Improving nitrogen use efficiency in rice for sustainable agriculture: Strategies and future perspectives

Resumo

O nitrogênio (N) é um nutriente importante para o crescimento e desenvolvimento do arroz. A aplicação de fertilizante nitrogenado tornou-se uma das formas inevitáveis de aumentar a produtividade do arroz devido ao conteúdo insuficiente de N no solo. No entanto, para alcançar produtividade estável e elevada, os agricultores geralmente aumentam a aplicação de fertilizante nitrogenado sem hesitação, resultando em uma série de problemas como poluição ambiental, desperdício de energia e baixa eficiência produtiva. Para a agricultura sustentável, é imperativo melhorar a eficiência de uso de nitrogênio (NUE) para diminuir a aplicação de fertilizante nitrogenado. Na presente revisão, primeiramente demonstramos o papel do N na mediação da arquitetura radicular, fotossíntese, balanço metabólico e componentes de rendimento em arroz. Além disso, resumimos as práticas agronômicas atuais para aumentar a NUE do arroz, incluindo fertilização equilibrada, o uso de inibidores de nitrificação e fertilizantes nitrogenados de liberação lenta, a aplicação parcelada de fertilizante nitrogenado, a fertilização na zona radicular, entre outras. Finalmente, discutimos os avanços recentes dos genes relacionados à eficiência de N com potencial valor de melhoramento. Esses genes contribuirão para melhorar a absorção de N, manter o balanço do metabolismo de N e aumentar a NUE, permitindo assim o melhoramento de novas variedades tolerantes à baixa disponibilidade de N para melhorar a produtividade e a qualidade do arroz. Além disso, variedades eficientes em N também precisam ser combinadas com manejo preciso de fertilizante nitrogenado e técnicas avançadas de cultivo para realizar a máxima exploração de seu potencial biológico.

Abstract

Nitrogen (N) is an important nutrient for the growth and development of rice. The application of N fertilizer has become one of the inevitable ways to increase rice yield due to insufficient soil N content. However, in order to achieve stable and high yield, farmers usually increase N fertilizer input without hesitation, resulting in a series of problems such as environmental pollution, energy waste and low production efficiency. For sustainable agriculture, improving the nitrogen use efficiency (NUE) to decrease N fertilizer input is imperative. In the present review, we firstly demonstrate the role of N in mediating root architecture, photosynthesis, metabolic balance, and yield components in rice. Furthermore, we further summarize the current agronomic practices for enhancing rice NUE, including balanced fertilization, the use of nitrification inhibitors and slow-release N fertilizers, the split application of N fertilizer, root zone fertilization, and so on. Finally, we discuss the recent advances of N efficiency-related genes with potential breeding value. These genes will contribute to improving the N uptake, maintain the N metabolism balance, and enhance the NUE, thereby breeding new varieties against low N tolerance to improve the rice yield and quality. Moreover, N-efficient varieties also need combine with precise N fertilizer management and advanced cultivation techniques to realize the maximum exploitation of their biological potential.