Cu-chitosan nanoparticle boost defense responses and plant growth in maize (Zea mays L.)

Resumo

Na agricultura, a busca por materiais derivados de biopolímeros está em alta para substituir os agroquímicos
sintéticos. Na presente investigação, a eficácia das nanopartículas de Cu-quitosana (NPs) para aumentar as respostas
de defesa contra a mancha foliar de Curvularia (CLS) do milho e a atividade promotora do crescimento da planta
foram avaliadas. Plantas tratadas com NPs de Cu-quitosana apresentaram resposta de defesa significativa
por meio de maiores atividades de antioxidantes (superóxido dismutase e peroxidase) e enzimas de defesa (polifenol
oxidase e fenilalanina amônia-liase). Controle significativo da doença CLS do milho foi registrado em 0,04 a 0,16%
dos tratamentos Cu-quitosana NPs em vaso e 0,12 a 0,16% dos tratamentos NPs em condição de campo.
Além disso, os tratamentos com NPs exibiram efeito promotor de crescimento em termos de altura da planta,
diâmetro do caule, comprimento da raiz, número de raízes e teor de clorofila em experimentos de vaso.
No experimento de campo, a altura da planta, o comprimento da espiga, o peso da espiga/parcela, o rendimento
de grãos/parcela e o peso de 100 grãos foram aumentados nos tratamentos com NPs. O controle de doenças e o
aumento do crescimento da planta foram ainda mais esclarecidos através do perfil de liberação de Cu das NPs
de Cu-quitosana. Este é um desenvolvimento importante na pesquisa de nanomateriais agrícolas, onde NPs de Cuquitosana biodegradáveis são mais compatíveis com o controle biológico, pois as NPs “imitam” a elicitação natural da
defesa da planta e do sistema antioxidante para proteção contra doenças e crescimento sustentável.

Abstract

In agriculture, search for biopolymer derived materials are in high demand to replace the synthetic agrochemicals. In the present investigation, the efficacy of Cu-chitosan nanoparticles (NPs) to boost defense responses against Curvularia leaf spot (CLS) disease of maize and plant growth promotry activity were evaluated. Cu-chitosan NPs treated plants showed significant defense response through higher activities of antioxidant (superoxide dismutase and peroxidase) and defense enzymes (polyphenol oxidase and phenylalanine ammonia-lyase). Significant control of CLS disease of maize was recorded at 0.04 to 0.16% of Cu-chitosan NPs treatments in pot and 0.12 to 0.16% of NPs treatments in field condition. Further, NPs treatments exhibited growth promotry effect in terms of plant height, stem diameter, root length, root number and chlorophyll content in pot experiments. In field experiment, plant height, ear length, ear weight/plot, grain yield/plot and 100 grain weight were enhanced in NPs treatments. Disease control and enhancement of plant growth was further enlightened through Cu release profile of Cu-chitosan NPs. This is an important development in agriculture nanomaterial research where biodegradable Cu-chitosan NPs are better compatible with biological control as NPs “mimic” the natural elicitation of the plant defense and antioxidant system for disease protection and sustainable growth.