A multi-nutrient nanocomposite enhances UV stress tolerance and modulates nutrient accumulation in lettuce

Resumo

Este estudo introduz um novo nanocompósito multielementar (Zn–Mg–Mn–Fe) que serve tanto como agente protetor contra UV quanto como sistema de entrega de nutrientes para Lactuca sativa (alface). As plantas foram cultivadas em casa de vegetação em vasos com uma mistura semelhante a solo, sob iluminação artificial (de diodos emissores de luz, LEDs) ou sob LED + radiação UV para simular exposição excessiva à luz solar (estresse luminoso). A alface foi tratada com aplicações foliares do nanocompósito a 100 mg L⁻¹, 200 mg L⁻¹ e 300 mg L⁻¹, com 1 mL aplicado por planta durante a quinta semana de crescimento (um total de 0,1, 0,2 ou 0,3 mg do composto por planta, respectivamente). As plantas foram expostas à radiação UV (360–400 nm) por 10 horas diárias durante duas semanas. O tratamento de 300 mg L⁻¹ aumentou significativamente a eficiência fotossintética e o crescimento das plantas, aumentando o teor de clorofila (66,7% ± 3,5), a área foliar (45% ± 2,1) e a biomassa seca (43,68% ± 1,8) em comparação com o tratamento não tratado e controle iônico. Também atenuou o estresse induzido por UV, reduzindo os escores de dano induzido por UV em 73% em comparação com os controles e diminuindo os marcadores de estresse, com a produção de flavonoides reduzido para 30,5% ± 2,3 dos níveis de controle e a atividade da SOD reduzido para 25,8% ± 1,8 dos níveis de controle. O mecanismo de liberação controlada de nutrientes do compósito facilitou a rápida absorção de Mg (220 mg kg⁻¹ de peso seco nas folhas em 4 dias) e a liberação sustentada de Zn, Mn e Fe durante um período de 7–10 dias. A análise de absorção de nutrientes de longo prazo mostrou aumentos em Mn (55,3% ± 3,2), Mg (47,8% ± 2,7) e Fe (62,5% ± 4,1). O acúmulo aprimorado de P (28,5% ± 2,2) e K (35,7% ± 3,1) aumentou ainda mais a qualidade nutricional dos tecidos comestíveis. Além disso, o nanocompósito demonstrou a capacidade única de converter radiação UV prejudicial em luz visível, proporcionando duplo benefício de proteção UV e atividade fotossintética aprimorada. Essas descobertas destacam o potencial deste nanocompósito multifuncional como uma solução sustentável para melhorar a resiliência das culturas, otimizar a entrega de nutrientes e combater o estresse abiótico em sistemas agrícolas.

Abstract

This study introduces a novel multielement (Zn–Mg–Mn–Fe) nanocomposite that serves both as a UV-protective agent and a nutrient delivery system for Lactuca sativa (lettuce). Plants were grown indoors in a potting soil-like mix, under artificial lighting (from light emitting diodes, LEDs) or under LED + UV radiation to simulate excessive sunlight exposure (light stress). Lettuce was treated with foliar applications of the nanocomposite at 100 mg L−1, 200 mg L−1, and 300 mg L−1, with 1 mL applied per plant during the fifth week of growth (a total of 0.1, 0.2 or 0.3 mg of the composite respectively per plant). Plants were exposed to UV radiation (360–400 nm) for 10 hours daily over two weeks. The 300 mg L−1 treatment significantly enhanced photosynthetic efficiency and plant growth, increasing chlorophyll content (66.7% ± 3.5), leaf area (45% ± 2.1), and dry biomass (43.68% ± 1.8) compared to untreated and ionic controls. It also mitigated UV-induced stress, reducing UV-induced damage scores by 73% compared to controls and lowering stress markers, with flavonoid production reduced to 30.5% ± 2.3 of control levels and SOD activity reduced to 25.8% ± 1.8 of control levels. The composite’s-controlled nutrient release mechanism facilitated rapid Mg uptake (220 mg kg−1 dry weight in leaves within 4 days) and sustained delivery of Zn, Mn, and Fe over a 7–10-day period. Long-term nutrient uptake analysis showed increases in Mn (55.3% ± 3.2), Mg (47.8% ± 2.7), and Fe (62.5% ± 4.1). Enhanced P (28.5% ± 2.2) and K (35.7% ± 3.1) accumulation further boosted the nutritional quality of edible tissues. Additionally, the nanocomposite demonstrated the unique ability to convert harmful UV radiation into visible light, providing dual benefits of UV protection and enhanced photosynthetic activity. These findings highlight the potential of this multi-functional nanocomposite as a sustainable solution to improve crop resilience, optimize nutrient delivery, and combat environmental stress in agricultural systems.