دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی خوزستان مجله پژوهش در متابولیت‌های گیاهی 3041-9638 4 1 2026 05 22 Evaluation of Seed Priming on Quinoa (Chenopodium quinoa Willd.) Germination Behavior and Enzymatic Activities Under Lead Nitrate Stress Conditions ارزیابی پرایمینگ بذر بر رفتار جوانه‌زنی گیاه کینوا (Chenopodium quinoa Willd.) و فعالیت‌های آنزیمی در شرایط تنش نیترات سرب 63 83 248210 10.22034/jrpsm.2026.583542.1115 FA فاطمه جهانبخشی گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی خوزستان، ملاثانی، ایران. علیرضا ابدالی مشهدی گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی خوزستان، ملاثانی، ایران. 0000-0002-0759-8768 سید امیر موسوی گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی خوزستان، ملاثانی، ایران امین لطفی جلال آبادی گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی خوزستان، ملاثانی، ایران 0000-0002-8427-0002 Journal Article 2026 02 02 Background and Objective: In recent decades, the increasing concentration of heavy metals in agricultural soils due to industrial and anthropogenic activities has emerged as a major environmental challenge. Lead (Pb), as one of the most persistent and toxic heavy metals, exerts destructive effects on early growth stages, particularly germination and seedling establishment, by inducing oxidative stress, disrupting water uptake, and impairing metabolic activities. Quinoa, a pseudo-cereal with high nutritional value and resilience to adverse conditions, holds great promise for cultivation in stressed environments; however, it remains sensitive to Pb toxicity during its early growth phases. Seed priming technology represents a modern and cost-effective strategy to address this challenge. Despite various studies, the simultaneous efficiency of different iron sources (especially nanoparticles) and calcium in mitigating Pb toxicity in Quinoa has received limited attention. Therefore, this study aimed to evaluate and compare the effects of priming with nano-iron, iron chloride, and calcium sulfate on germination indices, antioxidant defense system activity, and Pb accumulation in Quinoa seedlings. Materials and Methods: This factorial experiment, based on a completely randomized design with three replications, was conducted in 2024 at the Seed Technology Laboratory of Khuzestan University. Priming treatments included iron chloride (FeCl₃) and nano-iron at 0, 4, 6, 8, and 10 mg/kg, and calcium sulfate (CaSO₄) at 0, 0.5, 1, 1.5, and 2 mM. Seeds were immersed for 6 hours. After priming, seeds were exposed to Pb nitrate stress levels (0, 20, 40, 80, and 100 mg/kg) in a germinator. Germination was monitored daily for one week. Morphological parameters (radicle and plumule length) were measured using Digimizer software. Standard indices, germination percentage (GP), germination rate (GR), mean germination time (MGT), and seedling vigor index (SVI) were calculated. Antioxidant enzyme activities (catalase, CAT; peroxidase, POD) were measured spectrophotometrically. Pb accumulation in tissues was determined via atomic absorption spectrophotometry after acid digestion. Statistical analysis used SAS software, with means compared using LSD test (P<0.05). The slicing method analyzed interaction effects at different stress levels. Findings: Analysis of variance results indicated that all studied indices were significantly affected by both Pb stress and priming treatments. Increased lead nitrate concentrations led to a sharp decline in GP, GR, and SVI, while significantly increasing MGT. Conversely, priming treatments neutralized a major portion of these inhibitory effects. at 1–2 mM was the superior treatment for improving germination indices, maintaining a germination percentage of 93% even under the highest Pb stress level. Regarding morphological traits, iron priming exhibited higher efficiency. Nano-iron at 6 mg/kg