DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-51818-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38238449
تاريخ النشر: 2024-01-18
المؤلف: Boran İkiz وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات نمو النباتات والزراعة
نظرة عامة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في دور بكتيريا تعزيز نمو النباتات (PGPR) كبديل للأسمدة المعدنية التقليدية في زراعة الخس العائم بالهيدروبونيك. أظهرت الأبحاث أنه من خلال تقليل الأسمدة المعدنية بنسبة 20% إلى 80% واستبدالها بـ PGPR، تم ملاحظة تحسينات كبيرة في معايير النمو المختلفة، بما في ذلك وزن النبات، عدد الأوراق، مساحة الورقة، محتوى الكلوروفيل، الغلة، وامتصاص العناصر الغذائية. ومن الجدير بالذكر أن الجمع بين 80% من الأسمدة المعدنية و PGPR أسفر عن نتائج قابلة للمقارنة مع المعالجة الضابطة التي استخدمت 100% من الأسمدة المعدنية. بالإضافة إلى ذلك، عزز تطبيق PGPR الجودة الغذائية للخس، مما زاد من مستويات الفينولات، الفلافونويدات، فيتامين C، والمواد الصلبة الذائبة الكلية.
تشير النتائج إلى أن دمج PGPR في أنظمة الهيدروبونيك يمكن أن يؤدي إلى تقليل الاعتماد على الأسمدة الاصطناعية مع تحسين الملف الغذائي للمنتجات. على الرغم من أنه قد يحدث انخفاض طفيف في الغلة مع تقليل الأسمدة المعدنية، إلا أن الفوائد تشمل التوفير المالي، الاستدامة البيئية، وزيادة محتوى مضادات الأكسدة في الخس. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية دراسة ديناميات استعمار البكتيريا، استكشاف سلالات بكتيرية جديدة والجرعات المثلى، تقييم مدة صلاحية PGPR، والتحقيق في إمكانيته في قمع أمراض الجذور، مما قد يعزز المزيد من اعتماد PGPR في أنظمة الزراعة بدون تربة.
طرق البحث
تم إجراء الدراسة في دفيئة تقع عند 36° 59′ شمالاً، 35° 18′ شرقاً، خلال موسم النمو الشتوي من يناير إلى مارس 2019، تحت ظروف مناخية متوسطية. كانت مساحة الدفيئة 45 م × 12 م، مع درجات حرارة تتراوح من 18 إلى 23 °م خلال النهار ومن 12 إلى 16 °م في الليل، بالإضافة إلى رطوبة نسبية تتراوح بين 60-70% وتعرض لأشعة الشمس الطبيعية. كانت مادة النبات المستخدمة هي خس نوع باتافيا (Lactuca sativa L. var. crispa)، صنف ‘Caipira’®، المستمد من إنزا زادن. تم تنفيذ نظام زراعة هيدروبونيك عائم باستخدام خزانات زراعة سعة 50 لتر، بكثافة نباتية تبلغ 44.44 نبات لكل متر مربع.
اتبعت التصميم التجريبي تنسيق كتلة كاملة عشوائية مع أربع مكررات لكل معالجة، حيث يتكون كل مكرر من عشرة نباتات لكل خزان. تلقت المجموعة الضابطة محلول مغذي يحتوي على العناصر الغذائية الأساسية الكبيرة والصغيرة، بما في ذلك N (220 ملغ لتر⁻¹)، P (40 ملغ لتر⁻¹)، K (312 ملغ لتر⁻¹)، وغيرها، تم تحضيرها من مصادر كيميائية متنوعة. تم زراعة شتلات الخس التي تبلغ من العمر أربعة عشر يومًا في نظام الهيدروبونيك، مع بدء تلقيح البكتيريا في نفس الوقت. تمت زراعة النباتات لمدة 42 يومًا، حيث تم مراقبة درجة الحموضة والتوصيلية الكهربائية (EC) لمحلول المغذيات بدقة، مع الحفاظ عليها ضمن النطاقات من 5.5-6.0 و1.3-2.2 ديسيسيمنز لكل متر.
النتائج
تشير النتائج إلى أن تطبيق بكتيريا تعزيز نمو النباتات (PGPR) أثر بشكل كبير على وزن الخس عبر مستويات مختلفة من تقليل تطبيقات الأسمدة المعدنية (MF). كان التأثير الأكثر وضوحًا ملحوظًا مع تقليل بنسبة 80% في MF، حيث كان وزن الخس (362 غرام) قابلًا للمقارنة إحصائيًا مع المجموعة الضابطة التي تلقت 100% MF (381 غرام). وهذا يشير إلى أن PGPR يمكن أن تعوض بشكل فعال عن التخفيضات الكبيرة في الأسمدة، حيث كانت الفجوة في الوزن 5% فقط. بالمقابل، أدى تقليل بنسبة 60% في MF مع PGPR إلى انخفاض أكبر في الوزن بنسبة 19.42%.
