In silico and in vitro investigation of the antifungal activity of trimetallic Cu–Zn-magnetic nanoparticles against Fusarium oxysporum with stimulation of the tomato plant’s drought stress tolerance response

Resumo

Fusarium oxysporum é o fungo responsável pela murcha de Fusarium. Tomates e outras plantas adquirem a murcha de Fusarium através de seus sistemas radiculares. Ocasionalmente, fungicidas aplicados ao solo são usados para combater a doença; no entanto, algumas linhagens desenvolveram resistência. Nanopartículas magnéticas trimetálicas de zinco e cobre de carboximetilcelulose (CMC) [CMC-Cu-Zn-FeNPMs] são um dos agentes antifúngicos mais promissores contra uma ampla gama de fungos. Um dos aspectos mais importantes do uso de nanopartículas magnéticas é sua capacidade de direcionar células, o que confirma a potente atividade fungicida do fármaco. Usando um UV-espectrofotômetro, a caracterização das CMC-Cu-Zn-FeNPMs sintetizadas revelou quatro picos em 226, 271, 321 e 335 nm, bem como nanopartículas esféricas com tamanho médio de 5,905 nm e um potencial de superfície de −61,7 mv. Neste estudo, CMC-Cu-Zn-FeNPMs foram usadas para inibir o crescimento de F. oxysporum interferindo na via metabólica de produção de ergosterol. Experimentos de ancoragem molecular demonstraram que as nanopartículas foram capazes de se ligar à esterol 14-alfa desmetilase responsável por inibir a biossíntese de ergosterol. A análise de PCR em tempo real mostrou que as nanopartículas regulavam positivamente as plantas de tomate e outros parâmetros avaliados sob estresse de seca e regulavam negativamente o complexo veludo e os fatores de virulência de F. oxysporum nas plantas. Os resultados do estudo indicam que CMC-Cu-Zn-FeNPMs podem ser uma solução promissora e ecológica com baixo potencial de acumulação e fácil coleta, alternativa aos pesticidas químicos convencionais que podem ter impactos negativos no meio ambiente e na saúde humana. Além disso, poderia fornecer uma solução sustentável para o manejo da doença murcha de Fusarium, que pode reduzir significativamente o rendimento e a qualidade do tomate.

Abstract

Fusarium oxysporum is the fungus responsible for Fusarium wilt. Tomatoes and other plants acquire Fusarium wilt through their root systems. Occasionally, fungicides applied to the soil are used to combat the disease; however, some strains have developed resistance. Carboxymethyl cellulose (CMC) trimetallic magnetic zinc and copper nanoparticles CMC-Cu-Zn-FeMNPs are one of the most promising antifungal agents against a wide range of fungi. One of the most important aspects of using magnetic nanoparticles is their ability to target cells, which confirms the drug’s potent fungicidal activity. Using a UV-spectrophotometer, the characterization of synthesized CMC-Cu-Zn-FeMNPs revealed four peaks at226,271, 321 and 335 nm, as well as spherical nanoparticles with a mean size of 5.905 nm and a surface potential of −61.7 mv. In this study, CMC-Cu-Zn-FeMNPs were used to inhibit the growth of F. oxysporum by interfering with the ergosterol production metabolic pathway. Molecular docking experiments demonstrated that the nanoparticles were able to bind to sterol 14-alpha demethylase responsible for inhibiting ergosterol biosynthesis. Real-time PCR analysis showed that the nanoparticles upregulated tomato plants and other assessed parameters under drought stress and downregulated the velvet complex and virulence factors of F. oxysporum on plants. The study results indicate that CMC-Cu-Zn-FeMNPs may be a promising and eco-friendly solution with low potential of accumulation and easy to collected alternative to conventional chemical pesticides that can have negative impacts on the environment and human health. Furthermore, it could provide a sustainable solution for managing Fusarium wilt disease, which can significantly reduce tomato yield and quality.