Seed Priming with Zinc Oxide Nanoparticles to Enhance Crop Tolerance to Environmental Stresses

Resumo

As drásticas mudanças climáticas ao longo dos anos desencadearam desafios ambientais para plantas silvestres e cultivadas, devido a padrões climáticos flutuantes em todo o mundo. Isso causou diferentes tipos de estressores, responsáveis pela redução da vida vegetal e da produtividade biológica, com consequente escassez de alimentos, especialmente em áreas ameaçadas pela desertificação. Abordagens baseadas em nanotecnologia têm grande potencial para mitigar estressores ambientais, favorecendo uma agricultura sustentável. As nanopartículas de óxido de zinco (ZnO NPs) demonstraram atuar como bioestimulantes e como remédios contra estresses ambientais e bióticos. Sua administração nas fases iniciais da semeadura, isto é, o priming de sementes, mostrou-se eficaz para melhorar a taxa de germinação, o crescimento de plântulas e plantas e os indicadores de bem-estar das plantas. O nanopriming de sementes atua por diversos mecanismos, como maior absorção de nutrientes, melhoria das propriedades antioxidantes, acúmulo de EROs e peroxidação lipídica. O alvo do priming de sementes com ZnO NPs são principalmente culturas de grande consumo ou alimentos básicos, a fim de atender às crescentes necessidades de uma população em expansão e à queda líquida da frequência global de safras, devido às mudanças climáticas e à contaminação dos solos. A presente revisão concentra-se nas ZnO NPs mais recentes, de baixo custo e pequeno tamanho, empregadas no nanopriming de sementes para atenuar estresses abióticos e bióticos, mitigar os efeitos negativos do armazenamento inadequado e bioestimular o crescimento e o bem-estar das plantas. Considerando a grande variabilidade entre as ZnO NPs e que suas propriedades físico-químicas podem influenciar a eficácia do nanopriming, informa-se, para todos os casos examinados, se as ZnO NPs eram comerciais ou preparadas em laboratório. Nestes últimos casos, são descritas as condições de preparo, juntamente com as caracterizações estruturais e morfológicas. Com base nessas premissas, discutem-se perspectivas e desafios futuros relacionados às propriedades estruturais e à possibilidade de engenharia das ZnO NPs.

Abstract

Drastic climate changes over the years have triggered environmental challenges for wild plants and crops due to fluctuating weather patterns worldwide. This has caused different types of stressors, responsible for a decrease in plant life and biological productivity, with consequent food shortages, especially in areas under threat of desertification. Nanotechnology-based approaches have great potential in mitigating environmental stressors, thus fostering a sustainable agriculture. Zinc oxide nanoparticles (ZnO NPs) have demonstrated to be biostimulants as well as remedies to both environmental and biotic stresses. Their administration in the early sowing stages, i.e., seed priming, proved to be effective in improving germination rate, seedling and plant growth and in ameliorating the indicators of plants’ well-being. Seed nano-priming acts through several mechanisms such as enhanced nutrients uptake, improved antioxidant properties, ROS accumulation and lipid peroxidation. The target for seed priming by ZnO NPs is mostly crops of large consumption or staple food, in order to meet the increased needs of a growing population and the net drop of global crop frequency, due to climate changes and soil contaminations. The current review focuses on the most recent low-cost, low-sized ZnO NPs employed for seed nano-priming, to alleviate abiotic and biotic stresses, mitigate the negative effects of improper storage and biostimulate plants’ growth and well-being. Taking into account that there is large variability among ZnO NPs and that their chemico-physical properties may play a role in determining the efficacy of nano-priming, for all examined cases, it is reported whether the ZnO NPs are commercial or lab prepared. In the latter cases, the preparation conditions are described, along with structural and morphological characterizations. Under these premises, future perspectives and challenges are discussed in relation to structural properties and the possibility of ZnO NPs engineering.