نانوذرات و نقش آن‌ها در جوانه‌زنی بذر گیاهان

یکی از کاربردهای فناوری نانو در کشاورزی، به‌کارگیری روش‌هایی است که از طریق آن درصد جوانه‌زنی بذر افزایش و زمان آن کاهش می‌یابد. همچنین رشد و توسعه گیاه از جوانه‌زنی بذر آغاز می‌شود که به‌دنبال آن رشد ریشه و خروج گیاهچه از خاک به‌عنوان اولین علائم رشد شناخته می‌شوند. بررسی‌های متعددی در مورد توانایی نانوذرات در نفوذ به دیواره سلولی گیاهان و عمل به‌عنوان یک سیستم هوشمند انتقال انجام شده است. انواع متفاوتی از نانوذرات گزارش شده‌اند که می‌توانند به دیواره سلولی نفوذ کنند. نفوذ در بذر به سبب ضخامت قابل توجه پوسته بذر پیچیده و سخت است. نانوذرات می‌توانند منافذ جدیدی را برای نفوذ آب در پوسته بذر ایجاد کنند و به این ترتیب سرعت جوانه‌زنی را افزایش دهند. همچنین نانوذرات (به‌خصوص نانولوله‌های کربنی) می‌توانند کانال‌های آب موجود در پوسته بذر را تنظیم کنند. نانوذرات اثرات مثبت و منفی بر رشد گیاهان دارند و تأثیر آن‌ها به ترکیب، غلظت، اندازه و ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی و نیز به گونه‌های گیاه بستگی دارد و از گیاهی به گیاه دیگر متفاوت است.

1- مقدمهکشاورزی فرآیندی برای تولید محصولات غذایی است و به‌عنوان یکی از ارکان مهم اقتصادی محسوب می‌شود. با توجه به افزایش جمعیت جهان، نیاز به محصولات غذایی در حال افزایش است، به‌طوری که سازمان جهانی غذا (FAO) پیش‎بینی کرده است که با توجه به روند افزایش جمعیت تا سال 2050، سالانه 200 میلیون تن محصولات کشاورزی به منظور تأمین غذای انسان‌ها لازم است [1]. از طرفی بخش قابل توجهی از عملکرد سالانه محصولات کشاورزی در اثر تنش‌های زنده (آفات و بیماری‌ها) و تنش‌های غیرزنده (سرما، گرما، شوری، خشکی، باد، آلاینده‌های محیطی) از بین می‌رود. لذا کمیت و کیفیت محصولات کشاورزی و امنیت غذایی جوامع مختلف در این بین به خطر خواهد افتاد . از این‌رو پژوهشگران برای رفع موانع موجود در بخش کشاورزی روش‌های گوناگونی را به‌کار می‌برند که از جمله آن‌‌ها می‌توان به فناوری نانو اشاره کرد.

فناوری نوظهور نانو می‌تواند زمینه مناسبی را برای تولید گیاهان با ویژگی‌های مناسب ایجاد کند یا این‌که شرایط رشد بهتری را برای گیاهان فعلی فراهم کند. این فناوری کاربرد نانوابزارها و نانومواد را در بخش کشاورزی افزایش می‌دهد و زمینه‌ساز کشاورزی مدرن می‌شود. یکی از کاربردهای نانو در زراعت به‌کارگیری روش‌هایی است که از طریق آن درصد جوانه‌زنی بذر و به طبع آن رشد گیاه افزایش می‌یابد. بنابراین این امر موجب افزایش تولید محصولات کشاورزی خواهد شد .

2- جوانه‌زنی بذر

رشد و توسعه گیاه از جوانه‌زنی بذر آغاز می‌شود که به‌دنبال آن رشد ریشه و خروج گیاهچه از خاک به‌عنوان اولین علائم رشد شناخته می‌شوند. از نظر زراعی، بذر قسمتی از گیاه است که کاشته می‌شود تا جوانه بزند و گیاهی شبیه گیاه اصلی به‌وجود آورد. در یک تقسیم‌بندی کلی بذرها را به دو دسته تقسیم می‌کنند که عبارتند از: بذرهای جنسی و غیرجنسی. بذرهای جنسی حاصل گرده‌افشانی و لقاح و همان دانه درون میوه هستند. در این مقاله این بذرها مورد بررسی قرار می‌گیرند. اما بذرهای غیرجنسی از اندام یا قسمتی از اندام رویشی گیاه (برگ، ساقه و ریشه) به‌دست می‌آیند و برای تکثیر این گیاهان استفاده می‌شوند .

