پلاسماپرایمینگ دقیق غلات در سامانه‌های کم‌نهاده: از دوز مؤثر زیستی تا استقرار مزرعه‌ای

نوع مقاله : مقاله مروری

نویسندگان

1 گروه اصلاح نباتات، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، پژوهشکده کشاورزی هسته‌ای، کرج

2 گروه علوم آب و خاک، پژوهشکده کشاورزی هسته ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته ای

3 پژوهشکده پلاسما و گداخت هسته ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته ای، تهران، ایران

4 گروه اصلاح نباتات، پژوهشکده کشاورزی هسته ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته ای، کرج، ایران

چکیده

مقدمه: استقرار سریع، یکنواخت و پایدار گیاهچه برای حفظ تراکم بوته، بهره‌برداری مؤثر از آب و عناصر غذایی و تولید غلات در سامانه‌های کم‌نهاده ضروری است. خشکی، شوری، دمای پایین، پیری بذر، افت بنیه و عوامل بیماری‌زای بذرزاد و خاک‌زاد، فاصله میان جوانه‌زنی آزمایشگاهی و استقرار مزرعه‌ای را افزایش می‌دهند. پلاسمای سرد اتمسفری می‌تواند ویژگی‌های سطح بذر، بار میکروبی و پاسخ‌های ردوکس، هورمونی، متابولیکی و یونی را تعدیل کند. بااین‌حال، نتایج مطالعات ناهمگون‌اند؛ زیرا زمان، ولتاژ یا توان اسمی دستگاه اغلب معادل دوز زیستی فرض می‌شود و نقش ژنوتیپ، وضعیت محموله بذر و محیط پس از کاشت به‌قدر کافی لحاظ نمی‌شود. هدف این مرور، ارائه چارچوب «ژنوتیپ × دوز پلاسما × وضعیت بذر × محیط» برای پیوند دوز فیزیکی، مواجهه شیمیایی، دوز مؤثر زیستی، سازوکارهای بذر و استقرار مزرعه‌ای بود.

مواد و روش‌ها: این پژوهش به‌صورت مرور روایتی–انتقادی و مفهوم‌محور بر مطالعات انگلیسی داوری‌شده منتشرشده تا ۱ ژوئن ۲۰۲۶ انجام شد. پایگاه‌های Scopus، Web of Science، PubMed، Google Scholar و Crossref با واژه‌های مرتبط با پلاسمای سرد، پلاسماپرایمینگ، آب فعال‌شده با پلاسما، بذر غلات، جوانه‌زنی، استقرار گیاهچه، RONS و دوز پلاسما جست‌وجو شدند. گزارش‌های نامرتبط، تکراری یا فاقد داده زیستی قابل‌تفسیر کنار گذاشته شدند. شواهد گندم، برنج، ذرت، جو، یولاف، ارزن‌ها و تف در چهار محور معماری تخلیه، ویژگی‌های محموله بذر، پاسخ‌های سطحی و مکانیزمی و پیامدهای زراعی ارزیابی شدند. مقیاس آزمایش، کیفیت توصیف پلاسما و بذر، پاسخ دوز، کفایت شاهدها و قابلیت انتقال به خاک و مزرعه بررسی شد.

