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

세계의 건조 및 반건조 지역에서는 지표면이 너무 많은 염분을 머금고 있는 경우가 많습니다. 이는 단순히 토양이 건조한 문제가 아니라, 식물이 수분을 섭취하기 어렵게 만드는 화학적 불균형의 문제입니다. 토양 속의 물이 너무 짜면, 식물은 마치 사람이 바닷물을 마시려는 것처럼 뿌리로 수분을 끌어올리는 데 어려움을 겪습니다. 염분이 축적됨에 따라 식물의 섬세한 내부 화학 작al을 방해하여, 필수 영양소를 독성 이온으로 대체하고 빛을 음식으로 바꾸는 세포 내부의 미세 구조를 손상시킵니다. 세계 식량 공급에 매우 중요하지만 염분에 대한 내성이 중간 정도인 옥수수나 대두와 같은 작물들에게 이러한 스트레스는 성장을 저해하고, 수확을 망치며, 밭을 황폐하게 만들 수 있습니다. 과학자들은 값비싼 토양 처리법이나 유전 공학에 의존하지 않고 이러한 가혹한 조건에서 식물이 살아남도록 돕는 방법을 오랫동안 찾아왔습니다.

사우디아라비아의 한 연구팀은 최근 자연계에서 해결책을 찾으며 다른 접근 방식을 탐구했습니다. 그들은 식물이 방어력을 높이기 위해 아주 적은 양을 사용할 수 있지만, 양이 너무 많아지면 해로워지는 특정 유형의 셀레늄에 주목했습니다. 연구진은 현지의 사막 식물인 *Aiz오온 카나리엔세(Aizoon canense)*를 사용하여 이 미네�의 특수한 초미세 버전을 만들 수 있을지 궁금해했습니다. 이 지역이 원산지인 이 다육 식물은 항산화제로 작용할 수 있는 강력한 천연 화합물을 함유하고 있는 것으로 알려져 있습니다. 연구진은 이 식물의 추출물을 사용하여 흔한 셀레늄 염을 나노입자(나노미터 단위의 아주 작은 입자)로 변환함으로써, 표준적인 화학 형태보다 더 안전하고 효과적인 처방을 만들고자 했습니다. 그들은 이 녹색 방식으로 만들어진 처방이 염분이 있는 조건에서도 작물이 수분을 더 잘 흡수하고, 영양분을 유지하며, 스트레스에도 불구하고 계속 성장할 수 있게 도울 수 있는지 확인하기 위해 옥수수와 대두를 대상으로 실험을 진행했습니다.

연구진은 먼저 사막의 다육 식물을 수집하여 잎과 줄기를 끓여 액체 추출물을 만들었습니다. 그들은 이 추출물을 흔한 셀레늄 형태인 아셀리나이트(sodium selenite) 용액과 혼합했고, 혼합물이 연한 노란색에서 진한 벽돌색으로 변하는 것을 관 خلال했습니다. 이러한 색 변화는 식물 추출물이 셀레늄을 성공적으로 나노입자로 전환했음을 나타냈습니다. 연구팀은 이 새로운 입자들을 정밀하게 특성화하여 크기가 균일하고 식물의 천연 화합물로 코팅되어 있음을 확인했습니다. 새로운 처방이 준비되자, 그들은 온실에서 대규모 실험을 설정했습니다. 그들은 옥수수와 대두를 화분에 심고 다양한 수준의 염분 스트레스를 가했습니다. 어떤 식물은 염분을 전혀 주지 않았고, 어떤 식물은 중간 정도의 염분을, 다른 식물은 심각한 염분을 주었습니다. 각 염분 수준 내에서 식물들은 0에서부터 특정 농도인 1.0 밀리그램/리터까지 다양한 양의 새로운 셀레늄 나노입자 처리를 받았습니다. 결과가 단순히 식물 추출물이나 원료 셀레늄 때문이 아니라 나노입자 때문임을 확실히 하기 위해, 연구팀은 식물 추출물만 처리하거나 표준 아셀리나이트 염을 처리한 대조군도 포함했습니다.

