Nanobiotechnology in crop stress management: an overview of novel applications

Resumo

As culturas agrícolas estão sujeitas a uma variedade de estresses bióticos e abióticos que afetam adversamente o crescimento e reduzem o rendimento das plantas cultivadas. As abordagens tradicionais de manejo do estresse das culturas não são capazes de atender à demanda de alimentos da população humana, que deve chegar a 10 bilhões até 2050. A nanobiotecnologia é a aplicação da nanotecnologia em campos biológicos e emergiu como uma abordagem sustentável para aumentar a produtividade agrícola, aliviando vários estresses das plantas. Este artigo revisa inovações em nanobiotecnologia e seu papel na promoção do crescimento das plantas e no aprimoramento da resistência/tolerância das plantas contra estresses bióticos e abióticos e os mecanismos subjacentes. Nanopartículas, sintetizadas através de várias abordagens (físicas, químicas e biológicas), induzem a resistência das plantas contra esses estresses, fortalecendo as barreiras físicas, melhorando a fotossíntese das plantas e ativando os mecanismos de defesa das plantas. As nanopartículas também podem regular positivamente a expressão de genes relacionados ao estresse, aumentando os compostos anti-estresse e ativando a expressão de genes relacionados à defesa. As características físico-químicas únicas das nanopartículas aumentam a atividade bioquímica e a eficácia para causar diversos impactos nas plantas. Mecanismos moleculares da tolerância induzida por nanobiotecnologia a estresses abióticos e bióticos também foram destacados. Mais pesquisas são necessárias sobre métodos de síntese eficientes, otimização de dosagens de nanopartículas, técnicas de aplicação e integração com outras tecnologias, e uma melhor compreensão de seu destino em sistemas agrícolas.

Abstract

Agricultural crops are subject to a variety of biotic and abiotic stresses that adversely affect growth and reduce the yield of crop plantss. Traditional crop stress management approaches are not capable of fulfilling the food demand of the human population which is projected to reach 10 billion by 2050. Nanobiotechnology is the application of nanotechnology in biological fields and has emerged as a sustainable approach to enhancing agricultural productivity by alleviating various plant stresses. This article reviews innovations in nanobiotechnology and its role in promoting plant growth and enhancing plant resistance/tolerance against biotic and abiotic stresses and the underlying mechanisms. Nanoparticles, synthesized through various approaches (physical, chemical and biological), induce plant resistance against these stresses by strengthening the physical barriers, improving plant photosynthesis and activating plant defense mechanisms. The nanoparticles can also upregulate the expression of stress-related genes by increasing anti-stress compounds and activating the expression of defense-related genes. The unique physico-chemical characteristics of nanoparticles enhance biochemical activity and effectiveness to cause diverse impacts on plants. Molecular mechanisms of nanobiotechnology-induced tolerance to abiotic and biotic stresses have also been highlighted. Further research is needed on efficient synthesis methods, optimization of nanoparticle dosages, application techniques and integration with other technologies, and a better understanding of their fate in agricultural systems.