Role of glycine betaine in the thermotolerance of plants

Resumo

À medida que o aquecimento global avança, a agricultura provavelmente será enormemente impactada pelo aumento do estresse térmico (HS). Portanto, as culturas futuras, especialmente nas regiões do sul do Mediterrâneo, precisam de termotolerância para manter a segurança alimentar global. Nesse sentido, os cientistas estão buscando soluções para enfrentar os impactos do HS na produtividade das culturas. A glicina betaína (GB) tem recebido considerável atenção devido aos seus múltiplos papéis na conferência de resistência a estresses abióticos, incluindo altas temperaturas. Vários estudos relataram a GB como um osmoprotetor chave na mediação de várias respostas das plantas ao HS, incluindo crescimento, modificações de proteínas, fotossíntese, expressão gênica e defesa oxidativa. O acúmulo de GB em plantas sob HS difere; portanto, a engenharia de genes para o acúmulo de GB em plantas não acumuladoras é uma estratégia fundamental para melhorar a tolerância ao HS. A aplicação exógena de GB tem se mostrado promissora para o manejo do HS em plantas, sugerindo seu envolvimento na proteção das células vegetais. Embora a superexpressão de GB em transgênicos ou sua aplicação exógena a plantas induza tolerância ao HS, esse fenômeno precisa ser desvendado em condições naturais de campo para projetar programas de melhoramento e gerar culturas altamente termotolerantes. Esta revisão resume o conhecimento atual sobre o envolvimento da GB na termotolerância das plantas e discute lacunas de conhecimento e direções futuras de pesquisa para aumentar a termotolerância em plantas de importância econômica.

Abstract

As global warming progresses, agriculture will likely be impacted enormously by the increasing heat stress (HS). Hence, future crops, especially in the southern Mediterranean regions, need thermotolerance to maintain global food security. In this regard, plant scientists are searching for solutions to tackle the yield-declining impacts of HS on crop plants. Glycine betaine (GB) has received considerable attention due to its multiple roles in imparting plant abiotic stress resistance, including to high temperature. Several studies have reported GB as a key osmoprotectant in mediating several plant responses to HS, including growth, protein modifications, photosynthesis, gene expression, and oxidative defense. GB accumulation in plants under HS differs; therefore, engineering genes for GB accumulation in non-accumulating plants is a key strategy for improving HS tolerance. Exogenous application of GB has shown promise for managing HS in plants, suggesting its involvement in protecting plant cells. Even though overexpressing GB in transgenics or exogenously applying it to plants induces tolerance to HS, this phenomenon needs to be unraveled under natural field conditions to design breeding programs and generate highly thermotolerant crops. This review summarizes the current knowledge on GB involvement in plant thermotolerance and discusses knowledge gaps and future research directions for enhancing thermotolerance in economically important crop plants.