Zinc in plants: Integrating homeostasis and biofortification

Resumo

O zinco desempenha muitos papéis essenciais na vida. Como um ácido de Lewis forte que não possui atividade redox sob condições ambientais e celulares, o cátion Zn²⁺ é central na determinação da estrutura proteica e da função catalítica de quase 10% da maioria dos proteomas eucarióticos. Embora funções específicas do zinco tenham sido elucidadas em nível molecular em várias proteínas vegetais, questões mais amplas abundam em relação à aquisição e distribuição de zinco pelas plantas. Um desafio importante é entender como as plantas equilibram o suprimento de Zn no solo e sua própria necessidade nutricional de zinco, particularmente quando fatores edáficos levam à falta de zinco biodisponível ou, inversamente, a um excesso de zinco que representa um grande risco de fitotoxicidade. As plantas são a fonte final de zinco na dieta humana, e a deficiência de Zn em humanos é responsável por mais de 400.000 mortes anualmente. Aqui, revisamos a compreensão atual da homeostase do zinco em plantas sob as perspectivas molecular e fisiológica. Fornecemos uma visão geral das abordagens realizadas até agora na biofortificação de Zn em culturas. Finalmente, delineamos um modelo “push-pull” da nutrição com zinco em plantas como um conceito simplificador. Em resumo, esta revisão discute caminhos que podem potencialmente oferecer benefícios mais amplos para a nutrição com Zn de plantas e humanos.

Abstract

Zinc plays many essential roles in life. As a strong Lewis acid that lacks redox activity under environmental and cellular conditions, the Zn2+ cation is central in determining protein structure and catalytic function of nearly 10% of most eukaryotic proteomes. While specific functions of zinc have been elucidated at a molecular level in a number of plant proteins, wider issues abound with respect to the acquisition and distribution of zinc by plants. An important challenge is to understand how plants balance between Zn supply in soil and their own nutritional requirement for zinc, particularly where edaphic factors lead to a lack of bioavailable zinc or, conversely, an excess of zinc that bears a major risk of phytotoxicity. Plants are the ultimate source of zinc in the human diet, and human Zn deficiency accounts for over 400 000 deaths annually. Here, we review the current understanding of zinc homeostasis in plants from the molecular and physiological perspectives. We provide an overview of approaches pursued so far in Zn biofortification of crops. Finally, we outline a “push-pull” model of zinc nutrition in plants as a simplifying concept. In summary, this review discusses avenues that can potentially deliver wider benefits for both plant and human Zn nutrition.