Nano-enabled agriculture: How do nanoparticles cross barriers in plants?

Resumo

A agricultura nano-habilitada é um tópico de intenso interesse de pesquisa. No entanto, nosso conhecimento sobre como as nanopartículas entram em plantas, células vegetais e organelas ainda é insuficiente. Aqui, discutimos as barreiras que limitam a entrega eficiente de nanopartículas em nível de planta inteira e de célula única. Alguns fatores comumente negligenciados, como condições de luz e tensão superficial de nanoformulações aplicadas, são discutidos. Lacunas de conhecimento sobre a captação de nanopartículas por células vegetais, como o efeito de gradientes eletroquímicos através das membranas das organelas na entrega de nanopartículas, são analisadas e discutidas. A importância de controlar fatores como tamanho, carga, estabilidade e dispersibilidade ao projetar adequadamente nanomateriais para plantas é delineada. Focamos principalmente em entender como as nanopartículas viajam através de barreiras em plantas e células vegetais e os principais fatores que limitam a entrega eficiente de nanopartículas, promovendo uma melhor compreensão das interações nanopartícula‑planta. Também fornecemos sugestões sobre o design de nanomateriais para a agricultura nano-habilitada.

Abstract

Nano-enabled agriculture is a topic of intense research interest. However, our knowledge of how nanoparticles enter plants, plant cells, and organelles is still insufficient. Here, we discuss the barriers that limit the efficient delivery of nanoparticles at the whole-plant and single-cell levels. Some commonly overlooked factors, such as light conditions and surface tension of applied nano-formulations, are discussed. Knowledge gaps regarding plant cell uptake of nanoparticles, such as the effect of electrochemical gradients across organelle membranes on nanoparticle delivery, are analyzed and discussed. The importance of controlling factors such as size, charge, stability, and dispersibility when properly designing nanomaterials for plants is outlined. We mainly focus on understanding how nanoparticles travel across barriers in plants and plant cells and the major factors that limit the efficient delivery of nanoparticles, promoting a better understanding of nanoparticle–plant interactions. We also provide suggestions on the design of nanomaterials for nano-enabled agriculture.