Critical review: role of inorganic nanoparticle properties on their foliar uptake and in planta translocation

Resumo

Há uma pressão crescente sobre os sistemas agrícolas globais devido à maior demanda por alimentos, às mudanças climáticas e às preocupações ambientais. O design de nanoestruturas é proposto como uma das soluções tecnológicas economicamente viáveis ​​que podem tornar o uso de agroquímicos (fertilizantes e pesticidas) mais eficiente por meio da redução do escoamento superficial, aumento da absorção foliar e da biodisponibilidade e diminuição dos impactos ambientais. No entanto, lacunas no conhecimento sobre o transporte de nanopartículas pela superfície foliar e seu comportamento na planta limitam o design racional de nanopartículas para entrega foliar com destino controlado e risco limitado. Aqui, a literatura atual sobre nano-objetos depositados em folhas é revisada. As diferentes rotas foliares possíveis de absorção (estômatos, cutícula, tricomas, hidatódios, manchas necróticas) são discutidas, juntamente com os caminhos de translocação, via floema, da folha para os sumidouros terminais (tecidos maduros e em desenvolvimento, raízes, rizosfera). Esta revisão detalha as interações entre restrições morfológicas, estímulos ambientais e propriedades físico-químicas de nanopartículas que influenciam seu destino, transformação e transporte após a deposição foliar. Uma análise de metadados da literatura existente destacou que as plantas usadas para testar o destino de nanopartículas são mais frequentemente plantas dicotiledôneas (75%), enquanto monocotiledôneas (como cereais) são menos consideradas. Correlações em parâmetros calculados a partir da literatura indicaram que a dose de nanopartículas, tamanho, potencial zeta e afinidade com fases orgânicas se correlacionaram com a translocação folha-dreno, demonstrando que o direcionamento de nanopartículas para compartimentos vegetais específicos por design deve ser alcançável. As correlações também mostraram que o tempo e o crescimento da planta parecem ser os impulsionadores da mobilidade in planta, parâmetros que são amplamente negligenciados na literatura. Esta revisão, portanto, destaca as oportunidades de design de materiais e as lacunas de conhecimento para entregas direcionadas e orientadas por estímulos de nanomateriais seguros para a agricultura.

Abstract

There is increasing pressure on global agricultural systems due to higher food demand, climate change, and environmental concerns. The design of nanostructures is proposed as one of the economically viable technological solutions that can make agrochemical use (fertilizers and pesticides) more efficient through reduced runoff, increased foliar uptake and bioavailability, and decreased environmental impacts. However, gaps in knowledge about the transport of nanoparticles across the leaf surface and their behavior in planta limit the rational design of nanoparticles for foliar delivery with controlled fate and limited risk. Here, the current literature on nano-objects deposited on leaves is reviewed. The different possible foliar routes of uptake (stomata, cuticle, trichomes, hydathodes, necrotic spots) are discussed, along with the paths of translocation, via the phloem, from the leaf to the end sinks (mature and developing tissues, roots, rhizosphere). This review details the interplays between morphological constraints, environmental stimuli, and physical-chemical properties of nanoparticles influencing their fate, transformation, and transport after foliar deposition. A metadata analysis from the existing literature highlighted that plant used for testing nanoparticle fate are most often dicotyledon plants (75%), while monocotyledons (as cereals) are less considered. Correlations on parameters calculated from the literature indicated that nanoparticle dose, size, zeta potential, and affinity to organic phases correlated with leaf-to-sink translocation, demonstrating that targeting nanoparticles to specific plant compartments by design should be achievable. Correlations also showed that time and plant growth seemed to be drivers for in planta mobility, parameters that are largely overlooked in the literature. This review thus highlights the material design opportunities and the knowledge gaps for targeted, stimuli driven deliveries of safe nanomaterials for agriculture.