نانوتکنولوژی فناوری جدیدی است که به طور گسترده در تولید نانوکودهای با کارایی بالا استفاده می شود. نانوکودهایی با اندازه کمتر از 100 نانومتر به طور کلی در کشاورزی استفاده می‌شوند و به دلیل اندازه کوچک و سطح بالای آنها می‌توانند به راحتی توسط ریشه، کوتیکول‌ها و روزنه‌ها جذب شوند. در سال‌های اخیر، محققان روی استفاده از نانوکودها با سیستم رهایش کنترل‌شده مطالعات زیادی نموده اند. برای این منظور کودها را به صورت فیزیکی با برخی مواد می پوشانند تا میزان حلالیت آنها افزایش یابد. استفاده از سیستم‌های رهاسازی کنترل‌شده باعث کاهش تلفات کود، جلوگیری از آلودگی خاک و آب‌های زیرزمینی و کاهش دوز کودهای مصرفی در مقایسه با روش‌های مرسوم می‌شود.کیتوزان پلیمری است که به دلیل خواص جالبی که از جمله زیست سازگاری، زیست تخریب پذیری و غیر سمی بودن دارد، به طور گسترده در صنایع دارویی، زیست پزشکی و کشاورزی استفاده می شود. بنابراین، به عنوان یک انتخاب مناسب در کاربردهای کشاورزی پیشنهاد شده است. در مطالعه ای نانوذرات کیتوزان غنی شده از نیتروژن، پتاسیم و فسفر را سنتز نمودند. آنها تأثیر نانوکود سنتز شده بر رشد گیاه قهوه در گلخانه را بررسی کردند. نتایج نشان داد که مقدار ماده مغذی جذب شده توسط برگ قهوه افزایش یافته است. همچنین میزان فتوسنتز و محتوای کل کلروفیل نسبت به گیاه تیمار نشده (به ترتیب 71/7و 30/68 درصد) افزایش یافت. در پژوهشی دیگر، تأثیر غلظت‌های مختلف متاکریلیک اسید پلیمریزاسیون کیتوزان (PMMA)-NPK نانوکود روی گیاهان نخود (Pisum sativum) را ارزیابی کرده اند. جالب توجه است که در غلظت‌های پایین (0/125 و 0/625 رقت‌های سریالی محلول حاوی 500 PPM نیتروژن، 400 PPM پتاسیم و 60 PPM فسفر)، تقسیم سلولی میتوزی القا شد. علاوه بر این، مقدار برخی پروتئین‌ها مانند ویسیلین، کنویسیلین و لگومین β در گیاهان تیمار شده افزایش یافت. برخی از پارامترهای موثر بر کارایی رهایش مانند غلظت اوره (کود)، کیتوزان، پیوند متقاطع (یک پیوند متقاطع پیوندی است که یک زنجیره پلیمری را به زنجیره دیگر متصل می‌کند) و دما نیز توسط محققین ارزیابی شده است. نتایج نشان داد که غلظت بالاتر اوره بارگذاری شده در کیتوزان باعث افزایش سرعت رهاسازی و در مقابل غلظت بالاتر کیتوزان و پیوند متقاطع باعث کاهش سرعت رهاسازی کود شد. افزایش دمای محیط می تواند سرعت رهایش را نیز افزایش دهد.
مس یک ریز مغذی است که نقش مهمی در فرآیندهای متابولیسم به ویژه در سنتز دیواره سلولی دارد. علاوه بر این، مس می تواند فتوسنتز و در نتیجه رشد گیاه را افزایش دهد. محققین دو نوع کود مبتنی بر کیتوزان به نامهای نانوکامپوزیت کیتوزان-مس (CN-Cu-NCs) و کیتوزان/پلی اکریلیک اسید/نانوکامپوزیت های هیدروژل مس (CS/PAA/Cu-HNCs) را سنتز و تأثیرات آنها را بر رشد پیاز مطالعه نمودند. نتایج نشان داد که میزان رهایش CS/PAA/Cu-HNCs بیشتر از CN-Cu-NCs بود. گیاهان تیمار شده با هر دو نانوکامپوزیت حاوی مس، افزایش در رشد، قطر پیاز، تعداد ریشه و محتوای کلروفیل را نشان دادند. البته باید توجه داشت که رشد گیاه و محتوای مواد مغذی پیاز در نمونه‌های در معرض نانو کود CS/PAA/Cu-HNCs بیشتر از گیاهان در معرض CN-Cu-NC بود.
