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

In de aride en semi-aride regio's van de wereld bevat de grond vaak te veel zout. Dit is niet louter een kwestie van droge bodem; het is een chemische onbalans die het voor planten moeilijk maakt om te drinken. Wanneer het water in de bodem te zout is, worstelen planten om vocht in hun wortels op te nemen, vergelijkbaar met een persoon die probeert te drinken van een glas zeewater. Naarmate het zout zich ophoopt, verstoort het de delicate interne chemie van de plant, waarbij essentiële voedingsstoffen worden vervangen door toxische ionen en de minuscule structuren binnen de cellen die verantwoordelijk zijn voor het omzetten van zonlicht in voedsel, worden beschadigd. Voor gewassen zoals maïs en soja, die essentieel zijn voor de wereldwijde voedselvoorziening maar slechts matig tolerant zijn voor zout, kan deze stress de groei remmen, oogsten verpesten en velden onvruchtbaar achterlaten. Wetenschappers zoeken al lang naar manieren om deze planten te helpen overleven in dergelijke barre omstandigheden zonder terug te vallen op dure bodembehandelingen of genetische modificatie.

Een team onderzoekers in Saoedi-Arabië verkende onlangs een andere aanpak door zich tot de natuurlijke wereld te wenden voor een oplossing. Ze richtten zich op een specifiek type selenium, een mineraal dat planten in minuscule hoeveelheden kunnen gebruiken om hun verdediging te versterken, maar dat schadelijk wordt als de dosis te hoog is. De onderzoekers vroegen zich af of ze een speciale, ultra-fijne versie van dit mineraal konden maken met behulp van een lokale woestijnplant genaamd Aizoon canariense. Deze vetplant, inheems in de regio, staat bekend om het bevatten van krachtige natuurlijke verbindingen die als antioxidanten kunnen fungen. Door een extract van deze plant te gebruiken om een gangbaar seleniumzout om te vormen tot nanodeeltjes — deeltjes zo klein dat ze worden gemeten in miljardsten van een meter — hoopte het team een behandeling te creëren die veiliger en effectiever zou zijn dan standaard chemische vormen. Ze testten dit idee op maïs- en sojaplantjes die onder zoute omstandigheden werden gekweekt, met als doel te zien of deze op planten gebaseerde behandeling de gewassen kon helpen beter te drinken, hun voedingsstoffen te behouden en te blijven groeien ondanks de stress.

De onderzoekers begonnen met het verzamelen van de woestijnvetplant en het koken van de bladeren en stengels om een vloeibaar extract te maken. Ze mengden dit extract met een oplossing van natriumseleniet, een gangbare vorm van selenium, en zagen hoe het mengsel van bleekgeel naar diep baksteenrood veranderde. Deze verschuiving gaf aan dat het plantenextract het selenium succesvol had omgezet in nanodeeltjes. Het team karakteriseerde deze nieuwe deeltjes vervolgens zorgvuldig, waarbij werd bevestigd dat ze uniform van grootte waren en gecoat met de natuurlijke verbindingen van de plant. Met hun nieuwe behandeling gereed, zetten ze een groot experiment op in een kas. Ze kweekden maïs en soja in potten en onderwierpen deze aan verschillende niveaus van zoutstress. Sommige planten kregen geen zout, sommige kregen matig zout, en andere kregen ernstig zout. Binnen elk zoutniveau werden de planten behandeld met verschillende hoeveelheden van de nieuwe seleniumnanodeeltjes, variërend van niets tot een specifieke concentratie van 1,0 milligram per liter. Om er zeker van te zijn dat de resultaten werkelijk toe te schrijven waren aan de nanodeeltjes en niet alleen aan het plantenextract of het ruwe selenium, voegde het team ook groepen toe die alleen met het plantenextract of met het standaard natriumselenietzout werden behandeld.

