Nanopartikel Maghemite Meningkatkan Pertumbuhan dan Toleransi Kekeringan Brassica napus sebagai Nanoenzim
Abstrak
Nanopartikel γ‑Fe₂O₃ yang di-dop dengan yttrium diteliti sebagai aditif tanaman berfungsi ganda: sumber tambahan besi dan nanoenzim yang membuang spesies reaktif oksigen. Ketika disalurkan melalui irigasi pada Brassica napus yang ditanam di tanah, partikel-partikel tersebut menurunkan peroksida hidrogen daun dari 151 μM g⁻¹ menjadi 83 μM g⁻¹ dan menurunkan kadar malondialdehida (MDA) dari 36 mM g⁻¹ menjadi 26 mM g⁻¹ setelah periode kekeringan selama 5 hari. Elongasi daun meningkat sebesar 33 % dibandingkan kontrol yang diberi pupuk lengkap, dan kandungan klorofil (SPAD) naik dari 47 menjadi 52, yang menunjukkan performa agronomi yang unggul dibandingkan pupuk besi kelat.
Latar Belakang
Keamanan pangan global bergantung pada inovasi yang meningkatkan hasil tanam sambil mengurangi jejak lingkungan. Teknologi nanometri menawarkan alat yang menjanjikan—dari perlindungan tanaman dan pupuk presisi hingga biosensing dan kemasan—yang masing-masing mampu mengubah rantai produksi. Nanopartikel oksida besi (IONs) secara alami terdapat di tanah dan diproduksi oleh tanaman serta mikroba. Meskipun ada kekhawatiran tentang toksisitas ION yang direkayasa, studi terbaru telah menunjukkan kegunaannya sebagai pupuk besi dan sebagai nanoenzim yang meniru aktivitas peroksidase dan katalase. Secara khusus, γ‑Fe₂O₃ dan Fe₃O₄ telah menunjukkan potensi enzimatik pada pH rendah dan netral, masing-masing, dan dapat meningkatkan pertumbuhan tanaman di luar yang dicapai dengan dosis besi kelat yang setara. Kami berhipotesis bahwa properti enzimatik nanopartikel γ‑Fe₂O₃ tidak hanya akan menyediakan besi tetapi juga mengurangi stres oksidatif selama kekeringan, sehingga meningkatkan daya tahan tanaman.
Hasil
Efek Partikel terhadap Sifat Tanaman
Penerapan ION meningkatkan panjang daun dan kandungan klorofil dibandingkan kontrol besi kelat. Panjang daun naik sebesar 33 % (p = 0,053) dan nilai SPAD meningkat secara signifikan (p = 0,000), yang menunjukkan pembelahan sel atau elongasi yang ditingkatkan dan kapasitas fotosintesis yang lebih besar (Gambar 1a–b).
Berbagai parameter fisiologis tanaman yang ditanam di pot dengan tanah diirigasi nutrien atau nutrien yang mengandung IONs. a Peningkatan panjang daun individual dari sebelum hingga setelah 5 hari perlakuan ION (n = 16, p = 0,053). b Kandungan klorofil pada daun, diukur dengan SPAD (n = 16, p = 0,000). Huruf yang berbeda menunjukkan perbedaan yang signifikan secara statistik.
Retensi air tidak berbeda secara signifikan, tetapi perlakuan ION menunjukkan kecenderungan terhadap kandungan air yang lebih besar (Gambar 2a). Berat segar konsisten lebih tinggi untuk perlakuan ION, mencapai signifikansi statistik dalam beberapa eksperimen (Gambar 2b). Dalam uji kekeringan yang diperpanjang, tanaman yang diobati IONs mempertahankan biomassa yang lebih tinggi dan pulih lebih cepat setelah penyiraman ulang (Gambar 3).
Parameter tanaman setelah stres kekeringan. a Persen berat tanaman yang terdiri atas air. b Biomassa tanaman setelah 5 hari kekeringan (n = 8, p = 0,127). Huruf yang berbeda menunjukkan perbedaan yang signifikan secara statistik.
Berat segar tanaman, diukur setelah 5 hari kekeringan. Perbedaan yang signifikan secara statistik dengan 15 replikasi biologis dan p = 0,01.
