Plant microbiomes alleviate abiotic stress-associated damage in crops and enhance climate-resilient agriculture

Resumo

Os microbiomas das plantas, compostos por uma diversidade de microrganismos como bactérias, fungos, arqueias e microalgas, são essenciais para a saúde e resiliência das plantas, desempenhando papéis-chave na ciclagem de nutrientes, mitigação de estresses e resistência a doenças. As mudanças climáticas devem intensificar vários estresses abióticos, como seca, salinidade, temperaturas extremas, deficiências de nutrientes e toxicidade por metais pesados. Os microbiomas associados às plantas surgiram como uma solução natural promissora para ajudar a mitigar esses estresses e aumentar a resiliência agrícola. No entanto, a tradução de descobertas de laboratório em benefícios agrícolas reais continua sendo um desafio significativo devido à complexidade das interações planta-microrganismo em condições de campo. Exploramos os papéis dos microbiomas vegetais no combate ao estresse abiótico e discutimos avanços em estratégias de engenharia de microbiomas, incluindo biologia sintética, design de consórcios microbianos, metagenômica e CRISPR-Cas, com foco em melhorar sua aplicação prática na agricultura. A integração de soluções baseadas em microbiomas em práticas agrícolas inteligentes para o clima pode contribuir para a sustentabilidade a longo prazo. Finalmente, ressaltamos a importância da colaboração interdisciplinar para superar os desafios existentes. As soluções baseadas em microbiomas são promissoras para melhorar a segurança alimentar global e promover práticas agrícolas sustentáveis diante das mudanças climáticas.

Abstract

Plant microbiomes, composed of a diverse array of microorganisms such as bacteria, fungi, archaea, and microalgae, are critical to plant health and resilience, playing key roles in nutrient cycling, stress mitigation, and disease resistance. Climate change is expected to intensify various abiotic stressors, such as drought, salinity, temperature extremes, nutrient deficiencies, and heavy metal toxicity. Plant-associated microbiomes have emerged as a promising natural solution to help mitigate these stresses and enhance agricultural resilience. However, translating laboratory findings into real-world agricultural benefits remains a significant challenge due to the complexity of plant–microbe interactions under field conditions. We explore the roles of plant microbiomes in combating abiotic stress and discuss advances in microbiome engineering strategies, including synthetic biology, microbial consortia design, metagenomics, and CRISPR-Cas, with a focus on enhancing their practical application in agriculture. Integrating microbiome-based solutions into climate-smart agricultural practices may contribute to long-term sustainability. Finally, we underscore the importance of interdisciplinary collaboration in overcoming existing challenges. Microbiome-based solutions hold promise for improving global food security and promoting sustainable agricultural practices in the face of climate change.