De resultaten toonden aan dat zoutstress inderdaad verwoestend was voor de gewassen. Planten die werden blootgesteld aan hoge zoutniveaus groeiden veel minder, ontwikkelden minder bladeren en verloren meer dan de helft van hun totale droge gewicht vergeleken met gezonde planten. Hun interne watergehalte daalde, hun celmembranen werden lek en ze accumuleerden toxische hoeveelheden natrium terwijl ze essentiële voedingsstoffen zoals kalium verloren. De planten leden ook aan oxidatieve schade, een proces waarbij schadelijke moleculen zich binnen hun cellen ophopen en hun weefsels beginnen te vernietigen. De toepassing van de seleniumnanodeeltjes veranderde de uitkomst echter aanzienlijk. De behandeling werkte op een dosisafhankelijke manier, wat betekent dat de toegepaste hoeveelheid er sterk toe deed. De meest effectieve dosis was 1,0 milligram per liter. Bij deze concentratie hielpen de nanodeeltjes de planten opmerkelijk goed te herstellen. Bij de ernstig gestreste maïs nam de totale droge massa met 46,0 procent toe vergeleken met onbehandelde zoute planten, en bij soja steeg deze met 45,3 procent. De planten waren niet alleen aan het overleven; ze gedijden.

Buiten het simpelweg groter groeien, vertoonden de behandelde planten diepgaande fysiologische verbeteringen. De nanodeeltjes hielpen de gewassen effectiever water vast te houden, waardoor de bladeren stevig en gezond bleven, zelfs wanneer de bodem zout was. Ze versterkten ook de celmembranen, waardoor het lekken van vitale vloeistoffen werd voorkomen en de schade door toxische ionen werd verminderd. Binnen de planten fungeerde de behandeling als een schild tegen oxidatieve stress. Het stimuleerde de activiteit van de natuurlijke antioxidantenzymen van de planten, wat de manier van het lichaam is om schadelijke moleculen op te ruimen, en verminderde de niveaus van schadelijke verbindingen zoals waterstofperoxide en malondialdehyde. Deze bescherming stelde de planten in staat om hun fotosynthetische machinerie te behouden. De behandelde planten behielden meer van hun groene chlorofyl, het pigment dat essentieel is voor het opvangen van zonlicht, en waren in staat om veel efficiënter gassen uit te wisselen met de atmosfeer dan hun onbehandelde tegenhangers. Bijgevolg konden zij voedsel en energie blijven produceren ondanks de barre omgeving.

De studie onthulde ook dat de nanodeeltjes superieur waren aan de andere behandelingen. Hoewel het plantenextract alleen en het standaard natriumseleniet enige bescherming boden, waren ze niet even effectief als de nanodeeltjesformulering. Het extract alleen verbeterde de groei onder ernstige stress met slechts ongeveer 12 procent, en het standaardzout verbeterde deze met ongeveer 28 procent, terwijl de nanodeeltjes meer dan 45 procent bereikten. Dit suggereert dat de unieke eigenschappen van de nanodeeltjes, waarschijnlijk door hun minuscule omvang en de specifieke manier waarop het plantenextract hen bedekte, de gewassen op een meer gunstige manier lieten interageren dan de grondstoffen alleen. De onderzoekers vonden dat de nanodeeltjes de planten hielpen hun interne chemie te reguleren, waardoor toxisch natrium uit de bladeren werd gehouden en ervoor werd gezorgd dat essentiële voedingsstoffen zoals kalium, calcium en magnesium beschikbaar bleven. Deze balans was cruciaal voor de planten om hun structuur en functie te behouden.

Interessant genoeg observeerden de onderzoekers dat het toepassen van te veel selenium niet beter was. Wanneer ze de dosis verhoogden naar 1,5 milligram per liter, verbeterde de voordelen niet verder en waren ze in sommige gevallen zelfs iets lager dan op het niveau van 1,0 milligram. Dit bevestigt dat hoewel selenium een krachtig hulpmiddel kan zijn voor stressbestendigheid, het met precisie moet worden gebruikt, aangezien te veel schadelijk kan zijn. De studie concludeerde dat de op planten gebaseerde seleniumnanodeeltjes, gemaakt met de inheemse Saoedische vetplant, een veelbelovende en concentratieafhankelijke methode bieden voor het verbeteren van de zouttolerantie van belangrijke gewassen. Door de waterretentie, het nutriëntenbalans en de antioxidantverdediging van de plant te coördineren, hielpen deze nanodeeltjes maïs en soja om de schadelijke effecten van zout te overwinnen. Hoewel de bevindingen robuust zijn binnen de gecontroleerde omgeving van de kas, merken de auteurs op dat verder onderzoek nodig is om te bevestigen hoe deze nanodeeltjes zich in open velden gedragen en om precies te begrijpen hoe ze door de plantenweefsels bewegen. Voor nu staat het werk als een duidelijke demonstratie dat natuurgeïnspireerde nanotechnologie een belangrijke rol kan spelen bij het veiligstellen van de voedselproductie in steeds zouter wordende bodems.