Biotechnological Strategies to Enhance Maize Resilience Under Climate Change

Resumo

O milho (Zea mays L.), uma cultura vital para a segurança alimentar e econômica global, enfrenta estresses bióticos e abióticos intensificados pelas mudanças climáticas, incluindo seca, calor e chuvas irregulares. Esta revisão sintetiza estratégias emergentes impulsionadas pela biotecnologia, projetadas para aumentar a resiliência do milho sob essas condições ambientais em mudança. Apresentamos um quadro integrado que abrange CRISPR/Cas9 e edição de genoma de próxima geração, Seleção Genômica (SG), Seleção Genômica Ampla (SGA) e plataformas multiômicas — abrangendo transcriptômica, proteômica, metabolômica e epigenômica. Essas abordagens aprofundaram significativamente nossa compreensão de traços complexos de adaptação ao estresse e interações genótipo-ambiente, revelando alvos precisos para o melhoramento de cultivares climaticamente resilientes. Além disso, destacamos tecnologias habilitadoras, como fenotipagem de alta capacidade, inteligência artificial (IA) e entrega de genes baseada em nanopartículas — incluindo protocolos in planta e livres de transformação — que estão acelerando o melhoramento translacional. Apesar desses avanços técnicos, barreiras como eficiência de transformação dependente do genótipo, cenários regulatórios e custos de implementação em ambientes com recursos limitados permanecem. Preencher a lacuna entre a inovação laboratorial e a implantação em campo exigirá apoio político coordenado e colaboração global. Ao integrar avanços moleculares com estratégias práticas de implantação, esta revisão oferece um roteiro abrangente para o desenvolvimento de variedades de milho sustentáveis e climaticamente resilientes para atender às futuras demandas agrícolas.

Abstract

Maize (Zea mays L.), a vital crop for global food and economic security, faces intensifying biotic and abiotic stresses driven by climate change, including drought, heat, and erratic rainfall. This review synthesizes emerging biotechnology-driven strategies designed to enhance maize resilience under these shifting environmental conditions. We present an integrated framework that encompasses CRISPR/Cas9 and next-generation genome editing, Genomic Selection (GS), Environmental Genomic Selection (EGS), and multi-omics platforms—spanning transcriptomics, proteomics, metabolomics, and epigenomics. These approaches have significantly deepened our understanding of complex stress-adaptive traits and genotype-by-environment interactions, revealing precise targets for breeding climate-resilient cultivars. Furthermore, we highlight enabling technologies such as high-throughput phenotyping, artificial intelligence (AI), and nanoparticle-based gene delivery—including novel in planta and transformation-free protocols—that are accelerating translational breeding. Despite these technical breakthroughs, barriers such as genotype-dependent transformation efficiency, regulatory landscapes, and implementation costs in resource-limited settings remain. Bridging the gap between laboratory innovation and field deployment will require coordinated policy support and global collaboration. By integrating molecular breakthroughs with practical deployment strategies, this review offers a comprehensive roadmap for developing sustainable, climate-resilient maize varieties to meet future agricultural demands.