Physiological, Biochemical, and Molecular Mechanisms of Heat Stress Tolerance in Plants

Resumo

O estresse por alta temperatura (AT) é um importante estresse ambiental que limita o crescimento, o metabolismo e a produtividade das plantas em todo o mundo. O crescimento e o desenvolvimento das plantas envolvem numerosas reações bioquímicas sensíveis à temperatura. As respostas das plantas à AT variam com o grau e a duração da AT e com o tipo de planta. A AT é agora uma grande preocupação para a produção agrícola, e abordagens para sustentar altos rendimentos de plantas cultivadas sob estresse por AT são importantes objetivos agrícolas. As plantas possuem uma série de mecanismos adaptativos, de evitação ou de aclimatação para lidar com situações de AT. Além disso, mecanismos importantes de tolerância que empregam transportadores iônicos, proteínas, osmoprotetores, antioxidantes e outros fatores envolvidos em cascatas de sinalização e controle transcricional são ativados para compensar as alterações bioquímicas e fisiológicas induzidas pelo estresse. A sobrevivência das plantas sob estresse por AT depende da capacidade de perceber o estímulo de AT, gerar e transmitir o sinal, e iniciar mudanças fisiológicas e bioquímicas apropriadas. A expressão gênica e a síntese de metabólitos induzidas por AT também melhoram substancialmente a tolerância. As respostas fisiológicas e bioquímicas ao estresse térmico são áreas ativas de pesquisa, e as abordagens moleculares estão sendo adotadas para desenvolver a tolerância à AT em plantas. Este artigo revisa as descobertas recentes sobre respostas, adaptação e tolerância à AT em níveis celular, organelar e de planta inteira e descreve várias abordagens que estão sendo adotadas para aumentar a termotolerância em plantas.

Abstract

High temperature (HT) stress is a major environmental stress that limits plant growth, metabolism, and productivity worldwide. Plant growth and development involve numerous biochemical reactions that are sensitive to temperature. Plant responses to HT vary with the degree and duration of HT and the plant type. HT is now a major concern for crop production and approaches for sustaining high yields of crop plants under HT stress are important agricultural goals. Plants possess a number of adaptive, avoidance, or acclimation mechanisms to cope with HT situations. In addition, major tolerance mechanisms that employ ion transporters, proteins, osmoprotectants, antioxidants, and other factors involved in signaling cascades and transcriptional control are activated to offset stress-induced biochemical and physiological alterations. Plant survival under HT stress depends on the ability to perceive the HT stimulus, generate and transmit the signal, and initiate appropriate physiological and biochemical changes. HT-induced gene expression and metabolite synthesis also substantially improve tolerance. The physiological and biochemical responses to heat stress are active research areas, and the molecular approaches are being adopted for developing HT tolerance in plants. This article reviews the recent findings on responses, adaptation, and tolerance to HT at the cellular, organellar, and whole plant levels and describes various approaches being taken to enhance thermotolerance in plants.