کامل بودن بذر و سلامت اجزای تشکیل‌دهنده بذر برای جوانه‌زنی لازم است. به‌ عبارت دیگر برای این‌که یک بذر بتواند جوانه بزند باید عوامل داخلی و شرایط محیطی مناسبی باشد. یکی از عوامل مهم داخلی، ذخیره مواد غذایی است که انرژی لازم برای جوانه‌زنی را تأمین می‌کند. لذا ذخیره غذایی بذر باید به اندازه کافی وجود داشته باشد تا در روند جوانه‌زنی اختلالی ایجاد نشود. به‌عنوان مثال بذرهای کوچک، چروکیده و نارس معمولاً مواد غذایی کافی برای رشد را ندارند. یکی از منابع غذایی مهم در بذر، لپه‌ها هستند که معمولاً نشاسته را به عنوان ذخیره غذایی نگهداری می‌کنند.

نشاسته موجود در بذر به سرعت نمی‌تواند انرژی لازم برای جوانه‌زنی را فراهم کند. به همین دلیل این کربوهیدرات باید به اجزای کوچک‌تری شکسته شود تا انرژی آن آزاد شود. آنزیم آمیلاز موجود در بذر، نشاسته را به گلوکز تجزیه و انرژی لازم برای جوانه‌زنی را تأمین می‌کند. همچنین رطوبت، حرارت، اکسیژن و نور در محیط کشت باید ترکیب مناسبی داشته باشند تا یک بذر بتواند جوانه بزند. به‌عنوان مثال، انواع مختلف بذرها معمولاً در رطوبتی بین 26 تا 75 درصد (نسبت به وزن خشک بذر) و در حرارت بین 15 تا 30 درجه سانتی‌گراد جوانه می‌زنند [4]. بنابراین هر عاملی که موجب بهبود شرایط محیطی شود، روند جوانه‌زنی را تسریع می‌کند و به رشد گیاه و تولید محصول بیشتر کمک می‌کند. در سال‌های اخیر تحقیقات متعددی انجام شده است و اثر نانوذرات بر جوانه‌زنی و رشد گیاه به منظور کاربرد آن در تولید محصولات کشاورزی مورد بررسی قرار گرفته است. نکته کلیدی در این تحقیقات، نفوذ نانوذرات به درون بذر و افزایش جوانه‌زنی است.

3- نحوه تأثیر نانوذرات در فرآیند جوانه‌زنی بذر

گستردگی و دامنه تأثیر فناوری نانو در بخش کشاورزی بسیار زیاد است اما مطالعات در مورد تأثیر مواد نانو بر فیزیولوژی و رشد و نمو گیاه در سطح موجود زنده بسیار محدود است. با این حال علاقه زیادی برای بررسی توانایی نانوذرات در نفوذ به دیواره سلولی گیاه و عمل به‌عنوان یک سیستم هوشمند انتقال وجود دارد [5]. همچنین در تحقیقات انجام شده، از نانوذرات مختلفی همچون دی اکسید تیتانیم، نانولوله کربنی، نانوذرات فلزی/اکسید فلزی (آلومینیوم، روی، سیلیکون، پالادیوم، نقره، مس و طلا) استفاده شده است و چندین گروه‌ پژوهشی انواع متفاوتی از نانوذرات را گزارش کرده‎اند که می‌توانند به دیواره سلولی نفوذ کنند [1و5]. نفوذ در بذر گیاهان می‌تواند در مقایسه با نفوذ به دیواره سلولی گیاه و غشا سلول جانوری، پیچیده و سخت‌تر باشد؛

به سبب ضخامت قابل توجه پوسته بذر که کل بذر را پوشانده است. با این وجود، پوسته بذر گونه‌های مختلف به‌طور انتخابی نسبت به برخی یون‌های عناصر سنگین نفوذپذیر هستند. همچنین بعضی از مواد با اندازه نانو قادر خواهند بود به پوسته بذر نفوذ کنند و جوانه‌زنی را تحت تأثیر قرار دهند. معمولاً پوسته بذرها از دو لایه به نام‌های تستا (Testa) و تگمن (Tegmen) تشکیل می‌شود که تستا لایه خارجی، ضخیم و نفوذپذیر و تگمن لایه داخلی و نازک است. در لایه خارجی پوسته بذر (تستا) منافذی به نام میکروپیل (Micropyle) وجود دارد که امکان انتقال آب را فراهم می‌کنند.

