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Jul 22, 2023

Detección de NO3− introducido en plasma

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 12525 (2022) Cita este artículo 814 Accesos 3 Citas 2 Detalles de Altmetric Metrics El plasma de descarga irradia semillas con oxígeno y nitrógeno reactivos

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 12525 (2022) Citar este artículo

814 Accesos

3 citas

2 altmétrico

Detalles de métricas

El plasma de descarga irradia semillas con especies reactivas de oxígeno y nitrógeno (RONS). Sin embargo, hasta ahora no se han detectado con éxito las RONS introducidas en semillas mediante irradiación de plasma. Este estudio proporciona evidencia experimental de que el ion nitrato NO3− se introduce en las semillas de lechuga como RONS tras la irradiación con plasma de descarga de barrera dieléctrica de aire a presión atmosférica. La irradiación con plasma durante 5 minutos promueve la germinación de las semillas. Los componentes de las semillas irradiadas con plasma se examinaron mediante espectrometría de masas cuántica de ionización por electropulverización (ESI QMS), que reveló que la irradiación con plasma introdujo un ion con una masa de 62 m/z en cantidades detectables. Este ion se identificó como NO3- mediante cromatografía líquida (LC), detector de longitud de onda múltiple (MWD) y LC-ESI QMS. Una simulación unidimensional a una temperatura de electrones Te = 1 eV, una densidad de electrones Ne = 1013/m3 y una temperatura de gas Tg = 300 K indicó la introducción de NO3−, que involucra óxido nítrico NO. NO3- es uno de los iones más importantes que desencadenan la transducción de señales para la germinación cuando se introduce en las semillas. Las imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) revelaron que no hubo cambios en la superficie de las semillas después de la irradiación con plasma. La irradiación con plasma es un método eficaz para introducir NO3− en semillas en un proceso seco sin causar daños.

El efecto de mejora del crecimiento de la irradiación con plasma en las plantas ha atraído considerable atención mundial1,2,3. Hasta el momento se han realizado estudios pioneros sobre la mejora de la germinación y el crecimiento4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19, control del equilibrio hormonal entre ácido giberélico (GA) y ácido abscísico (ABA) en semillas20,21, y mejora de las características de cosecha22 mediante irradiación con plasma. Recientemente, se realizaron estudios de biología molecular para dilucidar los mecanismos subyacentes a los efectos biológicos de la irradiación del plasma23. El plasma puede irradiar semillas con especies reactivas de oxígeno y nitrógeno (RONS), fotones, iones y someterlas a campos eléctricos24. Las RONS participan en una variedad de procesos de las semillas, incluida la maduración, el envejecimiento y la germinación, seguidos del crecimiento de las plántulas25,26. Las especies reactivas de oxígeno (ROS) exógenas mejoran la germinación de las semillas de Zea mays y Helianthus annuus al inducir la biosíntesis de GA y el catabolismo de ABA27. La determinación colorimétrica y las simulaciones son útiles para estimar la cantidad de RONS introducida en las semillas. Sin embargo, hasta ahora no se han detectado con éxito las RONS introducidas en semillas mediante irradiación de plasma. Teniendo en cuenta que muchos estudios tratan de la inducción de respuestas biológicas en semillas tras la irradiación de plasma, las discusiones sobre sus mecanismos subyacentes deberían basarse en las partículas reales introducidas en las semillas. Este estudio proporciona evidencia experimental de que los iones nitrato NO3- se introducen en las semillas como RONS tras la irradiación con plasma.

Intentamos detectar el RONS típico, NO3-, introducido en las semillas tras la irradiación con plasma no térmico de aire a presión atmosférica. La respuesta de las semillas a la administración exógena de NO3 es un tema de investigación importante en la fisiología molecular de las plantas. El NO3− en las semillas de las plantas es responsable de inducir respuestas como la interrupción de la latencia, la regulación de la expresión génica, la transducción de señales y el metabolismo de ABA resultantes de la unión de NLP8 al promotor CYP707A228,29,30,31,32. Aunque existen muchos estudios sobre los cambios en el genotipo y el fenotipo debidos a la administración de NO3-, el mecanismo molecular detrás de la respuesta de la planta al NO3- sigue sin estar claro30. En consecuencia, este estudio tuvo como objetivo demostrar experimentalmente que el NO3− se introduce en las semillas mediante irradiación de plasma; También se sugiere un mecanismo probable para esta introducción. También propuso un nuevo método para administrar NO3− a semillas en un proceso seco utilizando plasma.

Teniendo en cuenta que la introducción de NO3− en las semillas mediante irradiación con plasma podría aumentar el nivel de producción de alimentos, se utilizó como material biológico la lechuga (Lactuca sativa L.), que es la planta industrial más comúnmente cultivada33, en previsión de la rápida implementación social. de la tecnología del plasma. La Figura 1 muestra las características de germinación de semillas irradiadas con plasma durante 1, 3 y 5 min y semillas no irradiadas. Este resultado se obtuvo utilizando tres réplicas biológicas. Las marcas y las barras de error indican valores promedio y desviaciones estándar, respectivamente. Después de 24 h, las semillas comenzaron a germinar con una desviación relativamente grande; el % de germinación siempre fue mayor en las semillas con (w/) irradiación con plasma que en aquellas sin (w/o) irradiación con plasma, lo que sugiere que la irradiación con plasma promueve la germinación de las semillas. Esta variabilidad probablemente se debió a la estrategia de supervivencia de la planta y a la cantidad de RONS introducida por el plasma. Como la semilla con 5 min de irradiación con plasma tuvo un aumento del 69% en su valor p en comparación con el (0,027) de la semilla sin irradiación con plasma después de 48 h en la prueba de dos colas, se decidió un período de irradiación con plasma de 5 min para experimentos adicionales.

