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Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 2700 (2023) Citer cet article

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Les nanoparticules de silicium (Si-NPs) ont montré leur potentiel d'utilisation en agriculture dans des conditions de déficit en eau. Ainsi, l'expérience a été réalisée pour explorer les impacts de l'amorçage des graines de Si-NPs sur la croissance et le rendement du blé (Triticum aestivum L.) sous différents niveaux de sécheresse. Les plantes ont été cultivées dans des pots dans des conditions environnementales écologiques naturelles et ont été récoltées le 25 avril 2020. Les résultats ont révélé que l'amorçage des graines de Si-NPs (0, 300, 600 et 900 mg/L) a amélioré de manière suggestive, la longueur de l'épi , grains par épi, poids de 1000 grains, hauteur de la plante, rendement en grains et rendement biologique de 12–42 %, 14–54 %, 5–49 %, 5–41 %, 17–62 % et 21–64 %, respectivement, par rapport au contrôle. Les Si-NPs ont amélioré le commerce des gaz foliaires et les concentrations de chlorophylle a et b, bien qu'ils aient diminué la pression oxydative dans les feuilles, ce qui a été démontré par la diminution des fuites d'électrolytes et l'amélioration des activités de superoxyde dismutase et de peroxydase dans les feuilles sous les remèdes Si-NPs sur le contrôle. . Les résultats ont suggéré que les Si-NP pourraient améliorer le rendement du blé en période de sécheresse. De cette manière, l'utilisation de Si-NPs par la technique d'amorçage des semences est une méthodologie pratique pour contrôler le stress hydrique du blé. Ces résultats serviront de base à de futures recherches et seront utiles pour améliorer la sécurité alimentaire face aux défis liés à la sécheresse et à la chaleur.

La sécheresse est un stress écologique frappant parmi d'autres stress abiotiques, qui influencent négativement la croissance et le rendement des cultures dans le monde entier1. La productivité des cultures diminue en raison d'un stock d'eau restreint2, d'un apport moindre en nutriments et d'une mauvaise photosynthèse3. Même si la sécheresse affecte les performances du blé à tous les stades de croissance, elle est plus rudimentaire pendant les stades de floraison et de remplissage des grains (saison sèche terminale), ce qui entraîne des pertes de rendement considérables. Les principales explications de ces pertes sont la diminution du taux de photosynthèse nette due aux limitations métaboliques, à la détérioration oxydative des chloroplastes et à la fermeture des stomates, et à l'abandon de la nouaison et de l'amélioration4. Néanmoins, le stress hydrique anime la création d'éthylène5,6 qui retarde et ralentit la croissance et la prolongation des racines2,7. Au total, les plantes ont mis en place différents mécanismes polyvalents pour s'acclimater au manque d'eau en déclenchant une succession de réactions physiologiques et biochimiques8. Parmi ces composants, les antioxydants jouent un rôle essentiel dans la réduction des dommages oxydatifs causés par la sécheresse9.

L'impact de la sécheresse au Pakistan est plus important en raison de sa dépendance massive à l'agro-industrie. En outre, le Pakistan devient plus vulnérable à la sécheresse en raison d'un manque de sensibilisation au stress et de pratiques de contrôle10, et à un risque élevé à l'avenir en raison des récents changements climatiques11,12. Le blé est une culture majeure de la saison rabi qui contribue à 8,7% de l'expansion de la valeur de l'agro-industrie et à 1,7% du PIB du Pakistan. Le territoire sous culture de blé au Pakistan en 2019-2020 était de 8825 000 hectares avec une croissance de 1,7% par rapport à l'espace d'il y a un an qui était de 8678 000 hectares. De plus, la production estimée de blé était de 24,946 millions de tonnes en 2019, soit 2,5 % de plus que l'année précédente13,14.

Plus de la moitié des champs de blé du monde sont influencés par le stress hydrique périodique15. Le changement climatique rapide et le réchauffement climatique ont le pire impact sur les cultures à l'avenir car ils augmentent la fréquence et l'intensité de la sécheresse en raison de la diminution des précipitations et de la température élevée sur terre16. En conséquence, pour améliorer le rendement et préserver le blé de tels stress, il faut développer une meilleure compréhension et des approches pour surmonter ces problèmes17.

Au cours de la dernière décennie, les nanoparticules ont joué un rôle impératif dans l'agriculture en raison de leurs propriétés uniques, telles qu'une plus grande capacité d'absorption, une surface plus élevée, une méthode de livraison efficace pour un endroit spécifique, et une telle technologie utilisée de nombreuses façons comme les additifs, les activateurs de croissance des plantes, les nano-engrais et les agents phytosanitaires18,19. Sedghi et al.20 ont déclaré que l'utilisation de nanoparticules de silicium joue un rôle important dans la résistance des plantes contre le manque d'eau en raison de l'expansion des acides aminés, de la teneur en chlorophylle b, des lipides et des protéines. Parmi les autres NP, les Si-NP sont utiles pour élever la croissance des plantes et la photosynthèse sous une atmosphère intensive21,22.

