The effect of potassium nutrition on pest and disease resistance in plants

Resumo

Fornecer alimentos suficientes para uma população mundial em rápido crescimento e, ao mesmo tempo, preservar os recursos ecológicos e energéticos do nosso planeta é um dos maiores desafios deste século. O gerenciamento otimizado de fertilizantes químicos e pesticidas será essencial para alcançar a sustentabilidade da agricultura intensiva e requer tanto dados empíricos de testes de campo quanto uma compreensão fundamental avançada dos processos moleculares que controlam o crescimento das plantas. Os genes envolvidos nas respostas das plantas à deficiência de nutrientes e ao ataque de patógenos/herbívoros foram identificados, mas faltam informações sobre o diálogo cruzado entre as vias de sinalização quando as plantas são expostas a uma combinação de fatores de estresse abiótico e biótico. O foco desta revisão é a relação entre o status de potássio das plantas e sua suscetibilidade a patógenos e insetos herbívoros. Combinamos evidências de campo sobre a interação potássio-doença com o conhecimento existente sobre fatores metabólicos e fisiológicos que poderiam explicar essa interação e apresentamos novos dados sobre perfis de metabólitos e vias hormonais da planta modelo Arabidopsis thaliana. O último fornece evidências de que a entrada e o desenvolvimento facilitados de patógenos ou insetos em plantas com deficiência de potássio, como resultado de alterações físicas e metabólicas, são neutralizados por uma maior defesa. Uma abordagem genética deve agora ser aplicada para estabelecer uma relação causal entre a suscetibilidade à doença, por um lado, e os componentes enzimáticos e de sinalização individuais, por outro. Uma vez identificados, eles podem ser usados para projetar estratégias agrícolas que apoiem o status nutricional das culturas e, ao mesmo tempo, explorem seu potencial inerente de defesa.

Abstract

Providing a fast growing world population with sufficient food while preserving ecological and energy resources of our planet is one of the biggest challenges in this century. Optimized management of chemical fertilizers and pesticides will be essential for achieving sustainability of intensive farming and requires both empirical data from field trials and advanced fundamental understanding of the molecular processes controlling plant growth. Genes involved in plant responses to nutrient deficiency and pathogen/herbivore attack have been identified, but we are lacking information about the cross-talk between signalling pathways when plants are exposed to a combination of abiotic and biotic stress factors. The focus of this review is on the relationship between the potassium status of plants and their susceptibility to pathogens and herbivorous insects. We combine field evidence on potassium–disease interaction with existing knowledge on metabolic and physiological factors that could explain such interaction, and present new data on metabolite profiles and hormonal pathways from the model plant Arabidopsis thaliana. The latter provides evidence that facilitated entry and development of pathogens or insects in(to) potassium-deficient plants as a result of physical and metabolic changes is counteracted by an increased defence. A genetic approach should now be applied to establish a causal relationship between disease susceptibility on the one hand and individual enzymatic and signal components on the other. Once identified, these can be used to design agricultural strategies that support the nutritional status of the crops while exploiting their inherent potential for defence.