Changements dans la croissance et la production de métabolites secondaires chez Cannabis sativa L. en réponse à un traitement simultané avec de l'eau activée par plasma, de la mélatonine et du nano-zinc

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Cannabis sativa eau activée par plasma mélatonine nano-zinc métabolites secondaires

Contexte académique

Le chanvre industriel (Cannabis sativa L.) possède une valeur significative dans les domaines pharmaceutique et industriel en raison de ses riches métabolites secondaires, tels que les cannabinoïdes, les terpénoïdes et les flavonoïdes. Parmi les cannabinoïdes, le tétrahydrocannabinol (THC) et le cannabidiol (CBD) présentent des activités pharmacologiques notables, le premier étant psychoactif et le second possédant des propriétés anti-inflammatoires, anti-anxiété et neuroprotectrices. Cependant, la production de métabolites secondaires du chanvre industriel est influencée par divers facteurs environnementaux, et bien que l’utilisation d’engrais chimiques traditionnels puisse augmenter les rendements, elle peut avoir des impacts négatifs sur l’environnement. Par conséquent, la recherche d’une méthode alternative, verte et efficace pour optimiser la croissance et la production de métabolites secondaires du chanvre industriel est devenue un sujet d’étude majeur.

Ces dernières années, l’eau activée par plasma (Plasma-Activated Water, PAW), la mélatonine (Melatonin, MT) et les nanoparticules d’oxyde de zinc (Zinc Oxide Nanoparticles, ZnO-NPs) ont montré un potentiel dans la régulation de la croissance des plantes et l’accumulation de métabolites secondaires. La PAW, en générant des espèces réactives de l’oxygène et de l’azote (RONS), favorise la croissance des plantes et la synthèse des métabolites secondaires. La MT, en tant qu’hormone végétale, module les processus physiologiques et biochimiques des plantes. Les ZnO-NPs, quant à elles, améliorent l’absorption des nutriments et l’activité des enzymes antioxydantes, renforçant ainsi la croissance et la résistance des plantes. Cependant, les effets combinés de ces trois substances sur le chanvre industriel n’ont pas encore été systématiquement étudiés. Ainsi, cette recherche vise à explorer l’impact des traitements combinés de PAW, MT et ZnO-NPs sur la croissance et la production de métabolites secondaires du chanvre industriel.

Source de l’article

Cet article a été coécrit par Hakimeh Oloumi, Fatemeh Nasibi, Zakie Poorsheikhali et Leila Malekpourzadeh, affiliés respectivement au Département d’écologie de l’Université de technologie avancée de Kerman et au Département de biologie de l’Université Shahid Bahonar de Kerman, en Iran. L’article a été accepté le 26 mars 2025 et publié dans la revue Bionanoscience, avec le DOI 10.1007/s12668-025-01917-3.

Processus de recherche

1. Conception expérimentale et préparation des matériaux

Cette étude a utilisé un dispositif expérimental en blocs complètement randomisés, mené en 2023 dans une serre de l’Université de technologie avancée de Kerman, en Iran. Les graines de chanvre industriel de la variété “Mashhad”, provenant de la société Pakan Bazr d’Ispahan, ont été utilisées. Après stérilisation à l’hypochlorite de sodium, les graines ont été trempées dans de l’eau distillée pendant 24 heures, puis semées dans un sol lavé à l’acide à une profondeur de 2 cm. Les conditions de la serre étaient réglées à 16 heures de lumière et 8 heures d’obscurité, avec une irrigation utilisant une solution nutritive complète.

2. Préparation et analyse de l’eau activée par plasma (PAW)

La PAW a été générée à l’aide d’un réacteur à plasma fabriqué en interne, utilisant deux électrodes cylindriques coaxiales espacées de 5 mm, l’électrode externe servant de diélectrique sur la surface d’un tube en Pyrex. Le réacteur fonctionnait par impulsions continues à haute tension (200 Hz), avec un débit de gaz régulé par un contrôleur numérique. La PAW a été obtenue en exposant de l’eau distillée au plasma pendant 10 et 20 minutes. Les concentrations d’espèces réactives de l’oxygène dans la PAW ont été mesurées à l’aide d’un spectromètre (Avantes AvaSpec) et d’une source de lumière UV (Bloorazma Deuterium Light Source).

