DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2024.1475485
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39867496
تاريخ النشر: 2025-01-07
المؤلف: Wanli Zeng وآخرون
الموضوع الرئيسي: الفطريات الجذرية وتفاعلات النباتات
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة تأثير التلقيح المشترك الخارجي مع الفطريات الميكوريزية الجذرية (AMF)، وتحديدًا *Funneliformis mosseae*، والبكتيريا المحفزة لنمو النباتات (PGPR)، وهي *Bacillus sp.* و *Pseudomonas sp.*، على نمو شتلات التبغ. من خلال استخدام تجربة في دفيئة وتقنية تسلسل عالية الإنتاجية، تكشف الأبحاث أن جميع علاجات التلقيح عززت بشكل كبير معايير النمو المختلفة، بما في ذلك الوزن الجاف للأجزاء الهوائية والجذور، وامتصاص العناصر الغذائية (النيتروجين، الفوسفور، البوتاسيوم)، وارتفاع النبات، وسمك الساق، ومساحة الورقة، ومحتوى الكلوروفيل، وخصائص الجذور. ومن الجدير بالذكر أن العلاج المشترك لـ *F. mosseae* و *Pseudomonas sp.* (المعين A_SG) حقق أكبر تحسينات عبر جميع المؤشرات المقاسة.
علاوة على ذلك، لم ينتج عن علاج A_SG فقط أعلى مؤشرات التنوع وأغنى الأنواع البكتيرية، بل عزز أيضًا استعمار AMF في جذور التبغ و *Pseudomonas* في تربة منطقة الجذور. أظهرت التحليلات التنبؤية لمسارات الأيض باستخدام PICRUSt أن علاج A_SG زاد بشكل كبير من غنى مسارات الأيض في منطقة جذور التبغ، مما يعزز تلك التي قد تفيد نمو النبات. تشير النتائج إلى أن التلقيح المشترك مع AMF و PGPR، وخاصةً مزيج *F. mosseae* و *Pseudomonas sp.*، يُحسن هيكل ووظيفة مجتمعات الميكروبات في منطقة الجذور، مما يعزز نمو شتلات التبغ. يُوصى بإجراء دراسات نسيجية مستقبلية لتوضيح التأثيرات التآزرية لهذا التفاعل بين AMF وPGPR والتبغ.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الدور الحاسم للفطريات الميكوريزية الجذرية (AMFs) والبكتيريا المحفزة لنمو النباتات (PGPRs) في تعزيز نمو النباتات ومرونتها، خاصة في التبغ. تؤسس AMFs علاقات تكافلية مع حوالي 90% من النباتات الوعائية، مما يسهل امتصاص العناصر الغذائية، ويحسن من تحمل الإجهاد، ويعزز النمو العام للنبات من خلال شبكاتها الفطرية الواسعة. ومن الجدير بالذكر أن استعمار AMF في جذور التبغ قد أظهر زيادة في حجم الجذور، والمساحة، والحيوية، بينما يعزز أيضًا الحالة الغذائية للنبات ومقاومته للأمراض. وبالمثل، تساهم PGPRs في خصوبة التربة وصحة النبات من خلال تثبيت النيتروجين، وحل الفوسفور، وإنتاج الهرمونات النباتية، مما يعزز امتصاص العناصر الغذائية ويخفف من الضغوط غير الحيوية.
تؤكد الورقة على التأثيرات التآزرية المحتملة للتلقيح المشترك لـ AMFs و PGPRs، والتي تم توثيقها لتعزيز نمو محاصيل متنوعة، بما في ذلك التبغ. ومع ذلك، تشير أيضًا إلى وجود تفاعلات مضادة أو محايدة بين هذه الكائنات الدقيقة، تتأثر بعوامل مثل اختلاف الأنواع والظروف البيئية. نظرًا لوجود أبحاث محدودة حول التأثيرات المشتركة لـ AMFs و PGPRs على التبغ، تهدف هذه الدراسة إلى التحقيق في هذه التفاعلات من خلال تلقيحات فردية ومشتركة لبعض PGPRs و AMFs، باستخدام تسلسل عالي الإنتاجية لتحليل مجتمعات البكتيريا في منطقة الجذور. من المتوقع أن توفر النتائج رؤى قيمة لتطوير أسمدة ميكروبية مركبة مصممة لزراعة التبغ.
