Advancing Climate-Resilient Sorghum: the Synergistic Role of Plant Biotechnology and Microbial Interactions

Resumo

Problemas relacionados ao clima, como estresse hídrico, temperatura extrema, padrões de precipitação erráticos, degradação do solo, ondas de calor, inundações, alagamentos, pragas e doenças, afligem a produção e a sustentabilidade do sorgo. Esses desafios podem ser abordados pela adoção de práticas resilientes ao clima e pelo uso de técnicas agronômicas avançadas. Esses desafios estão sendo enfrentados por meio de aplicações inovadoras da biotecnologia vegetal e da microbiologia, que oferecem soluções direcionadas para aumentar a resiliência do sorgo. Por exemplo, ferramentas biotecnológicas como o CRISPR/Cas9 permitem modificações genéticas precisas para melhorar a tolerância à seca e ao calor, enquanto inoculantes microbianos, como rizobactérias promotoras de crescimento de plantas (RPCP) e fungos micorrízicos arbusculares (FMA), aumentam a absorção de nutrientes e a tolerância ao estresse por meio de interações simbióticas. No entanto, as ferramentas biotecnológicas levam ao desenvolvimento de variedades de sorgo com tolerância ao calor, à seca e à salinidade, enquanto a seleção assistida por marcadores acelera significativamente o melhoramento para características resilientes ao estresse. Quando a engenharia genética é introduzida, genes que codificam proteínas de choque térmico, osmoprotetores e vias antioxidantes são introduzidos para aumentar a resistência da planta ao estresse abiótico. Esses compostos estabilizam estruturas celulares, protegem enzimas e mantêm o equilíbrio osmótico, aumentando a capacidade da planta de sobreviver e funcionar em condições ambientais adversas. Ao mesmo tempo, relata-se que a microbiologia oferece micróbios benéficos, bactérias fixadoras de nitrogênio, microrganismos solubilizadores de fosfato e fungos micorrízicos arbusculares que ajudam a aumentar a disponibilidade de nutrientes, a saúde do solo e a absorção de água. Combinações de endófitos e inoculantes microbianos aumentam a imunidade da planta a pragas e doenças, aumentando a tolerância ao estresse. Agentes de biocontrole, como Bacillus e Trichoderma, contêm supressão de patógenos e precisam de menor dependência do uso de pesticidas químicos. Além disso, a modificação genética aumenta a qualidade nutricional do sorgo biofortificado. É aqui que a biotecnologia e a microbiologia trabalham juntas para fornecer sistemas agrícolas sustentáveis, reduzindo os impactos ambientais, aumentando os rendimentos e garantindo o suprimento de alimentos sob estresses ambientais. Esta revisão visa examinar a integração sinérgica da biotecnologia vegetal e das interações microbianas como uma estratégia para aumentar a resiliência do sorgo aos estresses induzidos pelo clima, incluindo seca, temperaturas elevadas e solos deficientes em nutrientes. Ela destaca avanços recentes em ferramentas biotecnológicas, como edição de genes, seleção assistida por marcadores e cultura de tecidos, juntamente com o papel emergente de micróbios benéficos para as plantas na promoção da tolerância ao estresse e na melhoria da saúde do solo. Ao sintetizar o conhecimento atual nessas disciplinas, esta revisão busca delinear um quadro para pesquisas futuras que aproveitem a interseção da biotecnologia e da ecologia microbiana para apoiar a melhoria sustentável da resiliência do sorgo.

Abstract

Climate-related problems such as drought stress, extreme temperature, erratic rainfall patterns, soil degradation, heatwaves, flooding, water logging, pests and diseases afflict the production and sustainability of sorghum. These challenges may be addressed by adopting climate-resilient practices and using advanced agronomic techniques. These challenges are being addressed through innovative applications of plant biotechnology and microbiology, which offer targeted solutions to enhance sorghum’s resilience. For instance, biotechnological tools like CRISPR/Cas9 enable precise genetic modifications to improve drought and heat tolerance, while microbial inoculants, such as plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) and arbuscular mycorrhizal fungi (AMF), enhance nutrient uptake and stress tolerance through symbiotic interactions. However, biotechnological tools lead to the development of sorghum varieties with heat, drought and salinity tolerance, while marker-assisted selection significantly accelerates breeding for stress-resilient traits. When genetic engineering is introduced, genes encoding heat shock proteins, Osmo protectants and antioxidant pathways are introduced to increase plant resistance to abiotic stress. These compounds stabilise cellular structures, protect enzymes, and maintain osmotic balance, enhancing the plant’s ability to survive and function in adverse environmental conditions. At the same time, it is reported that microbiology offers beneficial microbes, nitrogen-fixing bacteria, phosphate-solubilizing microorganisms, and arbuscular mycorrhizal fungi that help enhance nutrient availability, soil health and water uptake. Combinations of endophytes and microbial inoculants enhance plant immunity to pests and diseases while increasing tolerance to stress. Biocontrol agents such as Bacillus and Trichoderma contain suppression of pathogens and need less dependence on the use of chemical pesticides. On top of that, genetic modification increases the nutritional quality of sorghum biofortified. This is where biotechnology and microbiology work together to deliver sustainable farming systems reducing environmental impacts, boosting yields and securing food supply under environmental stresses. This review aims to examine the synergistic integration of plant biotechnology and microbial interactions as a strategy to enhance sorghum’s resilience to climate-induced stresses, including drought, elevated temperatures, and nutrient-deficient soils. It highlights recent advancements in biotechnological tools such as gene editing, marker-assisted selection, and tissue culture, alongside the emerging role of plant-beneficial microbes in promoting stress tolerance and improving soil health. By synthesizing current knowledge across these disciplines, this review seeks to outline a framework for future research that harnesses the intersection of biotechnology and microbial ecology to support the sustainable improvement of sorghum resilience.