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

Nelle regioni aride e semiaride del mondo, il terreno spesso trattiene troppo sale. Non si tratta semplicemente di una questione di suolo secco; è uno squilibrio chimico che rende difficile per le piante bere. Quando l'acqua nel suolo è troppo salata, le piante faticano a richiamare l'umidità nelle loro radici, proprio come una persona che cerca di bere da un bicchiere di acqua di mare. Man mano che il sale si accumula, interrompe la delicata chimica interna della pianta, sostituendo i nutrienti essenziali con ioni tossici e danneggiando le minuscole strutture all'interno delle cellule responsabili della trasformazione della luce solare in cibo. Per colture come il mais e la soia, che sono vitali per le forniture alimentari globali ma solo moderatamente tolleranti al sale, questo stress può arrestare la crescita, rovinare i raccolti e lasciare i campi sterili. Gli scienziati cercano da tempo modi per aiutare queste piante a sopravvivere a tali condizioni difficili senza ricorrere a costosi trattamenti del suolo o all'ingegneria genetica.

Un team di ricercatori in Arabia Saudita ha recentemente esplorato un approccio diverso, rivolgendosi al mondo naturale per una soluzione. Si sono concentrati su un tipo specifico di selenio, un minerale che le piante possono utilizzare in piccole quantità per potenziare le proprie difese, ma che diventa dannoso se la dose è troppo alta. I ricercatori si sono chiesti se potessero creare una versione speciale e ultra-fine di questo minerale utilizzando una pianta del deserto locale chiamata Aizoon canariense. Questa pianta succulenta, nativa della regione, è nota per contenere potenti composti naturali che possono agire come antiossidanti. Utilizzando un estratto di questa pianta per trasformare un comune sale di selenio in nanoparticelle — particelle così piccole da essere misurate in miliardi di metri — il team sperava di creare un trattamento che fosse più sicuro ed efficace rispetto alle forme chimiche standard. Hanno testato questa idea su piante di mais e soia che venivano coltivate in condizioni saline, con l'obiettivo di vedere se questo trattamento di origine "green" potesse aiutare le colture a bere meglio, mantenere i loro nutrienti e continuare a crescere nonostante lo stress.

I ricercatori hanno iniziato raccogliendo la succulenta del deserto e facendo bollire le sue foglie e i suoi steli per creare un estratto liquido. Hanno mescolato questo estratto con una soluzione di selenite di sodio, una forma comune di selenio, e hanno osservato mentre la miscela cambiava colore da un giallo pallido a un rosso mattone intenso. Questo cambiamento segnalava che l'estratto vegetale aveva trasformato con successo il selenio in nanoparticelle. Il team ha poi caratterizzato attentamente queste nuove particelle, confermando che erano uniformi nelle dimensioni e rivestite dai composti naturali della pianta. Con il loro nuovo trattamento pronto, hanno allestito un grande esperimento in serra. Hanno coltivato mais e soia in vasi, sottoponendoli a diversi livelli di stress salino. Alcune piante non ricevevano sale, altre ricevevano sale moderato e altre ancora ricevevano sale severo. All'interno di ogni livello di sale, le piante venivano trattate con diverse quantità delle nuove nanoparticelle di selenio, che variavano da nessuna a una concentrazione specifica di 1,0 milligrammo per litro. Per garantire che i risultati fossero realmente dovuti alle nanoparticelle e non solo all'estratto vegetale o al selenio grezzo, il team ha incluso anche gruppi di piante trattate solo con l'estratto vegetale o con il comune sale di selenite di sodio.

I risultati hanno mostrato che lo stress salino era effettivamente devastante per le colture. Le piante esposte ad alti livelli di sale crescevano molto meno, sviluppavano meno foglie e perdevano più della metà del loro peso secco totale rispetto alle piante sane. I loro livelli di acqua interna diminuivano, le loro membrane cellulari diventavano permeabili e accumulavano quantità tossiche di sodio perdendo al contempo nutrienti essenziali come il potassio. Le piante soffrivano anche di danni ossidativi, un processo in cui molecole dannose si accumulavano all'interno delle loro cellule e iniziavano a distruggere i loro tessuti. Tuttavia, l'applicazione delle nanoparticelle di selenio ha cambiato significativamente l'esito. Il trattamento ha funzionato in modo dose-dipendente, il che significa che la quantità applicata contava molto. La dose più efficace era di 1,0 milligrammo per litro. A questa concentrazione, le nanoparticelle hanno aiutato le piante a recuperare in modo straordinario. Nel mais sottoposto a stress severo, la massa secca totale è aumentata del 46,0% rispetto alle piante salate non trattate, e nella soia è aumentata del 45,3%. Le piante non stavano solo sopravvivendo; stavano prosperando.