Tanaman kontrol, yang menerima besi kelat yang memadai, menunjukkan toleransi kekeringan yang jauh lebih rendah. Sebaliknya, tanaman yang diobati ION lebih baik dalam mengatasi stres dan pulih sepenuhnya setelah penyiraman ulang (Gambar 4).
Foto tanaman setelah penyiraman ulang setelah 5 hari stres kekeringan. a Tanaman kontrol yang diirigasi larutan nutrien. b Tanaman yang diirigasi larutan nutrien yang mengandung 0,8 mg ml⁻¹ IONs. c Tanaman yang diirigasi larutan nutrien yang mengandung 2 mg ml⁻¹ IONs.
Efek IONs terhadap Konsentrasi Peroksida Hidrogen Daun
Peroksida hidrogen daun jauh lebih rendah pada tanaman yang diobati ION. Meskipun perlakuan 0,8 mg ml⁻¹ menunjukkan variabilitas tinggi, konsentrasi 2 mg ml⁻¹ mengurangi H₂O₂ sebesar 84 % dibandingkan kontrol (p = 0,004) (Gambar 5).
Jumlah peroksida hidungen larut per gram jaringan daun dari kolza yang diobati larutan nutrien yang mengandung IONs dan dilemukan kekeringan selama 5 hari (n = 16, p = 0,004).
Efek IONs terhadap Peroksidasi Lipid
Konsentrasi malondialdehida (MDA) turun sebesar 36 % pada daun tanaman yang menerima 200 mg IONs, yang menunjukkan peroksidasi lipid yang berkurang. Meskipun kontrol positif dengan ion besi(III) setara disertakan, variabilitas yang tinggi mencegah kesimpulan yang definitif. Meskipun demikian, kecenderungan MDA yang lebih rendah pada tanaman yang diobati ION terlihat jelas (Gambar 6).
Konsentrasi produk peroksidasi lipid MDA pada daun kolza yang diobati larutan nutrien yang mengandung IONs dan kekeringan selama 5 hari (n = 8, p = 0,052).
Serapan Partikel oleh Tanaman
Spektroskopi emissi atom plasma terhubung (ICP‑AES) menunjukkan peningkatan signifikan kadar besi daun setelah penerapan ION, sedangkan ion besi(III) tambahan sebenarnya menurunkan kadar besi daun (Gambar 7). Pola ini mendukung serapan nanopartikel dan kecenderungan yang lebih rendah terhadap reaksi Fenton yang diinduksi besi.
Konsentrasi besi pada daun tanaman Brassica setelah perlakuan dengan nanopartikel maghemite, dibandingkan kontrol dengan larutan nutrien yang sama atau larutan nutrien yang sama dengan rasio mol 1:1 ion besi(III). Huruf yang berbeda menunjukkan perbedaan yang signifikan secara statistik (n = 15).
Pengukuran magnetisasi lebih lanjut membenarkan kehadiran nanopartikel. Pada 2 K, daun dari tanaman yang diobati ION menunjukkan remanensi magnetisasi yang lebih tinggi di bawah nol medan, sedangkan daun kontrol menunjukkan magnetisasi yang lebih besar di bawah medan 10.000 Oe, sesuai dengan perilaku superparamagnetik nanopartikel γ‑Fe₂O₃ (Gambar 8–9). Meskipun variabilitas membatasi signifikansi statistik, kecenderungan tersebut sesuai dengan data ICP‑AES.
Magnetisasi suhu rendah (2 K) daun abu tanaman yang diobati nanopartikel maghemite dibandingkan tanaman kontrol. Bar error menunjukkan standar error rata-rata (n = 6).
Magnetisasi suhu rendah (2 K) daun abu di bawah medan magnet yang berbeda. Plot pada 10.000 Oe memiliki p = 0,8, dan plot pada nol medan memiliki p = 0,08 (n = 6).
Karakterisasi Material
Metode sintesis menghasilkan gel yang, setelah dikeringkan dan digiling, menghasilkan serbuk nanopartikel γ‑Fe₂O₃ dalam rentang ukuran 1–10 nm. Mikroskopi elektron pemindaian (SEM) menunjukkan struktur hierarkis; spektroskopi energi-dispersif (EDS) mendeteksi hanya besi, mengonfirmasi absence yttrium dalam serbuk yang kering (Gambar 7).
