Role of chitosan nanoparticles in sustainable plant disease management

Resumo

As doenças das plantas representam uma ameaça significativa à segurança alimentar global, necessitando de estratégias inovadoras e sustentáveis para o manejo de doenças. Devido às suas numerosas aplicações emergentes e inovadoras, a nanotecnologia tem despertado interesse em vários setores. As nanopartículas projetadas são materiais versáteis com tamanhos variando de 1 a 100 nm que podem ser usadas como fungicidas, bactericidas e nanofertilizantes devido à sua alta reatividade, ampla área superficial e tamanho minúsculo. A fim de atingir os objetivos da agricultura sustentável, nano-bioformulações estão sendo desenvolvidas. Biopolímeros, incluindo celulose, amido, alginato, quitina e quitosana, com durabilidade ecológica são empregados para sintetizar nanoformulações. O segundo biopolímero mais prevalente após a celulose é a quitosana, que é utilizada extensivamente por causa de suas qualidades especiais, que incluem não toxicidade, sensibilidade ao pH, abundância, biodegradabilidade, biocompatibilidade, baixa alergenicidade e bioabsorvabilidade. A quitosana, um biopolímero natural derivado da quitina, ganhou atenção por suas propriedades antifúngicas, antibacterianas e eliciadoras. A combinação de biopolímeros naturais com a nanotecnologia apresenta uma oportunidade para revolucionar a agricultura e a proteção de plantas. Alta área superficial, carga positiva e tamanho nanométrico são algumas das características físico-químicas distintas da nanoquitosana que aumentam sua bioatividade e melhoram a interação com os tecidos vegetais. As nanopartículas de quitosana (NPQs) têm modos de ação multifacetados, a saber, atividade antimicrobiana direta, indução da defesa vegetal e modulação da expressão gênica microbiana. É amplamente utilizada na supressão de doenças e na melhoria da saúde geral das plantas. As técnicas, a saber, gelação iônica, reticulação por emulsão e evaporação de solvente, são comumente usadas para sintetizar NPQs, mostrando melhor controle sobre o tamanho das partículas, estabilidade e biocompatibilidade. A presente revisão destaca a síntese de NPQs, suas aplicações potenciais na proteção de culturas, seu mecanismo de ação contra patógenos de plantas e sua toxicidade em plantas.

Abstract

Plant diseases pose a significant threat to global food security, necessitating innovative and sustainable strategies for disease management. Due to its numerous emerging and innovative applications, nanotechnology has garnered interest in a variety of sectors. Engineered nanoparticles are versatile materials with sizes ranging from 1 to 100 nm that can be used as fungicides, bactericides, and nano-fertilizers because of their high reactivity, wide surface area, and tiny size. In order to achieve the goals of sustainable farming, nano-bioformulations are being developed. Biopolymers, including cellulose, starch, alginate, chitin, and chitosan, with ecological endurability are employed for synthesizing nano-formulations. The second most prevalent biopolymer after cellulose is chitosan, which is utilized extensively because of its special qualities, which include non-toxicity, pH sensitivity, abundance, biodegradability, biocompatibility, low allergenicity, and bioabsorbability. Chitosan, a natural biopolymer derived from chitin, has gained attention for its antifungal, antibacterial, and elicitor properties. The combination of natural biopolymers with nanotechnology presents an opportunity to revolutionize agriculture and plant protection. High surface area, positive charge, and nanoscale size are some of the distinct physicochemical characteristics of nano-chitosan that boost its bioactivity and improve the interaction with plant tissues. Chitosan nanoparticles (ChNPs) have multifaceted modes of action, viz., direct antimicrobial activity, induction of plant defense, and modulation of microbial gene expression. It is broadly used in disease suppression and improving overall plant health. The techniques, viz., ionic gelation, emulsion cross-linking, and solvent evaporation, are commonly used to synthesize ChNPs, showing better control over particle size, stability, and biocompatibility. The present review highlights the synthesis of ChNPs, their potential applications in crop protection, their mechanism of action against plant pathogens, and their toxicity in plants.