had the most significant impact on enhancing plumule and radicle length under mild and moderate stress, while at 10 mg/kg performed better in maintaining seedling vigor under severe stress conditions. Biochemical assessments revealed that as Pb stress intensified, the activities of CAT and POD increased as a defense mechanism. Priming treatments (especially 10 mg/kg and 2 mM ) significantly boosted these enzyme activities compared to the non-primed control, contributing to reduced oxidative damage and enhanced cell membrane stability. Another crucial finding was the impact of priming on heavy metal content; atomic absorption analysis demonstrated that priming with 10 mg/kg reduced Pb accumulation in seedling tissues by approximately 48% at the highest stress level. This phenomenon maybe results from the competitive inhibition between iron and lead ions at uptake sites and improved membrane integrity in primed seeds. Conclusion: This research confirmed that while lead stress imposes severe constraints on the early establishment of quinoa, seed priming with calcium and iron elements serves as an efficient strategy to mitigate this toxicity. Calcium sulfate not only improves primary physical and enzymatic processes through calcium ions but also contributes to lead detoxification via its sulfate moiety; by providing the essential sulfur foundation required to strengthen the antioxidant defense system, it effectively ensures optimal germination speed and percentage. Conversely, iron priming (particularly nano-iron at low doses and iron chloride at high doses) stimulates seedling growth and enhances seed vigor. Notably, exhibited a distinct superiority in promoting enzymatic activities (catalase and peroxidase), demonstrating significant efficiency in boosting the antioxidant defense system and restricting the excessive entry of lead into plant tissues. Consequently, the application of these priming treatments is recommended for improving quinoa establishment in soils contaminated with heavy metals Background and Objective: In recent decades, the increasing concentration of heavy metals in agricultural soils due to industrial and anthropogenic activities has emerged as a major environmental challenge. Lead (Pb), as one of the most persistent and toxic heavy metals, exerts destructive effects on early growth stages, particularly germination and seedling establishment, by inducing oxidative stress, disrupting water uptake, and impairing metabolic activities. Quinoa, a pseudo-cereal with high nutritional value and resilience to adverse conditions, holds great promise for cultivation in stressed environments; however, it remains sensitive to Pb toxicity during its early growth phases. Seed priming technology represents a modern and cost-effective strategy to address this challenge. Despite various studies, the simultaneous efficiency of different iron sources (especially nanoparticles) and calcium in mitigating Pb toxicity in Quinoa has received limited attention. Therefore, this study aimed to evaluate and compare the effects of priming with nano-iron, iron chloride, and calcium sulfate on germination indices, antioxidant defense system activity, and Pb accumulation in Quinoa seedlings. Materials and Methods: This factorial experiment, based on a completely randomized design with three replications, was conducted in 2024 at the Seed Technology Laboratory of Khuzestan University. Priming treatments included iron chloride (FeCl₃) and nano-iron at 0, 4, 6, 8, and 10 mg/kg, and calcium sulfate (CaSO₄) at 0, 0.5, 1, 1.5, and 2 mM. Seeds were immersed for 6 hours. After priming, seeds were exposed to Pb nitrate stress levels (0, 20, 40, 80, and 100 mg/kg) in a germinator. Germination was monitored daily for one week. Morphological parameters (radicle and plumule length) were measured using