طرق البحث
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون مجموعة من المواد والأساليب للتحقيق في تأثير الفطريات الميكوريزية الجذرية (AMF) والبكتيريا المحفزة لنمو النباتات (PGPR) على نباتات التبغ (Nicotiana tabacum L.). كان التلقيح AMF المستخدم هو F. mosseae، بينما تم تمييز سلالتين من PGPR، Pseudomonas sp. SG29 و Bacillus sp. SG42، بقدراتهما في تثبيت النيتروجين وحل الفوسفور. شمل التصميم التجريبي ستة علاجات: مجموعة ضابطة بدون تلقيح، تلقيحات فردية مع AMF أو كل PGPR، وتلقيحات مزدوجة تجمع بين AMF مع كل PGPR. كل علاج يتكون من 100 شتلة نمت في غرفة مناخية محكومة لمدة 55 يومًا.
بعد الحصاد، تم قياس مجموعة متنوعة من الصفات الزراعية، بما في ذلك ارتفاع النبات، وقطر الساق، وأبعاد الأوراق، ومحتوى الكلوروفيل. تم تحديد الكتلة الجافة للأجزاء الهوائية ونظام الجذور، وتم تحليل تركيزات العناصر الغذائية (N، P، K) باستخدام طرق معتمدة. تم تقييم معدلات استعمار الميكوريزا من خلال الصباغة والملاحظة المجهرية، بينما تم قياس خصائص الجذور باستخدام تقنية المسح وبرامج الكمبيوتر. بالإضافة إلى ذلك، تم تحليل تنوع البكتيريا في تربة منطقة الجذور من خلال استخراج الحمض النووي، وتضخيم PCR، والتسلسل، تلاها تحليلات المعلوماتية الحيوية باستخدام QIIME2 وبرامج R لتقييم تركيب المجتمع والتنبؤات الوظيفية. تم تحديد الدلالة الإحصائية باستخدام ANOVA واختبار Tukey، مع عتبة P < 0.05.
النتائج
في الدراسة، أظهرت شتلات التبغ التي تعرضت لمختلف علاجات التلقيح تحسينات ملحوظة في مقاييس النمو مقارنةً بمجموعة التحكم (CK). ومن الجدير بالذكر أن الشتلات التي تلقت تلقيحًا مزدوجًا مع A_SG29 أظهرت أعلى زيادات في الوزن الجاف للأجزاء الهوائية (135%) والوزن الجاف للجذور (150%) مقارنةً بـ CK، متجاوزة جميع العلاجات الأخرى. بينما أدى التلقيح الفردي مع الفطريات الميكوريزية الجذرية (AMF) إلى زيادة متواضعة بنسبة 21.91% في الوزن الجاف للأجزاء الهوائية وزيادة بنسبة 69.70% في الوزن الجاف للجذور، كانت هذه التأثيرات أقل وضوحًا من تلك التي لوحظت مع علاجات البكتيريا المحفزة لنمو النباتات (PGPR) الفردية والمشتركة، والتي أظهرت على الأقل زيادة بنسبة 114.21% في النمو الهوائي.
علاوة على ذلك، كشفت تحليل امتصاص العناصر الغذائية أن جميع علاجات التلقيح عززت بشكل كبير محتويات النيتروجين (N) والفوسفور (P) والبوتاسيوم (K) في الشتلات مقارنةً بـ CK. تم تسجيل أكبر الزيادات تحت التلقيح المزدوج مع A_SG29، مع تحسينات بنسبة 162.5% للنيتروجين، و97.32% للفوسفور، و76.43% للبوتاسيوم. من المهم أن لا توجد فروق ذات دلالة إحصائية في محتوى العناصر الغذائية بين التلقيح الفردي لـ PGPR وعلاج التلقيح المزدوج، مما يشير إلى أن كل من AMF و PGPR تساهم بشكل إيجابي في امتصاص العناصر الغذائية، مع ملاحظات تأثيرات تآزرية في سيناريو التلقيح المزدوج.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التأثيرات الكبيرة للتلقيح الميكروبي على الصفات الزراعية وشكل الجذور لشتلات التبغ. عزز التلقيح مع العوامل الميكروبية، وخاصةً مزيج الفطريات الميكوريزية الجذرية (AMF) والبكتيريا المحفزة لنمو النباتات (PGPR)، بشكل ملحوظ الصفات مثل سمك الساق، ومساحة الورقة، ومحتوى الكلوروفيل. حقق علاج التلقيح المزدوج (AMF + Pseudomonas sp. SG29) أكبر تحسينات، مع زيادات بنسبة 47.57%، و60.80%، و33.88%، على التوالي. وهذا يشير إلى أن PGPR لها تأثير أكثر وضوحًا في تعزيز الصفات الزراعية مقارنةً بـ AMF بمفردها. بالإضافة إلى ذلك، وجدت الدراسة أن التلقيح المشترك حسّن بشكل كبير شكل الجذور، حيث أظهر علاج A_SG29 أعلى الزيادات في الطول الكلي للجذر، والمساحة السطحية، والحجم.