L'application de nanoparticules a augmenté la croissance, les substances chlorophylliennes et les qualités d'échange de gaz dans le grain de blé et a diminué la carence en eau23. Entre diverses nanoparticules, les nanoparticules de silice jouent un rôle magnifique en augmentant la photosynthèse qui améliore le rendement des semis de Cucurbita pepo L.24 et d'aubépine25 dans des conditions de stress. De nombreux types de recherche ont indiqué que la croissance des plantes, les activités antioxydantes et le processus d'absorption des nutriments sous stress hydrique étaient plus rapides avec l'application de nanoparticules, car ces particules améliorent la résistance des plantes21,26,27,28. Les Si-NP améliorent les paramètres de photosynthèse de certaines plantes pendant la saison sèche et ont un impact plus important dans l'agriculture par rapport à d'autres engrais29,30,31. L'application exogène de NPs provoque la silicification endodermique des racines et l'activité du système antioxydant et gère la stabilité de l'eau cellulaire32. L'application de nano-silicium a amélioré la production et la croissance et amélioré le statut hydrique des plantes avec des changements extraordinaires dans l'ultrastructure des organites des feuilles, l'initiation du système de protection et de défense des plantes et la recherche de particules non ambiguës33. En outre, les NP de SiO2 ont été décrites comme un inducteur de croissance des plantes, qui augmente la silicification endodermique des racines, améliore le système antioxydant sous pression et améliore la résilience aux stress abiotiques et l'équilibre hydrique des cellules32. La connexion entre SiO2 et la paroi cellulaire végétale a été rapportée chez de nombreuses monocotylédones34.

Les nanoparticules peuvent être appliquées de nombreuses manières dans les conditions biotiques et abiotiques dans le domaine de l'agriculture, telles que l'amorçage des semences, le sol et l'application foliaire, mais l'amorçage des semences est la méthode la plus efficace23,35,36,37. L'amorçage des graines est une stratégie fructueuse à bien des égards, par exemple en éliminant les pires effets des stress abiotiques, en stimulant les changements physiologiques précieux, en aidant au stade initial de la germination, en améliorant le taux de germination des graines, en minimisant le temps d'émergence des semis et, surtout, il est une technique rentable pour les agriculteurs38,39,40,41,42,43. Il n'y a pas de littérature concernant l'effet des Si-NPs sur les attributs morpho-physiologiques et biochimiques du blé sous sécheresse à différents stades de croissance. Ainsi, l'objectif de cette étude est d'atténuer les effets catastrophiques de la sécheresse sur le blé dans des conditions de sécheresse par l'application de nanoparticules de silicium.

Les travaux de recherche ont été menés dans le wirehouse, département d'agronomie, The Islamia University of Bahawalpur, Pakistan (Latitude : 29° 23′ 60.00 N, Longitude : 71° 40′ 59.99 E). La disposition expérimentale était une conception en blocs complets randomisés avec quatre répétitions de chaque traitement de nanoparticules de silicium (0, 300, 600 et 900 mg/L). Tous les pots ont été irrigués de manière égale jusqu'à l'émergence complète, après que cette condition déficiente en eau ait été exécutée à des stades de croissance critiques, tels que le tallage, la floraison et les stades de remplissage des grains, tandis que l'irrigation complète a été considérée comme un contrôle.

Les graines de blé (Glaxy-2013) ont été stérilisées avec une solution d'hypochlorite de sodium (2,6 % de chlore actif) pendant 120 s et lavées trois fois avec de l'eau distillée. Ensuite, la quantité mesurée de nanoparticules de silicium, Sigma-Aldrich a fourni des Si-NPs sphériques avec une taille de particule dans la plage de 40 à 80 nm43, a été mélangée avec de l'eau désionisée et une ultra-sonication de chaque traitement Si-NPs (0, 300, 600, et 900 mg/L) pendant trente minutes pour une bonne dispersion. Les graines de blé ont ensuite été trempées dans des solutions de NPs pendant 20 h dans l'obscurité à température ambiante. Pour le traitement témoin, les graines ont été trempées dans de l'eau déminéralisée. Enfin, séché la semence amorcée de la récolte de blé et stockée à 4 ° C pour une expérience ultérieure.

Dans la présente étude, les Si-NPs ont été achetés auprès de Sigma-Aldrich. En plus d'avoir une pureté > 99 %, les Si-NPs avaient une surface spécifique > 80 m2g-1 et un poids moléculaire de 28,08. Un microscope électronique à balayage a été utilisé pour mesurer la taille des NP (Fig. 1). La taille moyenne des particules principales était de 63,09 ± 6,2 nm.

Caractérisation Si-NP. Les scans TEM ont indiqué des particules sphériques bien dispersées (A). (B) Graphique de distribution normale avec un diamètre moyen de 63,09 ± 6,21 nm.