Digimizer software. Standard indices, germination percentage (GP), germination rate (GR), mean germination time (MGT), and seedling vigor index (SVI) were calculated. Antioxidant enzyme activities (catalase, CAT; peroxidase, POD) were measured spectrophotometrically. Pb accumulation in tissues was determined via atomic absorption spectrophotometry after acid digestion. Statistical analysis used SAS software, with means compared using LSD test (P<0.05). The slicing method analyzed interaction effects at different stress levels. Findings: Analysis of variance results indicated that all studied indices were significantly affected by both Pb stress and priming treatments. Increased lead nitrate concentrations led to a sharp decline in GP, GR, and SVI, while significantly increasing MGT. Conversely, priming treatments neutralized a major portion of these inhibitory effects. at 1–2 mM was the superior treatment for improving germination indices, maintaining a germination percentage of 93% even under the highest Pb stress level. Regarding morphological traits, iron priming exhibited higher efficiency. Nano-iron at 6 mg/kg had the most significant impact on enhancing plumule and radicle length under mild and moderate stress, while at 10 mg/kg performed better in maintaining seedling vigor under severe stress conditions. Biochemical assessments revealed that as Pb stress intensified, the activities of CAT and POD increased as a defense mechanism. Priming treatments (especially 10 mg/kg and 2 mM ) significantly boosted these enzyme activities compared to the non-primed control, contributing to reduced oxidative damage and enhanced cell membrane stability. Another crucial finding was the impact of priming on heavy metal content; atomic absorption analysis demonstrated that priming with 10 mg/kg reduced Pb accumulation in seedling tissues by approximately 48% at the highest stress level. This phenomenon maybe results from the competitive inhibition between iron and lead ions at uptake sites and improved membrane integrity in primed seeds. Conclusion: This research confirmed that while lead stress imposes severe constraints on the early establishment of quinoa, seed priming with calcium and iron elements serves as an efficient strategy to mitigate this toxicity. Calcium sulfate not only improves primary physical and enzymatic processes through calcium ions but also contributes to lead detoxification via its sulfate moiety; by providing the essential sulfur foundation required to strengthen the antioxidant defense system, it effectively ensures optimal germination speed and percentage. Conversely, iron priming (particularly nano-iron at low doses and iron chloride at high doses) stimulates seedling growth and enhances seed vigor. Notably, exhibited a distinct superiority in promoting enzymatic activities (catalase and peroxidase), demonstrating significant efficiency in boosting the antioxidant defense system and restricting the excessive entry of lead into plant tissues. Consequently, the application of these priming treatments is recommended for improving quinoa establishment in soils contaminated with heavy metals سابقه و هدف: در دهه‌های اخیر، افزایش غلظت فلزات سنگین در خاک‌های کشاورزی به دلیل فعالیت‌های صنعتی و انسانی، به یکی از چالش‌های مهم زیست‌محیطی تبدیل شده است. سرب، از پایدارترین و سمی‌ترین فلزات سنگین، با ایجاد تنش اکسیداتیو، اختلال در جذب آب و اختلال در فعالیت‌های متابولیکی، تأثیرات مخربی بر مراحل اولیه رشد، به‌ویژه جوانه‌زنی و استقرار گیاهچه دارد. کینوا، یک شبه‌غله با ارزش غذایی بالا و مقاوم به شرایط نامساعد، پتانسیل خوبی برای کشت در مناطق تحت تنش دارد، اما در مراحل اولیه رشد به سمیت سرب حساس است. فناوری پرایمینگ بذر یک راهکار مدرن و کم‌هزینه برای مقابله با این چالش محسوب می‌شود. با وجود مطالعات متعدد، مقایسه همزمان کارایی منابع مختلف آهن (به‌ویژه نانوذرات) و کلسیم در تعدیل سمیت