Heavy metals and arsenic stress in food crops: Elucidating antioxidative defense mechanisms in hyperaccumulators for food security, agricultural sustainability, and human health

超量积累植物 粮食安全 持续性 农业 可持续农业 业务 自然资源经济学 生物技术 植物修复 生物 生态学 污染 经济
作者
Prabhat Kumar,Christian Sonne,Ki‐Hyun Kim
出处
期刊:Science of The Total Environment [Elsevier BV]
卷期号:874: 162327-162327 被引量:72
标识
DOI:10.1016/j.scitotenv.2023.162327
摘要

The spread of heavy metal(loid)s at soil-food crop interfaces has become a threat to sustainable agricultural productivity, food security, and human health. The eco-toxic effects of heavy metals on food crops can be manifested through reactive oxygen species that have the potential to disturb seed germination, normal growth, photosynthesis, cellular metabolism, and homeostasis. This review provides a critical overview of stress tolerance mechanisms in food crops/hyperaccumulator plants against heavy metals and arsenic (HM-As). The HM-As antioxidative stress tolerance in food crops is associated with changes in metabolomics (physico-biochemical/lipidomics) and genomics (molecular level). Furthermore, HM-As stress tolerance can occur through plant-microbe, phytohormone, antioxidant, and signal molecule interactions. Information regarding the avoidance, tolerance, and stress resilience of HM-As should help pave the way to minimize food chain contamination, eco-toxicity, and health risks. Advanced biotechnological approaches (e.g., genome modification with CRISPR-Cas9 gene editing) in concert with traditional sustainable biological methods are useful options to develop 'pollution safe designer cultivars' with increased climate change resilience and public health risks mitigation. Further, the usage of HM-As tolerant hyperaccumulator biomass in biorefineries (e.g., environmental remediation, value added chemicals, and bioenergy) is advocated to realize the synergy between biotechnological research and socio-economic policy frameworks, which are inextricably linked with environmental sustainability. The biotechnological innovations, if directed toward 'cleaner climate smart phytotechnologies' and 'HM-As stress resilient food crops', should help open the new path to achieve sustainable development goals (SDGs) and a circular bioeconomy.

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