کلسیم (Ca) هم در دیواره سلولی و هم در ساختار غشایی گیاه وجود دارد. بور (B) یک ماده ریز مغذی است که بر جذب کلسیم و سنتز دیواره سلولی تأثیر می گذارد. از سوی دیگر، اکسید روی و اکسید تیتان به عنوان ریز مغذی‌ها نمی‌توانند جذب عناصر غذایی توسط گیاهان را افزایش دهند، اما مقاومت گیاه را در برابر عوامل بیماری‌زا افزایش می‌دهند. بنابراین، توانایی نانو کود Zn/B-کیتوسان را برای افزایش رشد در گیاهان قهوه بررسی نموده اند. بر اساس نتایج آنها، افزایش سطح برگ، ارتفاع بوته و قطر ساقه به دلیل افزایش جذب عناصر ریز مغذی (روی، بور و کلسیم) مشاهده شد. همچنین، اثرات نانو کود روی- کیتوزان بر گیاهان گندم در مقایسه با کود روی معمولی (ZnSO4، 400 میلی گرم در لیتر) ارزیابی شده است. آنها نشان دادند که غلظت روی در گیاهانی که در معرض کود ZnSO4 و نانو کود روی- کیتوزان قرار داشتند به ترتیب 50 و 36 درصد افزایش یافته است، در حالی که غلظت نانوکود 10 برابر کمتر از کود سنتی بود .
نیتروژن به عنوان یکی از مواد مغذی مهم برای تولید زیست توده در کشاورزی شناخته می شود. در کشاورزی سنتی، تقریباً 50 تا 70 درصد نیتروژن با شسته شدن به محیط از بین می رود. در سال های اخیر مواد رسی نانوساختاری به دلیل ساختارشان توجه بیشتری را به خود جلب کرده اند. آنها می توانند به عنوان یک نانوحامل برای رساندن کودها به گیاهان استفاده شوند. ساختار لایه خاک رس منجر به یک سطح بسیار فعال می شود که می تواند مکان های مناسبی را برای بارگیری کودها فراهم کند. کائولینیت، خاک رس با فرمول شیمیایی Al2Si2O5 (OH)4 است که در مناطق گرمسیری فراوان است. محققین آزادسازی نیتروژن از کائولینیت بین کود اوره را مورد مطالعه قرار دادند. نتایج نشان داد که زمان آزادسازی نیتروژن از کائولینیت اوره 3 برابر بیشتر از اوره معمولی شده بود. علاوه بر این، افزایش ضخامت پوشش و اندازه دانه‌ها زمان رهایش را طولانی‌تر کرد. ارزیابی پارامترهای رشد گیاه برنج در معرض نانوکود اوره-کائولینیت نشان‌دهنده افزایش قابل‌توجه بهره‌وری نسبت به کود اوره است. هیدروکسیدهای دولایه (LDHs) یک ترکیب معدنی با فرمول کلی [M2+1−xM3+x(OH)2]x+[An−]x/n•yH2O است، که در آن M2+ و M3+ به ترتیب کاتیون‌های فلزی دو ظرفیتی و سه ظرفیتی هستند. An− یک آنیون متعادل کننده بار است و x نسبت مولی M3+/(M3+ +M2+) است. ساختار LDH ها از لایه های هیدروکسید دو ظرفیتی (M2+) و