Soil Microbial Resources for Improving Fertilizers Efficiency in an Integrated Plant Nutrient Management System

Resumo

A agricultura do amanhã, desafiada pela crescente demanda global por alimentos, escassez de terras aráveis e recursos, juntamente com múltiplas pressões ambientais, precisa ser gerenciada de forma inteligente por meio de abordagens sustentáveis e ecoeficientes. A agricultura moderna deve ser mais produtiva, sustentável e ambientalmente correta. Embora macronutrientes como nitrogênio (N), fósforo (P), potássio (K) e enxofre (S) fornecidos por fertilizantes minerais sejam vitais para a produção agrícola, microrganismos benéficos para a agricultura também podem contribuir direta (ou seja, fixação biológica de N2, solubilização de P e produção de fitormônios, etc.) ou indiretamente (ou seja, biossíntese de compostos antimicrobianos e elicitação de resistência sistêmica induzida, etc.) para a melhoria das culturas e a eficiência dos fertilizantes. Bioformulações à base de microrganismos que aumentam o desempenho das plantas são muito necessárias, e em particular bioformulações que exibem efeitos complementares e sinérgicos com a fertilização mineral. Tal estratégia integrada de manejo da fertilidade do solo, foi demonstrada por meio de vários experimentos controlados e não controlados, mas mais esforços precisam ser feitos para entender completamente as múltiplas funções dos microrganismos benéficos dentro da própria comunidade microbiana do solo e em interação com plantas e recursos minerais. Na verdade, o uso combinado de recursos microbianos (ou seja, microrganismos benéficos: fixadores de N2, solubilizadores de P e mobilizadores de P, etc.) e minerais é uma área de pesquisa emergente que visa projetar e desenvolver formulações microbianas eficientes altamente compatíveis com insumos minerais, com impactos positivos tanto nas culturas quanto no meio ambiente. Esta nova abordagem provavelmente será de interesse global, especialmente na maioria dos agroecossistemas deficientes em N e P. Nesta revisão, relatamos sobre a importância das bactérias fixadoras de N e dos micróbios solubilizadores/mobilizadores de P, bem como suas interações com a fertilização mineral com P na melhoria da produtividade das culturas e da eficiência dos fertilizantes. Além disso, esclarecemos os efeitos interativos e sinérgicos que podem ocorrer dentro de interações multi-tróficas envolvendo esses dois grupos microbianos e as consequências positivas na absorção mineral das plantas, produtividade das culturas e resiliência às restrições ambientais. Melhorar o uso de nutrientes minerais é uma necessidade para garantir maior rendimento e produtividade de forma sustentável; portanto, projetar, desenvolver e testar continuamente sistemas inovadores integrados de manejo de nutrientes vegetais baseados em recursos biológicos relevantes (culturas e microrganismos) é altamente necessário.

Abstract

Tomorrow’s agriculture, challenged by increasing global demand for food, scarcity of arable lands, and resources alongside multiple environment pressures, needs to be managed smartly through sustainable and eco-efficient approaches. Modern agriculture has to be more productive, sustainable, and environmentally friendly. While macronutrients such as nitrogen (N), phosphorus (P), potassium (K), and sulfur (S) supplied by mineral fertilizers are vital to crop production, agriculturally beneficial microorganisms may also contribute directly (i.e., biological N2 fixation, P solubilization, and phytohormone production, etc.) or indirectly (i.e., antimicrobial compounds biosynthesis and elicitation of induced systemic resistance, etc.) to crop improvement and fertilizers efficiency. Microbial-based bioformulations that increase plant performance are greatly needed, and in particular bioformulations that exhibit complementary and synergistic effects with mineral fertilization. Such an integrated soil fertility management strategy has been demonstrated through several controlled and non-controlled experiments, but more efforts have to be made in order to thoroughly understand the multiple functions of beneficial microorganisms within the soil microbial community itself and in interaction with plants and mineral resources. In fact, the combined usage of microbial [i.e., beneficial microorganisms: N2-fixing (NF), P-solubilizing, and P mobilizing, etc.] and mineral resources is an emerging research area that aims to design and develop efficient microbial formulations which are highly compatible with mineral inputs, with positive impacts on both crops and environment. This novel approach is likely to be of a global interest, especially in most N- and P-deficient agro-ecosystems. In this review, we report on the importance of NF bacteria and P solubilizing/mobilizing microbes as well as their interactions with mineral P fertilization in improving crop productivity and fertilizers efficiency. In addition, we shed light on the interactive and synergistic effects that may occur within multi-trophic interactions involving those two microbial groups and positive consequences on plant mineral uptake, crop productivity, and resiliency to environmental constraints. Improving use of mineral nutrients is a must to securing higher yield and productivity in a sustainable manner, therefore continuously designing, developing and testing innovative integrated plant nutrient management systems based on relevant biological resources (crops and microorganisms) is highly required.