From roots to resilience: Strigolactones for boosting crop resilience and productivity under stressful environments

Resumo

Estresses ambientais como seca, salinidade e temperaturas extremas perturbam processos fisiológicos, ameaçam o crescimento das culturas e reduzem a produtividade, comprometendo a sustentabilidade agrícola global e a segurança alimentar. Portanto, melhorar a resiliência das culturas é crucial para impulsionar a produtividade agrícola em climas imprevisíveis e com uma população crescente. As estrigolactonas (SLs) são novos fito-hormônios derivados de carotenoides exsudados pelas raízes e oferecem potencial promissor para aumentar a resiliência e a produtividade das culturas em ambientes desafiadores. As SLs estão envolvidas no desenvolvimento das plantas através da regulação da sinalização vegetal, da arquitetura da parte aérea e das raízes, do estabelecimento de micorrizas e do controle de plantas daninhas parasitas. Esta revisão explora a biossíntese das SLs, as vias de sinalização, os mecanismos subjacentes envolvidos na mitigação de estresses ambientais e deficiências nutricionais, e os caminhos para o desenvolvimento de cultivares resistentes a estresses e agroquímicos sustentáveis para a produção agrícola sustentável. As SLs, ao aumentar a ramificação de hifas em fungos micorrízicos arbusculares (FMA), promovem o crescimento radicular, a absorção de nutrientes e a absorção de água. A análise transcriptômica mostrou que as SLs regulam a condutância estomática, aumentam a atividade antioxidante, melhoram a morfologia das plantas e a resiliência ao estresse, modulando diferentes vias hormonais, como auxina, ácido abscísico (ABA), citocinina (CK) e ácido giberélico (GA). Aproveitando essas funções, as SLs podem auxiliar no desenvolvimento de cultivares com sistemas vegetativos e radiculares otimizados, adaptados para suportar diversas condições ambientais adversas por meio de melhoramento genético direcionado. Avanços na engenharia microbiana permitem a produção eficiente e escalável de SLs naturais e novas em hospedeiros como levedura ou Escherichia coli. Além disso, a formulação de SLs e seus análogos, como GR24 e Nijmegen-1, melhora sua estabilidade, solubilidade e eficácia em aplicações de campo. Portanto, insights claros sobre as capacidades potenciais das SLs podem possibilitar o desenvolvimento de plantas resilientes a estresses com produtividade melhorada em meio a climas em mudança.

Abstract

Environmental stresses like drought, salinity, and extreme temperatures disrupt physiological processes, threaten crop growth, and reduce yields, thereby jeopardizing global agricultural sustainability and food security. Therefore, improving crop resilience is crucial for boosting agricultural productivity amid unpredictable climates and a growing population. Strigolactones (SLs) are carotenoid-derived novel phytohormones exuded by roots and offer promising potential to augment crop resilience and productivity under challenging environments. SLs are involved in plant development through the regulation of plant signaling, shoot and root architecture, mycorrhizal establishment, and controlling parasitic weeds. This review explores SLs’ biosynthesis, signaling pathways, underlying mechanisms involved in mitigating environmental stresses and nutrient deficiencies, and pathways for developing stress-resistant cultivars and sustainable agrochemicals for sustainable crop production. SLs, by enhancing hyphal branching in arbuscular mycorrhizal fungi (AMF), promote root growth, nutrient uptake, and water absorption. Transcriptomic analysis showed that SLs regulate stomatal conductance, enhance antioxidant activity, improve plant morphology, and stress resilience by modulating different hormonal pathways, such as auxin, abscisic acid (ABA), cytokinin (CK), and gibberellic acid (GA). Leveraging these functions, SLs can aid in developing crop cultivars with optimized vegetative and root systems tailored to withstand various adverse environmental conditions through targeted genetic breeding. Advances in microbial engineering enable efficient and scalable production of natural and novel SLs in hosts like yeast or Escherichia coli. Moreover, formulating SLs and their analogs, like GR24 and Nijmegen-1, enhances their stability, solubility, and effectiveness in field applications. Hence, clear insights about the potential capabilities of SLs could enable the development of stress-resilient plants with improved yields amid changing climates.