Metal and metal oxide nanoparticles-induced reactive oxygen species: Phytotoxicity and detoxification mechanisms in plant cell

Resumo

A nanotecnologia avança rapidamente neste século, e o uso industrial de nanopartículas para novas aplicações na modernização de diferentes setores, como agricultura, eletrônica, alimentos, energia, meio ambiente, saúde e medicina, está crescendo exponencialmente. Apesar das aplicações de diversas nanopartículas em diferentes setores, elas apresentam efeitos nocivos em sistemas biológicos, especialmente em plantas. Vários mecanismos para os efeitos tóxicos das nanopartículas já foram propostos; no entanto, níveis elevados de moléculas de espécies reativas de oxigênio (ROS), incluindo radicais [(por exemplo, superóxido (O2•‒), peroxila (HOO•) e hidroxila (HO•) e não radicais [(por exemplo, peróxido de hidrogênio (H2O2) e oxigênio singlete (1O2) são mais importantes. A produção excessiva/e acúmulo de ROS nas células e a subsequente indução de estresse oxidativo interrompem o funcionamento normal dos processos fisiológicos e reações redox celulares. Algumas das consequências da superprodução de ROS incluem peroxidação de lipídios, alterações na estrutura da proteína, quebras na fita de DNA, danos mitocondriais e morte celular. Principais antioxidantes enzimáticos com capacidade de eliminação de ROS compostos de superóxido dismutase (SOD), catalase (CAT), ascorbato peroxidase (APX), peroxidase (POD) e glutationa redutase (GR), e sistemas antioxidantes não enzimáticos, incluindo alfa-tocoferol, flavonoides,  fenólicos. Compostos como carotenoides, ascorbato e glutationa desempenham um papel vital na desintoxicação e na manutenção da saúde das plantas, equilibrando as reações redox e reduzindo os níveis de ROS. Esta revisão fornece evidências convincentes de que a fitotoxicidade das nanopartículas é causada principalmente pela superprodução de ROS após a exposição. Além disso, esta revisão também resume os mecanismos intrínsecos de desintoxicação em plantas em resposta ao acúmulo de nanopartículas dentro das células vegetais.

Abstract

Nanotechnology is advancing rapidly in this century and the industrial use of nanoparticles for new applications in the modernization of different industries such as agriculture, electronic, food, energy, environment, healthcare and medicine is growing exponentially. Despite applications of several nanoparticles in different industries, they show harmful effects on biological systems, especially in plants. Various mechanisms for the toxic effects of nanoparticles have already been proposed; however, elevated levels of reactive oxygen species (ROS) molecules including radicals [(e.g., superoxide (O2•‒), peroxyl (HOO•), and hydroxyl (HO•) and non-radicals [(e.g., hydrogen peroxide (H2O2) and singlet oxygen (1O2) is more important. Excessive production/and accumulation of ROS in cells and subsequent induction of oxidative stress disrupts the normal functioning of physiological processes and cellular redox reactions. Some of the consequences of ROS overproduction include peroxidation of lipids, changes in protein structure, DNA strand breaks, mitochondrial damage, and cell death. Key enzymatic antioxidants with ROS scavenging ability comprised of superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT), ascorbate peroxidase (APX), peroxidase (POD), and glutathione reductase (GR), and non-enzymatic antioxidant systems including alpha-tocopherol, flavonoids, phenolic compounds, carotenoids, ascorbate, and glutathione play vital role in detoxification and maintaining plant health by balancing redox reactions and reducing the level of ROS. This review provides compelling evidence that phytotoxicity of nanoparticles, is mainly caused by overproduction of ROS after exposure. In addition, the present review also summarizes the intrinsic detoxification mechanisms in plants in response to nanoparticles accumulation within plant cells.