DOI: https://doi.org/10.3390/agriculture16050610
تاريخ النشر: 2026-03-06
المؤلف: Santiago Adolfo Vio وآخرون
الموضوع الرئيسي: تفاعلات النباتات والميكروبات والمناعة
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة إمكانيات البكتيريا المحفزة لنمو النباتات (PGPB) كبديل مستدام للمدخلات الاصطناعية في البستنة، مع معالجة التحديات في البحث البيولوجي بسبب نقص استراتيجيات الاختيار التكاملية. تم فحص 259 عزلة بكتيرية مرتبطة بنباتات الطماطم بشكل منهجي من حيث قدراتها على المكافحة الحيوية وتحفيز نمو النباتات. تم تصنيف العزلات في المختبر من حيث خصائص مثل القدرة على استعمار النباتات، النشاط المضاد للفطريات، وآليات التحفيز المختلفة للنمو، والتي تم دمجها بعد ذلك في مؤشرات مركبة وتحليلها باستخدام أساليب متعددة المتغيرات لتحديد المرشحين الواعدين.
تم تقييم العزلات المختارة بشكل أكبر في الظروف الحية خلال مراحل الشتلات والإنتاج. من الجدير بالذكر أن العزلات من الأجناس Stenotrophomonas وPseudomonas وBacillus قد خفضت بشكل كبير من حدوث الأمراض الفطرية إلى ما بين 2-9%، مقارنةً بحدوث تحكم يبلغ 80%. عزلة محددة من Bacillus زادت من كتلة الشتلات بنسبة 54% في الخس و38% في الطماطم. تحت الظروف الإنتاجية، زاد الوزن القابل للتسويق للخس بنسبة 21-37%، بينما أظهرت غلة الطماطم زيادات إيجابية ولكن غير ذات دلالة بحوالي 21-25% بعد التلقيح بعزلات Pseudomonas أو Bacillus. تؤسس هذه البحث إطار عمل منظم للبحث البيولوجي والتحقق من PGPB، مع دمج الفحص في المختبر، المؤشرات المركبة، التحليلات متعددة المتغيرات، والتقييمات الحية متعددة المراحل في ظروف بستنة واقعية.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على أهمية إنتاج الطماطم (Solanum lycopersicum L.) على مستوى العالم، وخاصة في الأرجنتين، حيث تشكل محصولًا حيويًا في البستنة بإنتاج سنوي يبلغ حوالي 1.4 مليون طن. يتركز معظم هذا الإنتاج في المناطق شبه الحضرية مثل Cinturón Hortícola Platense (CHP)، حيث يسمح زراعة البيوت الزجاجية بإدارة فعالة للمحاصيل وزيادة استخدام الأراضي. ومع ذلك، تهدد التحديات مثل ضغوط الآفات والأمراض، الاعتماد على المدخلات الكيميائية، والقضايا الاجتماعية في العمل البستاني استدامة هذا النظام. لمعالجة هذه التحديات، يُقترح اعتماد ممارسات الزراعة الإيكولوجية وتطوير المدخلات الحيوية، وخاصة من خلال استخدام البكتيريا المحفزة لنمو النباتات (PGPB)، كاستراتيجيات أساسية لتعزيز المرونة والتنافسية.
تركز الدراسة على تصنيف البكتيريا القابلة للزراعة المرتبطة بنباتات الطماطم المزروعة في CHP، مع التأكيد على البكتيريا الداخلية نظرًا لمزاياها البيئية وإمكاناتها للتفاعل المباشر مع التمثيل الغذائي للنبات. تستخدم البحث منهجية منهجية وتكاملية تجمع بين الأصل البيئي، الخصائص الوظيفية في المختبر، والتحليلات متعددة المتغيرات لتحديد العزلات البكتيرية الواعدة. يتم التحقق من هذه المرشحين من خلال اختبارات تحفيز نمو النباتات في الحي في كل من الخس والطماطم. تهدف هذه المقاربة الشاملة إلى سد الفجوة بين اكتشاف الميكروبات وتطوير المدخلات الحيوية الزراعية الفعالة، مما يعزز في النهاية إنتاجية المحاصيل واستدامتها في ظل ظروف بستنة واقعية.