Características de germinación de semillas de lechuga sin y con irradiación de plasma (1, 3 y 5) minutos.

Se utilizó espectrometría de masas cuántica de ionización por electropulverización (ESI QMS) para detectar NO3− en las semillas. La Figura 2 muestra los espectros de MS de (a) agua ultrapura (en blanco), (b) la muestra sin plasma y (c) la muestra con irradiación de plasma de 5 minutos. Los picos S1, S2, S3, S4, S5 y S6 se muestran en las figuras 2a a c. Estos picos se observan incluso en agua ultrapura (Fig. 2a) y, por lo tanto, se supone que se originaron en el sistema LC-QMS. Las intensidades de los picos S1 a S6 en las figuras 1b yc son mayores que las de la figura 2a. Esto podría deberse al efecto matriz de los contaminantes de las semillas. Por el contrario, los picos M1 y M2 se encuentran solo para el extracto de semilla en las figuras 1b y c, lo que indica que estos dos picos se originan en el material de la semilla. Las intensidades de los picos M1 y M2 en la Fig. 2b son casi las mismas que las de la Fig. 2c, lo que indica que las concentraciones de la muestra sin y con plasma son las mismas y que la irradiación del plasma no cambia la composición sustancial. en el rango de masas de 50 a 80 m/z. Sin embargo, en la Fig. 2c se observa claramente un pico X a 62 m / z (indicado con una flecha).

Espectros de MS típicos de (a) blanco y extracto de 20 semillas (b) sin irradiación con plasma y (c) con irradiación con plasma de 5 min, obtenidos mediante QMS.

Se realizaron más experimentos para evaluar la reproducibilidad con cinco réplicas biológicas. Los espectros de MS en la región de masa de 60–64 m / z de 20 semillas sin irradiación de plasma se muestran en la Fig. 3a, y aquellos con irradiación de plasma se muestran en la Fig. 3b. Realizamos tres mediciones por réplica y obtuvimos los valores integrados. Las marcas y las barras de error indican valores promedio y desviaciones estándar, respectivamente. La intensidad relativa a 62 m/z sin irradiación con plasma fue de 131,96 ± 0,31, que fue casi la misma que la línea de base (131), pero fue de 141,53 ± 1,83 para las semillas con irradiación con plasma. El área del pico fue significativamente mayor en el extracto con plasma (p = 0,00012 según lo determinado mediante una prueba t de dos colas) que en el extracto sin irradiación de plasma. Estos resultados indican fuertemente que se introdujeron en las semillas 62 moléculas m/z generadas por irradiación de plasma. Teniendo en cuenta que los espectros de emisión óptica del plasma de descarga de barrera dieléctrica escalable (SDBD) muestran NO (200–250 nm) 34, un candidato importante para el pico X es el ion nitrato (NO3-) entre las especies de larga vida en los plasmas de aire. El NO3− se puede generar a partir de las reacciones de ionización por impacto de electrones de N2, O2 y H2O en la fase gaseosa, como se muestra en las reacciones (R1)–(R7)35.

Espectro MS de 60–64 m/z de extracto de 20 semillas (a) sin irradiación con plasma y (b) con irradiación con plasma de 5 min, obtenido mediante modo QMS. Se integraron tres tiros. Las marcas y las barras de error muestran valores medios y desviaciones estándar por triplicado, respectivamente.

Se utilizaron un detector de longitud de onda múltiple (MWD) de cromatografía líquida (LC) y LC-ESI QMS para identificar el pico de 62 m/z. La cromatografía es eficaz para medir la cantidad de NO3- en el extracto de semillas a partir de impurezas como enzimas, proteínas y metales orgánicos que contiene. El ion nitrato absorbe una longitud de onda de ~ 224 nm y su punto isosbéstico es 215 nm36. Se utilizó una longitud de onda de 210 nm para MWD para evitar la interferencia de los enlaces peptídicos de las proteínas, que se absorben a 228 nm, en el extracto de semillas37. Se ha informado que el NO3- es un ion importante que se encuentra en el agua irradiada con plasma1,38; por lo tanto, también se irradió agua ultrapura con plasma y se utilizó para el análisis. La Figura 4 muestra el cromatograma MWD a 210 nm para (a) blanco (agua ultrapura), (b) solución estándar de NO3− a 1 µM, (c) agua ultrapura sin irradiación de plasma, (d) agua ultrapura agua con irradiación de plasma, (e) extracto de semilla sin irradiación de plasma, y ​​(f) extracto de semilla con irradiación de plasma. La alteración observada en 2 minutos se debe al choque de inyección y, por tanto, se desprecia. La Figura 4a no muestra picos después de 2 minutos en el blanco (agua ultrapura utilizada para preparar la extracción de semillas). Se utilizó agua ultrapura para diluir el reactivo estándar NO3-. Aparece un pico correspondiente a NO3− a los 5,84 min en la MWD, como se muestra en la Fig. 4b. Aunque no hay un pico de NO3- en la Fig. 4c, podemos encontrar un pico con alta intensidad en las Fig. 4d yf, lo que muestra que el NO3- se introduce en agua ultrapura y semillas mediante irradiación con plasma. También se observó un pequeño pico de NO3− en semillas sin irradiación con plasma. El extracto de semilla tuvo varios picos entre 3 y 5 minutos, como se muestra en las figuras 4e y f, y las áreas de estos picos son casi las mismas, mientras que las áreas de los picos de NO3 son significativamente diferentes entre sí, es decir, 81,05 y 1486,04. para sin y con plasma, respectivamente. Según la ley de Lambert-Beer, la cantidad de NO3- parece ser considerablemente elevada en los extractos de semillas sometidos a irradiación con plasma. Sin embargo, no se puede negar que la irradiación con plasma pudo haber producido un ion en la semilla, que pudo haber absorbido UV a aproximadamente 210 nm con el mismo tiempo de retención que el NO3-. Por lo tanto, realizamos un experimento LC-ESI QMS, correspondiente a los resultados de las Figs. 2, 3 y 4.