بالإضافة إلى الوزن، أثر تطبيق PGPR بشكل إيجابي على معايير النمو الأخرى، بما في ذلك مساحة الورقة والكتلة الجافة. كانت أكبر مساحة ورقة مسجلة هي 4234 سم² في معالجة 100% MF، بينما أسفر الجمع بين 80% MF و PGPR عن مساحة ورقة تبلغ 3959 سم². علاوة على ذلك، عزز PGPR عدد الأوراق، الارتفاع، ومحتوى الكلوروفيل، مع أعلى مستويات الكلوروفيل الملحوظة في معالجة 80% MF + PGPR. ومن الجدير بالذكر أن جميع المعالجات البكتيرية، باستثناء 20% MF + PGPR، أظهرت قراءات أعلى لمقياس الكلوروفيل-SPAD مقارنة بالمجموعة الضابطة، مما يبرز الدور المفيد لـ PGPR في تحسين نمو الخس تحت ظروف تقليل الأسمدة.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على الدور الكبير لبكتيريا تعزيز نمو النباتات (PGPR) في تعزيز نمو وغلة الخس، خاصة تحت ظروف تقليل الأسمدة المعدنية. استخدمت الدراسة سمادًا حيويًا بكتيريًا، Rhizofill®، يحتوي على سلالات مثل *Bacillus subtilis*، *Bacillus megaterium*، و*Pseudomonas fluorescens*، والتي أظهرت أنها تحسن معايير النمو الرئيسية، بما في ذلك وزن الساق، مساحة الورقة، ومحتوى الكتلة الجافة. تشير النتائج إلى أن PGPR لا تعزز فقط امتصاص العناصر الغذائية – وخاصة النيتروجين، الفوسفور، والبوتاسيوم – ولكنها أيضًا تحفز إنتاج الهرمونات النباتية التي تعزز النمو الخضري. ومن الجدير بالذكر أن الجمع بين PGPR مع تقليل بنسبة 60% في الأسمدة المعدنية أسفر عن غلة أعلى مقارنة بنفس مستوى الأسمدة بدون PGPR، مما يبرز الفوائد التآزرية لهذا النهج.
علاوة على ذلك، كشفت الدراسة أن تطبيق PGPR أدى إلى زيادة مستويات العناصر الغذائية الأساسية الكبيرة والصغيرة في الخس، بالإضافة إلى تعزيز إنتاج المستقلبات الثانوية مثل الفينولات والفلافونويدات، المرتبطة بخصائص مضادات الأكسدة. تشير النتائج إلى أن PGPR يمكن أن تخفف بشكل فعال من الآثار السلبية لتقليل التسميد المعدني مع الحفاظ على أو حتى تحسين الجودة الغذائية للخس. ومع ذلك، يعترف المؤلفون بالقيود في فهم الآليات الأساسية لتفاعلات PGPR مع النباتات ويدعون إلى مزيد من البحث لاستكشاف ديناميات استعمار البكتيريا، وتحديد السلالات البكتيرية المثلى، وإمكانية PGPR في قمع أمراض الجذور. بشكل عام، تدعو الدراسة إلى دمج PGPR في أنظمة الهيدروبونيك كاستراتيجية مستدامة لتعزيز غلة وجودة المحاصيل مع تقليل الاعتماد على الأسمدة الاصطناعية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-51818-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38238449
Publication Date: 2024-01-18
Author(s): Boran İkiz et al.
Primary Topic: Plant Growth and Agriculture Techniques
Overview
In this study, the role of Plant Growth Promoting Rhizobacteria (PGPR) as a substitute for traditional mineral fertilizers in hydroponic floating lettuce cultivation was investigated. The research demonstrated that by reducing mineral fertilizers by 20% to 80% and replacing them with PGPR, significant improvements were observed in various growth parameters, including plant weight, leaf number, leaf area, chlorophyll content, yield, and nutrient uptake. Notably, the combination of 80% mineral fertilizers with PGPR yielded results comparable to the control treatment with 100% mineral fertilizers. Additionally, PGPR application enhanced the nutritional quality of lettuce, increasing levels of phenols, flavonoids, vitamin C, and total soluble solids.