به‌عنوان مثال، قرار دادن بذرهای گوجه‌فرنگی در معرض نانولوله‌های کربنی می‌تواند درصد جوانه‌زنی را افزایش دهد و رشد گیاهچه‌ها را بیشتر کند. اضافه کردن نانولوله‌های کربنی به محیط کشت گوجه‌فرنگی باعث تسریع فرآیند جوانه‌زنی و کوتاه کردن زمان می‌شود (شکل 1 و 2). در گیاه گوجه‌فرنگی در صورتی‎که از نانولوله‌های کربنی استفاده شود، در روز سوم بذرها جوانه می‌زنند (شکل 1 الف)؛ در حالی که در شرایط عدم استفاده از نانولوله‌های کربنی، جوانه‌زنی طی سه روز اتفاق نمی‌افتد (شکل 1 ب) [5].

شکل 1- مقایسه سرعت جوانه‌زنی در شرایط حضور و عدم حضور نانومواد

همچنین درصد جوانه‌زنی در روزهای بعد به‌طور قابل توجهی در بذرهای تیمار شده با نانوذره افزایش یافت، به‌طوری که میانگین جوانه‌زنی در 12 روز 74 تا 82 درصد و در 20 روز 92 درصد شد. اما درصد جوانه‌زنی بذرهای تیمار نشده با نانوذره در 12 روز 32 درصد و در 20 روز 71 درصد بود (شکل 2) [5].

شکل 2- مقایسه درصد و مدت زمان جوانه‌زنی در بذرهای گوجه‌فرنگی تحت تیمار غلظت‌های مختلف نانولوله‌ کربنی

دلیل اصلی فعال‌سازی جوانه‌زنی به‌وسیله نانوذرات به نقش آن‌ها در فرآیند جذب آب به داخل جنین بذر مرتبط است. به‌عبارت دیگر، این ذرات ریز جذب آب به داخل بذر را تسهیل می‌کنند. در گوجه فرنگی بذرهای تیمار شده با نانولوله‌های کربنی به‎طور قابل توجهی رطوبت بیشتری (57/6 درصد) نسبت به بذرهای تیمار نشده (38/9 درصد) داشتند. احتمالاً این موضوع با توانایی نانوذرات در نفوذ به پوسته بذر و تسهیل جذب آب مرتبط است [5].اما مکانیسم توانایی نانوذرات در جذب آب به درون بذر هنوز ناشناخته است. یک احتمال این است که نانوذرات می‌توانند منافذ جدیدی را برای نفوذ آب در پوسته بذر ایجاد کنند و به این ترتیب سرعت جوانه‌زنی را افزایش دهند. احتمال دیگر به توانایی نانوذرات (به‌خصوص نانولوله‌های کربنی) در تنظیم کانال‌های آب موجود در پوسته بذر گیاه مرتبط است [5].

همچنین در سلول‌های گیاهی، دیواره سلولی نیز وجود دارد که ساختار محکم‌تری دارد. در داخل دیواره منافذی به نام پلاسمودسما (Plasmodesma) وجود دارد که مولکول‌های آب از آن عبور می‌کنند و به غشای سلولی می‌رسند (شکل 3). بعد از دیواره، غشای سلول قرار دارد که برای عبور مولکول‌های آب کانال‌هایی در آن وجود دارد. این کانال‌های پروتئینی وظیفه انتقال آب را بر عهده دارند و به آن‌ها آکوآپورین (Aquaporin) می‌گویند که آکوآ (aqua) به معنی آب و پورین (porin) به معنی منفذ یا حفره است (شکل 4 و 5).