طرق
في هذه الدراسة، تم إجراء أخذ العينات في محاصيل الطماطم (Solanum lycopersicum L. var. Elpida) المزروعة في بيتين زجاجيين تجاريين يقعان في إحداثيات جغرافية محددة. تم زرع النباتات في أوائل يناير 2016، وتم جمع العينات في مايو 2016 خلال مرحلة حصاد العنقود الرابع. تم تحليل ما مجموعه 30 عينة مركبة، تشمل التربة الكلية (BS)، وتربة الجذور (Rh)، وأنسجة النباتات (الجذور (Rt)، والسيقان (St)، والثمار (Fr)). تم جمع عينات التربة الكلية من تسع نقاط بين النباتات مختارة عشوائيًا، بينما تم الحصول على تربة الجذور عن طريق هز جذور تسع نباتات لكل موقع. تم تجميع أنسجة النباتات في عينات مركبة من مجموعات من ثلاثة نباتات.
تم جمع جميع العينات في قوارير معقمة، ونُقلت على الثلج، وتم معالجتها خلال 24 ساعة في MAAlab في لا بلاتا، الأرجنتين. كانت الدراسة تهدف إلى تعزيز استعادة تنوع البكتيريا القابلة للزراعة تحت ظروف زراعية مماثلة، مع كون الموقعين الزجاجيين يهدفان إلى توسيع نطاق أخذ العينات بدلاً من العمل كنسخ تجريبية مستقلة. تم تقييم الخصائص الفيزيائية والكيميائية للتربة باستخدام طرق موحدة، مع توفير بروتوكولات مفصلة ومعايير في المواد التكميلية.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. تشمل النتائج الرئيسية تحديد علاقات ذات دلالة بين المتغيرات المدروسة، والتي تم قياسها باستخدام طرق إحصائية. تشير البيانات إلى أن الفرضية المقترحة مدعومة، مع إظهار النتائج اتجاهًا واضحًا يتماشى مع التوقعات النظرية.
بالإضافة إلى ذلك، قد يتضمن القسم تمثيلات بيانية للبيانات، مثل الرسوم البيانية أو المخططات، التي توضح العلاقات والاختلافات الملحوظة. تعزز هذه المساعدات البصرية من فهم النتائج وتوفر أساسًا لمزيد من المناقشة في الأقسام اللاحقة. بشكل عام، تساهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول سؤال البحث وتضع الأساس للتحقيقات المستقبلية.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم عزل وتصنيف البكتيريا القابلة للزراعة من موائل ميكروبية مختلفة، بما في ذلك التربة الكلية (BS)، وتربة الجذور (Rh)، وأنسجة النباتات (الجذور، السيقان، والثمار)، لتقييم إمكانياتها لاستعمار النباتات والمكافحة الحيوية. تم الحصول على ما مجموعه 259 عزلة بكتيرية، مع أعلى كثافات موجودة في عينات Rh وBS، حيث وصلت إلى \(10^9 – 10^{10}\) CFU g\(^{-1}\). تم تأكيد وجود البكتيريا الداخلية في أنسجة النباتات، مع انخفاض الكثافات من الجذور (\(10^6\) CFU g\(^{-1}\)) إلى الثمار (<\(10^3\) CFU g\(^{-1}\)). كشفت التحليلات التصنيفية عن مجموعة متنوعة من الأجناس، بشكل رئيسي من الفيلتين Proteobacteria وActinobacteria، مع كون Bacillus وPseudomonas الأكثر تكرارًا. تم تقييم العزلات بشكل أكبر من حيث إمكانياتها لاستعمار النباتات من خلال اختبارات في المختبر تقيس إنتاج الإنزيمات الليتيكية الخارجية وتكوين الأغشية الحيوية. تم حساب مؤشرين، مؤشر التصنيف الإنزيمي لاستعمار النباتات (ECi) ومؤشر الأغشية الحيوية (Bf)، لترتيب العزلات بناءً على قدراتها على الاستعمار، مما أدى في النهاية إلى تطوير مؤشر استعمار النباتات (PCi). لا تبرز هذه المقاربة الشاملة فقط التنوع الوظيفي للعزلات البكتيرية ولكنها أيضًا تمهد الطريق للتقييمات اللاحقة لإمكاناتها المضادة للفطريات النباتية وقدرتها على تعزيز نمو النباتات، مما يحدد المرشحين الواعدين للتطبيقات الزراعية.
