Understanding plant stress memory response for abiotic stress resilience: Molecular insights and prospects

Resumo

Como espécies sésseis e sem possibilidade de fuga, as plantas enfrentam constantemente inúmeros estresses ambientais. Para se adaptarem aos estímulos ambientais externos, as plantas se ajustam a esses estresses regulando suas respostas fisiológicas, metabólicas e de desenvolvimento a esses estímulos. Certos estresses ambientais raramente ocorrem durante a vida da planta, enquanto outros, como calor, seca, salinidade e frio, são repetitivos. Estresses abióticos estão entre as principais variáveis ​​ambientais que têm prejudicado a produção agrícola globalmente. Por meio de mecanismos distintos, esses estresses induzem diversas alterações morfológicas, bioquímicas, fisiológicas e metabólicas nas plantas, impactando diretamente seu crescimento, desenvolvimento e produtividade. Posteriormente, os ajustes fisiológicos, metabólicos e genéticos da planta à ocorrência do estresse fornecem as competências necessárias para se adaptar, sobreviver e nutrir uma condição conhecida como “memória”. Esta revisão enfatiza os avanços em várias modificações da cromatina relacionadas à epigenética, metilação do DNA, modificações de histonas, remodelação da cromatina, fitohormônios e microRNAs associados à memória do estresse abiótico. As plantas têm a capacidade de responder rapidamente a situações estressantes e também podem aprimorar seus sistemas de defesa, retendo e sustentando memórias estressantes, permitindo respostas mais fortes ou mais rápidas a situações estressantes repetidas. Embora existam relativamente poucos exemplos dessas memórias e não haja uma compreensão clara de sua duração, considerando a abundância de estresses na natureza, a compreensão aprofundada desses mecanismos pode auxiliar no desenvolvimento de ferramentas genéticas para aprimorar técnicas de melhoramento genético, resultando em maior produtividade e qualidade agrícola em condições ambientais variáveis.

Abstract

As sessile species and without the possibility of escape, plants constantly face numerous environmental stresses. To adapt in the external environmental cues, plants adjust themselves against such stresses by regulating their physiological, metabolic and developmental responses to external environmental cues. Certain environmental stresses rarely occur during plant life, while others, such as heat, drought, salinity, and cold are repetitive. Abiotic stresses are among the foremost environmental variables that have hindered agricultural production globally. Through distinct mechanisms, these stresses induce various morphological, biochemical, physiological, and metabolic changes in plants, directly impacting their growth, development, and productivity. Subsequently, plant’s physiological, metabolic, and genetic adjustments to the stress occurrence provide necessary competencies to adapt, survive and nurture a condition known as “memory.” This review emphasizes the advancements in various epigenetic-related chromatin modifications, DNA methylation, histone modifications, chromatin remodeling, phytohormones, and microRNAs associated with abiotic stress memory. Plants have the ability to respond quickly to stressful situations and can also improve their defense systems by retaining and sustaining stressful memories, allowing for stronger or faster responses to repeated stressful situations. Although there are relatively few examples of such memories, and no clear understanding of their duration, taking into consideration plenty of stresses in nature. Understanding these mechanisms in depth could aid in the development of genetic tools to improve breeding techniques, resulting in higher agricultural yield and quality under changing environmental conditions.