Oltre a crescere di più, le piante trattate hanno mostrato profondi miglioramenti fisiologici. Le nanoparticelle hanno aiutato le colture a trattenere l'acqua in modo più efficace, mantenendo le foglie turgide e sane anche quando il suolo era salino. Hanno anche rinforzato le membrane cellulari, prevenendo la perdita di fluidi vitali e riducendo i danni causati dagli ioni tossici. All'interno delle piante, il trattamento ha agito come uno scudo contro lo stress ossidativo. Ha potenziato l'attività degli enzimi antiossidanti naturali delle piante, che sono il modo in cui il corpo pulisce le molecole dannose, e ha ridotto i livelli di composti dannosi come il perossido di idrogeno e la malondialdeide. Questa protezione ha permesso alle piante di mantenere il loro apparato fotosintetico. Le piante trattate hanno conservato più della loro clorofilla verde, il pigmento essenziale per catturare la luce solare, e sono state in grado di scambiare gas con l'atmosfera in modo molto più efficiente rispetto alle loro controparti non trattate. Di conseguenza, potevano continuare a produrre cibo ed energia nonostante l'ambiente ostile.

Lo studio ha anche rivelato che le nanoparticelle erano superiori agli altri trattamenti. Sebbene l'estratto vegetale da solo e il comune selenite di sodio fornissero una certa protezione, non erano affatto efficaci quanto la formulazione a nanoparticelle. L'estrazione da sola migliorava la crescita di solo il 12% circa sotto stress severo, e il sale standard la migliorava di circa il 28%, mentre le nanoparticelle ottenevano oltre il 45%. Ciò suggerisce che le proprietà uniche delle nanoparticelle, probabilmente dovute alla loro dimensione minuscola e al modo specifico in cui l'estratto vegetale le riveste, hanno permesso loro di interagire con le colture in un modo più benefico rispetto alle materie prime stesse. I ricercatori hanno scoperto che le nanoparticelle aiutavano le piante a regolare la propria chimica interna, mantenendo il sodio tossico lontano dalle foglie e garantendo che i nutrienti essenziali come potassio, calcio e magnesio rimanessero disponibili. Questo equilibrio era cruciale affinché le piante mantenessero la loro struttura e funzione.

Interessantemente, i ricercatori hanno osservato che applicare troppo selenio non era meglio. Quando hanno aumentato la dose a 1,5 milligrammi per litro, i benefici non sono migliorati ulteriormente e, in alcuni casi, sono stati leggermente inferiori rispetto al livello di 1,0 mg/l. Ciò conferma che, sebbene il selenio possa essere uno strumento potente per la tolleranza allo stress, deve essere usato con precisione, poiché un eccesso può diventare dannoso. Lo studio ha concluso che le nanoparticelle di selenio sintetizzate in modo "green", create utilizzando la succulenta nativa dell'Arabia Saudita, offrono un metodo promettente e dipendente dalla concentrazione per migliorare la tolleranza alla salinità nelle principali colture. Coordinando la ritenzione idrica, l'equilibrio dei nutrienti e le difese antiossidanti delle piante, queste nanoparticelle hanno aiutato mais e soia a superare gli effetti dannosi del sale. Sebbene i risultati siano solidi all'interno dell'ambiente controllato della serra, gli autori sottolineano che sono necessarie ulteriori ricerche per confermare come queste nanoparticelle si comportino in campi aperti e per comprendere esattamente come si muovano attraverso i tessuti vegetali. Per ora, il lavoro rappresenta una chiara dimostrazione che la nanotecnologia ispirata alla natura potrebbe giocare un ruolo significativo nel garantire la produzione alimentare in suoli sempre più salini.