Molecular Breeding for Abiotic Stress Tolerance in Crops: Recent Developments and Future Prospectives

Resumo

O documento é uma revisão atualizada, a partir do Número Especial “Molecular Breeding for Abiotic Stress Tolerance in Crops” publicado no Int. J. Mol. Sci. Ele revisa estratégias de melhoramento molecular para aumentar a tolerância a estresses abióticos em culturas, abordando desafios como seca, salinidade, temperaturas extremas e alagamento, que ameaçam a segurança alimentar global. As mudanças climáticas intensificam esses estresses, tornando crítico o desenvolvimento de variedades resilientes. As plantas se adaptam por mecanismos como regulação hormonal (ex.: ABA, etileno), defesa antioxidante (ex.: SOD, CAT), ajuste osmótico (ex.: acúmulo de prolina) e regulação da expressão gênica via fatores de transcrição como MYB e WRKY. Ferramentas avançadas, como edição genômica por CRISPR/Cas9, permitem modificações precisas em genes relacionados ao estresse, melhorando a tolerância sem comprometer o rendimento. Exemplos incluem arroz (OsRR22, OsDST) e trigo (TaERF3, TaHKT1;5). A regulação epigenética, incluindo metilação do DNA e modificações de histonas, também desempenha papel na adaptação ao estresse. Estudos específicos focaram em priming de sementes com poliaminas para melhorar a germinação e a resistência, mecanismos de destoxificação de cádmio e estudos de associação genômica ampla (GWAS) para identificar marcadores genéticos de tolerância ao sal e produtividade. Pesquisas sobre tolerância à salinidade em trigo enfatizam mecanismos de exclusão de sódio e tolerância tecidual. Perspectivas futuras concentram‑se em engenharia genética, marcadores moleculares, estudos epigenéticos e validação funcional para enfrentar os desafios do estresse ambiental, incluindo o uso de IA e aprendizado de máquina para gerenciar a grande quantidade de dados. A revisão ressalta a importância de traduzir achados moleculares em aplicações práticas para garantir produção agrícola sustentável em climas em mudança.

Abstract

The document is an updated review, starting from the Special Issue “Molecular Breeding for Abiotic Stress Tolerance in Crops” published in the Int. J. Mol. Sci. It reviews molecular breeding strategies to enhance abiotic stress tolerance in crops, addressing challenges like drought, salinity, temperature extremes, and waterlogging, which threaten global food security. Climate change intensifies these stresses, making it critical to develop resilient crop varieties. Plants adapt to stress through mechanisms such as hormonal regulation (e.g., ABA, ethylene), antioxidant defense (e.g., SOD, CAT), osmotic adjustment (e.g., proline accumulation), and gene expression regulation via transcription factors like MYB and WRKY. Advanced tools, such as CRISPR/Cas9 genome editing, enable precise modifications of stress-related genes, improving tolerance without compromising yield. Examples include rice (OsRR22, OsDST) and wheat (TaERF3, TaHKT1;5). Epigenetic regulation, including DNA methylation and histone modifications, also plays a role in stress adaptation. Specific studies focused on polyamine seed priming for improved germination and stress resistance, cadmium detoxification mechanisms, and genome-wide association studies (GWAS) to identify genetic markers for salt tolerance and yield. Research on salinity tolerance in wheat emphasizes sodium exclusion and tissue tolerance mechanisms. Future perspectives focus on genetic engineering, molecular markers, epigenetic studies, and functional validation to address environmental stress challenges, including the use of AI and machine learning to manage the large amount of data. The review underscores the importance of translating molecular findings into practical applications to ensure sustainable crop production under changing climates.