Les graines du cultivar de blé indigène (Galaxy-2013) ont été obtenues auprès de l'Institut régional de recherche agricole (RARI) de Bahawalpur, car elles résistent à la verse et à la chaleur. Les graines de blé ont été apprêtées avec des Si-NPs et plantées dans des pots en plastique (26 × 29 cm) remplis de sol limoneux argileux le 9 novembre 2019 et une étude physico-chimique du sol a été effectuée avant la plantation (tableau 1). Le grillage était recouvert d'une bâche en plastique transparent pour préserver les plantes de la pluie, quand c'était obligatoire. La population de plantes a été maintenue à 4 plantes par pot après 20 jours de semis et irriguée de manière égale jusqu'à l'émergence complète des semis. Après cela, une capacité de rétention d'eau (WHC) de 30 % a été maintenue dans des pots sous sécheresse à trois stades observés et une WHC de 80 % a été considérée comme témoin.

Croissance du blé, rendement et attributs de rendement tels que la longueur de l'épi (cm), le nombre de grains par épi, le poids de 1000 grains (g), la hauteur de la plante (cm), le rendement organique par plante (g), le rendement en grain par plante (g ) et l'indice de récolte ont été calculés selon les procédures et protocoles standard. Pour le rendement, les plants de blé ont été récoltés manuellement après la fin du cycle de vie. De même, pour mesurer la hauteur des plantes, quatre plantes ont été arbitrairement sélectionnées dans chaque pot et ont mesuré la hauteur de la surface du sol à l'épillet à l'aide d'une règle ayant lu en millimètres et en centimètres. Pour mesurer la longueur de l'épi et les grains par épi, utilisez une échelle centimétrique mesurant la longueur de la base à l'épillet terminal de 10 plantes au hasard et comptez les grains de dix grappes de graines sélectionnées au hasard. De plus, pour quantifier le poids de 1000 grains, la balance numérique a été utilisée en raison de sa précision de 0,01 g.

Pour mesurer le RWC, 5 feuilles étendard fraîches matures ont été prélevées au hasard dans chaque traitement et immédiatement placées dans des sacs en polyéthylène et transportées au laboratoire. Où, premièrement, obtenir rapidement le poids frais des échantillons prélevés avant toute déshydratation. Ensuite, l'échantillon a été placé dans de l'eau distillée pour obtenir un poids turgescent. Après 3 h, l'échantillon a été retiré de l'eau distillée et mesuré son poids turgescent. Après cet échantillon a été placé dans un four pendant 2 jours à 65 ° C et a obtenu son poids sec. Enfin, la teneur relative en eau de chaque traitement a été mesurée en utilisant la formule ci-dessous44 :

où RWC, FW, DW et TW sont les teneurs en eau relatives, le poids frais, le poids sec et le poids turgide des échantillons de feuilles.

La superoxyde dismutase et la peroxydase ont été mesurées à l'aide d'un spectrophotomètre. Le matériel de feuilles fraîches de 0,5 g de chaque traitement a été homogénéisé avec un tampon phosphate 50 mM avec un pH de 7,5 et du dithiothréitol (DTT) 1 mM dans des conditions réfrigérées après lavage et séchage de l'échantillon avec de l'eau distale45. Les activités SOD ont été mesurées en utilisant la procédure publiée par Cakmak46,47, tandis que la POD a été déterminée par la méthode de Zhang et Kirkham48.

Les pigments photosynthétiques chlorophylle (Chl a et Chl b) ont été extraits dans de l'acétone à 80 % (v/v) et mesurés par spectrophotométrie (Spectronic 601, Milton Roy Company, Rochester, NY, USA) selon Metzner et al.49. La fluorescence de Leaf Chl a été calculée à l'aide d'un fluorimètre portable à modulation d'amplitude d'impulsion (Handy PEA. Hansatech. Norfolk, Royaume-Uni). Les feuilles étaient sombres et adaptées dans une pince à feuilles pendant 30 min. Pour tous les traitements, 30 mesures (trois répétitions de 10 feuilles de différentes plantes) ont été enregistrées. Les données acquises ont été utilisées pour déterminer l'efficacité maximale du PS II (FV/FM) et l'indice de performance sur une base d'absorption (Plans)50 selon les équations examinées par Stirbet51.

Le logiciel STATISTIX (version 8.1) a été exécuté sur les données actuelles pour déterminer l'analyse de variance (ANOVA) et 5 % de LSD a été utilisé comme probabilité pour la comparaison moyenne des données52. Les données ont ensuite été analysées pour une analyse en composantes principales (ACP) par le logiciel R (R Core Team, 2019) afin de vérifier l'association entre les différents attributs morpho-physiologiques étudiés.

Toutes les expériences en usine étaient conformes aux directives et législations institutionnelles, nationales et internationales pertinentes.

Le résultat de l'analyse combinée de la variance a montré que la concentration de nanoparticules de silicium, les intervalles de sécheresse et les régimes d'irrigation de contrôle affectaient de manière significative tous les traits mesurés. Il y avait une connexion bidirectionnelle critique entre la concentration de NP et la sécheresse sur l'action enzymatique, la SOD et la POD. De plus, l'interaction entre la concentration de nanoparticules, la sécheresse et les régimes d'irrigation était significative pour la longueur de l'épi, le nombre de grains par épi, le poids de 1000 grains, la hauteur de la plante, le rendement en grains et le rendement biologique. En outre, il y avait une corrélation significative entre la concentration et le contrôle des NP, outre la concentration des NP et l'interaction de la sécheresse sur le taux de photosynthèse, le taux de transpiration, la conductance stomatique et la teneur en RWC. De plus, le pourcentage d'azote, de phosphore et de potassium a été affecté par la triple association entre la sécheresse, le contrôle et le traitement aux nanoparticules.

