Potassium Control of Plant Functions: Ecological and Agricultural Implications

Resumo

O potássio, principalmente como cátion (K⁺), juntamente com o cálcio (Ca²⁺), são os produtos químicos inorgânicos mais abundantes no meio celular vegetal, mas raramente são discutidos. O K⁺ não é um componente de estruturas moleculares ou macromoleculares vegetais, portanto, é mais difícil vinculá-lo a vias metabólicas concretas do que o nitrogênio ou o fósforo. Nas últimas duas décadas, muitos estudos relataram o papel do K⁺ em várias funções fisiológicas, incluindo o controle do crescimento celular e da formação de madeira, o conteúdo e o movimento de água no xilema-floema, o transporte de nutrientes e metabólitos, e as respostas ao estresse. Neste artigo, apresentamos uma visão geral das descobertas contemporâneas que associam o K⁺ a várias funções vegetais, enfatizando as respostas mediadas pela planta a mudanças e estresses ambientais abióticos e bióticos, controlando potenciais transmembrana e o transporte de água, nutrientes e metabólitos. Esses papéis essenciais do K⁺ explicam suas altas concentrações nos órgãos vegetais mais ativos, como as folhas, e são consistentes com o número crescente de estudos ecológicos e agrícolas que relatam o K⁺ como um elemento-chave na função e estrutura dos ecossistemas terrestres, na produção agrícola e na segurança alimentar global. Sintetizamos esses papéis a partir de uma perspectiva integrada, considerando as funções metabólicas e fisiológicas das plantas individuais e seus papéis complexos nas funções dos ecossistemas terrestres e na segurança alimentar no contexto atual das mudanças globais em curso. Assim, fornecemos uma ponte entre os estudos de K⁺ nos níveis vegetal e ecológico para, em última análise, afirmar que o K⁺ deve ser considerado pelo menos em um nível semelhante ao N e ao P nos estudos ecológicos terrestres.

Abstract

Potassium, mostly as a cation (K+), together with calcium (Ca2+) are the most abundant inorganic chemicals in plant cellular media, but they are rarely discussed. K+ is not a component of molecular or macromolecular plant structures, thus it is more difficult to link it to concrete metabolic pathways than nitrogen or phosphorus. Over the last two decades, many studies have reported on the role of K+ in several physiological functions, including controlling cellular growth and wood formation, xylem–phloem water content and movement, nutrient and metabolite transport, and stress responses. In this paper, we present an overview of contemporary findings associating K+ with various plant functions, emphasizing plant-mediated responses to environmental abiotic and biotic shifts and stresses by controlling transmembrane potentials and water, nutrient, and metabolite transport. These essential roles of K+ account for its high concentrations in the most active plant organs, such as leaves, and are consistent with the increasing number of ecological and agricultural studies that report K+ as a key element in the function and structure of terrestrial ecosystems, crop production, and global food security. We synthesized these roles from an integrated perspective, considering the metabolic and physiological functions of individual plants and their complex roles in terrestrial ecosystem functions and food security within the current context of ongoing global change. Thus, we provide a bridge between studies of K+ at the plant and ecological levels to ultimately claim that K+ should be considered at least at a level similar to N and P in terrestrial ecological studies.