Review on interactions between nanomaterials and phytohormones: Novel perspectives and opportunities for mitigating environmental challenges

Resumo

A nanotecnologia oferece potencial para fornecer soluções inovadoras para a produção agrícola sustentável, uma vez que as plantas estão expostas a uma combinação de fatores de mudanças climáticas (CO2, temperatura, radiação UV, ozônio) e de estresses abióticos (metais pesados, salinidade, seca) e bióticos (vírus, bactérias, fungos, nematoides e insetos). A aplicação de nanomateriais (NMs) com tamanhos, formas e concentrações específicos pode mitigar os impactos negativos nas plantas por meio da modulação da taxa fotossintética, da homeostase redox, do equilíbrio hormonal e da assimilação de nutrientes, pela regulação positiva de metabólitos antiestresse, de vias de defesa antioxidante e de genes e redes gênicas. Esta revisão apresenta os avanços recentes nos mecanismos de absorção, translocação e acúmulo de NMs nas plantas. O tema central desta revisão fornece uma visão detalhada dos diferentes mecanismos fisiológicos, bioquímicos, moleculares e de tolerância a estresses da ação dos NMs e de sua interação (cross-talk) com diferentes fitormônios. O papel dos NMs como uma faca de dois gumes frente aos fatores de mudanças climáticas e aos estresses abióticos e bióticos, na absorção de nutrientes, na síntese de hormônios e em efeitos citotóxicos e genotóxicos, incluindo aberrações cromossômicas e formação de micronúcleos, tem sido amplamente estudado. Esta revisão visa, sobretudo, proporcionar uma compreensão aprofundada do efeito hormese em baixas doses e da toxicidade em doses elevadas de NMs sob diferentes estressores, a fim de desenvolver abordagens inovadoras e projetar NMs inteligentes para a produção agrícola sustentável.

Abstract

Nanotechnology offers the potential to provide innovative solutions for sustainable crop production as plants are exposed to a combination of climate change factors (CO2, temperature, UV radiation, ozone), abiotic (heavy metals, salinity, drought), and biotic (virus, bacteria, fungi, nematode, and insects) stresses. The application of particular sizes, shapes, and concentration of nanomaterials (NMs) potentially mitigate the negative impacts in plants by modulation of photosynthetic rate, redox homeostasis, hormonal balance, and nutrient assimilation through upregulation of anti-stress metabolites, antioxidant defense pathways, and genes and genes network. The present review inculcates recent advances in uptake, translocation, and accumulation mechanisms of NMs in plants. The critical theme of this review provides detailed insights into different physiological, biochemical, molecular, and stress tolerance mechanism(s) of NMs action and their cross-talk with different phytohormones. The role of NMs as a double-edged sword for climate change factors, abiotic, and biotic stresses for nutrients uptake, hormones synthesis, cytotoxic, and genotoxic effects including chromosomal aberration, and micronuclei synthesis have been extensively studied. Importantly, this review aims to provide an in-depth understanding of the hormesis effect at low and toxicity at higher doses of NMs under different stressors to develop innovative approaches and design smart NMs for sustainable crop production.