Les nanoparticules de silicium ont joué un rôle majeur dans la croissance des plantes dans des conditions de sécheresse à des périodes critiques de la croissance du blé, lorsqu'elles ont été analysées avec des traitements témoins. La hauteur des plantes a été réduite de 38,25 % en DTS, de 9,07 % en DFS et de 6,77 % en DGFS par rapport à l'arrosage témoin. Par rapport au témoin (0 mg/L de NP), les applications de 300, 600 et 900 mg/L de nanoparticules de silicium atténuent les effets négatifs de la sécheresse et augmentent la hauteur des plantes de 2,5 %, 3,2 % et 6,9 %, respectivement. Les résultats ont montré que l'amorçage des semences avec 900 mg/L de Si-NPs était le plus efficace, tandis que le traitement à 0 mg/L de Si-NPs entraînait les hauteurs de plantes les plus courtes.

Les attributs de rendement ont été significativement influencés par l'application de Si-NPs dans des conditions de déficit en eau indiquées dans le tableau 2. Le stress de sécheresse a diminué la longueur de l'épi (27,81, 21,18 et 22,82 %), le nombre de grains par épi (26,19, 25,43, et 22,9 %), poids de 1 000 grains (48,22, 42,37 et 40,31 %), rendement biologique (10,54, 10,17 et 6,04 %), rendement en grains (83,59, 79,56 et 66,22 %) et IH (67,7, 64,07 et 57,3 %) dans DGFS, DFS et DTS, respectivement, comparés au traitement témoin. Les applications de nanoparticules de silicium ont atténué les effets néfastes de la carence en eau dans des environnements contrôlés et stressés. L'utilisation de nanoparticules de silicium a fondamentalement amélioré l'ensemble des attributs de rendement mentionnés ci-dessus, contrairement au traitement témoin. De plus, par rapport à l'application témoin, la production de grains la plus élevée (42,12 %) a été enregistrée avec un amorçage de 900 mg/L de nanoparticules de silicium.

La préparation des graines avec des nanoparticules de silicium a influencé de manière bénéfique la teneur en chlorophylle des feuilles de blé cultivées sous stress hydrique (Fig. 2A, B). Par rapport aux plantes bien arrosées (témoins), la sécheresse entraîne une réduction significative des teneurs en chlorophylle a (30,2, 38,7 et 39,8 %) et b (30,8, 40,1 et 39,2 %) dans DGFS, DFS et DTS, respectivement. La substance chlorophylle a et b a été augmentée de manière significative lorsque des nanoparticules ont été appliquées. Cependant, les graines ont été amorcées avec une solution de 900 mg/L de Si-NPs présentant la teneur la plus élevée en chlorophylle.

Mesures du contenu en chlorophylle. (A,B) Teneur en chlorophylle a et b (C,D) Teneur relative en eau et H2O2 affectée par les Si-NPs (SINP0 = 0, SINP1 = 300, SINP2 = 600 et SINP3 = 900 mg/L) application sous stress hydrique à stades de croissance critiques (CK = témoin, DTS = sécheresse au stade de tallage, DFS = sécheresse au stade de floraison, DGFS = sécheresse au stade de remplissage du grain) du blé.

Le stress hydrique a entraîné une réduction significative du RWC (Fig. 2C) à mesure que la culture arrive à maturité. L'utilisation de NP, en particulier 900 mg/L, a augmenté le RWC par rapport au témoin (NP = 0 mg/L). L'application de 900 mg/L de Si-NPs aux plantes dans des conditions normales (sans stress) et le traitement sans Si-NPs au stade du tallage chez les plants de blé dans des conditions déficientes en eau ont causé le RWC le plus élevé (74,3 %) et le RWC le plus bas (31,8 %), respectivement. D'autre part, la sécheresse a réduit positivement la moyenne du RWC par rapport à l'irrigation normale, tandis que l'utilisation des NP dans les plantes soumises à un stress hydrique a amélioré de manière bénéfique la moyenne du RWC des feuilles (4, 6 à 13, 5%) par rapport au témoin. Le H2O2 est également affecté au fur et à mesure que la culture progresse (Fig. 2D).