Cromatogramas MWD de 210 nm de (a) blanco, (b) solución estándar de NO3− a 1 µM de concentración, agua ultrapura (c) sin irradiación de plasma y (d) con irradiación de plasma durante 300 s, y extracto de semilla (e) sin irradiación de plasma y (f) con irradiación de plasma durante 5 min.

La distribución de isótopos de una molécula a analizar es exclusiva de su estructura y muy eficaz para identificar aquellos que indican la masa detectada. Como hay isótopos estables presentes en cada uno de los átomos de nitrógeno y oxígeno, la proporción de NO3− se calculó utilizando la calculadora de distribución de isótopos (Agilent MassHunter Workstation Data Analysis Core; Versión 10.0); Usando esto podemos estimar la masa que se detecta predominantemente para NO3-. Los valores calculados fueron 61,99 m/z, 62,99 m/z, 63,99 m/z y 64,99 m/z de masa correspondientes al 98,91%, 0,47%, 0,61% y 0,00% de abundancia, respectivamente, lo que indica que aproximadamente el 99% de NO3− existente en la naturaleza da una masa de 62 m/z. En consecuencia, para identificar 62 m/z de NO3-, se obtuvo un cromatograma de 62 m/z para el reactivo estándar de NO3- y extracto de semillas irradiadas con plasma. La resolución de masa del QMS estaba dentro de 1 m/z. La coincidencia de estos tiempos de retención indicó claramente que se trataba de las mismas sustancias. Aunque la intensidad de la señal se satura en altas concentraciones para el cromatograma de iones extraídos (EIC), puede detectar sustancias en cantidades más pequeñas en comparación con el MWD. La Figura 5 muestra el ESI de 62 m/z para (a) blanco, (b) solución estándar de NO3− a 1 µM, (c) agua ultrapura sin irradiación de plasma, (d) agua ultrapura con irradiación de plasma, (e) semilla extracto sin irradiación con plasma, y ​​(f) extracto de semilla con irradiación con plasma. La Figura 5 se obtuvo de la misma muestra que se muestra en la Fig. 4 para eliminar la contaminación y la variación de concentración dentro de los procesos de dilución. No hay pico en el blanco, como se muestra en las Figs. 5a y 4a. El reactivo estándar mostró un pico con un tiempo de retención de 5,8 a 6,3 minutos, como se muestra en la figura 5b. Las Figuras 5c yd muestran agua ultrapura con y sin plasma, respectivamente. Durante la irradiación con plasma, se colocó agua ultrapura en una placa de Petri de cuarzo. No aparece un pico en el agua ultrapura simplemente colocada en la placa de Petri de cuarzo (sin irradiación), como se muestra en la Fig. 5c, mientras que aparece un pico grande con un tiempo de retención de 5,8 a 7,0 minutos cuando la misma muestra se irradia con plasma. , como se muestra en la Fig. 5d. Este tiempo de retención estaba en el mismo rango que el del reactivo estándar. Así, el ion 62 m/z obtenido de la irradiación de plasma se identificó como NO3-. Para el extracto de semilla, se encontraron picos en la misma región de tiempo de retención que se muestra en las figuras 5e yf, lo que sugiere que el NO3- ya estaba presente en la semilla antes de la irradiación con plasma; su cantidad aumentó tras la irradiación con plasma. Las desviaciones estándar (±) en las áreas medias del pico para el extracto de semilla fueron 4,6 × 103 ± 660,5 y 3,9 × 104 ± 4154,9 con y sin irradiación de plasma, respectivamente. La prueba estadística t mostró que p = 0,0006. Aunque está claro que el NO3- se introdujo en las semillas mediante irradiación con plasma, también es interesante que el NO3- ya estaba presente en las semillas en niveles detectables antes de la irradiación con plasma. Este método puede ser útil para medir la cantidad de NO3- originalmente presente en semillas no tratadas.

EIC de 62 m/z de (a) blanco, (b) solución estándar de NO3− a 1 µM de concentración, agua ultrapura (c) sin irradiación de plasma y (d) con irradiación de plasma durante 5 min, y extracto de semilla (e) sin irradiación con plasma y (f) con irradiación con plasma durante 5 min.

