Author(s): Rodrigues, Sandra
Date: 2025
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10773/45128
Origin: RIA - Repositório Institucional da Universidade de Aveiro
Subject(s): Zinc deficiency; Nutrient delivery; Nanofertilizers; Foliar application; Root application
Zinc deficiency in soils, and thereby in foods grown in them, is a worldwide problem affecting human health. Zinc-based fertilizers, either foliar or root applied, have been used as a strategy to biofortify edible crops to address this problem. However, conventional soluble forms of Zn fertilizers have limitations when applied to soils including Zn leaching to groundwater and limited plant bioavailability in alkaline soils. To overcome these limitations, Zn-based nanoparticles (NPs) with varying physicochemical properties (e.g. surface to volume ratio, surface charge, coating composition) were developed to be used as a potential alternative to enhance Zn plant uptake. The impact of nano-specific properties controlling Zn-based NPs uptake, biotransformation, and cellular translocation when these are foliarly, or root applied as well as the potential for co-delivering other elements need however further understanding to tune nanofertilizer design towards improved Zn delivery efficiency. This work focusses on the understanding of how Zn-based NP properties, notably the presence of a phosphate shell affects Zn uptake, translocation, and Zn speciation in plant tissues after foliar or root application. To do so, an amorphous 68Zn3(PO4)2 shell was added onto 68ZnO NPs (ZnO_Ph NPs) and compared to bare ZnO NPs. ZnO-based NPs or ionic Zn were either foliarly or root applied (40 µg Zn) to pepper plants (Capsicum annuum) at the 6th week of growth after germination and Zn uptake and translocation were monitored over six weeks. Zinc foliar or root uptake either as total 68Zn or 68ZnO NPs was assessed by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) and single particle inductively coupled plasma time-of-flight mass spectrometry (spICP-TOFMS), respectively, on exposed leaves or roots, non-exposed leaves or roots, stems and fruits. Zn in planta distribution and (bio)transformation was also investigated in exposed leaves or roots and stems by synchrotron micro-X-ray fluorescence (µXRF) and micro-X-ray absorption near-edge structure (µXANES). The effect of the 68Zn3(PO4)2 shell on these parameters was assessed and compared to uncoated 68ZnO NPs and ionic 68Zn. When foliarly applied, ZnO_Ph NPs not only provided higher total Zn uptake than the ZnO NPs treatment, but also higher Zn translocation to the stem and fruits. Both ZnO-based NPs led to NP uptake and translocation to the stem. According to spICP-TOFMS results, ZnO_Ph NPs were more persistent than ZnO NPs over 6 weeks after treatment, but no NPs translocated to the fruit in any case. This difference in translocation was due to enhanced Zn in planta mobility due to the Zn-phosphate shell.
A deficiência de zinco (Zn) nos solos e, por conseguinte, nos alimentos neles cultivados, é uma problemática mundial que afecta a saúde humana. Os fertilizantes à base de Zn, aplicados foliar ou radicularmente, têm sido utilizados como estratégia de biofortificação de culturas agrícolas para dar solução a este problema. No entanto, os fertilizantes convencionais constituídos por formas solúveis Zn têm limitações quando aplicadas aos solos, como a lixiviação de Zn para as águas subterrâneas e a biodisponibilidade limitada para plantas em solos alcalinos. Nanopartículas (NPs) à base de Zn, com propriedades físico-químicas variáveis (por exemplo, rácio de superfície/volume, carga superficial, composição do revestimento) têm sido desenvolvidas como potencial alternativa para melhorar a absorção de Zn pelas plantas. Uma melhor compreensão do impacto das propriedades das NPs à base de Zn que controlam a sua absorção, biotransformação e translocação celular, quando aplicadas por via foliar ou radicular, bem como o seu potencial em co-fornecer outros elementos no entanto ainda necessária a fim de melhor ajustar a elaboração de nanofertilizantes e para uma melhor eficiência na administração de Zn. Este trabalho foca-se na compreensão de como as propriedades das NPs à base de Zn, especialmente a presença de um revestimento de fosfato, afectam a absorção, translocação e especiação de Zn nos tecidos vegetais após a aplicação foliar ou radicular. Para o efeito, foi adicionado um revestimento amorfo de 68Zn3(PO4)2 a NPs de 68ZnO (ZnO_Ph NPs) e comparado com 68ZnO NPs sem revestimento. Ambas as NPs e Zn iónico foram aplicados