Phosphate solubilizing microbes: sustainable approach for managing phosphorus deficiency in agricultural soils

Resumo

O fósforo é o segundo elemento-chave mais importante, depois do nitrogênio, como nutriente mineral em termos de exigência quantitativa das plantas. Embora abundante nos solos, tanto em formas orgânicas quanto inorgânicas, sua disponibilidade é restrita, pois ocorre principalmente em formas insolúveis. O teor de P no solo médio é de cerca de 0,05% (p/p), mas apenas 0,1% do P total está disponível para a planta devido à baixa solubilidade e à sua fixação no solo (Illmer e Schinner, Soil Biol Biochem 27:257-263, 1995). Um suprimento adequado de fósforo durante as fases iniciais do desenvolvimento da planta é importante para o estabelecimento dos primórdios das partes reprodutivas da planta. Ele desempenha um papel significativo no aumento da ramificação e da força da raiz, conferindo vitalidade e capacidade de resistência a doenças à planta. Ele também ajuda na formação de sementes e na maturação precoce de culturas como cereais e legumes. A baixa disponibilidade ou deficiência de fósforo (P) reduz consideravelmente o tamanho e o crescimento das plantas. O fósforo representa cerca de 0,2 a 0,8% do peso seco da planta. Para atender às necessidades nutricionais das culturas, o P geralmente é adicionado ao solo como fertilizante químico, mas a síntese de fertilizantes químicos de P é um processo altamente intensivo em energia e tem impactos de longo prazo no meio ambiente em termos de eutrofização, esgotamento da fertilidade do solo e pegada de carbono. Além disso, as plantas podem usar apenas uma pequena quantidade desse P, já que 75 a 90% do P adicionado é precipitado por complexos de cátions metálicos e se fixa rapidamente no solo. Essas preocupações ambientais levaram à busca de uma forma sustentável de nutrição de P para as culturas. Nesse sentido, os microrganismos solubilizadores de fósforo (MSP) têm sido vistos como o melhor meio ecologicamente correto para a nutrição de P das culturas. Embora várias cepas bacterianas (pseudomonadas e bacilos) e fúngicas (Aspergilli e Penicillium) tenham sido identificadas como MSP, seu desempenho em condições in situ não é confiável e, portanto, precisa ser melhorado com o uso de cepas geneticamente modificadas ou técnicas de co-inoculação. Esta revisão enfoca a diversidade de MSP, o mecanismo de solubilização de P, o papel de várias fosfatases, o impacto de vários fatores na solubilização de P, o cenário atual e futuro de seu uso e o potencial de aplicação desse conhecimento no gerenciamento de um sistema ambiental sustentável.

Abstract

Phosphorus is the second important key element after nitrogen as a mineral nutrient in terms of quantitative plant requirement. Although abundant in soils, in both organic and inorganic forms, its availability is restricted as it occurs mostly in insoluble forms. The P content in average soil is about 0.05% (w/w) but only 0.1% of the total P is available to plant because of poor solubility and its fixation in soil (Illmer and Schinner, Soil Biol Biochem 27:257-263, 1995). An adequate supply of phosphorus during early phases of plant development is important for laying down the primordia of plant reproductive parts. It plays significant role in increasing root ramification and strength thereby imparting vitality and disease resistance capacity to plant. It also helps in seed formation and in early maturation of crops like cereals and legumes. Poor availability or deficiency of phosphorus (P) markedly reduces plant size and growth. Phosphorus accounts about 0.2 – 0.8% of the plant dry weight. To satisfy crop nutritional requirements, P is usually added to soil as chemical P fertilizer, however synthesis of chemical P fertilizer is highly energy intensive processes, and has long term impacts on the environment in terms of eutrophication, soil fertilility depletion, carbon footprint. Moreover, plants can use only a small amount of this P since 75–90% of added P is precipitated by metal–cation complexes, and rapidly becomes fixed in soils. Such environmental concerns have led to the search for sustainable way of P nutrition of crops. In this regards phosphate-solubilizing microorganisms (PSM) have been seen as best eco-friendly means for P nutrition of crop. Although, several bacterial (pseudomonads and bacilli) and fungal strains (Aspergilli and Penicillium) have been identified as PSM their performance under in situ conditions is not reliable and therefore needs to be improved by using either genetically modified strains or co-inoculation techniques. This review focuses on the diversity of PSM, mechanism of P solubilization, role of various phosphatases, impact of various factors on P solubilization, the present and future scenario of their use and potential for application of this knowledge in managing a sustainable environmental system.