La viabilidad de la introducción de NO3 en semillas mediante irradiación de plasma SDBD con aire a presión atmosférica se evaluó mediante simulación 1D utilizando COMSOL con 624 ecuaciones de reacción de generación y descomposición, resumidas por Sakiyama et al.39, en las que la temperatura del electrón Te = 1 eV, la densidad del electrón Ne = 1013/m3, temperatura del gas Tg = 300 K y ancho del plasma Lp = 0,1 mm durante un tiempo de 1000 s. Los resultados de la simulación presentan la densidad de NO3− y la de las especies reactivas involucradas en su generación en un punto a 5 mm de distancia de la región del plasma correspondiente a la posición de la semilla. La Tabla 1 muestra los resultados de la simulación de la densidad en un punto determinado, por ejemplo, semillas colocadas debajo del electrodo SDBD después de 1000 s, para NO3− y las especies reactivas que participan en su generación a través de las siguientes reacciones39,40,41,42:

La unidad de la constante de velocidad correspondiente a las reacciones antes mencionadas es (m3/s). En la Tabla 1 se muestra que el NO3− es transportado directamente a las semillas junto con el transporte simultáneo de las especies reactivas que participan en su generación, como NO, NO2, NO2−, NO3, HNO3, HNO2 y N2O5. El plasma DBD va acompañado de una descarga de serpentinas. El campo eléctrico reducido E/N en el plasma DBD inicial es de aproximadamente 100 Td y el del canal streamer típico es < 30 Td43. En este estado, la temperatura de los electrones Te < 2,7 eV, y dichos electrones se consumen principalmente para la excitación por vibración del N2 y O2 en el aire a presión atmosférica. Los estados vibratorios del N2 y O2 contribuyen a la formación de NO a través de las siguientes reacciones, comúnmente conocidas como mecanismo de Zeldovich44. La energía de activación Ea y la entalpía de reacción ΔH son casi 3 eV/mol para R20, y 0,3 eV/mol y −1 eV/mol para R21, respectivamente.

Por lo tanto, el NO muestra la densidad más alta (6,6 × 1018/m3) en la Tabla 1. El NO de alta densidad puede reaccionar con el H2O de las semillas. Según Lukes et al., el NO conduce a NO3− mediante la siguiente reacción45.

Las semillas de lechuga utilizadas en este estudio tuvieron un peso promedio ± desviación estándar de aproximadamente 0,8 ± 0,04 mg/semilla (n = 8). Se midió el contenido de agua en más de 1250 semillas y se encontró que era 4,705 ± 0,503% en peso (n = 4). Usando estos valores medios, el número de moléculas de agua en la semilla, \({n}_{\mathrm{H}2\mathrm{O}}\), se derivó mediante la ecuación. (1):

donde \(w\) es el peso del H2O en la semilla (37,64 µg/semilla), \({N}_{\mathrm{A}}\) es la constante de Avogadro (6,022 × 1023/mol), y \ (M\) es la masa molar de H2O (18 g/mol). El área de semillas fue de 0,393 ± 0,00374 × 10–6 m2 (n = 290), y se dedujo que el volumen de semillas fue de 0,393 × 10–9 m3/semilla, suponiendo un espesor de 1 mm. El volumen de NO \(({n}_{\mathrm{NO}})\) y H2O (\({n}_{\mathrm{H}2\mathrm{O}})\) en la semilla fueron 2.594 × 109 y 1.259 × 1018, respectivamente. Cuando el NO reaccionó con el H2O en la semilla, se consumieron dos moléculas de NO y una molécula de H2O para producir NO2- y NO3-, como se muestra en R22. Por lo tanto, incluso si el NO reaccionara completamente con H2O, quedaría suficiente H2O en las semillas. Considerando la alta densidad de NO en un ambiente estable rico en (O2 y H2O), se concluye que la vía de introducción de NO3− en las semillas mediante irradiación de plasma implicó principalmente la reacción (R22). Por otro lado, según Sakiyama et al.39, el NO2− reacciona con el NO y produce NO− y NO2 mediante la siguiente reacción46.

El NO− reacciona con M, O2 y NO y produce NO, O2− y e mediante las siguientes reacciones47.

NO está involucrado en R22. El O2− reacciona con N2 y O2 y produce e mediante las siguientes reacciones41.

El electrón e reacciona con NO y O2 y produce NO− y O2− mediante las siguientes reacciones39,41.

NO− y O2− participan en reacciones de R24-26 y R27, 28, respectivamente.

