Confronting heat stress in crops amid global warming: Impacts, defense mechanisms, and strategies for enhancing thermotolerance

Resumo

As culturas enfrentam constantemente uma série de estresses bióticos e abióticos que afetam negativamente seu crescimento e produtividade. Entre estes, o estresse relacionado à temperatura, exacerbado pelas mudanças climáticas globais, representa uma ameaça significativa à produção agrícola mundial. O estresse térmico, em particular, leva a uma cascata de efeitos prejudiciais, incluindo fotossíntese prejudicada, taxas de respiração aumentadas, danos às membranas, desnaturação de proteínas, inibição da divisão e elongação celular e sucesso reprodutivo reduzido, resultando em última análise em perda de produtividade. Em resposta, as plantas ativam vários mecanismos de defesa, como a biossíntese de proteínas de choque térmico, antioxidantes e eliminadores de espécies reativas de oxigênio, juntamente com a ativação de fatores de transcrição responsivos ao estresse térmico. Melhorar a termotolerância em plantas cultivadas é, portanto, crucial para sustentar a segurança alimentar global. As principais abordagens incluem melhoramento, tecnologias transgênicas e a aplicação exógena de protetores térmicos. Esta revisão explora os diferentes impactos do estresse térmico, as respostas das plantas e as estratégias mais recentes para fortalecer a tolerância ao estresse térmico em principais espécies de culturas.

Abstract

Crops constantly face a range of biotic and abiotic stresses that negatively affect their growth and productivity. Among these, temperature-related stress, exacerbated by global climate change, poses a significant threat to crop production worldwide. Heat stress, in particular, leads to a cascade of detrimental effects, including impaired photosynthesis, increased respiration rates, membrane damage, protein denaturation, inhibited cell division and elongation, and reduced reproductive success, ultimately resulting in yield loss. In response, plants activate several defense mechanisms such as the biosynthesis of heat shock proteins, antioxidants, and reactive oxygen species scavengers, alongside the activation of heat stress-responsive transcription factors. Enhancing thermotolerance in crop plants is thus crucial for sustaining global food security. Key approaches include breeding, transgenic technologies, and the exogenous application of thermos-protectants. This review explores the different impacts of heat stress, plant responses, and the latest strategies to strengthen heat stress tolerance in major crop species.