Microbiome-facilitated plant nutrient acquisition

Resumo

Plantas e microbiomas coevoluem há milênios. Por meio dessa coevolução, os microbiomas tornaram-se essenciais para a aquisição de nutrientes pelas plantas, o que envolve sinalização, sensoriamento microbiano e aquisição e compartilhamento de nutrientes. Nesta revisão, sintetizamos avanços recentes nas complexas associações de mecanismos moleculares, fisiológicos e ecoevolutivos que sustentam a absorção de nutrientes pelas plantas facilitada por microrganismos. Com foco em novos insights sobre a comunicação planta-microbianos e vias metabólicas, avaliamos oportunidades potenciais para aproveitar os microbiomas vegetais para fornecer nutrientes de forma sustentável em ecossistemas agrícolas e naturais. No entanto, o progresso adicional é limitado por lacunas importantes de conhecimento. Propomos uma estrutura conceitual alterada para o avanço que inclui uma compreensão holística das relações ecoevolutivas com consideração explícita dos mecanismos de sinalização e sensoriamento. Por fim, argumentamos que o avanço da ciência fundamental, utilizando abordagens analíticas emergentes de forma integrada, é fundamental para desenvolver ferramentas eficazes baseadas no microbioma que possam aprimorar a aquisição de nutrientes pelas plantas e promover a segurança alimentar e a sustentabilidade ambiental a longo prazo.

Abstract

Plants and microbiomes have co-evolved for millennia. Through this co-evolution, microbiomes have become essential for plant nutrient acquisition, which involves plant signaling, microbial sensing, and acquiring and sharing nutrients. In this review, we synthesize recent advancements in the complex associations of molecular, physiological, and eco-evolutionary mechanisms that underpin microbe-facilitated plant nutrient uptake. Focusing on emerging insights in plant-microbial communication and metabolic pathways, we evaluate potential opportunities to harness plant microbiomes to sustainably supply nutrients in agricultural and natural ecosystems. However, further progress is constrained by key knowledge gaps. We propose an amended conceptual framework for advancement that includes a holistic understanding of eco-evolutionary relationships with explicit consideration of signaling and sensing mechanisms. Finally, we argue that advancing fundamental science by utilizing emerging analytical approaches in an integrated way is critical to develop effective microbiome-informed tools that can enhance plant nutrient acquisition and promote long-term food security and environmental sustainability.