Chitosan-silicon nanofertilizer to enhance plant growth and yield in maize (Zea mays L.)

Resumo

Nós relatamos um novo nanofertilizante de quitosana-silício (CS-Si NF) em que a nanomatriz de quitosana-tripolifosfato (TPP) foi usada para encapsular o silício (Si) para sua liberação lenta. Foi sintetizado pelo método de gelificação iônica e caracterizado por espalhamento dinâmico de luz (DLS), espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), microscopia eletrônica de transmissão (TEM), microscopia eletrônica de varredura (SEM), difração de raios X (XRD), espectroscopia de fotoelétrons (XPS) e espectrofotometria de absorção atômica (AAS). O CS-Si NF desenvolvido exibiu liberação lenta de Si e promoveu crescimento e produtividade na cultura do milho. Sementes preparadas com diferentes concentrações de CS-Si NF (0,04-0,12%, p/v) apresentaram índice de vigor de plântulas (SVI) aumentado em até 3,7 vezes em comparação com SiO ₂. Sua pulverização foliar induziu significativamente as atividades das enzimas de defesa antioxidante e equilibrou a homeostase redox celular ao equilibrar o conteúdo de O ₂ ^-1 e H ₂ O ₂ na folha em comparação com o SiO ₂ . A aplicação de nanofertilizante (0,01-0,16%, p/v) agitou o teor total de clorofila (21,01-25,11 mg/g) e a área foliar (159,34-166,96 cm ² ) para acelerar a fotossíntese em comparação com o SiO ₂ . No experimento de campo, CS-Si NF 0,08% resultou em rendimento/parcela 43,4% maior e concentração de 0,04% deu peso teste 45% maior em comparação com SiO ₂ . Efeitos fecundos e miríades de nanofertilizante desenvolvido sobre SiO ₂pode ser atribuído à liberação lenta/protetora de Si do nanofertilizante. No geral, os resultados decifram o enorme potencial do CS-Si NF para seu uso como um nanofertilizante de próxima geração para a agricultura sustentável.

Abstract

We report a novel chitosan-silicon nanofertilizer (CS-Si NF) wherein chitosan-tripolyphosphate (TPP) nano-matrix has been used to encapsulate silicon (Si) for its slow release. It was synthesied by ionic gelation method and characterized by dynamic light scattering (DLS), fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and atomic absorption spectrophotometry (AAS). The developed CS-Si NF exhibited slow release of Si and promoted gowth and yield in maize crop. Seeds primed with different concentrations of CS-Si NF (0.04-0.12%, w/v) exhibited up to 3.7 fold increased seedling vigour index (SVI) as compared with SiO₂. Its foliar spray significantly induced antioxidant-defence enzymes’ activities and equilibrated cellular redox homeostasis by balancing O₂^-1 and H₂O₂ content in leaf as compared with SiO₂. Application of nanofertilizer (0.01-0.16%, w/v) stirred total chlorophyll content (21.01-25.11 mg/g) and leaf area (159.34-166.96 cm²) to expedite photosynthesis as compared with SiO₂. In field experiment, 0.08% CS-Si NF resulted in 43.4% higher yield/plot and 0.04% concentration gave 45% higher test weight as compared with SiO₂. Fecund and myriad effects of developed nanofertilizer over SiO₂ could be attributed to slow/protective release of Si from nanofertilizer. Overall, results decipher the enormous potential of CS-Si NF for its use as a next generation nanofertilizer for sustainable agriculture.