PGPR Mediated Alterations in Root Traits: Way Toward Sustainable Crop Production

Resumo

O crescimento da parte aérea da planta depende fortemente do sistema radicular subterrâneo. A rizosfera é a zona de interação contínua entre as raízes das plantas e as comunidades microbianas do solo. Por meio dos exsudatos radiculares, as plantas atraem microrganismos da rizosfera para colonizar a superfície e os tecidos internos das raízes. Muitos desses microrganismos, conhecidos como rizobactérias promotoras de crescimento de plantas (PGPR), melhoram o crescimento vegetal por diversos mecanismos diretos e indiretos, incluindo fixação biológica de nitrogênio, solubilização de nutrientes e controle de doenças. Muitas PGPR, ao produzirem fitormônios, compostos orgânicos voláteis e metabólitos secundários, desempenham papel importante na arquitetura e no crescimento das raízes, resultando em maior área superficial para a troca de nutrientes e em outros efeitos rizosféricos. As PGPR também aumentam a eficiência de uso de recursos pelo sistema radicular ao melhorar seu funcionamento em nível fisiológico. As alterações nas características radiculares mediadas por PGPR podem contribuir para o agroecossistema ao melhorar o estande das culturas, a eficiência de uso de recursos, a tolerância a estresses, a estrutura do solo etc. Assim, PGPR capazes de modular as características radiculares podem desempenhar papel importante na sustentabilidade agrícola, e essas características podem ser usadas como critério primário para a seleção de estirpes potenciais de PGPR. Os estudos disponíveis com PGPR enfatizam características morfológicas e fisiológicas das raízes para avaliar seus efeitos. Contudo, essas características podem ser influenciadas por diversos fatores externos e fornecer resultados variáveis. Portanto, é importante compreender as vias e os genes envolvidos nas características radiculares das plantas e os sinais/metabólitos microbianos que podem interceptar e/ou cruzar essas vias para modular as características radiculares. O uso de ferramentas e tecnologias avançadas pode ajudar a decifrar os mecanismos envolvidos nos determinantes mediados por PGPR que afetam as características radiculares. A identificação de determinantes/moléculas sinalizadoras de PGPR capazes de regular genes e vias das características radiculares pode abrir novos caminhos na pesquisa com PGPR. A presente revisão atualiza o conhecimento recente sobre a influência das PGPR na arquitetura e nas características funcionais das raízes e seus benefícios para o agroecossistema. Buscou-se compreender os sinais/determinantes bacterianos que podem desempenhar papel regulador na expressão das características radiculares e suas perspectivas na agricultura sustentável. A revisão será útil para fornecer direções futuras aos pesquisadores que trabalham com PGPR e com o funcionamento do sistema radicular.

Abstract

The above ground growth of the plant is highly dependent on the belowground root system. Rhizosphere is the zone of continuous interplay between plant roots and soil microbial communities. Plants, through root exudates, attract rhizosphere microorganisms to colonize the root surface and internal tissues. Many of these microorganisms known as plant growth promoting rhizobacteria (PGPR) improve plant growth through several direct and indirect mechanisms including biological nitrogen fixation, nutrient solubilization, and disease-control. Many PGPR, by producing phytohormones, volatile organic compounds, and secondary metabolites play important role in influencing the root architecture and growth, resulting in increased surface area for nutrient exchange and other rhizosphere effects. PGPR also improve resource use efficiency of the root system by improving the root system functioning at physiological levels. PGPR mediated root trait alterations can contribute to agroecosystem through improving crop stand, resource use efficiency, stress tolerance, soil structure etc. Thus, PGPR capable of modulating root traits can play important role in agricultural sustainability and root traits can be used as a primary criterion for the selection of potential PGPR strains. Available PGPR studies emphasize root morphological and physiological traits to assess the effect of PGPR. However, these traits can be influenced by various external factors and may give varying results. Therefore, it is important to understand the pathways and genes involved in plant root traits and the microbial signals/metabolites that can intercept and/or intersect these pathways for modulating root traits. The use of advanced tools and technologies can help to decipher the mechanisms involved in PGPR mediated determinants affecting the root traits. Further identification of PGPR based determinants/signaling molecules capable of regulating root trait genes and pathways can open up new avenues in PGPR research. The present review updates recent knowledge on the PGPR influence on root architecture and root functional traits and its benefits to the agro-ecosystem. Efforts have been made to understand the bacterial signals/determinants that can play regulatory role in the expression of root traits and their prospects in sustainable agriculture. The review will be helpful in providing future directions to the researchers working on PGPR and root system functioning.