Plant nutrient stress adaptation: A prospect for fertilizer limited agriculture
Resumo
Os nutrientes são essenciais para o crescimento e desenvolvimento ideal das plantas. A disponibilidade e composição de nutrientes no solo variam muito de região para região. A deficiência de nutrientes essenciais pode causar clorose, necrose e crescimento atrofiado que eventualmente causam perdas significativas nas colheitas e, por sua vez, afetam a nutrição humana. O uso de fertilizantes minerais para enriquecer o solo com nutrientes minerais é uma prática normal na agricultura moderna. A aplicação massiva de fertilizantes melhorou o rendimento das culturas, mas tornou-se uma grande preocupação ambiental, pois causa eutrofização e perda de fertilidade do solo. Esta dependência excessiva de fertilizantes pode ser minimizada explorando as adaptações induzidas pela deficiência de nutrientes nas plantas e pode ser usada como uma estratégia potencial para desenvolver variedades tolerantes à deficiência de nutrientes. As plantas sofrem modificações morfológicas, bioquímicas e mediadas pela rizosfera para melhorar a absorção de nutrientes sob deficiência de nutrientes. As mudanças morfológicas são implementadas nos níveis da parte aérea, raiz e folha. As plantas limitam a ramificação dos rebentos e promovem a senescência das folhas em plantas com deficiência de nutrientes. As plantas podem modificar a arquitetura das raízes inibindo o crescimento das raízes primárias e promovendo o crescimento das raízes laterais e dos pêlos das raízes para explorar mais zonas do solo para encontrar os nutrientes limitados. As plantas podem formar associações simbióticas com fungos e bactérias para aumentar a absorção de nutrientes. Para garantir uma absorção eficiente de nutrientes, as plantas também regulam positivamente a expressão de transportadores de nutrientes, aumentam a libertação de fosfatases ácidas, promovem a extrusão de protões e segregam ácidos orgânicos. O acúmulo de antocianinas e a liberação de ERO também foram observados em plantas cultivadas em solo deficiente em nutrientes. Neste artigo, discutimos as diferentes adaptações das plantas induzidas pela deficiência de nutrientes e os mecanismos adaptativos mais viáveis para explorar a geração de culturas com maior resiliência ao estresse nutricional.
Abstract
Nutrients are essential for optimal growth and development of plants. Nutrient availability and composition in the soil varies largely from region to region. The deficiency of essential nutrients may cause chlorosis, necrosis and stunted growth that eventually cause significant crop loss and in turn, affects human nutrition. Usage of chemical fertilizers to enrich soil mineral nutrient status is a normal practice in modern agriculture. The massive application of fertilizers improved crop yield but it became major environmental concern as it causes eutrophication and loss of soil fertility. This overdependence on fertilizers can be minimized by exploring the nutrient deficiency-induced adaptations in plants and could be used as a potential strategy to develop nutrient deficiency-tolerant varieties. Plants undergo morphological, biochemical, and rhizosphere-mediated modifications to improve nutrient absorption under nutrient deficiency. Morphological changes are implemented at the shoot, root, and leaf levels. Plants limit shoot branching and promote leaf senescence in nutrient-deficient plants. Plants can modify root architecture by inhibiting primary root growth and promoting lateral root and root hair growth to explore more soil zones to find the limited nutrients. Plants can form symbiotic associations with fungi and bacteria to enhance nutrient uptake. For ensuring efficient nutrient absorption, plants also upregulate the expression of nutrient transporters, enhance the release of acid phosphatases, promote proton extrusion and secrete organic acids. Anthocyanin accumulation and ROS release were also observed in plants grown in nutrient-deficient soil. In this article, we discuss the different nutrient deficiency-induced adaptations of plants and discuss the most feasible adaptive mechanisms to explore the generation of crops with enhanced nutrient stress resilience.
Bonia Francis
C.T. Aravindakumar
Philip B. Brewer
Sibu Simon
2023 - Environmental and Experimental Botany