Las Figuras 2 y 4 sugieren que la irradiación con plasma no afectó la composición cualitativa de las semillas. Por lo tanto, se investigaron los efectos físicos de la irradiación de plasma en las condiciones de la superficie de la cubierta de la semilla utilizando imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM). La Figura 6 muestra una imagen SEM típica obtenida (a) antes y (b) después de la irradiación con plasma. La superficie observada fue el lado en el que se irradió el plasma. Las semillas se irradiaron con plasma durante 10 minutos, que fue el doble del período de acondicionamiento de las semillas para espectroscopia de masas. Las semillas de lechuga están compuestas por una capa externa, llamada pericarpio como cubierta de la semilla y tegumento, endospermo y embrión como orgánulo interno48. Se observó un pericarpio típico en las semillas utilizadas en este estudio, como se muestra en la Fig. 6a. El pericarpio permaneció intacto después de la irradiación con plasma como se muestra en la Fig. 6b. Está compuesto por una matriz extracelular compleja y dinámica que consta de una red de polímeros de carbohidratos (celulosa, hemicelulosa y pectina) y proteínas estructurales48. Las especies químicas producidas por el plasma, como el O3, pueden escindir o dimerizar el doble enlace carbono-carbono (C=C) del alqueno49, incluidos los ácidos grasos insaturados de las semillas de lechuga, seguido de una pérdida de C=C. Se utilizó espectroscopía Raman para evaluar dicho daño químico en la semilla mediante irradiación de plasma. En la Fig. S1 se muestra un espectro Raman típico a 980-1970 cm-1 de semillas de lechuga sin plasma. Podemos encontrar un pico en 1609 cm-1, correspondiente al pico C = C asignado a la lignina y los flavonoides (Fig. S1).

Imagen SEM de la misma semilla (a) antes de la irradiación con plasma y (b) después de la irradiación con plasma durante 10 min.

La espectroscopia Raman reveló que el pico del doble enlace carbono-carbono (C = C) asignado a la lignina y al flavonoide no cambió después de la irradiación con plasma durante 5 y 10 minutos (Fig. S2). Las especies químicas producidas por el plasma, como el O3, pueden escindir o dimerizar el C=C del alqueno49, incluidos los ácidos grasos insaturados de las semillas de lechuga, seguido de una pérdida de C=C, pero tal efecto es indetectable. Estos resultados sugieren que la irradiación con plasma puede introducir NO3- sin daño químico o físico a las semillas.

En este estudio, desarrollamos un método para detectar NO3- introducido en semillas de lechuga secas mediante irradiación con plasma utilizando LC-ESI QMS. Hasta la fecha, sólo se ha evaluado la cantidad de RONS en fase gaseosa y solución; Esta es la primera vez que se detecta RONS introducida en plasma en las semillas tratadas. Como el mecanismo molecular de la respuesta celular de la semilla al NO3- introducido exógenamente aún está bajo investigación, el NO3- sigue siendo una de las moléculas más importantes en términos de fisiología de la semilla30. Hasta ahora, el único método de administración exógena de NO3− en semillas ha sido sumergirlas en una solución de KNO3. Sin embargo, el plasma nos permite introducir NO3− sin necesidad de agua ni contraiones. La evaluación cuantitativa de la cantidad de NO3− introducida en las semillas por irradiación con plasma es decisiva en la contribución de la ciencia del plasma a la biología molecular de las plantas y la discusión cuantitativa del mecanismo de inducción de la germinación por irradiación con plasma.

Se compró semilla de lechuga (Lactuca sativa L.) en Asahi Farm, Japón. El uso experimental de materiales vegetales se realizó con el permiso de Asahi Farm. Las semillas se irradiaron con plasma utilizando un electrodo de descarga dieléctrica escalable (SDBD)21. Las características del plasma utilizado en este estudio han sido discutidas en un artículo anterior9. La irradiación de plasma se realizó a 24 °C usando 55% Rh. Para la detección de NO3-, se irradiaron 80 semillas de lechuga simultáneamente bajo una única exposición al plasma. Se determinó que el tiempo de irradiación fue de 5 minutos en función de las características de germinación de las semillas tras 0, 1, 3 y 5 minutos de irradiación con plasma. La prueba de germinación se realizó con 30 semillas sembradas sobre un filtro de papel en una caja de petri, con 3 mL de agua del grifo en una cámara climática a 22 °C bajo un ciclo de luz y oscuridad de 12 h cada día. El número de semillas germinadas se contó cada 12 h después de su imbibición durante 48 h. El % de germinación se calculó dividiendo el número de semillas germinadas por el número total de semillas en la caja de Petri. Todos los métodos se realizaron de acuerdo con las directrices y regulaciones pertinentes.

Se usaron veinte semillas para obtener una muestra de extracto de semilla mediante el siguiente procedimiento: las semillas se pulverizaron con perlas en un tubo de 2,0 ml (Eppendorf) usando un molinillo automático a 2800 rpm durante 3 minutos. La extracción de semillas se realizó agitando la muestra pulverizada con 50 µL de agua ultrapura por mg de muestra a temperatura ambiente durante 120 min en condiciones de oscuridad. El extracto de semilla se filtró usando un filtro de membrana para eliminar las partículas.

Utilizamos ESI QMS (G6470A, Agilent) para detectar NO3− en las semillas, con una fase móvil de acetato de amonio 3,75 mM en 70% H2O/30% acetonitrilo. El perfil de la fase móvil fue de 0,2 ml/min para ESI QMS y de 0,4 ml/min para LC-ESI QMS. El volumen de inyección fue de 5 µl. La ionización se realizó en modo negativo de ESI con un voltaje capilar de 4000 V, temperatura del gas turbo de 300 °C; y tensión fragmentadora de 50 V. Para la identificación y el análisis cuantitativo se utilizaron Agilent Infinity II, incluido LC (G7116A, Agilent) – MWD (G7165A, Agilent). Se utilizó Acclaim Trinity (P1, Thermo Fisher) como columna para LC. Se utilizó agua ultrapura grado LC para la dilución de la muestra. El reactivo estándar NO3- se adquirió de FUJIFILM Wako.

