Optimizing carbon and nitrogen metabolism in plants: From fundamental principles to practical applications

Resumo

O carbono (C) e o nitrogênio (N) são elementos fundamentais essenciais para o crescimento e desenvolvimento das plantas, servindo como a espinha dorsal estrutural e funcional dos compostos orgânicos e impulsionando processos biológicos essenciais como fotossíntese, metabolismo de carboidratos e assimilação de N. O metabolismo e o transporte de C envolvem o movimento de açúcares entre a parte aérea e as raízes através dos sistemas de transporte do xilema e do floema, regulados por um hub de sinalização de açúcares. A absorção, o transporte e o metabolismo de nitrogênio são igualmente críticos, com as plantas assimilando nitrato e amônio por meio de transportadores e enzimas especializados em resposta a níveis variáveis de N para otimizar o crescimento e o desenvolvimento. A coordenação do metabolismo de C e N é chave para a produtividade das plantas e para a manutenção da estabilidade do agroecossistema. No entanto, a utilização ineficiente de fertilizantes nitrogenados resulta em desafios ambientais e econômicos substanciais, enfatizando a necessidade urgente de melhorar a eficiência de uso de nitrogênio (NUE) nas culturas. Integrar fotossíntese eficiente com a absorção de N oferece oportunidades para práticas agrícolas sustentáveis. Esta revisão discute avanços recentes na compreensão do transporte, metabolismo e sinalização de C e N em plantas, com ênfase particular nos genes relacionados à NUE em arroz, e explora estratégias de melhoramento para aumentar a eficiência das culturas e a sustentabilidade agrícola .

Abstract

Carbon (C) and nitrogen (N) are fundamental elements essential for plant growth and development, serving as the structural and functional backbone of organic compounds and driving essential biological processes such as photosynthesis, carbohydrate metabolism, and N assimilation. The metabolism and transport of C involve the movement of sugars between shoots and roots through xylem and phloem transport systems, regulated by a sugar-signaling hub. Nitrogen uptake, transport, and metabolism are equally critical, with plants assimilating nitrate and ammonium through specialized transporters and enzymes in response to varying N levels to optimize growth and development. The coordination of C and N metabolism is key to plant productivity and the maintaining of agroecosystem stability. However, inefficient utilization of N fertilizers results in substantial environmental and economic challenges, emphasizing the urgent need to improve N use efficiency (NUE) in crops. Integrating efficient photosynthesis with N uptake offers opportunities for sustainable agricultural practices. This review discusses recent advances in understanding C and N transport, metabolism, and signaling in plants, with a particular emphasis on NUE-related genes in rice, and explores breeding strategies to enhance crop efficiency and agricultural sustainability.