سه ظرفیتی (M3+) تشکیل شده است که در آن کاتیون های سه ظرفیتی به جای کاتیون های دو ظرفیتی در مکان های هشت وجهی جایگزین می شوند. بار مثبت لایه های هیدروکسید، گونه های بین لایه ها را خنثی می کند. LDH ها به دلیل ویژگی ساختاری، قابلیت تبادل آنیونی خوبی دارند و می توانند موقعیت های مناسبی را در فضاهای بین لایه ای برای ادغام فسفر اختصاص دهند و متعاقباً از این طریق، کاهش تماس مستقیم این یون ها با خاک رخ می دهد. مطالعات تأیید کرده‌اند که آزادسازی فسفات‌ها در آب از [Mg, Al-PO4]-LDH ده برابر بیشتر از آزاد شدن از KH2PO4 بود. برخلاف فرض اولیه، برهمکنش بین P با کاتیون‌های Fe3+ و Al3+ تأثیری بر تبادل یونی نداشت. نتایج آزمایش بر روی گیاه گندم نشان داد که [Mg, Al-PO4]-LDH می‌تواند در مقایسه با سایر منابع عرضه‌کننده فسفر معمولی فسفات را در مدت زمان طولانی‌تری برای گیاهان فراهم کند. زئولیت ها ساختارهای متخلخل آلومینوسیلیکاتی هستند که قادر به جذب و دفع مواد مغذی هستند، بنابراین عملکرد محصول را بهبود می بخشند. زئولیت ها ظرفیت تبادل کاتیونی بالایی دارند و می توانند مقدار زیادی مواد مغذی را در ساختار لانه زنبوری خود حفظ کنند. بنابراین، می توان آن را به عنوان یک نانوحامل مواد مغذی و افزایش کارایی تولید محصول به خاک اضافه کرد. نشان داده شده است که آزادسازی روی از زئولیت-روی در یک دوره طولانی (1176 ساعت) اتفاق می‌افتد، در حالی که رهایش روی از کود ZnSO4 پس از یک دوره کوتاه (216 ساعت) متوقف می‌شود.
مکانیسم های جذب نانوذرات توسط سلول گیاهی
جذب نانوذرات به طور کلی به گونه های گیاهی، اندازه، نوع و بار نانوذرات بستگی دارد. نانوذرات قبل از نفوذ به سلول های گیاهی باید از دیواره سلولی و غشای پلاسمایی عبور کنند. دیواره سلولی یک مانع طبیعی برای ورود نانوذرات است. نانوذرات با اندازه ذرات کمتر از قطر منافذ دیواره سلولی می توانند به راحتی از آنها عبور کنند. آنها می توانند از طریق برگ یا ریشه جذب شوند. NP هایی که در معرض ریشه قرار می گیرند، ابتدا وارد اپیدرم ریشه و اندودرم می شوند و سپس از طریق آوند چوبی به قسمت های هوایی گیاهان منتقل می شوند. با این حال، نانوذراتی که در معرض برگ‌ها قرار گرفتند، به روزنه نیاز داشتند تا وارد فضای بین سلولی شده و سپس از طریق آوند آبکش به قسمت‌های دیگر گیاهان منتقل شوند. در ادامه، جذب موثر نانوذرات رایج ارزیابی شده است.