Les taux de transpiration et de photosynthèse ont chuté de manière significative de 63,6, 57,8, 61,0, 44,2, 31,7 et 29,3 % sous stress hydrique à DTS, DFS et DGFS, respectivement, par rapport au traitement témoin. De plus, la conductance stomatique a diminué positivement sous stress hydrique de 37,8, 30,0 et 29,1 % à DTS, DFS et DGFS. Le traitement des Si-NPs a eu un effet substantiel sur les attributs d'échange gazeux des feuilles de blé soumises au stress hydrique (Fig. 3A, B). La préparation des graines de 300, 600 et 900 mg/L de Si-NPs a significativement amélioré le taux de transpiration et de photosynthèse de 27,8, 34,6 %, 40,6 et 20,3, 26,8, 34,2 %, respectivement par rapport au témoin. La préparation des semences avec 900 mg/L d'application de Si-NPs a donné le meilleur résultat que les autres traitements sous sécheresse.

Taux de photosynthèse (Pr, A), taux de transpiration (Tr, B), efficacité d'utilisation de l'eau (WUE, C) et contenu de la conductance stomatique (SC, D) affectés par l'application de Si-NPs (0, 300, 600 et 900 mg /L) sous stress hydrique à des stades critiques de croissance (CK Control, DTS Sécheresse au stade tallage, DFS sécheresse au stade floraison, DGFS sécheresse au stade remplissage grain) du blé.

Les Si-NPs ont affecté de manière significative l'efficacité de l'utilisation de l'eau dans le blé à la fois dans des conditions de contrôle et de sécheresse, comme indiqué sur les Fig. 3C, D. WUE a chuté de 43, 47 et 35 % sous stress hydrique à DTS, DFS et DGFS, respectivement, par rapport au traitement témoin. La préparation des semences de 300, 600 et 900 mg/L de Si-NPs a considérablement réduit l'impact de la sécheresse de 34 %. 42 % et 56 %, respectivement, par rapport à l'absence de traitement aux Si-NPs. De même, la conductance stomatique (m mol m−2 s−1) a chuté de 37,8, 30,0 et 29,2 % sous stress hydrique à DTS, DFS et DGFS, respectivement, par rapport au traitement témoin. De plus, la préparation des graines de 300, 600 et 900 mg/L de Si-NPs a significativement amélioré la conductance stomatique de 15,1, 31,6 et 41,6 % par rapport au témoin. Dans des conditions de sécheresse, les résultats les plus élevés ont été obtenus par l'amorçage des semences avec un traitement de 900 mg/L de Si-NPs.

Pour observer les dommages oxydatifs dans les feuilles de blé, l'effet des Si-NP a été évalué en estimant la concentration de ROS et les activités enzymatiques antioxydantes de la Fig. 4. Pour cette raison, les activités de SOD, POD, MDA, EL et H2O2 ont été des quantités mesurées et supérieures ont été observées dans les plantes témoins. De plus, à une dose plus élevée de Si-NPs, les valeurs de ces paramètres mentionnés ci-dessus ont été réduites (Figs. 2D, 4A – D). Les teneurs en EL ont été diminuées de 8,95 et 20 % : les teneurs en MDA ont été diminuées de 5,5, 16,2 et 31,7 % ; et le H2O2 ont été diminués de 11, 18 et 26 % dans la préparation des semences de 300, 600 et 900 mg/L de Si-NPs par rapport aux témoins respectifs. Les valeurs des activités SOD et POD ont été mesurées dans les feuilles pour déterminer l'activité des enzymes antioxydantes. Les traitements appliqués ont largement amélioré l'ingrédient des enzymes antioxydantes, et l'amélioration la plus extrême a été mesurée dans le traitement le plus élevé des NP. L'activité SOD a été augmentée de 2, 10 et 16 %, et l'action POD a augmenté de 5, 11 et 17 % dans l'amorçage des NP à 300, 600 et 900 mg/L.

Effets des Si-NPs (0, 300, 600 et 900 mg/L) sous stress hydrique sur MDA (A), EL% (B), SOD (C) et POD (D). Les stades de croissance critiques du blé étaient (CK Control, sécheresse DTS au stade de tallage, sécheresse DFS au stade de floraison et sécheresse DGFS au stade de remplissage du grain) du blé.

Les valeurs de NPK des graines ont été significativement influencées par l'application de Si-NPs dans des conditions déficientes en eau illustrées à la Fig. 5. Le stress hydrique a diminué le % d'azote des graines de blé (11,2, 21,9 et 17,83 %), P % (35,5, 28,8 et 16,3 %), et K % (32,1, 23,2 et 14,3 %) à différentes croissances DTS, DFS et DGFS, respectivement, par rapport au traitement témoin. Les applications de nanoparticules de silicium ont atténué les effets néfastes de la carence en eau dans des environnements contrôlés et stressés. La préparation des semences de 300, 600 et 900 mg/L de Si-NPs a significativement amélioré le % d'azote (13,1, 23,0 et 26,9 %), le P % (24,2, 35,8 et 40,4 %) et le K % (7,8, 19,7 et 26,4 % ), respectivement par rapport au contrôle. L'utilisation de nanoparticules de silicium a amélioré l'ensemble des pourcentages de nutriments mentionnés ci-dessus, contrairement au traitement témoin.