القيود
يعترف قسم القيود بعدة قيود للدراسة، التي ركزت فقط على الجزء القابل للزراعة من الميكروبيوم المرتبط بالطماطم. هذه المقاربة، على الرغم من كونها ضرورية لتطوير المدخلات الحيوية الميكروبية، تقوم بشكل طبيعي بتصفية جزء كبير من التنوع الميكروبي الطبيعي، مما قد يتسبب في تجاهل الكائنات الدقيقة التي يمكن أن تعزز أداء النباتات من خلال تفاعلات غير مباشرة. لمعالجة ذلك، يجب أن تتضمن الأبحاث المستقبلية طرقًا مستقلة عن الثقافة، مثل تسلسل الأمبليكون والميتاباراجينوم الوظيفي، للحصول على فهم أكثر شمولاً لهياكل المجتمعات الميكروبية.
بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء التحقق في الحي في نظام دفيئة واحد مع ظروف بيئية محدودة، مما قد لا يعكس تمامًا الطبيعة المعتمدة على السياق لأداء الميكروبات المتأثرة بعوامل مختلفة مثل خصائص التربة وإدارة المحاصيل. كما لم تبحث الدراسة في استمرارية أو ديناميات السلالات الملقحة داخل أنسجة النباتات أو تربة الجذور، مما يترك العلاقة بين أنماط الاستعمار والتأثيرات الظاهرية غير محلولة. علاوة على ذلك، لم يتم تحسين جوانب التركيب، مما قد يؤثر على فعالية العزلات الميكروبية. أخيرًا، لم يتم تقييم اعتبارات السلامة الحيوية المتعلقة بالإمكانات المسببة للأمراض للعزلات وتأثيرها على الميكروبيومات الأصلية، مما يبرز الحاجة إلى معالجة هذه العوامل في الدراسات المستقبلية. على الرغم من هذه القيود، تظهر الأبحاث إمكانيات إطار عمل منظم للبحث البيولوجي لتحديد المرشحين الميكروبيين الفعالين لتطوير المدخلات الحيوية المستدامة.
DOI: https://doi.org/10.3390/agriculture16050610
Publication Date: 2026-03-06
Author(s): Santiago Adolfo Vio et al.
Primary Topic: Plant-Microbe Interactions and Immunity
Overview
This study investigates the potential of plant growth-promoting bacteria (PGPB) as a sustainable alternative to synthetic inputs in horticulture, addressing the challenges in bioprospecting due to the lack of integrative selection strategies. A total of 259 bacterial isolates associated with tomato plants were systematically screened for their biocontrol and plant growth-promoting capabilities. The isolates were characterized in vitro for traits such as plant colonization ability, antifungal activity, and various growth-promoting mechanisms, which were then integrated into composite indices and analyzed using multivariate approaches to identify promising candidates.
The selected isolates were further evaluated in vivo during both seedling and productive stages. Notably, isolates from the genera Stenotrophomonas, Pseudomonas, and Bacillus significantly reduced fungal disease incidence to between 2-9%, compared to a control incidence of 80%. A specific Bacillus isolate enhanced seedling biomass by 54% in lettuce and 38% in tomato. Under productive conditions, marketable weight of lettuce increased by 21-37%, while tomato yield showed positive but non-significant increases of approximately 21-25% following inoculation with Pseudomonas or Bacillus isolates. This research establishes a structured framework for the bioprospecting and validation of PGPB, integrating laboratory screening, composite indices, multivariate analyses, and multi-stage in vivo assessments in realistic horticultural settings.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significance of tomato (Solanum lycopersicum L.) production globally, particularly in Argentina, where it constitutes a vital horticultural crop with an annual output of approximately 1.4 million tons. The majority of this production is concentrated in peri-urban areas like the Cinturón Hortícola Platense (CHP), where greenhouse cultivation allows for efficient crop management and maximized land use. However, challenges such as pest and disease pressures, reliance on chemical inputs, and social issues in horticultural labor threaten the sustainability of this system. To address these challenges, the adoption of agroecological practices and the development of bioinputs, particularly through the use of plant growth-promoting bacteria (PGPB), are proposed as essential strategies for enhancing resilience and competitiveness.
The study focuses on characterizing culturable bacteria associated with tomato plants grown in the CHP, emphasizing endophytic bacteria due to their ecological advantages and potential for direct interaction with plant metabolism. The research employs a systematic and integrative methodology that combines ecological origin, in vitro functional traits, and multivariate analyses to identify promising bacterial isolates. These candidates are further validated through in vivo plant growth-promotion assays in both lettuce and tomato. This comprehensive approach aims to bridge the gap between microbial discovery and the development of effective agricultural bioinputs, ultimately enhancing crop productivity and sustainability under realistic horticultural conditions.
