I nanomateriali come strategia per ridurre gli stress biotici in agricoltura

I nanomateriali (NM) sono strutture, agglomerati o aggregati naturali o sintetici di dimensione inferiore a 100 nm, ma con una estesa area volumetrica che conferisce loro caratteristiche e comportamenti diversi rispetto a quelli dei materiali di per sé, tra cui l’elevata reattività. Classificabili in base alle loro proprietà (dalle più piccole adimensionali a quelle 1D - nanofibre, nanotubi, nanobarre - ai 2D nanostrati, grafene, nanofilm , 3D – zeolite, polveri altri materiali porosi), i nanomateriali hanno acquisito molta importanza in medicina, cosmetica, elettronica, comunicazioni, produzione dell’energia. Una review pubblicata all’inizio del 2023 (Nanoparticles as a Promising Strategy to Mitigate Biotic Stress in Agriculture- Tortella G., Rubilar O., Pieretti J.C., Fincheira P., de Melo Santana P., Fernández-Baldo M.A., Benavides-Mendoza A., Seabra A.B; Antibiotics, 2023, 12, 338) esamina come i NM rientrino anche tra le possibili soluzioni applicabili in agricoltura, e non solo per ridurre l’uso di pesticidi. Ad esempio, i NM metallici, in particolare quelli costituiti da silicio, rame, ossidi di zinco e da selenio hanno dimostrato notevole efficienza quando usate per la fertilizzazione. Ma le prospettive sono molto allargate, date le capacità di alcuni NM di entrare nella biosintesi ormonale e favorire la resistenza delle colture a stress abiotici, come elevate temperature, salinità e siccità. L’interazione dei NM con il sistema pianta-suolo avviene a livello fogliare (via stomi, tricomi e ferite) e radicale, e la loro dimensione, solubilità e configurazione chimica giocano un ruolo importante sulla loro traslocazione, dalla quale dipende poi l’azione specifica di modulazione morfologica, biochimica, fisiologica di tolleranza.
Materiali polimerici e metallici, ad es. argento e rame, sono tra i maggiormente studiati per le loro proprietà antimicrobiche, mentre la stessa caratteristica, oltre alla biocompatibilità e biodegradabilità rende il chitosano tra i materiali maggiormente in grado di agire sugli stress biotici, anche per la loro efficacia nell’ incapsulare agenti per il biocontrollo.
Tra i NM di utili in agricoltura rientrano prevalentemente quelli a base di ossidi di metallo (argento e rame), a base di lipidi o polimeri (come ad es. chitosano e micelle). I NM di base inorganica hanno una maggiore efficacia antifungina e antibatterica, mentre quelli polimerici hanno anche la capacità di incapsulare agenti attivi per la protezione dagli impatti ambientali e di rifornirli a lungo rilascio. In questo caso, essi richiedono la combinazione con antibiotici, antiparassitari, micronutrienti in quantità comunque ridotte, favorendone assorbimento, stabilità alla luce e alla temperatura. Tra questi rientra il chitosano, che ha costo relativamente basso e che, interagendo con specie reattive all’ossigeno, dimostra ottima capacità di stimolare la crescita, indurre resistenze sistemiche anche a stress abiotici oltre che ad es. a Fusarium in patate, pomodoro, pisello ed altre ortive. Trattamenti al terreno effettuati con nanoparticelle di chitosano che rilasciano monossido di azoto sono in grado di proteggere il sistema radicale e promuovere la crescita di piante di soia in condizioni di stress da eccesso di rame. Il chitosano inoltre si dimostra molto efficace nell’incapsulare olii essenziali attivi contro alcuni insetti, oppure erbicidi come ad esempio atrazina ed altri in commercio.
I NM a base metallica favoriscono la risposta allo stress abiotico regolando la trascrizione di geni che operano sulla soppressione di specie reattive all’ossigeno stimolando crescita e sviluppo. Dato che molti dei meccanismi antimicrobici riguardano la capacità di causare danneggiamenti alle membrane cellulari e alle catene di trasporto degli elettroni, i dosaggi di NM di questo tipo sono sottoposti a numerosi studi anche per comprenderne i possibili impatti su ambiente e salute. NP con argento e rame agiscono contro numerosi patogeni fungini, quali Alternaria alternata, Pyricularia orzae, Sclerotinia sclerotiorum, Fusarium, Clamidisporium cucumerinum. Si è poi osservato come nel cavolfiore e nel pomodoro l’argento favorisca la germinazione dei semi, la crescita delle piante e la loro qualità nutrizionale tramite maggiore sintesi di proteine, fenoli e flavonoidi.
Anche i nanosilicati sono emersi come potenti strumenti per le applicazioni in agricoltura, utili per la loro elevatissima biocompatibilità e alla loro facilità di trasferimento nei tessuti anche come traportatori di molecole attive. Particelle di Silicio di per sé agiscono come biostimolanti, nanofertilizzanti, erbicidi e come agenti di trasporto per nucleotidi, proteine e sono anche in grado di alleviare stress salini e da metalli pesanti. Gli effetti diretti del silicio riguardano anche l’induzione di resistenza tramite segnali fisiologici a cascata, utili in moltissimi eventi biotici e abiotici, in via di studio.
In aggiunta a quelli citati, anche i NM a base di Selenio sono ormai riconosciuti come strumenti di approccio ambientalmente sostenibile in agricoltura mitigando stress tramite attivazione di meccanismi di difesa, così come i nanotubi di Carbonio agiscono come antimicrobici e promotori della sintesi ormonale.
In generale, la grande mole di studi in corso dimostra come la somministrazione di NM possa agire come chiave di volta nella agricoltura del prossimo futuro, una volta compresi appieno i processi di traslocazione e di azione e gli impatti a breve e lungo termine.