سرب در کینوا کمتر مورد توجه قرار گرفته است. لذا این پژوهش با هدف ارزیابی و مقایسه اثر پرایمینگ با نانوآهن، کلرید آهن و سولفات کلسیم بر شاخص‌های جوانه‌زنی، فعالیت سیستم دفاع آنتی‌اکسیدانی و تجمع سرب در گیاهچه کینوا انجام شد. مواد و روش‌ها: این آزمایش فاکتوریل، بر پایه طرح کاملاً تصادفی با سه تکرار، در سال 1403 در آزمایشگاه فناوری بذر دانشگاه خوزستان انجام شد. تیمارهای پرایمینگ شامل کلرید آهن و نانوآهن در غلظت‌های 0، 4، 6، 8 و 10 میلی‌گرم بر کیلوگرم و سولفات کلسیم در غلظت‌های 0، 5/0، ۱، 5/1 و 2 میلی‌مولار بود. بذرها به مدت 6 ساعت در محلول غوطه‌ور شدند. پس از پرایمینگ، بذرها در ژرمیناتور در معرض سطوح تنش نیترات سرب (0، 20، 40، 80 و 100 میلی‌گرم بر کیلوگرم) قرار گرفتند. جوانه‌زنی روزانه به مدت یک هفته پایش شد. پارامترهای مورفولوژیکی (طول ریشه‌چه و ساقه‌چه) با استفاده از نرم‌افزار دیجیمایزر اندازه‌گیری شدند. شاخص‌های استاندارد، درصد جوانه‌زنی (GP)، سرعت جوانه‌زنی (GR)، میانگین زمان جوانه‌زنی (MGT) و شاخص بنیه گیاهچه (SVI) محاسبه شدند. فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدانی (کاتالاز، پراکسیداز) به روش اسپکتروفتومتری اندازه‌گیری شدند. تجمع سرب در بافت‌ها پس از هضم اسیدی از طریق اسپکتروفتومتری جذب اتمی تعیین شد. تجزیه و تحلیل آماری با استفاده از نرم‌افزار SAS و مقایسه میانگین‌ها با آزمون LSD در سطح احتمال ۵ درصد انجام شد. روش اسلایس، اثرات متقابل را در سطوح مختلف تنش تجزیه و تحلیل کرد. یافته‌ها: نتایج تجزیه واریانس نشان داد که تمامی شاخص‌های مورد مطالعه تحت تأثیر معنی‌دار تنش سرب و تیمارهای پرایمینگ قرار گرفتند. افزایش غلظت نیترات سرب منجر به کاهش شدید درصد جوانه‌زنی، سرعت جوانه‌زنی و شاخص بنیه بذر شد و متوسط زمان جوانه‌زنی را به طور معنی‌داری افزایش داد. در مقابل، تیمارهای پرایمینگ توانستند بخش عمده‌ای از این اثرات بازدارنده را خنثی کنند. بر اساس یافته‌های مقایسه میانگین، سولفات کلسیم در غلظت‌های ۱ تا ۲ میلی‌مولار برترین تیمار در بهبود شاخص‌های جوانه‌زنی بود؛ به طوری که حتی در بالاترین سطح تنش سرب، درصد جوانه‌زنی را در سطح ۹۳ درصد حفظ کرد. در بخش صفات مورفولوژیک، پرایمینگ با آهن کارایی بالاتری نشان داد. نانوآهن در غلظت ۶ میلی‌گرم بر کیلوگرم بیشترین تأثیر را در بهبود طول ساقه‌چه و ریشه‌چه در شرایط تنش ملایم و متوسط داشت، در حالی که در تنش شدید، کلرید آهن در غلظت ۱۰ میلی‌گرم بر کیلوگرم عملکرد بهتری در حفظ بنیه گیاهچه نشان داد. بررسی‌های بیوشیمیایی نشان داد که با تشدید تنش سرب، فعالیت آنزیم‌های کاتالاز و پراکسیداز به عنوان مکانیسم دفاعی افزایش یافت. تیمارهای پرایمینگ (به‌ویژه کلرید آهن ۱۰ میلی‌گرم بر کیلوگرم و سولفات کلسیم ۲ میلی‌مولار) با تقویت این سیستم آنتی‌اکسیدانی، منجر به افزایش معنی‌دار فعالیت این آنزیم‌ها نسبت به شاهد بدون پرایم شدند که این امر به کاهش آسیب‌های اکسیداتیو و پایداری بیشتر غشاهای سلولی کمک کرد. یافته مهم دیگر، تأثیر پرایمینگ بر محتوای فلز سنگین در گیاهچه بود؛ آنالیز جذب اتمی نشان داد که پرایمینگ با کلرید آهن ۱۰ میلی‌گرم بر کیلوگرم تجمع سرب را در بافت‌های گیاهچه در بالاترین سطح تنش تا حدود ۴۸ درصد کاهش داد. این پدیده احتمالاً ناشی از رقابت یون‌های آهن با سرب در محل‌های جذب و بهبود پایداری غشا در بذرهای پرایم شده است. نتیجه‌گیری: این پژوهش تأیید کرد که اگرچه تنش سرب محدودیت جدی برای استقرار اولیه کینوا ایجاد می‌کند، پرایمینگ بذر با عناصر کلسیم و آهن راهکاری کارآمد برای تعدیل این سمیت است. سولفات کلسیم نه تنها از طریق یون کلسیم باعث بهبود فرآیندهای فیزیکی و آنزیمی اولیه می‌شود، بلکه بخش سولفات آن نیز با فراهم کردن بنیان گوگردی لازم برای تقویت سیستم دفاع آنتی‌اکسیدانی، نقش موثری در تعدیل سمیت سرب ایفا کرده و سرعت و درصد جوانه‌زنی را تضمین می‌کند. در مقابل، پرایمینگ با آهن (به‌ویژه نانوآهن در دوزهای پایین و کلرید آهن در دوزهای بالا) رشد گیاهچه و تقویت بنیه بذر را تحریک می‌کند. در این میان، کلرید آهن برتری محسوس در ارتقای فعالیت‌های آنزیمی (کاتالاز و پراکسیداز)، نشلن داد وکارایی چشم‌گیری در تقویت سیستم دفاع آنتی‌اکسیدانی و جلوگیری از ورود بیش از حد سرب به بافت‌های گیاهی داشت. لذا استفاده از این تیمارها برای بهبود استقرار کینوا در خاک‌های آلوده به فلزات سنگین پیشنهاد می‌گردد.

https://jrpsm.asnrukh.ac.ir/article_248210_886652d5a586e68461f53740f5d7ecc7.pdf