نانو ذرات سیلیس (SiO2)
چندین تکنیک مانند فلوسیتومتری، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و میکروسکوپ اسکن لیزری کانفوکال (CLSM) برای ارزیابی جذب نانوذرات مزوپور سیلیکا (MSN) توسط گیاهان استفاده شده است. نتایج نشان داده است که دو مسیر اصلی شامل پینوسیتوز و اندوسیتوز در جذب MSN توسط سلول های گیاهی نقش دارند.در مسیر اندوسیتوز، کمپلکس pDNA:MSN با اتصال به گیرنده های سطح سلولی خاص وارد سلول های آرابیدوپسیس شد. جذب MSNهای فلورسنت (20 نانومتر) در Lupinus albus، T. aestivum، Zea mays و Arabidopsis بررسی شده است. آنها نشان دادند که MSNها از طریق مسیرهای آپوپلاستیک و سمپلاستیک به ریشه های گیاه منتقل می شوند و متعاقباً از طریق بافت های آوندی به قسمت های هوایی گیاه منتقل می شوند. همچنین، جذب اندازه های مختلف MSN ها (14، 50 و 200 نانومتر) را در ریشه های آرابیدوپسیس ارزیابی نموده اند. آنها نشان دادند که جذب MSNها وابسته به اندازه است و کوچکترین اندازه (14 نانومتر) بیشترین جذب را توسط ریشه گیاهان تیمار شده داشت. در مطالعه اخیر توسط محققان ایرانی، انتقال MSNها (40 نانومتر) را از طریق بافت‌های آوندی به سایر قسمت‌های گیاهان تأیید کردند. آنها MSN های حاوی ژن GUS را به ساقه گوجه فرنگی تزریق کردند و بیان GUS را در برگ ها به دلیل حرکت MSN ها در آبکش تشخیص دادند. آنها همچنین کمپلکس نانوذره حاوی پلاسمید را به سطح زیرین برگ تزریق نمودند و نشان دادند که MSNها وارد سلولهای گیاهی شده و از دیواره سلولی عبور می کنند. با توجه به اندازه قطر منافذ روزنه (10-30 میکرومتر)، MSN ها با اندازه ذرات 40 نانومتر می توانند به راحتی وارد فضای بین سلولی شوند.نانوذرات دی اکسید تیتانیوم (TiO2)
جذب نانوذرات TiO2 توسط ریشهدر T. aestivum و Arabidopsis ارزیابی شده است. آن ها نشان دادند که TiO2 پوشیده شده با Alizarin red S و ساکارز می تواند از دیواره سلولی عبور کرده و به سلول های آرابیدوپسیس وارد شود. جذب اندازه های مختلف نانوذرات TiO2 (14-655 نانومتر) توسط ریشه گندم نیز ارزیابی شده است. آنها نشان دادند که انتقال نانوذرات از ریشه گیاه به اندام هوایی وابسته به اندازه است. نتایج آنها نشان داد که نانوذرات TiO2 با اندازه ذرات تا 36 نانومتر از ریشه گندم از طریق بافت‌های آوندی به شاخه منتقل می‌شوند .نانوذرات مبتنی بر کربن
نانولوله های کربنی تک جداره (SWCNTs) می توانند به راحتی از دیواره سلولی گیاه و غشای پلاسمایی عبور کنند. به عنوان یک قاعده کلی، به دلیل ضخامت پوشش دانه، نفوذ نانوذرات به داخل پوشش دانه سخت تر از دیواره سلولی و غشای پلاسمایی است. با این حال، یکی از مزایای مهم نانولوله‌های کربنی در مقایسه با سایر نانوذرات، توانایی آن در نفوذ به پوشش بذر است. جذب SWCNT های نشاندار شده با رنگ FITC (<500 نانومتر)="" توسط="" رده="" سلولی="">BY-2 تنباکو ارزیابی شده است. بر اساس یافته های آنها، SWCNT ها از طریق پدیده اندوسیتوز وارد سلول ها شدند. به همین ترتیب، ورود آنها به سلول ها از طریق مسیر اندوسیتوز در Arabidopsis و Oryza sativa تایید شده است. توانایی