Silicon Nano-Fertilizer-Enhanced Soybean Resilience and Yield Under Drought Stress
- J. Wei
- L. Liu
- Z. Wei
- Q. Qin
- Q. Bai
- C. Zhao
- S. Zhang
- H. Wang
Resumo
O estresse hídrico ameaça a agricultura e a segurança alimentar, impactando significativamente o rendimento e a fisiologia da soja. Apesar do papel documentado da nanossílica (n-SiO₂) em aumentar a resiliência das culturas, seus efeitos em todo o ciclo de crescimento na soja sob estresse hídrico permanecem elusivos. Este estudo teve como objetivo avaliar a eficácia da n-SiO₂ em uma concentração de 100 mg.kg⁻¹ em um meio de solo para aumentar a tolerância à seca na soja por meio de uma avaliação de ciclo de vida completo em uma casa de vegetação. Para elucidar os mecanismos de ação da n-SiO₂, parâmetros fisiológicos, bioquímicos e de rendimento-chave foram sistematicamente medidos. Os resultados demonstraram que a n-SiO₂ aumentou significativamente o teor de silício em brotos e raízes, restaurou o equilíbrio osmótico reduzindo a razão Na+/K+ em 40% e aliviou o acúmulo de prolina em 35% em comparação com o controle, mitigando assim o estresse osmótico. As atividades enzimáticas relacionadas ao metabolismo do nitrogênio, incluindo nitrato redutase (NR) e glutamina sintetase (GS), melhoraram em 25–30% sob tratamento com n-SiO₂ em comparação com o controle. Além disso, a atividade antioxidante, incluindo os níveis de superóxido dismutase (SOD), aumentou 15%, enquanto os marcadores de estresse oxidativo, como peróxido de hidrogênio (H₂O₂) e malondialdeído (MDA), diminuíram 20–25% em comparação com o controle. Além disso, os componentes de rendimento foram significativamente melhorados, com o número de vagens e o peso dos grãos aumentando 15% e 20%, respectivamente, sob tratamento com n-SiO₂ em comparação com plantas não tratadas em condições de seca. Esses achados sugerem que a n-SiO₂ aumenta efetivamente a resiliência à seca na soja, reforçando processos fisiológicos e metabólicos críticos para o crescimento e o rendimento. Este estudo ressalta o potencial da n-SiO₂ como uma emenda sustentável para apoiar a produtividade da soja em ambientes propensos à seca, contribuindo para sistemas agrícolas mais resilientes em meio à crescente variabilidade climática. Pesquisas futuras devem se concentrar na realização de ensaios de campo em larga escala para avaliar a eficácia e a relação custo-benefício das aplicações de n-SiO₂ sob diversas condições ambientais para avaliar sua viabilidade prática na agricultura sustentável.
Abstract
Drought stress threatens agriculture and food security, significantly impacting soybean yield and physiology. Despite the documented role of nanosilica (n-SiO2) in enhancing crop resilience, its full growth-cycle effects on soybeans under drought stress remain elusive. This study aimed to evaluate the efficacy of n-SiO2 at a concentration of 100 mg kg−1 in a soil medium for enhancing drought tolerance in soybeans through a full life-cycle assessment in a greenhouse setup. To elucidate the mechanisms of n-SiO2 action, key physiological, biochemical, and yield parameters were systematically measured. The results demonstrated that n-SiO2 significantly increased silicon content in shoots and roots, restored osmotic balance by reducing the Na+/K+ ratio by 40%, and alleviated proline accumulation by 35% compared to the control, thereby mitigating osmotic stress. Enzyme activities related to nitrogen metabolism, including nitrate reductase (NR) and glutamine synthetase (GS), improved by 25–30% under n-SiO2 treatment compared to the control. Additionally, antioxidant activity, including superoxide dismutase (SOD) levels, increased by 15%, while oxidative stress markers such as hydrogen peroxide (H2O2) and malondialdehyde (MDA) decreased by 20–25% compared to the control. Furthermore, yield components were significantly enhanced, with pod number and grain weight increasing by 15% and 20%, respectively, under n-SiO2 treatment compared to untreated plants in drought conditions. These findings suggest that n-SiO2 effectively enhances drought resilience in soybeans by reinforcing physiological and metabolic processes critical for growth and yield. This study underscores the potential of n-SiO2 as a sustainable amendment to support soybean productivity in drought-prone environments, contributing to more resilient agricultural systems amidst increasing climate variability. Future research should focus on conducting large-scale field trials to evaluate the effectiveness and cost-efficiency of n-SiO2 applications under diverse environmental conditions to assess its practical viability in sustainable agriculture.