انتقال آب در خلال غشا بدون صرف انرژی و براساس شیب غلظت انجام می‌شود. آب از محلی که تعداد مولکول‌های آن زیاد است به سمتی که تعداد مولکول کمتری دارد، منتقل می‌شود و به این صورت شیب غلظت در غشا ایجاد می‌شود (شکل 6). از آن‌جایی که این کانال‌ها پروتئینی هستند، توسط ژن‌های مشخصی در گیاه تولید و به‎وسیله ژن‌های دیگری نیز تنظیم می‌شوند. بنابراین احتمال دارد که نانوذرات با تأثیر بر ژن‌های تنظیم‌کننده کانال‌های پروتئینی یا با ممانعت از باز شدن کانال‌ها، انتقال آب به داخل پوسته بذر را کنترل کنند.

شکل 3- دیواره سلولی و منافذ (پلاسمودسما) موجود در آن برای انتقال آب

شکل 4- نمای از بالا که منافذ موجود در کانال پروتئینی (آکوآپورین) برای انتقال آب را نشان می‌دهد.

شکل 5- کانال پروتئینی (آکوآپورین) موجود در غشا سلول برای انتقال مولکول آب

شکل 6- نمونه‌ای از کانال باز و بسته و نحوه انتقال آب از غشای سلولی

4- نحوه استفاده از نانوذرات در جوانه‌زنی بذر

برای استفاده از نانوذرات در جوانه‌زنی ابتدا نانوذره مدنظر ساخته می‌شود. ذرات نانو را می‌توان یا با کوچک کردن ذرات بزرگ (Top-down) یا به روش دستکاری تک‌تک اتم‌ها و مولکول‌ها جهت تولید ذرات و ساختارهای نانو (Bottom-up) به‌دست آورد. در مرحله بعد، غلظت‌های مختلفی از آن تهیه و به محیط کشت بذر اضافه می‌شود. محیط کشت محیطی است که بذر در آن قرار می‌گیرد تا جوانه بزند و به گیاه کاملی تبدیل شود. معروف‌ترین و ساده‌ترین محیط کشت، خاک است. همچنین محیط کشت می‌تواند آب، محلول‌های غذایی در کشت هیدروپونیک و محیط‌های کشت آزمایشگاهی نظیر Murashige and Skoog باشد. برای مقایسه اثر حضور و عدم حضور نانوذرات در محیط کشت، معمولاً در یکی از نمونه‌ها از نانوذرات استفاده نمی‌کنند که به‌عنوان شاهد یا کنترل شناخته می‌شود. همچنین برای ارزیابی جوانه‌زنی شاخص‌های مختلفی را محاسبه می‌کنند که عبارتند از: درصد جوانه‌زنی (Germination Percentage (GP%))، میانگین مدت زمان جوانه‌زنی (Mean Germination Time (MGT)) و نرخ جوانه‌زنی (Germination Rate (GR)) [5،6و7].

5- نانوذرات و تأثیر آن‌ها بر جوانه‌زنی

اثر متقابل نانوذرات با گیاهان منجر به تغییرات ظاهری و فیزیولوژیک زیادی می‌شود که به خصوصیات نانوذرات بستگی دارد. یافته‌های محققان نشان می‌دهد که نانوذرات اثرات مثبت و منفی بر رشد و توسعه گیاهان دارند و تأثیر نانوذرات مهندسی شده بر گیاهان به ترکیب، غلظت، اندازه و ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی آن‌ها و نیز به گونه‌های گیاه بستگی دارد. همچنین در جوانه‌زنی بذر تأثیر نانوذرات به غلظت آن‌ها وابسته است و از گیاهی به گیاه دیگر متفاوت است .