Effet des applications de Si-NPs (0, 300, 600 et 900 mg/L) sur les semences (A) pourcentage d'azote (N%), (B) pourcentage de phosphore (P%) et (C) pourcentage de potassium (K% ) sous stress hydrique à des stades de croissance critiques (contrôle CK, sécheresse DTS au stade de tallage, sécheresse DFS au stade de floraison et sécheresse DGFS au stade de remplissage du grain) du blé.

Une analyse en composantes principales (ACP) a été réalisée pour analyser les variations et les associations entre différents paramètres morpho-physiologiques du blé sous l'application de nanoparticules de silicium et de stress hydrique. Les traitements étaient dispersés dans différents biplots, tandis que les paramètres étaient représentés sous forme de vecteurs (Fig. 6). Les deux premiers PC (PC1 86 % et PC2 5,1 %) couvraient la variabilité de 91,1 % de la variation totale des 22 paramètres. Le premier PC était lié à tous les paramètres étudiés sauf EL%, H2O2 et MDA qui étaient attribués à PC2. L) à différents stades (CK = témoin, DTS = sécheresse au stade de tallage, DFS = stade de floraison et DGFS = stade de remplissage du grain) du blé soumis à un stress hydrique a montré une variabilité entre les traitements et les stades de croissance. La quantité de H2O2 a été augmentée en cas de sécheresse avec des valeurs propres négatives (Fig. 6). De même, l'effet combiné des SiNP et de la sécheresse a également réduit la MDA.

Analyse en composantes principales (ACP) basée sur les paramètres morpho-physiologiques et agronomiques du blé sous Si-NPs et stress hydrique. Hauteur de la plante (PH, cm), longueur de l'épi (SL, cm), nombre de grains par épi (NGPS), poids de 1000 grains (GW, g), rendement en grain par plante (GY, g), rendement biologique par plante ( BY, g), indice de récolte (HI), chlorophylle a (Chl a), chlorophylle b (Chl b), taux de photosynthèse (PR), taux de transpiration (Tr), efficacité d'utilisation de l'eau (WUE), conductance stomatique (SC), peroxyde d'hydrogène (H2O2), malondialdéhyde (MDA), superoxyde dismutase (SOD), peroxydase (POD) et pourcentage d'électrofuite (EL%). Application de Si-NPs (0, 300, 600 et 900 mg/L) dans des conditions de stress hydrique à différents stades de croissance CK Control, DTS Sécheresse au stade de tallage, DFS sécheresse au stade de floraison et DGFS sécheresse au stade de remplissage des grains).

L'objectif principal de cette étude était de déterminer les doses optimales de Si-NPs pour l'amorçage des semences afin d'accélérer le développement du blé et d'atténuer les effets négatifs de la sécheresse. Des améliorations significatives des caractéristiques de croissance ont été observées dans les semences amorcées avec 900 mg/L sous stress. La germination des graines et la croissance des plantes sont toutes deux affectées négativement par le stress hydrique47. Il a été observé par plusieurs études que le stress hydrique réduit le taux de germination du blé23,35. Il a été démontré que la sécheresse réduit la germination des graines, la croissance et le rendement du blé4,23,32. L'amorçage des graines de nanoparticules a amélioré la germination, les semis, la structure des racines, l'absorption des nutriments et a minimisé l'effet des conditions de manque d'eau18,20,37,41.

En période de sécheresse, la hauteur des plants de blé a diminué de manière significative à différents stades critiques rapportés par Raza et al.53 De même, Aslam et al.54 ont observé que la hauteur des plants était réduite chez les plants de quinoa dans des conditions limitées en eau, ce qui est parallèle à notre étude. Liu et Lal55 ont déclaré que les nanoparticules fournissent une méthode supplémentaire pour fournir des nutriments aux plantes dans des situations de sécheresse, ce qui est bénéfique pour la hauteur des plantes. De même, Paparella et al.56 ont découvert que les semis deviennent plus vigoureux aux premiers stades en raison de l'amorçage des graines qui stimule le système métabolique des graines de blé. De plus, la hauteur de la plante a été améliorée par l'application de Si car il agissait comme une barrière lorsqu'il était déposé dans les apoplastes des feuilles et protégeait la plante des stress57. L'amorçage des graines de nanoparticules de silicium a amélioré de manière bénéfique la hauteur de la plante du blé dans des conditions de manque d'eau à des stades critiques de la croissance du blé. Parce que le silicium peut améliorer la substance protéique, l'absorption des nutriments, le taux de photosynthèse et diminuer la membrane cellulaire de diverses plantes58,59. Une autre explication plausible est que la hauteur de la plante et les activités morphologiques ont été améliorées en raison de l'accumulation d'eau et de nutriments dans la graine pendant la période d'amorçage avec des nanoparticules60,61. Dans cette étude, le rôle des Si-NPs dans la croissance du blé avec et sans sécheresse a également été étudié.

