Potassium in agriculture – Status and perspectives

Resumo

Nesta revisão, resumimos os fatores que determinam a disponibilidade de potássio (K) no solo para as plantas, o papel do K na formação do rendimento das culturas e na qualidade das colheitas, e a dependência da resistência ao estresse das culturas na nutrição com K. As reservas médias de K no solo são geralmente grandes, mas a maior parte não está disponível para as plantas. Portanto, as culturas precisam ser supridas com fertilizantes solúveis de K, cuja demanda deve aumentar significativamente, especialmente nas regiões em desenvolvimento do mundo. Investigações recentes mostraram que exsudatos orgânicos de algumas bactérias e raízes de plantas desempenham um papel fundamental na liberação de K, que de outra forma estaria indisponível, de minerais que contêm K. Assim, o melhoramento de genótipos que possuem mecanismos aprimorados para acessar esse K fixo contribuirá para uma agricultura mais sustentável, especialmente em sistemas de cultivo que não têm acesso a fertilizantes de K. Em culturas deficientes em K, o fornecimento de órgãos de armazenamento com fotossintatos é prejudicado, e os açúcares se acumulam nas folhas. Isso não apenas afeta a formação do rendimento, mas também os parâmetros de qualidade, por exemplo, em trigo, batata e uva. Como o K tem efeitos benéficos para a saúde humana, sua concentração no produto da colheita é um parâmetro de qualidade em si. Devido aos seus papéis fundamentais na geração de turgor, metabolismo primário e transporte de longa distância, o K desempenha um papel proeminente na resistência das culturas à seca, salinidade, alta luminosidade ou frio, bem como na resistência a pragas e patógenos. Apesar da abundância de papéis vitais do K na produção agrícola, a melhoria da absorção e eficiência do uso de K não tem sido um foco principal do melhoramento convencional ou transgênico no passado. Além disso, os métodos atuais de análise de solo para K são insuficientes para alguns solos comuns, representando o risco de fertilização desequilibrada. Uma maior priorização dessas áreas de pesquisa é necessária para combater o declínio da fertilidade do solo e melhorar a segurança alimentar.

Abstract

In this review we summarize factors determining the plant availability of soil potassium (K), the role of K in crop yield formation and product quality, and the dependence of crop stress resistance on K nutrition. Average soil reserves of K are generally large, but most of it is not plant-available. Therefore, crops need to be supplied with soluble K fertilizers, the demand of which is expected to increase significantly, particularly in developing regions of the world. Recent investigations have shown that organic exudates of some bacteria and plant roots play a key role in releasing otherwise unavailable K from K-bearing minerals. Thus, breeding for genotypes that have improved mechanisms to gain access to this fixed K will contribute toward more sustainable agriculture, particularly in cropping systems that do not have access to fertilizer K. In K-deficient crops, the supply of sink organs with photosynthates is impaired, and sugars accumulate in source leaves. This not only affects yield formation, but also quality parameters, for example in wheat, potato and grape. As K has beneficial effects on human health, its concentration in the harvest product is a quality parameter in itself. Owing to its fundamental roles in turgor generation, primary metabolism, and long-distance transport, K plays a prominent role in crop resistance to drought, salinity, high light, or cold as well as resistance to pests and pathogens. Despite the abundance of vital roles of K in crop production, an improvement of K uptake and use efficiency has not been a major focus of conventional or transgenic breeding in the past. In addition, current soil analysis methods for K are insufficient for some common soils, posing the risk of imbalanced fertilization. A stronger prioritization of these areas of research is needed to counter declines in soil fertility and to improve food security.