The findings suggest that integrating PGPR into hydroponic systems can lead to reduced reliance on synthetic fertilizers while improving the nutritional profile of the produce. Although a slight decrease in yield may occur with a reduction of mineral fertilizers, the benefits include financial savings, environmental sustainability, and enhanced antioxidant content in lettuce. Future research directions include examining bacterial colonization dynamics, exploring new bacterial strains and optimal dosages, assessing the shelf life of PGPR, and investigating its potential in suppressing root diseases, which could further promote the adoption of PGPR in soilless cultivation systems.
Methods
The study was conducted in a greenhouse located at 36° 59′ N, 35° 18′ E, during the winter growing season from January to March 2019, under Mediterranean climatic conditions. The greenhouse measured 45 m by 12 m, with temperatures ranging from 18 to 23 °C during the day and 12 to 16 °C at night, alongside a relative humidity of 60-70% and natural sunlight exposure. The plant material used was Batavia type lettuce (Lactuca sativa L. var. crispa), cv. ‘Caipira’®, sourced from Enza Zaden. A floating culture hydroponic system was implemented using 50-L cultivation tanks, with a plant density of 44.44 plants m².
The experimental design followed a randomized complete block format with four replicates per treatment, each replicate consisting of ten plants per tank. The control group received a nutrient solution containing essential macro and micronutrients, including N (220 mg L⁻¹), P (40 mg L⁻¹), K (312 mg L⁻¹), and others, prepared from various chemical sources. Fourteen-day-old lettuce seedlings were transplanted into the hydroponic system, with bacterial inoculation commencing simultaneously. The plants were cultivated for 42 days, during which the pH and electrical conductivity (EC) of the nutrient solutions were meticulously monitored, maintained within the ranges of 5.5-6.0 and 1.3-2.2 dS m⁻¹, respectively.
Results
The results indicate that the application of Plant Growth-Promoting Rhizobacteria (PGPR) significantly influenced lettuce weight across various levels of reduced mineral fertilizer (MF) applications. The most pronounced effect was observed with an 80% reduction in MF, where the lettuce weight (362 g) was statistically comparable to the control group receiving 100% MF (381 g). This suggests that PGPR can effectively compensate for substantial reductions in fertilizer, as the weight difference was only 5%. Conversely, a 60% reduction in MF combined with PGPR led to a more considerable weight decrease of 19.42%.
In addition to weight, PGPR application positively affected other growth parameters, including leaf area and dry matter. The largest leaf area recorded was 4234 cm² in the 100% MF treatment, while the combination of 80% MF and PGPR yielded a leaf area of 3959 cm². Furthermore, PGPR enhanced leaf number, height, and chlorophyll content, with the highest chlorophyll levels observed in the 80% MF + PGPR treatment. Notably, all bacterial treatments, except for the 20% MF + PGPR, exhibited higher chlorophyll-SPAD meter readings than the control, underscoring the beneficial role of PGPR in optimizing lettuce growth under reduced fertilizer conditions.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant role of Plant Growth-Promoting Rhizobacteria (PGPR) in enhancing the growth and yield of lettuce, particularly under reduced mineral fertilizer conditions. The study utilized a bacterial biofertilizer, Rhizofill®, containing strains such as *Bacillus subtilis*, *Bacillus megaterium*, and *Pseudomonas fluorescens*, which were shown to improve key growth parameters, including shoot weight, leaf area, and dry matter content. The findings indicate that PGPR not only enhances nutrient uptake—particularly nitrogen, phosphorus, and potassium—but also stimulates the production of phytohormones that promote vegetative growth. Notably, the combination of PGPR with a 60% reduction in mineral fertilizer resulted in a higher yield compared to the same fertilizer level without PGPR, underscoring the synergistic benefits of this approach.
Moreover, the study revealed that PGPR application led to increased levels of essential macro and micronutrients in lettuce, as well as enhanced production of secondary metabolites such as phenolics and flavonoids, which are associated with antioxidant properties. The results suggest that PGPR can effectively mitigate the adverse effects of reduced mineral fertilization while maintaining or even improving the nutritional quality of lettuce. However, the authors acknowledge limitations in understanding the underlying mechanisms of PGPR interactions with plants and call for further research to explore bacterial colonization dynamics, the identification of optimal bacterial strains, and the potential for PGPR to suppress root diseases. Overall, the study advocates for the integration of PGPR in hydroponic systems as a sustainable strategy to enhance crop yield and quality while reducing reliance on synthetic fertilizers.