Analisis pelacakan nanopartikel melalui pencaran cahaya dinamis (NTA) menunjukkan distribusi diameter hidrodinamis hingga 500 nm, dengan 84 % agregat di bawah 300 nm dan 11 % di bawah 50 nm. Dalam dispersi yang diencerkan 50 kali, 4,28 × 10⁶ partikel per mL lebih kecil dari 20 nm, yang mengimplikasikan sekitar 2 × 10⁸ partikel sub-20 nm per mL dalam larutan irigasi.
Gambar mikroskopi gaya atom (AFM) mengonfirmasi distribusi ukuran yang diamati oleh NTA dan difraksi X‑ray (XRD). XRD, yang dilakukan satu tahun setelah sintesis, mengonfirmasi struktur kristal maghemite dengan ukuran kristalit 3,8 nm yang dihitung melalui persamaan Scherrer. Penggantian berat yttrium sebesar 13 % tidak mengubah fase kristal tetapi mempengaruhi status getaran (File Tambahan 1: Gambar S3).
Gambar mikroskopi elektron pemindaian γ‑Fe₂O₃ yang disintesis melalui sintesis sol‑gel yang diarahkan yttrium dan spektrum EDS dari material yang sama.
Diskusi
Studi kami memberikan bukti pertama bahwa nanopartikel γ‑Fe₂O₃ berfungsi sebagai nanoenzim fungsional in planta. Dibandingkan besi kelat, IONs menyampaikan besi secara lebih efisien dan secara bersamaan membuang spesies reaktif oksigen, seperti yang ditunjukkan oleh kadar H₂O₂ dan MDA yang lebih rendah. Pengurangan stres oksidatif berkaitan dengan toleransi kekeringan yang ditingkatkan dan pertumbuhan daun yang dipercepat.
Efek enzimatik yang diamati sesuai dengan aktivitas peroksidase‑ dan katalase‑like yang diketahui dari nanopartikel oksida besi pada pH rendah dan netral, masing-masing. Meskipun mekanisme alternatif—seperti interaksi langsung dengan protein atau lipid—tidak dapat dikecualikan, kombinasi kadar besi daun yang meningkat, magnetisasi yang berubah, dan ROS yang berkurang mendukung jalur yang diedarkan oleh nanoenzim.
Ion besi(III) saja tidak meningkatkan performa tanaman; sebaliknya, mereka mengurangi serapan besi daun, kemungkinan mencerminkan pertahanan tanaman yang diinisiasi terhadap kelebihan besi. Dopan yttrium stabilisasi fase maghemite dan menekan transformasi menjadi hematit, sehingga mempertahankan aktivitas enzimatik.
Penyimpanan klorofil yang ditingkatkan, elongasi daun yang lebih cepat, dan biomassa yang lebih besar menunjukkan manfaat agronomis praktis, terutama di lingkungan di mana persaingan gulma dan kekerapan air adalah faktor pembatas. Pekerjaan masa depan harus mengevaluasi hasil dan kualitas biji untuk sepenuhnya membangun potensi komersial pupuk ION.
Kesimpulan
Nanopartikel γ‑Fe₂O₃ berfungsi sebagai nanoenzim yang efektif pada Brassica napus, mengurangi peroksida hidrogen daun dan peroksidasi lipid sambil meningkatkan pertumbuhan dan ketahanan kekeringan. Temuan ini mendukung penerapannya sebagai pupuk berfungsi ganda dan pengurang stres dalam pertanian berkelanjutan.
Metode
Kondisi dan Desain Eksperimen
Benih Brassica napus (varietas colza musim semi Larissa) disterilkan permukaan, ditanam pada agar, dan dipindahkan ke pot berukuran 8 × 8 cm yang berisi tanah S‑Soil yang telah disterilkan. Setelah 7 hari pembentukan, tanaman menerima irigasi harian dengan larutan nutrien standar, larutan yang sama ditambah 3,4 mg L⁻¹ besi kelat, atau larutan yang ditambah 0,5, 0,8, 1, atau 2 mg mL⁻¹ γ‑Fe₂O₃ (total 100–400 mg tanaman⁻¹). Tanaman ditanam di kamar terkontrol (16 jam cahaya, 180 µE m⁻² s⁻¹; 8 jam gelap; 25 °C/22 °C; 65 % kelembaban relatif). Setelah 5 hari perlakuan, diikuti 5 hari irigasi nutrien standar dan kemudian 4 hari kekeringan. Analisis peroksida hidrogen dan MDA dilakukan setelah kekeringan, kemudian tanaman disiram selama 3 hari untuk menilai pemulihan. Seluruh eksperimen direplikasi empat kali.
