Molecular communication of microbial plant biostimulants in the rhizosphere under abiotic stress conditions

Resumo

Os bioestimulantes microbianos oferecem uma solução promissora e sustentável para melhorar o crescimento e a resiliência das plantas, particularmente sob condições de estresse abiótico, como seca, salinidade, temperaturas extremas e toxicidade por metais pesados. Esses bioestimulantes, incluindo rizobactérias promotoras de crescimento de plantas, fungos micorrízicos e bactérias fixadoras de nitrogênio, aumentam a tolerância das plantas por meio de mecanismos como a produção de fitormônios, a solubilização de nutrientes, o ajuste osmótico e a ativação de enzimas antioxidantes. Os avanços em genômica, metagenômica, transcriptômica e proteômica expandiram significativamente nossa compreensão da comunicação molecular planta-microrganismo na rizosfera, revelando os mecanismos subjacentes a essas interações que promovem a resiliência ao estresse. No entanto, desafios como o desempenho inconsistente em campo, lacunas de conhecimento na sinalização molecular relacionada ao estresse e obstáculos regulatórios continuam a limitar a adoção mais ampla de bioestimulantes. Apesar desses desafios, os bioestimulantes microbianos têm um potencial significativo para promover a sustentabilidade agrícola, particularmente em meio a estresses induzidos pelas mudanças climáticas. Estudos futuros e inovações, incluindo CRISPR e outras ferramentas de edição molecular, devem otimizar as formulações de bioestimulantes e sua aplicação para diversos sistemas agroecológicos. Esta revisão tem como objetivo destacar os avanços atuais, desafios e direções futuras no campo, defendendo uma abordagem multidisciplinar para aproveitar plenamente o potencial dos bioestimulantes na agricultura moderna.

Abstract

Microbial plant biostimulants offer a promising, sustainable solution for enhancing plant growth and resilience, particularly under abiotic stress conditions such as drought, salinity, extreme temperatures, and heavy metal toxicity. These biostimulants, including plant growth-promoting rhizobacteria, mycorrhizal fungi, and nitrogen-fixing bacteria, enhance plant tolerance through mechanisms such as phytohormone production, nutrient solubilization, osmotic adjustment, and antioxidant enzyme activation. Advances in genomics, metagenomics, transcriptomics, and proteomics have significantly expanded our understanding of plant–microbe molecular communication in the rhizosphere, revealing mechanisms underlying these interactions that promote stress resilience. However, challenges such as inconsistent field performance, knowledge gaps in stress-related molecular signaling, and regulatory hurdles continue to limit broader biostimulant adoption. Despite these challenges, microbial biostimulants hold significant potential for advancing agricultural sustainability, particularly amid climate change-induced stresses. Future studies and innovation, including Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats and other molecular editing tools, should optimize biostimulant formulations and their application for diverse agro-ecological systems. This review aims to underscore current advances, challenges, and future directions in the field, advocating for a multidisciplinary approach to fully harness the potential of biostimulants in modern agriculture.