كشفت تحليل معدلات استعمار الميكوريزا أن التلقيح المشترك مع AMF و PGPR عزز بشكل كبير الاستعمار مقارنةً بالتلقيح الفردي لـ AMF، مع زيادات بنسبة 45.11% و53.15% للعلاجات المعنية. علاوة على ذلك، تم تغيير هيكل المجتمع البكتيري في منطقة الجذور بواسطة علاجات التلقيح، حيث أظهر علاج A_SG29 أعلى مؤشرات التنوع والغنى. أشارت تحليلات الوظيفة الأيضية التنبؤية إلى أن علاجات التلقيح المشتركة زادت من العديد من مسارات الأيض، بما في ذلك تلك المرتبطة بتخليق الفلافونويد والإيزوفلافونويد، والتي تعتبر ضرورية لتكوين الميكوريزا ونمو النبات. بشكل عام، تؤكد النتائج على التأثيرات التآزرية لـ AMF و PGPR على نمو شتلات التبغ وتبرز أهمية التفاعلات الميكروبية في تعزيز صحة النبات وإنتاجيته.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2024.1475485
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39867496
Publication Date: 2025-01-07
Author(s): Wanli Zeng et al.
Primary Topic: Mycorrhizal Fungi and Plant Interactions
Overview
This study investigates the impact of exogenous combined inoculation with arbuscular mycorrhizal fungi (AMF), specifically *Funneliformis mosseae*, and plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR), namely *Bacillus sp.* and *Pseudomonas sp.*, on the growth of tobacco seedlings. Utilizing a greenhouse pot experiment and high-throughput sequencing technology, the research reveals that all inoculation treatments significantly enhanced various growth parameters, including aboveground and root dry weight, nutrient uptake (nitrogen, phosphorus, potassium), plant height, stem thickness, leaf area, chlorophyll content, and root characteristics. Notably, the combined treatment of *F. mosseae* and *Pseudomonas sp.* (designated as A_SG) yielded the most pronounced improvements across all measured indices.
Moreover, the A_SG treatment not only resulted in the highest diversity indexes and enriched bacterial taxa but also promoted the colonization of AMF in tobacco roots and *Pseudomonas* in the rhizosphere soil. Predictive analyses of metabolic pathways using PICRUSt indicated that the A_SG treatment significantly increased the richness of metabolic pathways in the tobacco rhizosphere, enhancing those that may benefit plant growth. The findings suggest that co-inoculation with AMF and PGPR, particularly the combination of *F. mosseae* and *Pseudomonas sp.*, optimizes the structure and function of rhizosphere microbial communities, thereby promoting tobacco seedling growth. Future histological studies are recommended to further elucidate the synergistic effects of this AMF-PGPR-tobacco interaction.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the critical role of arbuscular mycorrhizal fungi (AMFs) and plant growth-promoting rhizobacteria (PGPRs) in enhancing plant growth and resilience, particularly in tobacco. AMFs establish symbiotic relationships with approximately 90% of vascular plants, facilitating nutrient uptake, improving stress tolerance, and enhancing overall plant growth through their extensive mycelial networks. Notably, AMF colonization in tobacco roots has been shown to increase root volume, area, and vigor, while also enhancing the plant’s nutritional status and disease resistance. Similarly, PGPRs contribute to soil fertility and plant health by fixing nitrogen, dissolving phosphorus, and producing phytohormones, thereby promoting nutrient uptake and alleviating abiotic stresses.