El modelo numérico 1D se desarrolló utilizando COMSOL Multiphysics 5.4, un software de simulación multipropósito. Los electrones existen en la región del plasma con una densidad numérica constante de 1015 m-3, como se describe en nuestro trabajo anterior35. Consideramos la distribución de partículas solo en la dirección x (5 mm), normal a la superficie de las semillas. Supusimos Te = 1 eV y Tg = 300 K. Para la simulación, H2O, O2 y N2 estaban en fracciones de 0,01, 0,21 y 0,78, respectivamente. Como se mencionó en un artículo anterior, para esta especie se utilizó un valor de coeficiente de 10-5 m2/s39. La simulación se realizó durante 1000 s para determinar la difusión de las especies reactivas. Todas las vías de reacción y constantes de velocidad se tomaron del trabajo de Sakiyama et al.39.

Las imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) se obtuvieron utilizando Hitachi S-3400 N, que tiene una corriente de emisión de 93 μA y un voltaje de aceleración de 15 kV.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

Attri, P., Ishikawa, K., Okumura, T., Koga, K. y Shiratani, M. Agricultura por plasma desde el laboratorio hasta la granja: una revisión. Procesos 8, 1002 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Attri, P., Koga, K., Okumura, T. y Shiratani, M. Impacto de las semillas tratadas con plasma a presión atmosférica en la germinación, morfología, expresión genética y respuestas bioquímicas. Japón. J. Aplica. Física. 60, 1–7 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Attri, P. y col. Resultados de campos eléctricos pulsados ​​y tratamientos con plasma no térmico sobre la germinación de semillas y las funciones de las proteínas. Agronomía 12, 1–22 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Dobrin, D., Magureanu, M., Mandache, NB y Ionita, MD El efecto del tratamiento con plasma no térmico sobre la germinación y el crecimiento temprano del trigo. Innovación. Ciencia de los alimentos. Emergente. Tecnología. 29, 255–260 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Meng, Y. et al. Mejora de la germinación y el crecimiento de las plántulas de trigo utilizando plasma de descarga de barrera dieléctrica con diversas fuentes de gas. Química del plasma. Proceso de plasma. 37, 1105-1119 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Junior, CA, De Oliveira Vitoriano, J., Da Silva, DLS, De Lima Farias, M. & De Lima Dantas, NB Mecanismo de absorción de agua y germinación de semillas de Erythrina velutina tratadas con plasma atmosférico. Ciencia. Representante 6, 1–7 (2016).

CAS Google Académico

Da Silva, DLS, Farias, MDL, Vitoriano, JDO, Alves Jr., C. & Torres, SB Uso de plasma atmosférico en la germinación de semillas de Hybanthus calceolaria (L.) Schulze-Menz. Rev. P. Gato 31, 632–639 (2018).

Artículo de Google Scholar

Kitazaki, S., Sarinont, T., Koga, K., Hayashi, N. y Shiratani, M. Mejora del crecimiento a largo plazo inducida por plasma de Raphanus sativus L. utilizando plasmas combinatorios de descarga de barrera dieléctrica de aire atmosférico. actual. Aplica. Física. 14, S149-S153 (2014).

ADS del artículo Google Scholar

Koga, K. y col. Método simple para mejorar la cosecha mediante irradiación con plasma de aire no térmico de semillas de Arabidopsis thaliana (L.). Aplica. Física. Expreso 9, 5–8 (2016).

Artículo CAS Google Scholar

Koga, K. y col. Impacto del color de la capa de las semillas de los brotes de rábano en las señales de resonancia paramagnética de electrones después del tratamiento con plasma. Japón. J. Aplica. Física. 59, 01 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Yawirach, S., Sarapirom, S. y Janpong, K. Los efectos del tratamiento con plasma de aire atmosférico de descarga de barrera dieléctrica para la germinación y mejora del crecimiento de las semillas de girasol. J. Física. Conf. Ser. 1380, 012148 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Li, Y. et al. La barrera dieléctrica atmosférica del aire descarga el plasma inducido por la germinación y mejora del crecimiento de la semilla de trigo. Química del plasma. Proceso de plasma. 37, 1621-1634 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Li, L. y col. Efectos del tratamiento con plasma frío sobre la germinación de semillas y el crecimiento de plántulas de soja. Ciencia. Representante 4, 1–7 (2014).

Google Académico

Volkov, AG, Hairston, JS, Patel, D., Gott, RP y Xu, KG Poración y corrugación con plasma frío de cubiertas de semillas de calabaza. Bioelectroquímica 128, 175–185 (2019).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Molina, R. et al. Influencia de las condiciones de riego en la germinación de semillas de Nasturtium tratadas con plasma. Ciencia. Representante 8, 1-11 (2018).