por via foliar ou radicular (40 µg de Zn) a plantas de pimento (Capsicum annuum) na 6ª semana de crescimento após a germinação. A absorção e translocação de Zn foi então monitorizada durante seis semanas. A absorção foliar ou radicular de Zn como 68Zn total ou NPs de 68ZnO foi avaliada por espectrometria de massa com plasma acoplado indutivamente (ICP-MS) e espectrometria de massas por tempo de voo com plasma acoplado indutivamente de partícula única (spICP-TOFMS), respetivamente, em folhas ou raízes expostas, folhas ou raízes não expostas, caules e frutos. A distribuição e a (bio)transformação do Zn in planta também foram investigadas em folhas ou raízes e caules expostos por micro-fluorescência de raios-X (µXRF) e espectroscopia de micro-absorção de raios-X (µXANES). O efeito do revestimento de 68Zn3(PO4)2 nestes parâmetros foi avaliado e comparado com NPs de 68ZnO não revestidas (ZnO NPs) e 68Zn iónico. Quando aplicadas foliarmente, as ZnO_Ph NPs não só proporcionaram uma maior absorção total de Zn do que o tratamento com ZnO NPs, mas também uma maior translocação de Zn para o caule e os frutos. Ambas as NPs à base de ZnO levaram à absorção e translocação de NPs para o caule. De acordo com os resultados do spICP-TOFMS, ZnO_Ph NPs foram mais persistentes do que ZnO NPs durante 6 semanas após o tratamento, mas nenhuma NP foi translocada para os frutos em qualquer um dos casos. Esta diferença na translocação deveu-se a uma maior mobilidade do Zn in planta devido ao revestimento de fosfato de Zn. Os dois tratamentos com NPs à base de Zn O resultaram numa diferente distribuição e especiação do Zn na planta. Quando aplicado foliarmente, o Zn proveniente do tratamento com ZnO_Ph NPs foi maioritariamente alocado à vasculatura e possivelmente associado a metaloproteínas (ligado a grupos tiol) na folha exposta e no caule, promovendo um transporte mais eficiente para o floema e a translocação do Zn para o fruto. O Zn proveniente do tratamento com ZnO NPs foi maioritariamente alocado à epiderme da folha exposta e do caule estando associado a grupos carboxilo, limitando a sua translocação para o fruto. Quando aplicadas na raíz, o tratamento com ZnO NPs levou a uma maior associação de Zn na parede celular da epiderme da raíz na forma de carboxilo de Zn, enquanto para o tratamento com ZnO_Ph NPs houve uma associação reduzida na raíz, mas uma maior translocação de Zn para a vasculatura da raíz possivelmente na forma de fitato de Zn. Esse resultado foi atribuído à regulação positiva de genes desencadeada pela deficiência de Zn, que promoveram a translocação de Zn para o xilema da raíz. O tratamento com ZnO_Ph NPs também induziu uma maior associação de Zn na epiderme do caule em comparação com o tratamento com ZnO NPs, indicando uma diferença nos mecanismos de transporte e armazenamento de Zn. O método de tratamento (exposição foliar ou radicular) determinou a absorção, distribuição e especiação de Zn nas plantas após a aplicação de NPs à base de ZnO. A aplicação foliar conduziu a uma menor absorção de Zn do que a aplicação radicular. A menor absorção de Zn por via foliar deveu -se em parte às folhas expostas caírem após 1 semana. Além disso, mostrou ser coerente com a menor dissolução destes materiais em meio de exposição semelhante (água Milli -Q) do que em solução de Hoagland (meio de exposição radicular), mas também devido a ~80 % do Zn aplicado estar na fração lavável da folha (não associado à folha) e, portanto, não disponível para absorção. A distribuição de Zn no caule também variou com base no método de aplicação - quando aplicado na raiz, o tratamento com ZnO_Ph NPs levou à acumulação de Zn na epiderme do caule, mas não quando aplicado foliarmente. Para o tratamento com ZnO NPs foi observado o contrário. A especiação do Zn na vasculatura do caule também variou de acordo com o método de tratamento. Na aplicação foliar, o Zn a associou -se a grupos carboxilo e fitato para ambos os tratamentos à base de ZnO NPs, mas também a grupos tiol quando aplicado na raíz. Estes resultados sugerem que os grupos de fosfato na superfície das NPs de ZnO podem ser utilizados para manipular a absorção, translocação e especiação de Zn em plantas de pimento e que existem diferentes mecanismos para o transporte de Zn, dependendo da sua aplicação ser foliar ou radicular. Os resultados destes estudos permitem fornecer informações adicionais para o desenvolvimento de nanofertilizantes funcionalizados à base de Zn, para fornecer Zn de forma mais eficaz às partes comestíveis das plantas e assim melhorar a nutrição animal e humana.
