهرت النتائج أن الإجهاد الملحي كان بالفعل مدمرًا للمحاصيل. فالنباتات التي تعرضت لمستويات عالية من الملح نمت بشكل أقصر بكثير، وطورت أوراقًا أقل، وفقدت أكثر من نصف وزنها الجاف الإجمالي مقارلة بالنباتات السليمة. وانخفضت مستويات المياه داخلها، وأصبحت أغشية خلاياها تسرب، وتراكمت فيها كميات سامة من الصوديوم بينما فقدت عناصر غذائية أساسية مثل البوتاسيوم. كما عانت النباتات من أضرار تأكسدية، وهي عملية تتراكم فيها الجزيئات الضارة داخل خلاياها وتبدأ في تدمير أنسجتها. ومع ذلك، فإن تطبيق جسيمات السيلينيوم النانوية غير النتيجة بشكل كبير. عمل العلاج بطريقة تعتمد على الجرعة، مما يعني أن الكمية المطبقة كانت مهمة للغاية. وكانت الجرعة الأكثر فعالية هي 1.0 ملليجرام لكل لتر. عند هذا التركيز، ساعدت الجسيمات النانوية النباتات على التعافي بشكل ملحوود. ففي حالة الذرة المجهدة بشدة، زادت الكتلة الجافة الإجمالية بنسبة 46.0 بالمائة مقارنة بالنباتات المالحة غير المعالجة، وفي فول الصويا، زادت بنسبة 45.3 بالمائة. لم تكن النباتات تنجو فحسب، بل كانت تزدهر.

بعيدًا عن مجرد النمو بشكل أكبر، أظهرت النباتات المعالجة تحسنات فسيولوجية عميقة. ساعدت الجسيمات النانوية المحاصيل على الاحتفاظ بالماء بشكل أكثر فعالية، مما حافظ على أوراقها مشدودة وصحية حتى عندما كانت التربة مالحة. كما عززت أغشية الخلايا، مما منع تسرب السوائل الحيوية وقلل من الضرر الناتج عن الأيونات السامة. وداخل النباتات، عمل العلاج كدرع ضد الإجهاد التأكسدي؛ فقد عزز نشاط إنزيمات مضادات الأكسدة الطبيعية في النباتات، وهي طريقة الجسم لتنظيف الجزيئات الضارة، وقلل من مستويات المركبات الضارة مثل بيروكسيد الهيدروجين والمالونديالدهيد. سمحت هذه الحماية للنباتات بالحفاظ على آلات التمثيل الضوئي الخاصة بها. فقد احتفظت النباتات المعالجة بمزيد من الكلوروفيل الأخضر، وهو الصبغة الأساسية لالتقاط ضوء الشمس، وكانت قادرة على تبادل الغازات مع الغلاف الجوي بكفاءة أكبر من نظيراتها غير المعالجة. وبناءً على ذلك، تمكنت من الاستمرار في إنتاج الغذاء والطاقة رغم البيئة القاسية.

كشفت الدراسة أيضًا أن الجسيمات النانوية كانت متفوقة على العلاجات الأخرى. فبينما وفر مستخلص النبات وحده وسيلينيت الصوديوم القياسي بعض الحماية، إلا أنهما لم يكونا بنفس فعالية تركيبة الجسيمات النانوية. فقد حسن المستخلص وحده النمو بنسبة 12 بالمائة تقريبًا تحت الإجهاد الشديد، وحسن الملح القياسي النمو بنسبة 28 بالمائة تقريبًا، بينما حققت الجسيمات النانوية أكثر من 45 بالمائة. يشير هذا إلى أن الخصائص الفريدة للجسيمات النانوية، والناتجة على الأرجًا عن حجمها المتناهي في الصغر والطريقة المحددة التي غلف بها مستخلص النبات هذه الجسيمات، سمحت لها بالتفاعل مع المحاصيل بطريقة أكثر فائدة من المواد الخام وحدها. ووجد الباحثون أن الجسيمات النانوية ساعدت النباتات على تنظيم كيميائها الداخلية، مما أبقى الصوديوم السام بعيدًا عن الأوراق وضمن بقاء العناصر الغذائية الأساسية مثل البوتاسيوم والكالسيوم والمغنيسيوم متاحة. كان هذا التوازن حاسمًا لتمكين النباتات من الحفاظ على هيكلها ووظائفها.

ومن المثير للاهتمام، لاحظ الباحثون أن زيادة كمية السيلينيوم لم تكن أفضل. فعندما رفعوا الجرعة إلى 1.5 ملليجرام لكل لتر، لم تتحسن الفوائد أكثر، بل كانت في بعض الحالات أقل قليلاً من مستوى 1.0 ملليجرام. وهذا يؤكد أنه بينما يمكن للسيلينيوم أن يكون أداة قوية لتحمل الإجهاد، يجب استخدامه بدقة، لأن الكثير منه قد يصبح ضارًا. خلصت الدراسة إلى أن جسيمات السيلينيوم النانوية المصنعة حيويًا، والتي تم إنشاؤها باستخدام النبات العصاري المحلي في السعودية، تقدم طريقة واعدة وتعتمد على التركيز لتعزيز تحمل الملوحة في المحاصيل الرئيسية. فمن خلال تنسيق قدرة النبات على الاحتفاظ بالماء، وتوازن العناصر الغذائية، ودفاعات مضادات الأكسدة، ساعدت هذه الجسيمات النانوية محاصيل الذرة وفول الصويا على التغلب على الآثار الضارة للملوحة. وبينما تعد النتائج قوية ضمن بيئة الدفيئة المتحكم بها، يشير المؤلفون إلى أن هناك حاجة لمزيد من البحث لتأكيد كيفية سلوك هذه الجسيمات النانوية في الحقول المفتوحة وفهم كيفية انتقالها بالضبط عبر أنسجة النبات. وفي الوقت الحالي، يقف هذا العمل كدليل واضح على أن تقنية النانو المستوحاة من الطبيعة يمكن أن تلعب دورًا مهمًا في تأمين الإنتاج الغذائي في التربة التي تزداد ملوحتها.