Eco-Physiological and Molecular Roles of Zinc Oxide Nanoparticles (ZnO-NPs) in Mitigating Abiotic Stress: A Comprehensive Review

Resumo

A mitigação dos estresses abióticos das culturas é atualmente uma das principais questões da agricultura moderna para garantir o suprimento de alimentos. Nesse sentido, reconhece-se que as mudanças climáticas estão levando ao aumento da temperatura e da radiação solar, além de contribuírem para eventos de seca prolongados. Por outro lado, a salinidade dos solos e a poluição por metais pesados têm sido problemas globais, afetando grande parte das culturas. Nesta revisão, apresenta-se uma visão geral dos aspectos ecofisiológicos e moleculares das nanopartículas de óxido de zinco (ZnO-NPs) como tecnologia inovadora para atenuar estresses abióticos em plantas. Relata-se que a presença de ZnO-NPs traz benefícios a processos fisiológicos como a eficiência fotossintética, a regulação osmótica, a homeostase iônica e a ativação de sistemas de defesa antioxidante, por meio de modificações gênicas e da regulação de genes responsivos a condições de estresse. Esses resultados são positivos para a produtividade, a nutrição e os níveis de resistência de cereais, leguminosas e hortaliças. Além disso, são relatados detalhes essenciais que sugerem que a adição de ZnO-NPs às culturas pode estar envolvida na regulação do metabolismo vegetal. Ainda assim, reconhece-se que essa tecnologia apresenta desafios significativos de validação em larga escala, particularmente em ambientes não controlados.

Abstract

Mitigation of abiotic stress of crops is currently one of the primary issues for modern agriculture to secure food supply. On that point, it is acknowledged that climate change is leading to an increase in temperature and solar radiation, while also contributing to prolonged drought events. In contrast, saline soil and heavy metal pollution have been globally problematic, affecting a large part of crops. In this review, we have provided an overview of the eco-physiological and molecular aspects of zinc oxide nanoparticles (ZnO-NPs) as a novel technology for alleviating abiotic stress in plants. It is reported that the presence of ZnO-NPs has positive benefits in physiological processes, such as photosynthetic efficiency, osmotic regulation, ionic homeostasis, and the activation of antioxidant defense systems through gene modifications and the regulation of genes that are regulated under stress conditions. These are positive results for yields, nutrition, and resistance levels in cereals, legumes, and horticultural crops. Furthermore, essential details are reported, suggesting that the addition of ZnO-NPs to crops may be involved in regulating plant metabolism. Nonetheless, we recognize that this technology poses significant challenges for validation on a large scale, particularly in uncontrolled environments.