Comparative investigation on chemical and green synthesized titanium dioxide nanoparticles against chromium (VI) stress eliciting differential physiological, biochemical, and cellular attributes in Helianthus annuus L.

Resumo

A nanotecnologia é uma nova área científica que promove conceitos inovadores para compreender a mecânica ideal das nanopartículas (NPs) em plantas sob estresse por metais pesados. A presente investigação enfoca os efeitos de nanopartículas de dióxido de titânio sintéticas e obtidas por síntese verde (TiO2 NPs e gTiO2 NPs) contra o Cr(VI). As TiO2 NPs verdes foram produzidas a partir de extrato foliar de planta (Ricinus communis L.). A síntese foi confirmada por meio de um conjunto de técnicas de espectroscopia óptica e de microscopia eletrônica. O cromo acelerou fortemente a produção de H2O2 e de MDA em 227 % e 266 %, respectivamente, na maior concentração de cromo (60 mg/kg de solo), além de causar danos ao DNA e redução da fotossíntese. Adicionalmente, foram observadas anomalias nas células estomáticas com o aumento gradual das concentrações de cromo. Por outro lado, as aplicações foliares de TiO2 NPs e gTiO2 NPs mitigaram consideravelmente o estresse por cromo. Plantas de girassol tratadas com quantidades moderadas de TiO2 NPs verdes apresentaram índice de crescimento significativamente melhor em comparação com as sintetizadas quimicamente. A análise de componentes principais evidenciou as variações entre os atributos fotossintéticos, os marcadores de estresse oxidativo e os sistemas de defesa antioxidante. Notavelmente, a suplementação com gTiO2 em plantas submetidas ao Cr(VI) minimizou a produção de PC3, um relato raro até o momento. Conclui-se que as gTiO2 NPs foram identificadas como um recurso nutricional nanotecnológico promissor para aplicações agrícolas.

Abstract

Nanotechnology is a new scientific area that promotes unique concepts to comprehend the optimal mechanics of nanoparticles (NPs) in plants under heavy metal stress. The present investigation focuses on effects of synthetic and green synthesized titanium dioxide nanoparticles (TiO2 NPs and gTiO2 NPs) against Cr(VI). Green TiO2 NPs have been produced from plant leaf extract (Ricinus communis L.). Synthesis was confirmed employing an array of optical spectroscopic and electron microscopic techniques. Chromium strongly accelerated H2O2 and MDA productions by 227 % and 266 % at highest chromium concentration (60 mg/kg of soil), respectively, and also caused DNA damage, and decline in photosynthesis. Additionally, anomalies were observed in stomatal cells with gradual increment in chromium concentrations. Conversely, foliar applications of TiO2 NPs and gTiO2 NPs considerably mitigated chromium stress. Sunflower plants treated with modest amounts of green TiO2 NPs had significantly better growth index compared to chemically synthesized ones. Principal component analysis highlighted the variations among photosynthetic attributes, oxidative stress markers, and antioxidant defense systems. Notably, gTiO2 supplementation to the Cr(VI) strained plants minimized PC3 production which is a rare report so far. Conclusively, gTiO2 NPs have been identified to be promising nano-based nutrition resource for farming applications.