Phosphorus acquisition and use: critical adaptations by plants for securing a nonrenewable resource

Resumo

O fósforo (P) é limitante para a produção agrícola em mais de 30% da terra arável do mundo e, segundo algumas estimativas, os recursos mundiais de P barato podem se esgotar até 2050. A melhoria da aquisição e do uso de P pelas plantas é fundamental por motivos econômicos, humanitários e ambientais. As plantas desenvolveram uma série diversificada de estratégias para obter o P adequado em condições limitantes, incluindo modificações na arquitetura da raiz, no metabolismo do carbono e na estrutura da membrana, exsudação de ácidos orgânicos de baixo peso molecular, prótons e enzimas e expressão aprimorada de vários genes envolvidos na adaptação ao baixo P. Essas adaptações podem ser menos acentuadas em plantas associadas a micorrizas. A formação de raízes agrupadas sob estresse de P pela espécie não micorrízica tremoço branco (Lupinus albus) e as alterações bioquímicas que a acompanham exemplificam muitas das adaptações das plantas que aumentam a aquisição e o uso de P. Estudos fisiológicos, bioquímicos e moleculares da resposta do tremoço branco e de outras espécies à deficiência de P identificaram alvos que podem ser úteis para o aprimoramento das plantas. As abordagens genômicas que envolvem a identificação de etiquetas de sequências expressas (ESTs, do inglês expressed sequence tags) encontradas sob estresse de baixo P também podem gerar locais-alvo para o aprimoramento das plantas. Estudos interdisciplinares que unem o melhoramento de plantas, a bioquímica, a ciência do solo e a genética sob o grande guarda-chuva da genômica são pré-requisitos para o rápido progresso na melhoria da aquisição e do uso de nutrientes nas plantas.

Abstract

Phosphorus (P) is limiting for crop yield on > 30% of the world’s arable land and, by some estimates, world resources of inexpensive P may be depleted by 2050. Improvement of P acquisition and use by plants is critical for economic, humanitarian and environmental reasons. Plants have evolved a diverse array of strategies to obtain adequate P under limiting conditions, including modifications to root architecture, carbon metabolism and membrane structure, exudation of low molecular weight organic acids, protons and enzymes, and enhanced expression of the numerous genes involved in low-P adaptation. These adaptations may be less pronounced in mycorrhizal-associated plants. The formation of cluster roots under P-stress by the nonmycorrhizal species white lupin (Lupinus albus), and the accompanying biochemical changes exemplify many of the plant adaptations that enhance P acquisition and use. Physiological, biochemical, and molecular studies of white lupin and other species response to P-deficiency have identified targets that may be useful for plant improvement. Genomic approaches involving identification of expressed sequence tags (ESTs) found under low-P stress may also yield target sites for plant improvement. Interdisciplinary studies uniting plant breeding, biochemistry, soil science, and genetics under the large umbrella of genomics are prerequisite for rapid progress in improving nutrient acquisition and use in plants.