Rethinking Crop Nutrition in Times of Modern Microbiology: Innovative Biofertilizer Technologies

Resumo

O crescimento populacional global representa uma ameaça à segurança alimentar em uma era de aumento da degradação dos ecossistemas, mudanças climáticas, erosão do solo e perda de biodiversidade. Neste contexto, aproveitar processos de ocorrência natural, como os fornecidos por microrganismos associados ao solo e às plantas, apresenta uma estratégia promissora para reduzir a dependência de agroquímicos. Biofertilizantes, são micróbios vivos que melhoram a nutrição das plantas, seja mobilizando ou aumentando a disponibilidade de nutrientes nos solos. Vários taxa microbianos, incluindo bactérias e fungos benéficos, são atualmente usados como biofertilizantes, pois colonizam com sucesso a rizosfera, a rizoplana ou o interior da raiz. Apesar de seu grande potencial para melhorar a fertilidade do solo, os biofertilizantes ainda precisam substituir os fertilizantes químicos convencionais na agricultura comercial. Nos últimos 10 anos, estudos multi-ômicos deram um passo significativo na compreensão dos direcionadores, papéis, processos e mecanismos no microbioma vegetal. No entanto, traduzir esse conhecimento sobre as funções do microbioma para capitalizar a nutrição vegetal em agroecossistemas ainda permanece um desafio. Aqui, abordamos os principais fatores que limitam as aplicações bem-sucedidas de biofertilizantes em campo e sugerimos soluções potenciais baseadas em estratégias emergentes para o desenvolvimento de produtos. Finalmente, discutimos a importância das diretrizes de biossegurança e propomos novas vertentes de pesquisa para o desenvolvimento de biofertilizantes.

Abstract

Global population growth poses a threat to food security in an era of increased ecosystem degradation, climate change, soil erosion, and biodiversity loss. In this context, harnessing naturally-occurring processes such as those provided by soil and plant-associated microorganisms presents a promising strategy to reduce dependency on agrochemicals. Biofertilizers are living microbes that enhance plant nutrition by either by mobilizing or increasing nutrient availability in soils. Various microbial taxa including beneficial bacteria and fungi are currently used as biofertilizers, as they successfully colonize the rhizosphere, rhizoplane or root interior. Despite their great potential to improve soil fertility, biofertilizers have yet to replace conventional chemical fertilizers in commercial agriculture. In the last 10 years, multi-omics studies have made a significant step forward in understanding the drivers, roles, processes, and mechanisms in the plant microbiome. However, translating this knowledge on microbiome functions in order to capitalize on plant nutrition in agroecosystems still remains a challenge. Here, we address the key factors limiting successful field applications of biofertilizers and suggest potential solutions based on emerging strategies for product development. Finally, we discuss the importance of biosafety guidelines and propose new avenues of research for biofertilizer development.