5-1- نانوذرات دی‌اکسید سیلیکون (nano-SiO₂)

غلظت‌های پایین nano-SiO₂ جوانه‌زنی را در گیاهان گوناگونی مانند گوجه‌فرنگی، ذرت، کاج، کدو، کاهو، سویا و برنج بهبود بخشیده است. به‌عنوان مثال، این نانوذره در ذرت با فراهم کردن عناصر غذایی و هدایت بهتر آن‌ها در محیط رشد بذر، جوانه‌زنی را افزایش می‌دهد. همچنین در گیاه سویا nano-SiO₂ توانایی بذر را برای جذب آب و عناصر غذایی افزایش می‌دهد. در ارتباط با دلیل این موضوع باید اشاره کرد که جوانه‌زنی با جذب آب آغاز و بعد از جذب کافی آب توسط لپه‌ها، آنزیم‌های موجود در لپه فعال می‌شود. آنزیم آمیلاز نشاسته را به گلوکز، آنزیم پروتئاز پروتئین‌ها را به آمینواسید و آنزیم لیپاز روغن را به اسیدهای چرب و گلیسرول تجزیه می‌کنند. بنابراین پایه و اساس اتفاقات ذکر شده جذب آب است و گلوکز، آمینواسید، اسیدهای چرب و گلیسرول تولید شده در آب محلول هستند و  به‌عنوان مواد غذایی در جوانه‌زنی استفاده می‌شوند.

افزایش جوانه‌زنی در تنش‌های غیرزیستی (سرما، خشکی، شوری و ...) به‌عنوان یکی دیگر از مزیت‌های نانوذره nano-SiO₂ معرفی شده است. در همین راستا، در کاهو و گوجه‌فرنگی، nano-SiO₂ موجب افزایش جوانه‌زنی می‌شود و در تنش شوری سیستم‌های دفاعی را در این گیاهان فعال می‌کند .

5-2- نانوذرات ‌اکسید روی (ZnONP)

در بادام زمینی، سویا، گندم و پیاز غلظت‌های پایین ZnONP اثر مفیدی را در جوانه‌زنی بذر نشان داده است. به همین دلیل، مقادیر بالای این نانوذره در روند جوانه‌زنی اختلال ایجاد می‌کند. به‌عنوان مثال، تأثیر ZnONP در خیار، یونجه و گوجه‌فرنگی مورد بررسی قرار گرفت و نتایج نشان داد فقط جوانه‌زنی خیار تشدید می‌شود .

5-3- نانولوله‌های کربنی (CNTs)

نانولوله‌های کربنی به‌دلیل مکانیسم منحصر به فرد و ویژگی‌های الکتریکی، حرارتی و شیمیایی، جایگاه مهمی را در بین نانوساختارها دارند. بیشتر مطالعات مربوط به نانولوله‌های کربنی در حیوانات و انسان‌ها انجام شده است، به همین دلیل اطلاعات ناچیزی در مورد ارتباط نانولوله‌ها و سلول‌های گیاهی و متابولیسم گیاهان وجود دارد. بنابراین برای دستیابی به اهداف نانوکشاورزی (nano-agriculture)، انجام مطالعات جزئی در مورد اثرات نانولوله‌ها بر جوانه‌زنی بذر و رشد گیاهچه‌ها در گیاهان ارزشمند ضروری است.

به‌دلیل خواص منحصر به فرد نانولوله‌ها، آن‌ها می‌توانند در دیواره و غشای سلول‌ها نفوذ و یک سیستم تحویل مناسب مواد شیمیایی به سلول‌ها را مهیا کنند. در مطالعات متعددی بیان شده است که استفاده از نانولوله‌های چنددیواره (Multi-walled-CNTs (MWCNTs)) توانایی زیادی دارند تا بر جوانه‌زنی بذر و رشد گیاه تأثیر بگذارند. این نانولوله‌ها کارایی جذب آب و عناصر ضروری مانند آهن و کلسیم را تحریک می‌کنند و می‌توانند جوانه‌زنی بذر و در نتیجه رشد و توسعه گیاه را تشدید کنند. در سه گیاه زراعی مهم جو، سویا و ذرت به سبب توانایی MWCNTs در نفوذ به پوسته بذر، جوانه‌زنی در این گیاهان تحریک می‌شود. همچنین این نانولوله‌ها بیان ژن‌های رمزکننده کانال‌های پروتئینی آب را در گیاهان مذکور تنظیم می‌کنند. بیشترین میزان جوانه‌زنی در گوجه‌فرنگی، هیبرید Bt پنبه، باقلا، کلم و برنج با MWCNTs مشاهده شده بود. بنابراین بسیاری از محققان نقش مثبت نانولوله‌های کربنی را در جوانه‌زنی بذر تأیید و نقش MWCNTs  را در افزایش جوانه‌زنی گزارش کرده‌اند .