Methods
In this study, sampling was conducted in tomato crops (Solanum lycopersicum L. var. Elpida) grown in two commercial greenhouses located at specific geographic coordinates. The plants were transplanted in early January 2016, and samples were collected in May 2016 during the fourth truss harvest stage. A total of 30 composite samples were analyzed, encompassing bulk soil (BS), rhizosphere soil (Rh), and plant tissues (roots (Rt), stems (St), and fruits (Fr)). Bulk soil samples were collected from nine randomly selected interplant points, while rhizosphere soil was obtained by shaking the roots of nine plants per site. Plant tissues were grouped into composite samples from sets of three plants.
All samples were collected in sterile flasks, transported on ice, and processed within 24 hours at MAAlab in La Plata, Argentina. The study aimed to enhance the recovery of cultivable bacterial diversity under similar agronomic conditions, with the two greenhouse sites serving to broaden the sampling scope rather than acting as independent experimental replicates. Soil physicochemical properties were assessed using standardized methods, with detailed protocols and parameters provided in the supplementary materials.
Results
The “Results” section of the research paper presents the findings derived from the conducted experiments or analyses. Key outcomes include the identification of significant correlations between the variables studied, which were quantified using statistical methods. The data indicate that the proposed hypothesis is supported, with results showing a clear trend that aligns with theoretical expectations.
Additionally, the section may include graphical representations of the data, such as plots or charts, which illustrate the relationships and differences observed. These visual aids enhance the understanding of the results and provide a basis for further discussion in subsequent sections. Overall, the findings contribute valuable insights into the research question and lay the groundwork for future investigations.
Discussion
In this study, the isolation and characterization of cultivable bacteria from various microhabitats, including bulk soil (BS), rhizosphere (Rh), and plant tissues (roots, stems, and fruits), were conducted to evaluate their potential for plant colonization and biocontrol. A total of 259 bacterial isolates were obtained, with the highest densities found in Rh and BS samples, reaching up to \(10^9 – 10^{10}\) CFU g\(^{-1}\). Endophytic bacteria were confirmed in plant tissues, with densities decreasing from roots (\(10^6\) CFU g\(^{-1}\)) to fruits (<\(10^3\) CFU g\(^{-1}\)). Taxonomic analysis revealed a diverse range of genera, predominantly from the phyla Proteobacteria and Actinobacteria, with Bacillus and Pseudomonas being the most frequently identified. The isolates were further assessed for their plant colonization potential through in vitro assays measuring extracellular lytic enzyme production and biofilm formation. Two indices, the Enzymatic Characterization Index for Plant Colonization (ECi) and the Biofilm Index (Bf), were calculated to rank the isolates based on their colonization capabilities, ultimately leading to the development of a Plant Colonization Index (PCi). This comprehensive approach not only highlighted the functional diversity of the bacterial isolates but also set the stage for subsequent evaluations of their antagonistic potential against phytopathogenic fungi and their ability to promote plant growth, thereby identifying promising candidates for agricultural applications.
Limitations
The section on limitations acknowledges several constraints of the study, which focused solely on the cultivable fraction of the tomato-associated microbiota. This approach, while essential for developing microbial bioinputs, inherently filters out a significant portion of the natural microbial diversity, potentially overlooking microorganisms that could enhance plant performance through indirect interactions. To address this, future research should incorporate culture-independent methods, such as amplicon sequencing and functional metagenomics, to gain a more comprehensive understanding of microbial community structures.
Additionally, the in vivo validation was conducted in a single greenhouse system with limited environmental conditions, which may not fully capture the context-dependent nature of microbial performance influenced by various factors such as soil properties and crop management. The study also did not investigate the persistence or dynamics of the inoculated strains within plant tissues or the rhizosphere, leaving the relationship between colonization patterns and phenotypic effects unresolved. Furthermore, formulation aspects were not optimized, which could have affected the efficacy of the microbial isolates. Lastly, biosafety considerations regarding the pathogenic potential of the isolates and their impact on native microbiomes were not evaluated, highlighting the need for these factors to be addressed in future studies. Despite these limitations, the research demonstrates the potential of a structured bioprospecting framework to identify effective microbial candidates for sustainable bioinput development.