Artículo de Google Scholar

Pawlat, J. y col. Efectos del plasma a presión atmosférica generado en el reactor GlidArc sobre la germinación de semillas de Lavatera thuringiaca L. Proceso de plasma. Polimero. 15, 1700056 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Štěpánová, V. et al. Tratamiento con plasma a presión atmosférica de semillas agrícolas de pepino (Cucumis sativus L.) y pimiento (Capsicum annuum L.) con efecto en la reducción de enfermedades y mejora de la germinación. Proceso de plasma. Polimero. 15, 1–9 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Tong, J. y col. Efectos del pretratamiento con plasma de aire a presión atmosférica sobre la germinación de semillas y el crecimiento temprano de andrographis paniculata. Ciencia del plasma. Tecnología. 16, 260–266 (2014).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Fadhlalmawla, SA, Mohamed, AAH, Almarashi, JQM & Boutraa, T. El impacto del chorro de plasma a presión atmosférica fría en la germinación de semillas y el crecimiento de plántulas de fenogreco (Trigonella foenum-graecum). Ciencia del plasma. Tecnología. 21, 105503 (2019).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Mildažienė, V. et al. El tratamiento de semillas de girasol común (Helianthus annus L.) con campo electromagnético de radiofrecuencia y plasma frío induce cambios en el equilibrio de fitohormonas de las semillas, el desarrollo de las plántulas y la expresión de proteínas de las hojas. Ciencia. Rep. 9, 1-12 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Attri, P. y col. Impacto del color de la semilla y el tiempo de almacenamiento en la germinación de la semilla de rábano y el crecimiento de los brotes en la agricultura con plasma. Ciencia. Representante 11, 1-10 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Hashizume, H. y col. Mejora del rendimiento y la calidad del grano mediante el tratamiento periódico con plasma frío de plantas de arroz en un arrozal. Proceso de plasma. Polimero. 18, 1-11 (2021).

Artículo de Google Scholar

Suriyasak, C. y col. Las alteraciones de la metilación del ADN causadas por el tratamiento con plasma frío restauran el retraso en la germinación de semillas de arroz (Oryza sativa L.) sometidas a estrés térmico. ACS Agrícola. Ciencia. Tecnología. 1, 5-10 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Tochikubo, F. & Teich, TH Emisión óptica de una descarga de corona pulsada y sus reacciones asociadas. Japón. J. Aplica. Física. Parte 1 39, 1343-1350 (2000).

Artículo CAS Google Scholar

Bailly, C., El-Maarouf-Bouteau, H. & Corbineau, F. De las redes de señalización intracelular a la muerte celular: el doble papel de las especies reactivas de oxígeno en la fisiología de las semillas. CR Biol. 331, 806–814 (2008).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Barba-Espín, G. et al. Comprender el papel del H 2O 2 durante la germinación de las semillas de guisantes: un enfoque combinado de perfiles proteómicos y hormonales. Entorno de células vegetales. 34, 1907-1919 (2011).

Artículo PubMed CAS Google Scholar

Li, Z. y col. El efecto cebador sinérgico del ácido salicílico exógeno y el H2O2 sobre la mejora de la tolerancia al frío durante la germinación de semillas de maíz (Zea mays L.). Frente. Ciencia vegetal. 8, 1-14 (2017).

Anuncios Google Scholar

Wang, R., Xing, X. & Crawford, N. El nitrito actúa como señal del transcriptoma en concentraciones micromolares en raíces de arabidopsis. Fisiol vegetal. 145, 1735-1745 (2007).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Matakiadis, T. y col. El gen catabólico del ácido abscísico de Arabidopsis, CYP707A2, desempeña un papel clave en el control de la latencia de las semillas por nitratos. Fisiol vegetal. 149, 949–960 (2009).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Yan, D. y col. La proteína 8 similar a NIN es un regulador maestro de la germinación de semillas promovida por nitratos en Arabidopsis. Nat. Comunitario. 7, 1-11 (2016).

ADS del artículo Google Scholar

Liu, KH y cols. Descubrimiento de la señalización de nitrato-CPK-NLP en redes centrales de crecimiento de nutrientes. Naturaleza 545, 311–316 (2017).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Duermeyer, L. et al. Regulación de la latencia y germinación de semillas por nitrato. Ciencia de semillas. Res. 28, 150-157 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Takeshima, H. & Joshi, PK Agricultura protegida, agricultura de precisión y agricultura vertical. En t. Res. sobre política alimentaria. Inst. 49, 1-10 (2019).

Google Académico

Attri, P. y col. Impacto de los tratamientos con rayos Gamma y plasma DBD en el tratamiento de aguas residuales. Ciencia. Representante 8, 1-11 (2018).

ADS del artículo Google Scholar

Attri, P., Koga, K., Okumura, T., Takeuchi, N. y Shiratani, M. Ruta verde para la síntesis de nitrato de amonio: fertilizante para mejorar el crecimiento de las plantas. RSC Avanzado. 11, 28521–28529 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Bolzan, RM, Rafael, C., Giuseppe, L., Squadrito Rao, M. & Uppu William, AP Determinación espectrofotométrica de segundo derivado ultravioleta directa y simultánea de nitrito y nitrato en preparaciones de peroxinitrito. Métodos Enzimol. 301, 178–187 (1999).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Koide, T., Ikenaka, T., Ikeda, K. y Hamaguchi, K. Estudios sobre inhibidores de tripsina de soja, J. Biochem, 75, 805–823 (1974).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Judée, F., Simon, S., Bailly, C. y Dufour, T. Activación por plasma de agua del grifo utilizando DBD para aplicaciones agronómicas: identificación y cuantificación de especies químicas de larga duración y mecanismos de producción/consumo. Agua Res. 133, 47–59 (2018).