نتایج و بحث: تنظیمات دستگاه به‌تنهایی دوز دریافتی بذر را تعریف نمی‌کنند. تخلیه سد دی‌الکتریک برای تیمار مستقیم و مقیاس‌پذیر مناسب است، اما تماس بذر–بذر و بذر–دی‌الکتریک می‌تواند میدان و ریزتخلیه‌ها را ناهمگن کند. جت‌های فشار اتمسفری کنترل مکانی بیشتری دارند، ولی به فاصله نازل، دبی گاز و اختلاط با هوای محیط حساس‌اند؛ سایر تخلیه‌ها و سامانه‌های پلاسما–مایع نیز پنجره‌های مواجهه متفاوتی ایجاد می‌کنند. رطوبت، هندسه، ترکیب پوشش و بنیه بذر نیز رفتار تخلیه و حساسیت بافت به اکسیداسیون را تغییر می‌دهند. در پنجره هورمتیک، اکسیداسیون کنترل‌شده سطح می‌تواند ترشوندگی و سینتیک آب‌گیری را بهبود دهد. گونه‌های فعال اکسیژن و نیتروژن نیز ممکن است مستقیماً یا از طریق تحریک پیام‌رسانی ردوکس درون‌زاد با تعادل ABA–GA، بسیج ذخایر، دفاع آنتی‌اکسیدانی، اسمولیت‌ها و شارهای یونی ارتباط یابند. این پاسخ‌ها می‌توانند جوانه‌زنی را تسریع، رشد ریشه را تقویت، بار میکروبی را کاهش و تحمل تنش را بهبود دهند؛ درحالی‌که مواجهه بیش‌ازحد با پراکسیداسیون لیپیدی، نشت الکترولیت، آسیب غشا و DNA و کاهش زنده‌مانی همراه است. شواهد در گندم برای اصلاح سطح، آب‌گیری، رشد اولیه ریشه، پاسخ‌های خشکی و کنترل قارچ‌ها منسجم‌ترند؛ در برنج، تحمل سرما و آب فعال‌شده با پلاسما برجسته‌ترند؛ در جو، بسیج ذخایر و بازتوزیع عناصر سطحی بهتر مستند شده‌اند؛ و در ذرت، پاسخ مزرعه‌ای به هیبرید و سال وابسته است. با وجود آثار مثبت پرتکرار بر جوانه‌زنی و رشد اولیه، شواهد پایداری این مزایا در خاک و تبدیل آنها به عملکرد مزرعه‌ای باثبات هنوز محدود است.

نتیجه‌گیری: پلاسماپرایمینگ غلات باید از تیمارهای ثابت مبتنی بر زمان و ولتاژ به سامانه‌ای تشخیصی، پاسخ‌محور و قابل‌کنترل تبدیل شود. گزارش حداقلی باید هندسه و ویژگی‌های الکتریکی منبع، گاز و رطوبت، انرژی ویژه، دمای بذر، شاخص‌های شیمیایی گونه‌های فعال و ویژگی‌های ژنوتیپی و فیزیولوژیک بذر را همراه با سرعت و یکنواختی جوانه‌زنی، رشد ریشه، نشت الکترولیت، وضعیت ردوکس و کاهش بار میکروبی ارائه کند. آزمایش‌های پاسخ دوز، فنوتیپ‌برداری پرظرفیت، مدل‌سازی بیزی یا یادگیری ماشین، اعتبارسنجی میان ژنوتیپ‌ها و محموله‌ها و آزمون‌های چندمحیطی برای تعیین پنجره‌های بهینه ضروری‌اند. ارزش کاربردی این فناوری زمانی اثبات می‌شود که مزایای آزمایشگاهی به استقرار یکنواخت، سلامت گیاهچه و پایداری عملکرد در مزرعه تبدیل شوند و مقیاس‌پذیری، هزینه و مصرف انرژی آن با روش‌های متداول مقایسه شوند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Precision plasma priming of cereals in low-input systems: From biologically effective dose to field establishment

نویسندگان [English]

  • Mojtaba Kordrostami 1
  • Ali Ebadi 2
  • Abolfazl Mazandarani 3
  • Ali Akbar Ghasemi-Soloklui 4
1 Assistant Prof. of Plant Biotechnology, Department of Plant Breeding, Nuclear Agriculture Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute (NSTRI), Karaj P.O. Box 31485498, Iran
2 Dept. of Soil and Water Science, Nuclear Agriculture Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute
3 Plasma and Nuclear Fusion Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute (NSTRI), Tehran, Iran
4 Nuclear Agriculture Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute (NSTRI), Karaj, Iran
چکیده [English]

