Root phenotypes for improved nutrient capture: an underexploited opportunity for global agriculture
Resumo
As culturas eficientes em termos de nutrientes são uma solução para os dois grandes desafios da agricultura moderna: melhorar a segurança alimentar e, ao mesmo tempo, reduzir os impactos ambientais. Os principais desafios são: (1) a eficiência do nitrogênio (N) e do fósforo (P); (2) a eficiência do potássio (K), do cálcio (Ca) e do magnésio (Mg) para solos ácidos; e (3) a eficiência do ferro (Fe) e do zinco (Zn) para solos alcalinos. Os fenótipos de raiz são alvos promissores de melhoramento para cada um deles. O ideótipo ‘Topsoil Foraging’ é benéfico para a captura de P e também deve ser útil para a captura de K, Ca e Mg em solos ácidos. O ideótipo Steep, Cheap e Deep para forrageamento do subsolo é benéfico para a captura de N e água. A captura de Fe e Zn pode ser aprimorada com o direcionamento dos mecanismos de mobilização de metais na rizosfera. Os pelos da raiz e os fenômenos que reduzem o custo metabólico da exploração do solo devem ser priorizados nos programas de melhoramento. As culturas eficientes em termos de nutrientes devem proporcionar benefícios em todos os níveis de insumos. Embora nosso conhecimento atual seja suficiente para implantar fenótipos de raiz para melhorar a captura de nutrientes no cultivo, esse tópico complexo não recebe os recursos que merece na biologia vegetal básica ou aplicada. É necessária uma ênfase renovada nesses tópicos para desenvolver as culturas eficientes em termos de nutrientes que são urgentemente necessárias na agricultura global.
Abstract
Nutrient-efficient crops are a solution to the two grand challenges of modern agriculture: improving food security while reducing environmental impacts. The primary challenges are (1) nitrogen (N) and phosphorus (P) efficiency; (2) potassium (K), calcium (Ca), and magnesium (Mg) efficiency for acid soils; and (3) iron (Fe) and zinc (Zn) efficiency for alkaline soils. Root phenotypes are promising breeding targets for each of these. The Topsoil Foraging ideotype is beneficial for P capture and should also be useful for capture of K, Ca, and Mg in acid soils. The Steep, Cheap, and Deep ideotype for subsoil foraging is beneficial for N and water capture. Fe and Zn capture can be improved by targeting mechanisms of metal mobilization in the rhizosphere. Root hairs and phenes that reduce the metabolic cost of soil exploration should be prioritized in breeding programs. Nutrient-efficient crops should provide benefits at all input levels. Although our current understanding is sufficient to deploy root phenotypes for improved nutrient capture in crop breeding, this complex topic does not receive the resources it merits in either applied or basic plant biology. Renewed emphasis on these topics is needed in order to develop the nutrient-efficient crops urgently needed in global agriculture.
J. P. Lynch
2019 - New Phytologist