Artículo PubMed Google Scholar

Sakiyama, Y., Graves, DB, Chang, HW, Shimizu, T. & Morfill, GE Modelo de química del plasma de microdescarga superficial en aire húmedo y dinámica de especies neutras reactivas. J. Física. D. Aplica. Física. 45, 425201 (2012).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Dorai, R. & Kushner, MJ Un modelo para la modificación con plasma de polipropileno utilizando descargas de presión atmosférica. J. Física. D. Aplica. Física. 36, 666–685 (2003).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Capitelli, M. & Ferreira, CM Cinética del plasma en gases atmosféricos (Springer, 2001).

Google Académico

Fernandes, HM Monte Carlo simulaciones de gases reticulares de núcleo duro bidimensionales. Adv. Química. Física. 42, 1–610 (2007).

Google Académico

Komuro, A., Suzuki, K., Yoshida, K. y Ando, ​​A. Características de las variaciones espaciotemporales de serpentinas primarias y secundarias bajo voltaje pulsado en aire a presión atmosférica. Japón. J. Aplica. Física. 59, 03 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Patil, BS, Wang, Q., Hessel, V. y Lang, J. Fijación de plasma N2: 1900–2014. Catalán. Hoy 256, 49–66 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Lukes, P., Clupek, M., Babicky, V., Janda, V. y Sunka, P. Generación de ozono mediante descarga de corona pulsada sobre la superficie del agua en un reactor híbrido de descarga eléctrica gas-líquido. J. Física. D. Aplica. Física. 38, 409–416 (2005).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Anicich, VG Evaluó la cinética bimolecular en fase gaseosa de iones-moléculas de iones positivos para su uso en el modelado de atmósferas planetarias, comas cometarias y nubes interestelares. J. Física. Química. Árbitro. Datos 22, 1469-1569 (1993).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Mcfarland, M., Dunkin, DB, Fehsenfeld, FC, Schmeltekopf, AL y Ferguson, EE Estudios de desprendimiento de colisión de NO-. J. química. Física. 56, 2358–2364 (1972).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Nijsse, J., Erbe, E., Brantjes, NBM, Schel, JHN y Wergin, WP Observaciones con microscopía electrónica de barrido a baja temperatura sobre el endospermo en semillas de lechuga embebidas y germinadas. J. química. Física. 516, 509–516 (1998).

Google Académico

Criegee, R. Mecanismo de ozonólisis. Angélica. Química. En t. Ed. 14, 745–752 (1975).

Artículo de Google Scholar

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Los autores agradecen al Prof. Takeshi Onodera de la Facultad de Ciencias de la Información e Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Kyushu por proporcionar SEM. También agradecemos al Prof. Nozomi Takeuchi por su asistencia técnica y aliento. Este trabajo fue apoyado por el Programa QR (Programa de investigación Qdai-jump) 01255 y la Sociedad Japonesa de Promoción de la Ciencia (JSPS) -KAKENHI Número de subvención JP20H01893, JP19K14700 y JP22K03586. Además, contó con el apoyo parcial del Programa de transferencia de tecnología adaptable y fluida a través de I+D impulsada por objetivos (A-STEP) de la Agencia Japonesa de Ciencia y Tecnología (JST), número de subvención JPMJTR20RU, programa JSPS Core-to-Core JPJSCCA2019002, número de subvención JSPS KAKENHI JP16H03895. , JP19H05462, JP21H04451, JP20K14454, Plasma Bio Consortium y Centro de Ciencias del Plasma a Baja Temperatura, Universidad de Nagoya.

Facultad de Ciencias de la Información e Ingeniería Eléctrica, Universidad de Kyushu, Fukuoka, 819-0395, Japón

Takamasa Okumura, Kunihiro Kamataki, Naoto Yamashita, Naho Itagaki, Masaharu Shiratani y Kazunori Koga

Centro de Ingeniería de Nano-Interfaces de Plasma, Universidad de Kyushu, Fukuoka, 819-0395, Japón

Pankaj Attri y Yuichi Tsukada

Facultad de Agricultura, Universidad de Kyushu, Fukuoka, 819-0395, Japón

Yushi Ishibashi

Facultad de Ciencia y Tecnología, Departamento de Ciencias Biológicas Aplicadas, Universidad de Ciencias de Tokio, Chiba, 278-8510, Japón

Kazuyuki Kuchitsu

Centro de Iniciativas Científicas Novedosas, Institutos Nacionales de Ciencias Naturales, Tokio, 105-0001, Japón

Kazunori Koga

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TO y K.Koga diseñaron el estudio, prepararon y caracterizaron las muestras y escribieron el manuscrito. TO realizó los experimentos. TO, K.Koga, AP y K.Kamataki discutieron las simulaciones de reacciones químicas. TO, K.Koga, YT, YI y K.Kuchitsu discutieron la importancia biológica de la introducción de iones nitrato. TO, K.Koga, NI, NY y MS discutieron las reacciones químicas en fase gaseosa. TO, K.Koga, AP y MS discutieron la organización del manuscrito.

Correspondencia a Takamasa Okumura.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Okumura, T., Attri, P., Kamataki, K. et al. Detección de NO3- introducido en semillas de lechuga secas irradiadas con plasma mediante espectrometría de masas cuántica de ionización por cromatografía líquida-electropulverización (LC-ESI QMS). Informe científico 12, 12525 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16641-1

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Recibido: 26 de marzo de 2022

Aceptado: 13 de julio de 2022

Publicado: 22 de julio de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-16641-1

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