Sintesis dan Karakterisasi Nanopartikel
Nanopartikel γ‑Fe₂O₃ yang di-dop yttrium disintesis sesuai Cui et al. (2013) dengan sekitar 13 % berat Y. Karakterisasi mencakup XRD, SEM, NTA, FTIR, TGA, dan AFM. SEM (Hitachi TM1000) dan EDS mengonfirmasi komposisi oksida besi. NTA (NanoSight 300) menghasilkan distribusi ukuran hidrodinamis; FTIR (Perkin‑Elmer Spectrum 100) dan TGA (Perkin‑Elmer Pyris 1) menyediakan data komposisi tambahan. AFM (Bruker FastScan) memvisualisasikan morfologi partikel. XRD (Bruker Smart ApexII) mengonfirmasi kristalinan maghemite, dengan ukuran kristalit 3,8 nm yang dihitung dari puncak 2θ 16,197°.
Distribusi ukuran partikel hidrodinamis dalam air, diukur oleh NTA, dari γ‑Fe₂O₃ yang disintesis melalui sintesis sol‑gel yang diarahkan yttrium. Nilai-nilai merupakan rata-rata dari empat pengukuran berulang, dan area dalam garis tipis menunjukkan standar error rata-rata.
Nanopartikel maghemite yang disintesis melalui sol‑gel yang diarahkan yttrium, dispersi pada wafer silicon dan diimajing dengan AFM. Gambar yang sama direpresentasikan dalam 3D dan 2D.
Pola difraksi serbuk nanopartikel maghemite yang dihasilkan. Puncak-puncak selaras dengan posisi maghemite standar dari database yang terlihat sebagai titik dengan garis jatuh di dasar gambar. Ukuran kristalit dihitung dari puncak terbesar pada sudut 16,197 2θ.
Pengukuran Sifat Tanaman
Panjang daun, kandungan klorofil (SPAD), dan biomass di atas tanah dicatat sebelum perlakuan, setelah 5 hari irigasi, dan setelah kekeringan. Pengukuran dirata-ratakan di seluruh 16 replikasi biologis. Biomassa dikeringkan dalam oven pada 110 °C selama 72 jam.
Kadar Besi dan Pengukuran Magnetis
Setelah kekeringan, jaringan tanaman diabun pada 450 °C, dicerna dalam 36 % HCl, diencerkan, dan dianalisis oleh ICP‑AES pada 238,204 nm. Momen magnetis diukur pada magnetometer SQUID pada 2 K, menyapu dari 10.000 Oe ke 0 Oe. Data dinormalisasi terhadap berat sampel.
Pengukuran Peroksida Hidrogen
Peroksida hidrogen daun diukur menggunakan metode eFOX (reaksi garam Mohr). Sampel daun dihaluskan dalam nitrogen cair, diekstraksi dalam fosfat buffer, dan bereaksi dengan sulfat amonium ferrous, sorbitol, xylenol orange, etanol, dan asam sulfat. Perbedaan absorbansi antara 550 nm dan 800 nm digunakan untuk menghitung konsentrasi H₂O₂ (R² = 0,9946).
Peroksidasi Lipid
MDA diukur sesuai metode [40]. Sampel dihomogenkan dalam 0,1 % TCA, dan absorbansi pada 532 nm dikoreksi untuk kekeruhan pada 600 nm. Koefisien absorpsi 155 mM cm⁻¹ digunakan untuk menghitung MDA.
Analisis Statistik
Semua data dianalisis dengan Minitab 17 menggunakan one‑way ANOVA dan Fisher’s LSD untuk pengelompokan pasca-uji. Uji t Student mengidentifikasi perbedaan signifikan spesifik antara perlakuan.