The paper emphasizes the potential synergistic effects of co-inoculating AMFs and PGPRs, which have been documented to significantly boost the growth of various crops, including tobacco. However, it also notes the existence of antagonistic or neutral interactions between these microorganisms, influenced by factors such as species differences and environmental conditions. Given the limited research on the combined effects of AMFs and PGPRs on tobacco, this study aims to investigate these interactions through single and combined inoculations of specific PGPRs and AMFs, utilizing high-throughput sequencing to analyze rhizosphere bacterial communities. The findings are expected to provide valuable insights for developing composite microbial fertilizers tailored for tobacco cultivation.
Methods
In this study, the authors employed a range of materials and methods to investigate the effects of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) and plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) on tobacco plants (Nicotiana tabacum L.). The AMF inoculant used was F. mosseae, while two PGPR strains, Pseudomonas sp. SG29 and Bacillus sp. SG42, were characterized by their abilities in nitrogen fixation and phosphorus solubilization. The experimental design included six treatments: a control without inoculation, single inoculations with AMF or each PGPR, and double inoculations combining AMF with each PGPR. Each treatment consisted of 100 seedlings grown in a controlled climate chamber for 55 days.
Post-harvest, various agronomic traits were measured, including plant height, stem diameter, leaf dimensions, and chlorophyll content. The dry mass of aboveground and root systems was determined, and nutrient concentrations (N, P, K) were analyzed using established methods. Mycorrhizal colonization rates were assessed through staining and microscopic observation, while root characteristics were quantified using scanning technology and software. Additionally, bacterial diversity in the rhizosphere soil was analyzed through DNA extraction, PCR amplification, and sequencing, followed by bioinformatics analyses using QIIME2 and R software to evaluate community composition and functional predictions. Statistical significance was determined using ANOVA and Tukey’s test, with a threshold of P < 0.05.
Results
In the study, tobacco seedlings subjected to various inoculation treatments demonstrated significantly enhanced growth metrics compared to the control group (CK). Notably, seedlings receiving double inoculation with A_SG29 exhibited the highest increases in aboveground dry weight (135%) and root dry weight (150%) relative to CK, surpassing all other treatments. While single inoculation with arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) resulted in a modest 21.91% increase in aboveground dry weight and a 69.70% increase in root dry weight, these effects were less pronounced than those observed with single and combined plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) treatments, which showed at least a 114.21% increase in aboveground growth.
Furthermore, the nutrient uptake analysis revealed that all inoculation treatments significantly enhanced nitrogen (N), phosphorus (P), and potassium (K) contents in the seedlings compared to CK. The most substantial increases were recorded under the double inoculation with A_SG29, with enhancements of 162.5% for N, 97.32% for P, and 76.43% for K. Importantly, no significant differences in nutrient content were found between single PGPR inoculation and the double inoculation treatment, indicating that both AMF and PGPR contribute positively to nutrient uptake, with synergistic effects observed in the dual inoculation scenario.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant effects of microbial inoculation on the agronomic traits and root morphology of tobacco seedlings. Inoculation with microbial agents, particularly the combination of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) and plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR), notably enhanced traits such as stem thickness, leaf area, and chlorophyll content. The dual inoculation treatment (AMF + Pseudomonas sp. SG29) yielded the most substantial improvements, with increases of 47.57%, 60.80%, and 33.88%, respectively. This suggests that PGPR has a more pronounced impact on enhancing agronomic traits than AMF alone. Additionally, the study found that the combined inoculation significantly improved root morphology, with the A_SG29 treatment showing the highest increases in total root length, surface area, and volume.
The analysis of mycorrhizal colonization rates revealed that combined inoculation with AMF and PGPR significantly enhanced colonization compared to single AMF inoculation, with increases of 45.11% and 53.15% for the respective treatments. Furthermore, the bacterial community structure in the rhizosphere was altered by the inoculation treatments, with the A_SG29 treatment exhibiting the highest diversity and richness indices. Predictive metabolic function analysis indicated that combined inoculation treatments upregulated numerous metabolic pathways, including those associated with flavonoid and isoflavonoid biosynthesis, which are crucial for mycorrhizal formation and plant growth. Overall, the findings underscore the synergistic effects of AMF and PGPR on tobacco seedling growth and highlight the importance of microbial interactions in enhancing plant health and productivity.