Functionalized Silica Nanoparticles Mitigate Salt Stress in Soybean: Comprehensive Insights of Physiological, Metabolomic, and Microbiome Responses

Resumo

As nanopartículas de sílica (NPs-SiO2 ) têm potencial para mitigar o estresse salino em culturas; no entanto, os efeitos de modificações superficiais na melhoria de sua eficácia permanecem pouco claros. Este estudo investigou os efeitos de NPs- SiO2 puros e funcionalizados (SiO2-NH2 e SiO2-COOH) no crescimento da soja, no metabolismo das raízes e na dinâmica do microbioma sob estresse de 200 mM de NaCl. Todos os tratamentos com NPs- SiO2 reduziram significativamente a razão Na+/K+, com SiO2-COOH NPs mostrando a maior eficácia, reduzindo-a em 46,6%. A tolerância ao sal aprimorada correlacionou-se com alterações no metabolismo radicular, incluindo aumento nos níveis de L-tirosina, uridina e indol-3-acetamida e enriquecimento de vias de resposta ao estresse. Além disso, SiO2-COOH NPs aumentaram a diversidade microbiana, elevando a abundância dos gêneros benéficos Variovorax e Pseudomonas na endosfera, e Haliangium e Arthrobacter na rizosfera. Correlações microrganismo-metabólito sugerem que a exsudação radicular alterada sob tratamentos com SiO2 NPs funcionalizados recruta seletivamente bactérias benéficas, aumentando a tolerância ao sal. Esses achados destacam o potencial das NPs- SiO2 funcionalizadas, particularmente SiO2-COOH, como bioprotetores nanoativados para a agricultura sustentável.

Abstract

Silica nanoparticles (SiO2 NPs) have potential for mitigating salt stress in crops; however, the effects of surface modifications in enhancing their effectiveness remain unclear. This study investigated the effects of pristine and functionalized SiO2 NPs (SiO2-NH2 and SiO2-COOH) on soybean growth, root metabolism, and microbiome dynamics under 200 mM NaCl stress. All SiO2 NPs treatments significantly reduced Na+/K+, with SiO2-COOH NPs showing the greatest efficacy, reducing by 46.6%. Enhanced salt tolerance correlated with altered root metabolism, including increased l-tyrosine, uridine, and indole-3-acetamide levels and enrichment of stress-response pathways. Furthermore, SiO2-COOH NPs enhanced microbial diversity, increasing the abundance of beneficial genera Variovorax and Pseudomonas in the endosphere, and Haliangium and Arthrobacter in the rhizosphere. Microbe-metabolite correlations suggest that altered root exudation under functionalized SiO2 NPs treatments selectively recruits beneficial bacteria, enhancing salt tolerance. These findings highlight the potential of functionalized SiO2 NPs, particularly SiO2-COOH, as nanoenabled biostimulants for sustainable agriculture.