Abiotic stress responses in crop plants: A multi-scale approach

Resumo

As pressões populacionais globais exigiram maior foco na proteção e no desenvolvimento de espécies vegetais resilientes que possam manter a produtividade apesar dos desafios ambientais. A degradação ambiental, impulsionada pelas mudanças climáticas e atividades antrópicas, representa ameaças significativas à segurança alimentar global por meio de várias formas de estresse físico. As principais restrições ambientais que afetam os rendimentos agrícolas em todo o mundo incluem salinidade, escassez de água, desequilíbrios nutricionais (abrangendo toxicidade e deficiências minerais) e temperaturas extremas. O rendimento das culturas é influenciado por múltiplos fatores abióticos, incluindo condições agronômicas, variáveis climáticas e disponibilidade de nutrientes no solo. As plantas desenvolvem vários mecanismos de sobrevivência em níveis molecular, celular e fisiológico em resposta ao estresse. O estresse abiótico, seja ocorrendo individualmente ou em combinação, impacta significativamente o crescimento e a produtividade das culturas. Por exemplo, o estresse hídrico reduz a área foliar, a altura da planta e o desenvolvimento geral da cultura. O estresse pelo frio inibe o desenvolvimento da planta e a eficiência da cultura, levando à produtividade diminuída. O estresse salino não apenas induz estresse hídrico nas plantas, mas também afeta negativamente o metabolismo citosólico, o desenvolvimento celular, a função da membrana e aumenta a produção de espécies reativas de oxigênio (ROS). Concentrações elevadas de CO₂ podem melhorar os padrões de precipitação global, potencialmente resultando em aumento da precipitação que pode afetar adversamente o desenvolvimento das culturas. Plantas sob estresse hídrico excessivo exibem conteúdo reduzido de amilose, mas níveis aumentados de proteína bruta. Isso afeta tanto a qualidade quanto a quantidade da produção agrícola, inibindo a germinação de sementes e causando prejuízos ao crescimento por meio dos efeitos combinados do potencial osmótico elevado e da toxicidade iônica. As plantas evoluíram vários mecanismos de escape-evitação e tolerância em resposta ao estresse abiótico, incluindo adaptações fisiológicas e respostas celulares ou moleculares integradas. Este artigo de revisão examina o impacto do estresse abiótico nas atividades morfofisiológicas, bioquímicas e moleculares em várias culturas. Além disso, analisa as interações das culturas com o estresse abiótico em relação aos mecanismos de resposta e adaptação, fornecendo uma estrutura fundamental para a seleção de espécies e o desenvolvimento de variedades tolerantes a estresses no futuro.

Abstract

Global population pressures have necessitated increased focus on protecting and developing resilient plant species that can maintain productivity despite environmental challenges. Environmental degradation, driven by climate change and anthropogenic activities, poses significant threats to global food security through various forms of physical stress. Major environmental constraints affecting agricultural yields worldwide include salinity, water scarcity, nutritional imbalances (encompassing mineral toxicity and deficiencies), and extreme temperatures. Crop yield is influenced by multiple abiotic factors, including agronomic conditions, climatic variables, and soil nutrient availability. Plants develop various survival mechanisms at molecular, cellular, and physiological levels in response to stress. Abiotic stress, whether occurring individually or in combination, significantly impacts crop growth and productivity. For instance, drought stress reduces leaf area, plant height, and overall crop development. Cold stress inhibits plant development and crop efficiency, leading to diminished productivity. Salinity stress not only induces water stress in plants but also negatively affects cytosolic metabolism, cell development, membrane function, and increases reactive oxygen species (ROS) production. Elevated CO2 concentrations may enhance global precipitation patterns, potentially resulting in increased rainfall that can adversely affect crop development. Plants under excessive water stress exhibit reduced amylose content but increased crude protein levels. This affects both quality and quantity of crop production by inhibiting seed germination and causing growth impairment through combined effects of elevated osmotic potential and ion toxicity. Plants have evolved various escape-avoidance and tolerance mechanisms in response to abiotic stress, including physiological adaptations and integrated cellular or molecular responses. This review paper examines the impact of abiotic stress on morpho-physiological, biochemical, and molecular activities across various crops. Additionally, it analyzes crop interactions with abiotic stress regarding response and adaptation mechanisms, providing a fundamental framework for species selection and development of stress-tolerant varieties in the future.