Chitosan nanoparticles and germanium synergistically enhance photosynthetic efficiency, sugar metabolism, and anthocyanin biosynthesis via metabolic pathway modulation in guar

Resumo

Aumentar o rendimento e a qualidade das culturas é fundamental para alimentar a população mundial. A interação sinérgica do germânio (Ge) e das nanopartículas de quitosana (NPCSs) oferece uma nova abordagem para melhorar o rendimento e o metabolismo do goma guar (Cyamopsis tetragonoloba). Essa sinergia levou a aumentos substanciais na biomassa e no rendimento do goma guar, variando de 33% a 41%, o que se correlacionou com a melhoria da fotossíntese. O aumento da fotossíntese induziu o metabolismo de açúcares nas folhas e sementes, que direcionou a biossíntese de metabólitos primários, incluindo aminoácidos essenciais, ácidos orgânicos (17,5–35,5%), e os lipídios mudaram para ácidos graxos insaturados. No nível da semente, Ge e NPCSs elevaram significativamente os teores de proteína bruta, lipídios, fibras e açúcares (r > 0,65–0,99). Os níveis de antocianinas nas folhas aumentaram significativamente, refletindo um direcionamento metabólico eficiente e a prevenção de gargalos no acúmulo de precursores (como fenilalanina) e na atividade enzimática (por exemplo, a UDP-glicose: flavonoide 3-O-glicosiltransferase teve um aumento >4 vezes). Além disso, Ge + NPCSs aumentaram o fósforo das sementes em 27,9% e a capacidade antioxidante em 57,4%, o que melhorou a qualidade nutricional geral. A análise de componentes principais (variância de 71,65%) confirmou que Ge + NPCSs coordenam as mudanças metabólicas, ligando a disponibilidade de açúcares e o metabolismo de antocianinas ao aumento do rendimento do goma guar. Este estudo mostra que Ge + NPCSs otimizam as transições metabólicas, oferecendo uma maneira sustentável de melhorar a produtividade do goma guar e seus valores nutritivos.

Abstract

Boosting crop yield and quality is critical for feeding the world’s population. The synergistic interaction of germanium (Ge) and chitosan nanoparticles (CSNPs) offers a novel approach to enhance guar (Cyamopsis tetragonoloba) yield and metabolism. This synergy led to substantial increases in guar biomass and yield, ranging from 33 % to 41 %, which correlated with improved photosynthesis. Improved photosynthesis induced sugar metabolism in leaves and seeds that directed to biosynthesis of primary metabolites including essential amino acids, organic acids (17.5–35.5 %), and lipids shifted toward unsaturated fatty acids. At the seed level, Ge and CSNPs significantly elevated crude protein, lipid, fiber, and sugar contents (r > 0.65–0.99). Anthocyanin levels in leaves increased significantly, reflecting efficient metabolic channeling and avoidance of bottlenecks in precursor accumulation (like phenylalanine) and enzymatic activity (e.g., UDP-glucose: flavonoid 3-O-glucosyltransferase saw a >4-fold increase). Furthermore, Ge + CSNPs boosted seed phosphorus by 27.9 % and antioxidant capacity by 57.4 %, which improved overall nutritional quality. Principal component analysis (71.65 % variance) confirmed that Ge + CSNPs coordinate metabolic changes, linking sugar availability and anthocyanin metabolism to increased guar yield. This study shows that Ge + CSNPs optimize metabolic transitions, offering a sustainable way to improve guar productivity, and nutritive values.