Introduction: Rapid and uniform seedling establishment is essential for maintaining plant density, resource-use efficiency, and stable cereal production in low-input systems. Drought, salinity, low temperature, seed ageing, reduced vigour, and seed- and soil-borne pathogens widen the gap between laboratory germination and field establishment. Cold atmospheric plasma can modify seed-surface properties, microbial load, and redox, hormonal, metabolic, and ionic responses. However, cereal studies remain heterogeneous because treatment time, voltage, or nominal power are often treated as equivalents of biological dose, while genotype, seed-lot status, and post-sowing environment are insufficiently considered. This review proposes a genotype × plasma dose × seed status × environment framework linking physical dose, chemical exposure, biologically effective dose, seed mechanisms, and field establishment.



Materials and Methods: A concept-driven critical narrative review was conducted using peer-reviewed English-language studies published up to 1 June 2026. Scopus, Web of Science, PubMed, Google Scholar, and Crossref were searched using terms related to cold plasma, plasma priming, plasma-activated water, cereal seeds, germination, seedling establishment, RONS, and plasma dose. Studies directly addressing seed treatment or agronomic outcomes were prioritized; irrelevant, duplicate, or biologically uninterpretable reports were excluded. Evidence from wheat, rice, maize, barley, oats, millets, and tef was evaluated across discharge architecture, seed-lot traits, mechanistic responses, and agronomic outcomes. Studies were assessed for experimental scale, characterization quality, dose–response design, control adequacy, and transferability to soil and field conditions.

Results: Device settings alone do not define the dose received by seeds. Dielectric barrier discharge is promising for scalable direct treatment, but seed contacts can generate heterogeneous fields and microdischarges. Atmospheric-pressure jets provide greater spatial control but are sensitive to nozzle distance, gas flow, and ambient-air mixing, while other discharge and plasma–liquid systems create distinct exposure windows. Seed moisture, geometry, coat composition, and vigour further influence discharge behaviour and tissue sensitivity. Within the hormetic window, controlled surface oxidation may improve wettability and water-uptake kinetics. Reactive oxygen and nitrogen species may act directly or stimulate endogenous redox signalling associated with ABA–GA balance, reserve mobilization, antioxidant defence, osmolytes, and ionic fluxes. These responses may accelerate germination, strengthen root growth, reduce microbial load, and improve stress tolerance, whereas excessive exposure is associated with lipid peroxidation, electrolyte leakage, membrane and DNA damage, and reduced viability. Evidence is comparatively stronger for surface modification, water uptake, early root growth, drought-related responses, and fungal control in wheat; cold tolerance and plasma-activated water in rice; reserve mobilization and surface elemental redistribution in barley; and hybrid- and season-dependent field responses in maize. Positive effects on germination and early growth are frequent under controlled conditions, but persistence in soil and translation into stable field performance remain limited. Major constraints include inadequate energy normalization, insufficient measurement of reactive species and seed temperature, use of high-vigour seed lots, lack of multi-environment trials, and poor reporting of initial seed status.

Conclusion: Cereal plasma priming should move from fixed time- and voltage-based treatments toward a diagnostic, response-driven, and controllable system. Minimum reporting should include source geometry, electrical characteristics, gas and humidity, specific energy, seed temperature, chemical indicators of reactive species, and seed genotype, moisture, and vigour, together with biological measures of germination speed and uniformity, root growth, electrolyte leakage, redox status, and microbial reduction. Dose–response experiments, high-throughput phenotyping, Bayesian or machine-learning models, cross-lot validation, and multi-environment testing are required to define context-specific optimal windows. Closed-loop control may reduce undertreatment and oxidative injury. Practical value will be established only when laboratory benefits translate into uniform field establishment, seedling health, and stable crop performance, while scalability, cost, and energy use are benchmarked against conventional priming and disinfection methods.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cold atmospheric plasma
  • Reactive oxygen and nitrogen species
  • Seed ionic homeostasis
  • Hormesis