Physiological and molecular insight of microbial biostimulants for sustainable agriculture

Resumo

O aumento da produção de alimentos para atender às necessidades da população crescente é um dos principais desafios globais. Atualmente, a agroprodutividade está ameaçada devido à diminuição das terras aráveis, ao aumento das atividades antropogénicas e às mudanças no clima que levam a frequentes inundações repentinas, secas prolongadas e flutuações repentinas de temperatura. Além disso, as condições climáticas quentes aumentam a incidência de doenças e pragas, reduzindo em última análise o rendimento das culturas. Assim, são necessários esforços globais colaborativos para adoptar práticas agrícolas ambientalmente seguras e sustentáveis para impulsionar o crescimento e a produtividade das culturas. Os bioestimulantes aparecem como um meio promissor para melhorar o crescimento das plantas mesmo sob condições estressantes. Entre as várias categorias de bioestimulantes, os bioestimulantes microbianos são compostos por microrganismos como rizobactérias promotoras de crescimento de plantas (PGPR) e/ou micróbios que estimulam a absorção de nutrientes, produzem metabólitos secundários, sideróforos, hormônios e ácidos orgânicos, participam na fixação de nitrogênio, conferem tolerância ao estresse , melhoram a qualidade e o rendimento da colheita quando aplicados às plantas. Embora numerosos estudos elucidem de forma convincente os efeitos positivos dos bioestimulantes baseados em PGPR nas plantas, ainda há escassas informações sobre o mecanismo de ação e as principais vias de sinalização (modulações hormonais vegetais, expressão de proteínas relacionadas à patogênese, antioxidantes, osmólitos, etc.) desencadeadas por esses bioestimulantes nas plantas. Assim, a presente revisão centra-se nas vias moleculares ativadas por bioestimulantes baseados em PGPR em plantas que enfrentam desafios abióticos e bióticos. A revisão também analisa os mecanismos comuns modulados por esses bioestimulantes nas plantas para combater estresses abióticos e bióticos. Além disso, a revisão destaca as características que foram modificadas através da abordagem transgênica, levando a respostas fisiológicas semelhantes à aplicação de PGPR nas plantas alvo.
​

Abstract

Increased food production to cater the need of growing population is one of the major global challenges. Currently, agro-productivity is under threat due to shrinking arable land, increased anthropogenic activities and changes in the climate leading to frequent flash floods, prolonged droughts and sudden fluctuation of temperature. Further, warm climatic conditions increase disease and pest incidences, ultimately reducing crop yield. Hence, collaborated global efforts are required to adopt environmentally safe and sustainable agro practices to boost crop growth and productivity. Biostimulants appear as a promising means to improve growth of plants even under stressful conditions. Among various categories of biostimulants, microbial biostimulants are composed of microorganisms such as plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) and/or microbes which stimulate nutrient uptake, produce secondary metabolites, siderophores, hormones and organic acids, participate in nitrogen fixation, imparts stress tolerance, enhance crop quality and yield when applied to the plants. Though numerous studies convincingly elucidate the positive effects of PGPR-based biostimulants on plants, yet information is meagre regarding the mechanism of action and the key signaling pathways (plant hormone modulations, expression of pathogenesis-related proteins, antioxidants, osmolytes etc.) triggered by these biostimulants in plants. Hence, the present review focuses on the molecular pathways activated by PGPR based biostimulants in plants facing abiotic and biotic challenges. The review also analyses the common mechanisms modulated by these biostimulants in plants to combat abiotic and biotic stresses. Further, the review highlights the traits that have been modified through transgenic approach leading to physiological responses akin to the application of PGPR in the target plants.