Nanomaterials–plants–microbes interaction: plant growth promotion and stress mitigation

Resumo

A salinização do solo, condições climáticas extremas e fitopatógenos são estressores abióticos e bióticos que reduzem notavelmente a produtividade agrícola. Recentemente, os nanomateriais ganharam atenção como agentes efetivos para aplicações agrícolas para mitigar tais estresses. Esta revisão visa avaliar criticamente a literatura disponível sobre interações envolvendo nanomateriais de plantas e microrganismos. Esta revisão explora o papel dos nanomateriais na melhoria do crescimento das plantas e na mitigação de estresses bióticos e abióticos. Estes materiais podem ser sintetizados por micróbios, plantas e algas, e podem ser aplicados como fertilizantes e agentes de amenização do estresse. Os nanomateriais facilitam a absorção de nutrientes, melhoram a retenção de água e aumentam a eficiência da entrega de ingredientes ativos. Os nanomateriais fortalecem os sistemas antioxidantes das plantas, regulam a fotossíntese e estabilizam as vias hormonais. Simultaneamente, suas propriedades antimicrobianas e protetoras fornecem resiliência contra estressores bióticos, incluindo patógenos e pragas, promovendo respostas imunes das plantas e otimizando a simbiose microbiana-vegetal. As interações sinérgicas dos nanomateriais com microrganismos benéficos otimizam o crescimento das plantas sob condições de estresse. Estes materiais também servem como carreadores de nutrientes, reguladores de crescimento e pesticidas, atuando assim como “fertilizantes inteligentes”. Embora a nanotecnologia ofereça uma grande promessa, é necessário abordar os potenciais riscos ambientais e ecotoxicológicos associados ao seu uso. Esta revisão delinea caminhos para alavancar a nanotecnologia para alcançar sistemas agrícolas resilientes, sustentáveis e climaticamente inteligentes através da integração de insights moleculares e aplicações práticas.

Abstract

Soil salinization, extreme climate conditions, and phytopathogens are abiotic and biotic stressors that remarkably reduce agricultural productivity. Recently, nanomaterials have gained attention as effective agents for agricultural applications to mitigate such stresses. This review aims to critically appraise the available literature on interactions involving nanomaterials, plants, and microorganisms. This review explores the role of nanomaterials in enhancing plant growth and mitigating biotic and abiotic stresses. These materials can be synthesized by microbes, plants, and algae, and they can be applied as fertilizers and stress amelioration agents. Nanomaterials facilitate nutrient uptake, improve water retention, and enhance the efficiency of active ingredient delivery. Nanomaterials strengthen plant antioxidant systems, regulate photosynthesis, and stabilize hormonal pathways. Concurrently, their antimicrobial and protective properties provide resilience against biotic stressors, including pathogens and pests, by promoting plant immune responses and optimizing microbial-plant symbiosis. The synergistic interactions of nanomaterials with beneficial microorganisms optimize plant growth under stress conditions. These materials also serve as carriers of nutrients, growth regulators, and pesticides, thus acting like “smart fertilizers. While nanotechnology offers great promise, addressing potential environmental and ecotoxicological risks associated with their use is necessary. This review outlines pathways for leveraging nanotechnology to achieve resilient, sustainable, and climate-smart agricultural systems by integrating molecular insights and practical applications.