De plus, nos résultats ont montré une activité de photosynthèse améliorée positivement avec l'application de Si-NPs (Fig. 2). Comme la recherche a révélé que la teneur en chlorophylle affecte directement la croissance et le développement des plantes. Dans notre recherche, l'application sous Si-NPs a considérablement amélioré le chl. un chl. b, contenu en caroténoïdes et paramètres d'échange gazeux avec et sans conditions de stress (Fig. 2). Dans les dernières expériences, les chercheurs ont observé une augmentation similaire de la photosynthèse avec l'application de nanoparticules23,62,63. Le Si pourrait réduire l'influence du stress hydrique sur les pigments photosynthétiques en augmentant la cytokinine de manière endogène, ce qui restaure la formation de chlorophylle et améliore l'ultrastructure des chloroplastes64. En plus de cela, Asgari et al.36 ont déclaré que cela pourrait être le résultat de l'amélioration par les NP des nutriments des plantes qui améliorent la photosynthèse. De plus, les Si-NPs ont augmenté l'épaisseur de la paroi cellulaire et amélioré le transport des nutriments par l'ouverture du xylème, ce qui est une cause majeure de l'amélioration du taux de photosynthèse36,65.

Le stress hydrique a diminué le taux de photosynthèse, le taux de transpiration, la conductance stomatique, l'efficacité de l'utilisation de l'eau et la teneur relative en eau des feuilles chez les plantes dans des conditions déficientes en eau. Il y avait un lien étroit entre la photosynthèse, le taux de transpiration et la concentration totale de chlorophylle pour la croissance du blé sous stress hydrique66. Abaaszadeh et al.67 ont conclu que la production de peroxydase, phénolique et chlorophyllase était réduite dans des conditions de stress hydrique en raison du mauvais effet des concentrations de chlorophylle. De plus, la réduction de l'efficacité de l'utilisation de l'eau et du RWC chez les plantes soumises à un stress hydrique a diminué la pression de turgescence, la rétention d'eau et la taille des plantes. Des résultats comparatifs liés à notre étude ont été remarqués par Farooq et al.68, Zhao et al.69, et Mamnouie et al.70. Contrairement à cela, le taux de photosynthèse, le taux de transpiration, la conductance stomatique et le RWC ont augmenté à la suite de l'application de Si-NPs dans les deux régimes d'irrigation, en particulier chez les plantes soumises à un stress hydrique. Zhu et Gong71 ont déclaré que ces augmentations des paramètres d'échange de gaz peuvent être dues au potentiel de Si pour préserver l'eau en cas de sécheresse. De plus, Si est accumulé sous la cuticule des feuilles, encadrant une double couche de Si-cuticule, par conséquent, l'accumulation de Si a diminué la transpiration72. En conséquence, il est recommandé qu'une double couche de silice-cuticule encadrée sur le tissu épidermique des feuilles soit responsable d'un RWC plus élevé des feuilles. En accord avec nos résultats, Gong et al.73 ont découvert que l'utilisation de Na2SiO3 améliorait la LA, la masse sèche, la RWC et l'épaisseur des feuilles des plants de blé soumis à un stress hydrique. De même, les NP de silice ont amélioré l'efficacité de l'utilisation de l'eau, le RWC et la teneur en chlorophylle dans les cultures de maïs74,75.

L'application de Si-NPs a considérablement amélioré l'action de la SOD et de la POD tandis que les substances H2O2, EL et MDA ont été considérablement réduites, comme le montrent les Fig. 2D et Fig. 4A – D. De plus, la diminution significative des espèces réactives de l'oxygène était due au maintien et à la récupération de la membrane cellulaire chez les plants de blé avec l'application de Si-NPs76,77. De même, de nombreux chercheurs ont signalé que les nanoparticules augmentaient l'activité des antioxydants dans de nombreuses cultures23,62,78,79. Par conséquent, l'application de silicium améliore les activités de la SOD, de la glutathion réductase80 et de la catalase81, équilibrant modérément l'effet néfaste de la sécheresse sur les plantes.

L'absorption des nutriments, y compris N, P et K par les plantes, est également affectée négativement par le stress hydrique. Il a été démontré dans un certain nombre d'études que le stress hydrique entraîne une diminution à la fois de la teneur en N, K et P dans les tissus végétaux et du taux d'absorption des nutriments du sol. Il est bien documenté que la teneur en N du soja chute de manière significative pendant le stress hydrique78. Une perte significative d'azote et de phosphore dans les tissus végétaux a été documentée par Rizwan et al.23 dans des situations de stress hydrique. La recherche actuelle a révélé que, par rapport au témoin, les Si-NP augmentaient considérablement la teneur en N, P et K dans des circonstances de sécheresse.

Dans des conditions de sécheresse, la croissance et le développement du blé sont diminués en raison de la fluctuation de l'équilibre des nutriments82. Le rendement et la biomasse du blé sont améliorés en augmentant le nombre de Si-NPs (0–900 mg/L) indiqué dans le tableau 2. L'amorçage des graines de Si-NPs démontre les impacts avantageux sur les plants de blé. Comme des recherches antérieures ont dénoncé le fait que les changements moléculaires, biochimiques et physiologiques dus au stress hydrique ont eu un impact négatif sur la croissance et le rendement des plantes83. Par exemple, la production de matière sèche dans les plantes diminue en raison de la limitation de la photosynthèse et de la fermeture des stomates, ce qui réduit la concentration de dioxyde de carbone en cas de stress hydrique84. De plus, Yazdanpanah et al.85 ont déclaré qu'en cas de stress hydrique, une accumulation excessive de ROS causant des dommages oxydatifs aux lipides, aux protéines et à l'ADN chez les plantes diminuait la croissance et le développement des plantes. De même, d'autres chercheurs ont signalé que le stress hydrique diminue la biomasse, le grain et le rendement du blé86,87.