SWCNT ها برای عبور از غشای پلاسمایی Catharanthus roseus نیز مشخص شده است. جذب MWCNTs در برخی از گونه‌های گیاهی نیز مورد ارزیابی قرار گرفت. به عنوان مثال، در گیاهان گوجه فرنگی، جذب نانولوله های کربنی چند جداره (MWCNTs) توسط دانه مشاهده شد. در حالیکه، در سوسپانسیون سلولی برنج، دیواره سلولی از ورود MWCNTs به سیتوپلاسم جلوگیری کرد. در غلظت بالای MWCNT ها (400 میلی گرم در لیتر)، آنها در سطح ریشه انباشته شدند و در نتیجه از جذب آب و مواد مغذی توسط گیاهان جلوگیری کردند، بنابراین گلدهی تاخیری در برنج تیمار شده مشاهده شد.سایر نانوذرات
جذب نانوذرات روی (8 نانومتر، 500-4000 میلی‌گرم در لیتر) توسط گیاهچه‌های سویا ارزیابی شد و جذب وابسته به دوز نانوذرات روی گزارش شده است. بر اساس نتایج آنها، بیشترین راندمان جذب نانوذرات اکسید روی در غلظت 500 میلی گرم در لیتر به دست آمد. تجمع نانوذرات در غلظت های بالاتر (بیش از 1000 میلی گرم در لیتر) منجر به عبور سخت نانوذرات آگلومره شده از منافذ دیواره سلولی شد. جذب و جابجایی نانوذرات CuO توسط T. aestivum (NPs<>، Z. mays (NPs: 20-40nm) و Phaseolus radiatus (NPs~30nm) گزارش شده است. همچنین جذب نانوذرات CuO توسط P. radiates را در شرایط آزمایشگاهی ارزیابی کرد. آنها نشان دادند که نانوذرات وارد سلول های ماش می شوند. انتقال نانوذرات CuO از ریشه به ساقه از طریق آوند چوبی در گیاهان ذرت تایید شده است. همچنین جذب محلول‌پاشی نانوذرات نقره (Ag NPs) در گیاهان کاهو را مشخص شده است. آنها نانوذرات نقره (6/38 نانومتر) را روی برگ‌های کاهو اسپری کردند و نشان دادند که نانوذرات نقره از روزنه‌ها عبور کرده و از طریق بافت‌های آوندی به قسمت‌های دیگر گیاهان منتقل می‌شوند. عبور نانوذرات نقره (~20 نانومتر) از منافذ دیواره سلولی (5-20 نانومتر) در Vigna radiate نشان داد که دیواره سلولی نقش غربال را ایفا می کند و از ورود نانوذرات بزرگتر به سلول های گیاهی جلوگیری می کند.نانوذرات می توانند از طریق روزنه، کوتیکول، ریشه و زخم به سلول های گیاهی نفوذ کنند. انتقال سیمپلاستیک و آپوپلاستیک نانوذرات گزارش شده است. در مسیر آپوپلاستیک، اندازه منافذ دیواره سلولی یک عامل محدود کننده در برابر نفوذ نانوذرات به داخل سلول گیاهی است. به همین ترتیب، در مسیر سمپلاستیک، اندازه پلاسمودسماتا (3 تا 50 نانومتر) می‌تواند انتقال نانوذرات را از سلولی به سلول دیگر محدود کند. دیگر مکانیسم‌های نفوذ نانوذرات به سلولهای گیاهی شامل آکواپورین‌ها، مسیرهای اندوسیتوز، کانال‌های یونی و ایجاد منافذ جدید در دیواره سلولی است. علیرغم محدودیت اندازه منافذ دیواره سلولی، نانوذرات TiO2 و نانوذرات نقره با اندازه ذرات بیشتر از منافذ دیواره سلولی از طریق ایجاد منافذ جدید وارد سلول های گیاهی شدند. بر اساس برخی گزارش‌ها، نانوذرات بر بیان پروتئین‌های آکواپورین تأثیر می‌گذارند که به نانوذرات اجازه عبور از آنها را می‌دهد. به طور کلی، جذب نانوذرات توسط گیاهان به گونه گیاهی، ترکیبات شیمیایی نانوذرات، مرحله رشد گیاه و اندازه و بار نانوذرات وابسته است.
منبع: Appleacademicpress
.