3. Traitements par MT, ZnO-NPs et PAW

Lorsque les plantes ont développé 3 à 4 feuilles, elles ont été divisées en deux groupes : un groupe a été pulvérisé avec 12 ppm de MT, tandis que l’autre groupe a reçu de l’eau distillée comme témoin. Le traitement par MT a été appliqué trois fois à des intervalles de 5 jours. Ensuite, chaque groupe a été traité avec 0, 5 et 10 ppm de ZnO-NPs, ainsi qu’avec de la PAW pendant 10 et 20 minutes. Les traitements par PAW et ZnO-NPs ont également été appliqués trois fois à des intervalles de 5 jours, sur une période de deux semaines.

4. Mesure des paramètres de croissance et physiologiques

Après la récolte, la longueur des racines et des tiges, ainsi que le poids frais et sec des plantes, ont été mesurés. La teneur en eau relative des feuilles (RWC) a été déterminée par immersion, et l’indice de stabilité membranaire (MSI) a été mesuré par conductivité électrique. La teneur totale en chlorophylle a été mesurée à l’aide d’un chlorophyllomètre portable (SPAD-502+).

5. Analyse des métabolites secondaires

Les teneurs en composés phénoliques et en flavonoïdes ont été mesurées respectivement par la méthode au réactif de Folin-Ciocâlteu et la méthode colorimétrique au chlorure d’aluminium. La teneur en alcaloïdes a été déterminée par extraction à l’éthanol/acide acétique. Les teneurs en CBD et THC ont été mesurées par chromatographie liquide à haute performance (HPLC).

Principaux résultats

1. Amélioration significative des paramètres de croissance

Les traitements combinés ont significativement augmenté la longueur des racines et des tiges, ainsi que le poids frais et sec des plantes. Le traitement combinant MT, PAW pendant 10 minutes et 5 ppm de ZnO-NPs a augmenté la longueur des racines de 184 %, tandis que le traitement combinant MT, PAW pendant 20 minutes et 10 ppm de ZnO-NPs a augmenté la longueur des tiges et le poids sec des tiges respectivement de 79 % et 81 %.

2. Amélioration des paramètres physiologiques

Le traitement par PAW pendant 20 minutes a augmenté la teneur en eau relative des feuilles (RWC) de 32 % et l’indice de stabilité membranaire (MSI) de 25 %. Le traitement combinant MT et 5 ppm de ZnO-NPs a augmenté la teneur totale en chlorophylle de 44 %.

3. Augmentation des métabolites secondaires

Le traitement combinant MT et PAW pendant 20 minutes a augmenté la teneur totale en composés phénoliques de 65 %, tandis que le traitement combinant PAW pendant 10 minutes et 10 ppm de ZnO-NPs a augmenté la teneur en alcaloïdes de 86 %. Les teneurs en CBD et THC ont également augmenté de manière significative, avec le traitement combinant MT, PAW pendant 10 minutes et 5 ppm de ZnO-NPs produisant la teneur en THC la plus élevée.

Conclusion

Cette étude démontre que les traitements combinés de PAW, MT et ZnO-NPs peuvent agir de manière synergique pour promouvoir la croissance et la production de métabolites secondaires du chanvre industriel. Ces traitements combinés ont non seulement amélioré les paramètres physiologiques des plantes, mais ont également augmenté de manière significative les teneurs en métabolites secondaires, en particulier le CBD et le THC. Les résultats offrent de nouvelles perspectives pour une culture verte et efficace du chanvre industriel, avec des applications potentielles importantes dans les domaines agricole et pharmaceutique.

Points forts de la recherche

  1. Effet synergique : Première étude systématique sur les effets combinés de PAW, MT et ZnO-NPs sur le chanvre industriel, révélant une action synergique entre ces trois substances.
  2. Approche verte et efficace : Propose une méthode alternative aux engrais chimiques traditionnels, avec un impact environnemental réduit.
  3. Optimisation des métabolites secondaires : Augmentation significative des teneurs en CBD et THC, fournissant des matières premières de haute qualité pour des applications pharmaceutiques.

Autres informations utiles

Les limites de cette étude incluent son confinement à des conditions de serre, nécessitant des essais sur le terrain pour valider les résultats. De plus, la recherche s’est concentrée uniquement sur les feuilles, et des études futures pourraient inclure d’autres tissus comme les tiges, les fleurs et les graines pour une évaluation complète des effets des traitements combinés.