En outre, les résultats ont montré que l'utilisation de certaines concentrations de Si-NPs augmentait la biomasse, la hauteur des plantes, le rendement et les composantes du rendement dans les deux régimes d'irrigation. Généralement, l'effet positif de l'application de silicium sur les plantes n'est pas trop évident dans des conditions optimales, mais il est plus évident lorsque la plante est dans des conditions sous-optimales88. Cependant, les Si-NPs ont amélioré l'effet destructeur de la sécheresse sur la croissance, le rendement et ses composants en raison d'une variation de la transpiration, de l'amélioration du taux de photosynthèse et de l'état hydrique des plantes33,89. Ces conclusions sont conformes à Sharifi Rad et al.90 et Shallan et al.91. Les Si-NP ont le potentiel d'augmenter le RWC, la teneur en chlorophylle, les activités ROS, les conditions de croissance et le rendement des cultures34,92,93.

Les résultats ont révélé que l'amorçage des graines de nanoparticules de silicium (Si-NPs) dans des conditions de sécheresse améliore considérablement la croissance du blé et réduit le stress hydrique. La biomasse, la hauteur des plantes et le rendement de la culture de blé ont été stimulés grâce à l'amorçage des graines de Si-NPs. On peut conclure que l'augmentation de la concentration de Si-NPs dans les plants de blé a considérablement amélioré le nombre d'enzymes antioxydantes, la teneur en chlorophylle et les paramètres d'échange gazeux, et a minimisé le stress hydrique. De plus, les Si-NP d'amorçage des graines ont amélioré les activités enzymatiques qui ont minimisé les concentrations de ROS dans les feuilles de blé. Par conséquent, les résultats suggèrent que l'application d'amorçage des semences de Si-NPs peut être utile aux plants de blé, que ce soit en irrigation normale ou en cas de stress hydrique. Cependant, des recherches supplémentaires au niveau des pots et des champs sont encore nécessaires pour voir comment les nanoparticules initient cet impact sur le stress hydrique des céréales par l'application d'amorçage des NP dans des conditions de sécheresse.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié.

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Le soutien technique pour ces études a été fourni par le domaine de recherche Département d'agronomie, l'Université Islamia de Bahawalpur et la Commission de l'enseignement supérieur, Pakistan (Award of Scholarship Under Indigenous 5000 Ph.D. Fellowship (Phase-II) Batch-VI. Le l'analyse du sol a été effectuée cordialement avec le soutien du laboratoire d'analyse du sol et de l'eau de Multan.

Financement Open Access activé et organisé par Projekt DEAL.

Département d'agronomie, Faculté d'agriculture et d'environnement, Université Islamia de Bahawalpur, Bahawalpur, 63100, Pakistan

Muhammad Aown Sammar Raza, Bilal Zulfiqar, Rashid Iqbal, Muhammad Usman Aslam, Faqeer Muhammad, Jawad Amin et Muhammad Arif Ibrahim

Département d'agronomie, MNS-Université d'agriculture, Multan, 60000, Pakistan

Muhammad Nour Muzamil

Institut de protection des végétaux (IPP), MNS-Université d'agriculture, Multan, Pakistan

Hafiz Muhammad Usman Islam

Institut national de génomique et de biotechnologie avancée (NIGAB), Centre national de recherche agricole (NARC), Park Road, Islamabad, 45500, Pakistan

Muhammad Uzaïr

Crop Science Group, Institute of Crop Science and Resource Conservation (INRES), Université de Bonn, Bonn, Allemagne

Muhammad Habib-ur-Rahman

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Conceptualisation, MASR, BZ et RI ; méthodologie, MUA.; logiciel, RI, BZ et MU ; validation et analyse formelle, FM, JA, MAI, MNM, MU et RI ; ressources, MASR ; conservation des données, RI, MNM, MH-u.-R., JA, BZ et FM ; rédaction—préparation du brouillon original, MASR, RI et BZ ; rédaction—révision et édition, MASR, MU, MH-u.-R., HMUA et BZ ; visualisation, MU ; supervision, MASR, MH-u.-R. Tous les auteurs ont lu et accepté la version publiée du manuscrit.

Correspondance avec Muhammad Aown Sammar Raza ou Muhammad Habib-ur-Rahman.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Raza, MAS, Zulfiqar, B., Iqbal, R. et al. Réponse morpho-physiologique et biochimique du blé à divers traitements de nanoparticules de silicium en conditions de stress hydrique. Sci Rep 13, 2700 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29784-6

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Reçu : 07 octobre 2022

Accepté : 10 février 2023

Publié: 15 février 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-29784-6

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