Membrane transporters in Plants: Key players in abiotic and biotic stress tolerance and nutritional transport

Resumo

Diversos estressores abióticos e bióticos, incluindo extremos hídricos, flutuações de temperatura, salinidade e metais pesados, patógenos e doenças, reduzem significativamente a produtividade agrícola global. Respostas rápidas das plantas são essenciais para se adaptarem e minimizarem perdas metabólicas. Nesse contexto, os transportadores vegetais (PTs, do inglês Plant Transporters) são essenciais para modular as respostas ao estresse, permitindo a passagem de diversas moléculas e íons através da membrana plasmática. Os transportadores vegetais desempenham um papel pivotal na regulação da água e na facilitação da absorção de nutrientes, mantendo o equilíbrio celular, incluindo regulação osmótica, destoxificação, biofortificação e orquestração da dinâmica fonte-dreno em diferentes estágios ambientais nas plantas. Nesta revisão, aprofundamo-nos nas descobertas recentes sobre diversas famílias de transportadores, como ABC, MATE, NRAMP, SWEET, simportadores, STP, KUP, COPT/Ctr, NPF, NRT, PHT, YSL, ZIP e STP. Compreender as funções desses transportadores é fundamental para elucidar os mecanismos de tolerância ao estresse e aumentar a resiliência das culturas por meio do melhoramento e da edição gênica. Esses transportadores especializados de membrana vegetal desempenham um papel crucial para garantir produtividades econômicas sustentáveis e manter produtos de alta qualidade, particularmente em condições de cultivo desafiadoras. Exploramos suas contribuições para o crescimento robusto das plantas por meio de seu papel crucial no transporte de NPK e metabólitos secundários. Por meio de uma análise integrada da dinâmica dos transportadores durante o estresse, revelamos o nexo entre o manejo de nutrientes e a resiliência ao estresse. Também agrupamos técnicas promissoras que foram alcançadas para identificar PTs, como triagens baseadas em função, triagens baseadas em fenótipo e abordagens in silico, e fornecemos uma visão geral abrangente desses transportadores, oferecendo insights valiosos para a comunidade de pesquisa. Esta revisão também discute perspectivas futuras para o uso de ferramentas computacionais bioinformáticas na construção de redes de sinalização para melhorar nossa compreensão do comportamento dos transportadores sob estresse abiótico e biótico. Nesta revisão, destacamos exemplos com estudos de caso que ilustraram como novas tecnologias e ferramentas computacionais foram utilizadas na identificação e caracterização avançadas das funções dos PTs. Ao manipular estrategicamente esses transportadores, podemos pavimentar o caminho para o desenvolvimento de “Plantas para o Futuro”.

Abstract

Various abiotic and biotic stressors, including water extremes, temperature fluctuations, salinity, and heavy metals, pathogens and diseases significantly reduce global crop yields. Rapid plant responses are essential for adapting and minimizing metabolic losses. In this context, plant transporters (PTs) are essential for modulating stress responses by enabling the passage of diverse molecules and ions through the plasma membrane. Plant transporters play a pivotal role in regulating water and facilitating nutrient uptake, maintaining cellular equilibrium including osmotic regulation, detoxification, biofortification and orchestrating source-to-sink dynamics across different environmental stages in plants. In this review, we delved into recent discoveries concerning diverse transporter families such as ABC, MATE, NRAMP, SWEET, Symporters, STP, KUP, COPT/Ctr, NPF, NRT, PHT, YSL, ZIP and STP. Understanding the functions of these transporters is paramount for elucidating stress tolerance mechanisms and enhancing crop resilience through breeding and gene editing. These specialized plant membrane transporters play a crucial role in securing sustainable economic yields and maintaining high-quality produce, particularly in challenging growth conditions. We explored their contributions to plant robust growth via their crucial role in NPK and secondary metabolite transport. Through an integrated analysis of transporter dynamics during stress, we unveiled the nexus between nutrient management and stress resilience. We also clustered promising techniques that has been achieved to identify PTs such as function-driven screens, phenotype-driven screens and in silico-based approaches and provide a comprehensive overview of these transporters, offering valuable insights for the research community. This review also discusses future prospects for the use of bioinformatic computational tools in constructing signaling networks to improve our understanding of the behavior of transporters under abiotic and biotic stress. In this review, we highlight examples with case studies that illustrated how new technology and computational tools has been utilized in advanced identification and characterization of PTs functions. By strategically manipulating these transporters, we can pave the way for the development of “Plants for the Future.”