Magnesium-Doped Carbon Quantum Dot Nanomaterials Alleviate Salt Stress in Rice by Scavenging Reactive Oxygen Species to Increase Photosynthesis

Resumo

Os pontos quânticos de carbono (CQDs) emergiram recentemente como nanomateriais altamente versáteis, com um amplo espectro de aplicações. Esta revisão fornece uma visão abrangente de diversos aspectos dos CQDs, incluindo sua síntese por abordagens top-down e bottom-up, juntamente com as técnicas críticas de separação e purificação necessárias para aproveitar plenamente seu potencial. O artigo destaca os papéis multifacetados dos CQDs puros e modificados em sistemas de solo e planta, com ênfase especial nos processos bioquímicos do solo e nas diferentes fases do ciclo de vida das plantas. É dada atenção especial ao papel dos CQDs na melhoria da tolerância das plantas a diversos estresses bióticos e abióticos, como desequilíbrio nutricional, salinidade, seca, calor e estresse por metais pesados, com estudos demonstrando aumento na tolerância ao estresse e considerável melhora nas taxas de germinação de sementes quando estas são tratadas com CQDs. Também são discutidos o papel crucial da entrega de genes mediada por CQDs em plantas e sua influência nas características do solo. Além disso, a aplicação dos CQDs na detecção de resíduos agroquímicos é abordada, com sensibilidade de detecção relatada tão baixa quanto 0,1 µg L⁻¹ para certos pesticidas, bem como sua ampla utilidade na remediação ambiental, segurança alimentar e aplicações terapêuticas, demonstrando suas propriedades únicas e multifuncionalidade para uso sustentável. Esta revisão também trata das preocupações emergentes sobre a toxicidade potencial dos CQDs, particularmente em plantas, na cadeia alimentar e na saúde humana. Embora a maioria dos estudos relate baixa toxicidade em concentrações abaixo de 100 mg L⁻¹, compreender esses riscos é importante para garantir o uso seguro dos CQDs em cenários reais. Em resumo, são fornecidos conhecimentos avançados como base para o desenvolvimento futuro dos CQDs em direção a sistemas de entrega eficientes e não tóxicos para a agricultura sustentável e outras aplicações.

Abstract

Carbon quantum dots (CQDs) have recently emerged as highly versatile nanomaterials with a broad spectrum of applications. This review provides a comprehensive overview of various aspects of CQDs, including their synthesis via both top–down and bottom–up approaches, along with the critical separation and purification techniques required to fully harness their potential. This article highlights the multifaceted roles of both pristine and engineered CQDs in soil and plant systems, with a particular emphasis on soil biochemical processes and different stages of plant life cycle. A special attention has been given to the role of CQDs in enhancing plant tolerance to various biotic and abiotic stresses, such as nutritional imbalance, salinity, drought, heat, and heavy metal stress, with studies showing an improvement in stress tolerance, and considerable increase in seed germination rates when seeds are primed with CQDs. We have also discussed the crucial role of CQDs-mediated gene delivery in plants along with their influence on various soil characteristics. Moreover, the application of CQDs in the detection of agrochemical residues has been discussed with detection sensitivity reported as low as 0.1 µg L −1 for certain pesticides along with their broader utility in environmental remediation, food safety, and therapeutic applications demonstrating their unique properties and multi-functionality for sustainable use. This review also addresses the emerging concerns surrounding the potential toxicity of CQDs, particularly in plants, the food chain, and human health. While most studies report low toxicity at concentration below 100 mg L −1, understanding these risks is important to ensure the safe deployment of CQDs in real-world scenarios. In short, advanced research knowledge is provided as a basis for CQDs future development research toward efficient non-toxic delivery system for sustainable agriculture and other applications.