결과는 염분 스트레스가 실제로 작물에 파괴적이라는 것을 보여주었습니다. 높은 염분에 노로출된 식물은 훨씬 더 짧게 자랐고, 잎의 수가 적어졌으며, 건강한 식물에 비해 총 건조 중량의 절반 이상을 잃었습니다. 내부 수분 수치는 떨어졌고, 세포막은 누수되었으며, 필수 영양소인 칼륨을 잃으면서 독성 수준의 나트륨을 축적했습니다. 식물 또한 산화적 손상을 입었는데, 이는 해로운 분자들이 세포 내부에 쌓여 조직을 파괴하기 시작하는 과정입니다. 그러나 나노입자 적용은 결과를 크게 변화시켰습니다. 처리는 용량 의존적 방식으로 작용했는데, 즉 적용된 양이 매우 중요하다는 의미였습니다. 가장 효과적인 용량은 1.0 밀리그램/리터였습니다. 이 농도에서 나노입자는 식물이 놀라울 정도로 잘 회복하도록 도왔습니다. 심한 스트레스를 받은 옥수수의 경우, 처리되지 않은 짠 토양의 식물에 비해 총 건조 질량이 46.0% 증가했으며, 대두의 경우 45.3% 증가했습니다. 식물들은 단순히 생존하는 것을 넘어 번창하고 있었습니다.

단순히 더 크게 자라는 것을 넘어, 처리된 식물들은 심오한 생리적 개선을 보였습니다. 나노입자는 작물이 수분을 더 효과적으로 보유하도록 도와, 토양이 짭짤할 때도 잎을 팽팽하고 건강하게 유지했습니다. 또한 세포막을 강화하여 필수 액체의 누출을 방지하고 독성 이온에 의한 손상을 줄였습니다. 식물 내부에서 이 처방은 산화 스트레스에 대한 방패 역할을 했습니다. 이는 식물의 천연 항산화 효소 활성을 높였고(이는 유해한 분자를 청소하는 식물의 방식입니다), 수소 퍼옥사이드 및 말론디알데히드와 같은 해로운 화합물의 수치를 낮추었습니다. 이러한 보호 덕분에 식물은 광합성 기구를 유지할 수 있었습니다. 처리된 식물은 햇빛을 포착하는 데 필수적인 색소인 녹색 엽록소를 더 많이 유지했으며, 처리되지 않은 대상보다 대기와의 가스 교환을 훨씬 더 효율적으로 수행할 수 있었습니다. 결과적으로, 이들은 가혹한 환경에서도 계속해서 식품과 에너지를 생산할 수 있었습니다.

연구는 또한 나노입자가 다른 처방들보다 우수하다는 것을 밝혀냈습니다. 식물 추출물 단독 처리와 표준 아เซล리나이트 모두 어느 정도의 보호 효과를 제공했지만, 나노입자 제제만큼 효과적이지는 않았습니다. 추출물 단독으로는 심한 스트레스 하에서 성장이 약 12% 개선되었고, 표준 염은 약 28% 개선된 반면, 나노입자는 45% 이상의 개선을 달성했습니다. 이는 나노입자의 독특한 특성, 즉 아마도 그 작은 크기와 식물 추출물이 코팅되는 특정한 방식 덕분에 원료 자체보다 작물과 더 유익한 방식으로 상호작용할 수 있었음을 시사합니다. 연구진은 나노입자가 식물의 내부 화학 작성을 조절하여 잎에 독성 나트륨이 들어오는 것을 막고, 칼륨, 칼슘, 마그네슘과 같은 필수 영양소가 계속 이용 가능하도록 유지하는 것을 발견했습니다. 이러한 균형은 식물이 구조와 기능을 유지하는 데 결정적이었습니다.

흥미롭게도, 연구진은 셀레늄을 너무 많이 투여하는 것이 더 낫지는 않다는 점을 관찰했습니다. 용량을 1.5 밀리그램/리터로 늘렸을 때, 이점은 더 향상되지 않았으며, 어떤 경우에는 1.0 밀리그램/리터 수준보다 약간 낮았습니다. 이는 셀레늄이 스트레스 내성을 위한 강력한 도구가 될 수 있지만, 너무 많으면 해로울 수 있으므로 정밀하게 사용되어야 함을 확인해 줍니다. 연구는 사우디아라비아 토착 다육 식물을 사용하여 합성된 녹색 셀레늄 나노입자가 주요 작물의 염분 내성을 높이는 유망하고 농도 의존적인 방법을 제공한다고 결론지었습니다. 수분 유지, 영양 균형 및 항산화 방어 기제를 조절함으로써, 이 나노입자들은 옥수수와 대두가 염분의 손상 효과를 극복하도록 도왔습니다. 연구 결과는 통제된 온실 환경 내에서는 견고하지만, 저자들은 이 나노입자들이 개방된 들판에서 어떻게 행동하는지 확인하고, 식물 조직 내에서 정확히 어떻게 이동하는지 이해하기 위해 추가 연구가 필요하다고 언급했습니다. 현재로서는, 이 연구는 자연에서 영감을 얻은 나노 기술이 점점 더 염해를 입는 토양에서 식량 생산을 확보하는 데 중요한 역할을 할 수 있음을 보여주는 명확한 증거입니다.