شکل 7- نانولوله‌های کربنی با بزرگنمایی پایین (الف) وبزرگنمایی بالا (ب)

5-4- نانوذرات طلا (AuNPs)

نانوذره طلا با گیاهان اثر متقابل دارد و در برخی موارد با ممانعت از فعالیت پروتئین‌های انتقال‎دهنده مولکول‌های متعدد مانند آب، باعث سمیت در گیاهان می‌شود. با این حال، AuNPs جوانه‌زنی کاهو، خیار و کلم را بهبود بخشیده است .

5-5- نانوذرات نقره (AgNPs)

تعداد زیادی از مطالعات در مورد AgNPs در سلول‌های حیوانی و میکروبی انجام شده است. لذا اطلاعات کمی در زمینه سلول‌های گیاهی وجود دارد. نانوذره نقره هم اثر مثبت و هم اثر منفی بر جوانه‌زنی دارد. به‌عنوان مثال، در یک تحقیق اثر این نانوذره بر 11 گونه گیاهی مورد بررسی قرار گرفت و جوانه‌زنی تنها یک گونه افزایش یافت .

5-6- نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم (TiO₂NPs)

همانند AgNPs، مطالعه اثر TiO₂NPs بر سلول‌های گیاهی محدود است و اکثر تحقیقات در این زمینه بر روی باکتری‌ها، قارچ‌ها، ماهی و موش‌ها انجام شده است. تحقیقات نشان می‌دهد که غلظت مناسب TiO₂NPs باعث تسریع جوانه‌زنی بذرهای مسن می‌شود (به‌عنوان مثال اسفناج) و به‌طور محسوسی قدرت نامیه (Vigor)، توانایی جوانه‌زنی و تولید گیاهچه طبیعی بذرهای مسن را افزایش می‌دهد .

6- معایب نانوذرات در جوانه‌زنی

با این حال مصرف نانوذرات برای افزایش جوانه‌زنی و رشد گیاه با چالش‌هایی نیز مواجه است که از این میان می‌توان به غیرقابل پیش‌بینی بودن اثرات نانوذرات بر گیاهان مختلف، سمیت در غلظت‌های بالا و کاهش جذب نور و فوتوسنتز در حضور نانوذرات با اندازه‌های بزرگ‌تر اشاره کرد .

7- بحث و نتیجه‌گیری

فناوری نوظهور نانو می‌تواند زمینه مناسبی را برای تولید گیاهان با ویژگی‌های مناسب ایجاد کند یا این‌که شرایط رشد بهتری را برای گیاهان فعلی فراهم کند. یکی از کاربردهای نانو در زراعت به‌کارگیری روش‌هایی است که از طریق آن درصد جوانه‌زنی بذر و به طبع آن رشد گیاه افزایش می‌یابد. در سال‌های اخیر تحقیقات متعددی انجام شده است و اثر نانوذرات بر جوانه‌زنی و رشد گیاه مورد بررسی قرار گرفته است. نکته کلیدی در این موضوع، نفوذ نانوذرات به درون بذر و افزایش جوانه‌زنی است. دلیل اصلی فعال‌سازی جوانه‌زنی به‌وسیله نانوذرات به نقش آن‌ها در فرآیند جذب آب به داخل جنین بذر مرتبط است.

به‌طور کلی دو احتمال در مورد نقش نانوذرات در جوانه‌زنی مطرح است. یک احتمال این است که نانوذرات می‌توانند منافذ جدیدی را برای نفوذ آب در پوسته بذر ایجاد کنند و به این ترتیب سرعت جوانه‌زنی را افزایش دهند. احتمال دیگر با توانایی نانوذرات (به خصوص نانولوله‌های کربنی) در تنظیم کانال‌های آب موجود در پوسته بذر مرتبط است. یافته‌های محققان نشان می‌دهد که نانوذرات اثرات مثبت و منفی بر رشد و توسعه گیاهان دارند و تأثیر نانوذرات به ترکیب، غلظت، اندازه و ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی آن‌ها و نیز به گونه‌های گیاه بستگی دارد و از گیاهی به گیاه دیگر متفاوت است.