Root architecture-informed nano-remediation strategy for nanoplastics toxicity in maize and soybean

Resumo

O acúmulo generalizado de nanoplásticos (NPs) nos agroecossistemas representa uma ameaça crítica à produtividade das culturas e à segurança alimentar. No entanto, estratégias de remediação eficazes e direcionadas permanecem limitadas, particularmente aquelas que consideram características específicas das culturas, como a arquitetura radicular, que pode influenciar criticamente tanto a absorção de nanoplásticos quanto a eficácia das nanorremediações. Este estudo estabelece uma estratégia de nanorremediação informada pela arquitetura radicular, utilizando nanomateriais (NMs) de ferrita de manganês (NMs MnFe₂O₄) para mitigar a toxicidade dos nanoplásticos no milho e na soja. Por meio de experimentos fatoriais integrando a aplicação foliar e no solo de NMs, demonstramos que os nanoplásticos reduzem a biomassa em 7,9–14,7% por meio de dano oxidativo, inibição fotossintética e interrupção metabólica, com o milho exibindo maior suscetibilidade devido ao seu sistema de raiz pivotante superficial. Crucialmente, os NMs à base de ferro reverteram o estresse induzido por NPs em 8,5–23,3%, onde os NMs aplicados no solo otimizaram a recuperação do milho (aumento de 17,3% na biomassa da parte aérea) por meio da interação direta com as raízes e ativação antioxidante, enquanto os NMs foliares maximizaram a resiliência da soja (aumento de 23,9% na POD) por meio da coordenação antioxidante nas folhas. Análises metabolômicas e fisiológicas revelaram mecanismos específicos das espécies: o milho dependeu da restauração mediada por NMs da assimilação de nitrogênio e dos intermediários do ciclo de TCA, enquanto a soja aproveitou o amortecimento arquitetural e a mitigação do estresse baseada em flavonoides. A modelagem de equações estruturais identificou a capacidade antioxidante, a eficiência fotossintética e a morfologia das raízes como principais reguladores da biomassa (coeficientes de trajetória: 0,7–0,9). Nós ainda vinculamos essas respostas à reprogramação metabólica da rizosfera, onde os NMs regularam positivamente o metabolismo do nitrogênio em 16–24%, contrariando a supressão induzida por NPs da ciclagem de nutrientes. Nossos achados avançam a nanoagricultura de precisão, adaptando a entrega de NMs à arquitetura radicular (aplicação no solo para culturas com raízes fibrosas dominantes e estratégias foliares para espécies de raiz pivotante) fornecendo uma estrutura mecanicista para a proteção sustentável das culturas em solos contaminados.

Abstract

The pervasive accumulation of nano-plastics (NPs) in agroecosystems poses critical threats to crop productivity and food security. However, effective and targeted remediation strategies remain limited, particularly those that account for crop-specific traits such as root architecture, which may critically influence both nano-plastic uptake and the efficacy of nano-remedies. This study establishes a root architecture-informed nano-remediation strategy using manganese ferrite nanomaterials (MnFe2O4 NMs) to mitigate nano-plastics toxicity in maize and soybean. Through factorial experiments integrating foliar and soil NM delivery, we demonstrate that nano-plastics reduce biomass by 7.9–14.7 % via oxidative damage, photosynthetic inhibition, and metabolic disruption, with maize exhibiting greater susceptibility due to its shallow taproot system. Crucially, iron-based NMs reversed NPs-induced stress by 8.5–23.3 %, where soil-applied NMs optimized maize recovery (17.3 % shoot biomass increase) through direct root interaction and antioxidant activation, while foliar NMs maximized soybean resilience (23.9 % POD enhancement) via leaf antioxidant coordination. Metabolomic and physiological analyses revealed species-specific mechanisms: maize depended on NMs-mediated restoration of nitrogen assimilation and TCA cycle intermediates, whereas soybean leveraged architectural buffering and flavonoid-based stress mitigation. Structural equation modeling identified antioxidant capacity, photosynthetic efficiency, and root morphology as primary biomass regulators (path coefficients: 0.7–0.9). We further link these responses to rhizosphere metabolic reprogramming, where NMs upregulated nitrogen metabolism by 16–24 %, countering NPs-induced suppression of nutrient cycling. Our findings advance precision nano-agriculture by tailoring NM delivery to root architecture-soil application for fibrous-dominant crops and foliar strategies for tap-root species-providing a mechanistic framework for sustainable crop protection in contaminated soils.