Harnessing the plant microbiome for sustainable crop production

Resumo

A pesquisa global sobre o microbioma vegetal aprimorou nossa compreensão das complexas interações entre plantas e microrganismos. A estrutura e as funções dos microrganismos associados às plantas, bem como os fatores genéticos, bioquímicos, físicos e metabólicos que influenciam as características benéficas da microbiota vegetal também têm sido intensamente estudados. Aproveitar o microbioma vegetal levou ao desenvolvimento de várias aplicações microbianas para melhorar a produtividade das culturas diante de uma série de desafios, por exemplo, mudanças climáticas, estresses abióticos e bióticos e o declínio das propriedades do solo. Microrganismos, particularmente rizóbios fixadores de nitrogênio, bem como micorrizas e agentes de biocontrole, têm sido aplicados por décadas para melhorar a nutrição e a saúde das plantas. Ainda assim, existem limitações quanto à eficácia e consistência em condições de campo. Além disso, a riqueza do conhecimento em expansão sobre diversidade, funções e interações do microbioma representa uma enorme fonte de informação a ser explorada para novos tipos de aplicação. Nesta Revisão, exploramos as funções, mecanismos, montagem e tipos de interação do microbioma vegetal e discutimos as aplicações atuais e suas armadilhas. Além disso,abordamos como as descobertas mais recentes na pesquisa do microbioma vegetal podem impulsionar ao desenvolvimento de novas aplicações ou mais avançadas. Finalmente, discutimos as principais lacunas nas pesquisas para aproveitar totalmente as funções do microbioma para a produção vegetal sustentável.

Abstract

Global research on the plant microbiome has enhanced our understanding of the complex interactions between plants and microorganisms. The structure and functions of plant-associated microorganisms, as well as the genetic, biochemical, physical and metabolic factors that influence the beneficial traits of plant microbiota have also been intensively studied. Harnessing the plant microbiome has led to the development of various microbial applications to improve crop productivity in the face of a range of challenges, for example, climate change, abiotic and biotic stresses, and declining soil properties. Microorganisms, particularly nitrogen-fixing rhizobia as well as mycorrhizae and biocontrol agents, have been applied for decades to improve plant nutrition and health. Still, there are limitations regarding efficacy and consistency under field conditions. Also, the wealth of expanding knowledge on microbiome diversity, functions and interactions represents a huge source of information to exploit for new types of application. In this Review, we explore plant microbiome functions, mechanisms, assembly and types of interaction, and discuss current applications and their pitfalls. Furthermore, we elaborate on how the latest findings in plant microbiome research may lead to the development of new or more advanced applications. Finally, we discuss research gaps to fully leverage microbiome functions for sustainable plant production.