Strategies and prospects for biostimulants to alleviate abiotic stress in plants

Resumo

As mudanças climáticas globais induzidas por estresses abióticos (por exemplo, seca, salinidade, temperaturas extremas, metais pesados e radiação UV) desestabilizaram os frágeis agroecossistemas e prejudicaram o desempenho das plantas, reduzindo assim a produtividade e a qualidade das culturas. Os bioestimulantes, como uma abordagem promissora e ecologicamente correta, são amplamente utilizados para abordar estas preocupações ambientais e, atender à necessidade de desenvolver uma agricultura sustentável/moderna. O conhecimento atual revelou, que estimulantes derivados de plantas e animais (por exemplo, algas marinhas e fitoextratos, substâncias húmicas e hidrolisado de proteínas), bem como estimulantes microbianos (por exemplo, bactérias ou fungos benéficos para as plantas), têm grande potencial para induzir a tolerância das plantas a vários estresses abióticos e, assim, melhorar o crescimento e os parâmetros de desempenho das plantas (como crescimento/diâmetro das raízes, floração, eficiência/translocação do uso de nutrientes, capacidade de retenção de água no solo e atividade microbiana). No entanto, para implementar com sucesso a agricultura baseada em bioestimulantes no campo sob mudanças climáticas, é necessário compreender as funções agrícolas e o mecanismo de ação dos bioestimulantes, que lidam com vários estresses abióticos nos níveis físico-químico, metabólico e molecular. Portanto, esta revisão tenta desvendar os mecanismos subjacentes de ação mediados por diversos bioestimulantes em relação à mitigação do estresse abiótico, bem como discutir os desafios atuais na sua comercialização e implementação na agricultura sob condições climáticas em mudança.

Abstract

Global climate change-induced abiotic stresses (e.g., drought, salinity, extreme temperatures, heavy metals, and UV radiation) have destabilized the fragile agroecosystems and impaired plant performance and thereby reducing crop productivity and quality. Biostimulants, as a promising and eco-friendly approach, are widely used to address environmental concerns and fulfill the need for developing sustainable/modern agriculture. Current knowledge revealed that plant and animal derived stimulants (e.g., seaweeds and phytoextracts, humic substances, and protein hydrolysate) as well as microbial stimulants (e.g., plant beneficial bacteria or fungi) have great potential to elicit plant tolerance to various abiotic stresses and thus enhancing plant growth and performance-related parameters (such as root growth/diameter, flowering, nutrient use efficiency/translocation, soil water holding capacity, and microbial activity). However, to successfully implement biostimulant-based agriculture in the field under changing climate, the understanding of agricultural functions and action mechanism of biostimulants coping with various abiotic stresses at physicochemical, metabolic, and molecular levels is needed. Therefore, this review attempts to unravel the underlying mechanisms of action mediated by diverse biostimulants in relation to abiotic stress alleviation as well as to discuss the current challenges in their commercialization and implementation in agriculture under changing climate conditions.