Nano- and Microplastics Increase the Occurrence of Bacterial Wilt in Tomato (Solanum lycopersicum L.)

Resumo

A preocupação com a contaminação de ecossistemas terrestres por nano e microplásticos tem aumentado. No entanto, pouco se sabe sobre o efeito desses contaminantes em ecossistemas, já sob estresse biótico. Aqui, tomates (Solanum lycopersicum L.) foram expostos a nano e microplásticos (150–500 mg·kg⁻¹), e os resultados demonstram que em tomates a presença de nano e microplásticos aumentou a ocorrência de murcha bacteriana causada por Ralstonia solanacearum, em função da concentração do contaminante, modificação de superfície e tamanho. Este trabalho mostra que nanoplásticos (30 nm, 250 mg·kg⁻¹) aumentaram a incidência da doença em 2,19 vezes. A severidade das doenças nos tratamentos com nanoplásticos modificados com amino e carboxila foi 30,4 e 21,7% maior do que no tratamento com nanoplástico não modificado, respectivamente. A severidade da doença sob influência de diferentes tamanhos de nano e microplásticos seguiu a ordem 30 > 100 nm > 1 > 50 μm. Mecanicamente, os nanoplásticos desestruturaram a comunidade bacteriana do solo rizosférico do tomate e suprimiram a resistência sistêmica induzida no tomate; nanoplásticos na planta diminuíram o conteúdo de ácido salicílico e jasmônico no tomate, inibindo assim a resistência sistêmica adquirida; e microplásticos aumentaram a retenção de água no solo, levando ao aumento da abundância do patógeno na rizosfera. Adicionalmente, os lixiviados dos nano e microplásticos não tiveram efeito na ocorrência de doenças ou no crescimento dos tomates. Nossas descobertas destacam um risco potencial da contaminação por nano e microplásticos para a sustentabilidade agrícola e a segurança alimentar.

Abstract

Concern over nano- and microplastic contamination of terrestrial ecosystems has been increasing. However, little is known about the effect of nano- and microplastics on the response of terrestrial ecosystems already under biotic stress. Here, nano- and microplastics at 150–500 mg·kg–1 were exposed to tomatoes (Solanum lycopersicum L.), and the results demonstrate that the presence of nano- and microplastics increased the occurrence of bacterial wilt caused by Ralstonia solanacearum in tomatoes as a function of contaminant concentration, surface modification, and size. Our work shows that nanoplastics (30 nm, 250 mg·kg–1) increased the disease incidence by 2.19-fold. The disease severities in amino- and carboxyl-modified nanoplastic treatments were 30.4 and 21.7% higher than that in unmodified nanoplastic treatment, respectively. The severity of disease under the influence of different-sized nano- and microplastic treatments followed the order 30 > 100 nm > 1 > 50 μm. Mechanistically, nanoplastics disrupted the structure of the tomato rhizosphere soil bacterial community and suppressed the induced systemic resistance in tomato; nanoplastics in planta decreased the salicylic acid and jasmonic acid content in tomatoes, thus inhibiting systemic acquired resistance; and microplastics increased the soil water retention, leading to increased pathogen abundance in the rhizosphere. Additionally, the leachates from nano- and microplastics had no effect on disease occurrence or the growth of tomatoes. Our findings highlight a potential risk of nano- and microplastic contamination to agriculture sustainability and food security.