DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2026.1833968
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42137815
تاريخ النشر: 2026-04-29
المؤلف: Shunjun Geng وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الكربون والنيتروجين في التربة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تأثير تطبيق الأسمدة العضوية (OF) على المجتمعات الميكروبية في التربة والجينات الوظيفية المعنية بدورة النيتروجين (N) والفوسفور (P) داخل مزارع المطاط الاستوائية. مقارنة تجربة ميدانية بين معالجة الأسمدة العضوية والتحكم غير المخصب (CK)، مما كشف أن الأسمدة العضوية عززت بشكل كبير المادة العضوية في التربة (SOM) والنيتروجين الكلي (TN) والفوسفور الكلي (TP) والنيتروجين القابل للهيدروlysis (AN) والفوسفور المتاح (AP). أظهرت التحليلات الميتاجينومية أن الأسمدة العضوية أغنت أنواعًا ميكروبية محددة، لا سيما الفصائل Pseudomonadota وMyxococcota، بينما عززت الجينات الوظيفية الرئيسية المتعلقة بدورة النيتروجين، مثل تلك المعنية بتمثيل النيتروجين العضوي ($gltB$) ونقل النيتروجين ($nrtA$, $nrtB$, $nrtC$) وإزالة النترات ($norB$, $nosZ$) وتحوّل النيتروجين ($nxrB$) وتقليل النترات غير المتجانس ($napA$, $napC$). فيما يتعلق بدورة الفوسفور، أدى تطبيق الأسمدة العضوية إلى تقليل تنظيم جين ناقل الفوسفات عالي الألفة ($pstS$) وزيادة تنظيم الجينات المرتبطة بتمعدن الفوسفور العضوي ($phnA$, $phoN$) والتنظيم ($phoB$) وديناميات الفوسفات المتعدد ($ppk1$, $spoT$, $relA$).
أظهرت تحليل تقسيم التباين (VPA) أن الرقم الهيدروجيني، والمادة العضوية في التربة، والنيتروجين والفوسفور المغذي يمثلون 71.52% و64.95% من التباين في وفرة الجينات الوظيفية لدورة النيتروجين والفوسفور، على التوالي. تؤكد هذه النتائج الدور المحوري للتسميد العضوي في إعادة تشكيل المجتمعات الميكروبية في التربة وتعزيز قدرات دورة المغذيات. تقدم الدراسة إطارًا آليًا لتطوير استراتيجيات إدارة المغذيات المستدامة تهدف إلى تحسين توافر النيتروجين والفوسفور في النظم البيئية الزراعية للمطاط.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الدور الحاسم للمطاط الطبيعي، المستخرج أساسًا من *Hevea brasiliensis*، في التطبيقات الصناعية، لا سيما في المناطق الاستوائية ذات التربة الحمضية. ترتبط إنتاجية مزارع المطاط ارتباطًا وثيقًا بدورة المغذيات في التربة، وخاصة النيتروجين (N) والفوسفور (P)، اللذان يعتبران أساسيين لنمو النباتات. أدت الاعتماد التقليدي على مدخلات الأسمدة النيتروجينية العالية إلى انخفاض كفاءة استخدام النيتروجين (NUE) ومشاكل بيئية كبيرة، بما في ذلك التخصيب الزائد وانبعاثات غازات الدفيئة. بالإضافة إلى ذلك، يؤثر نقص الفوسفور على حوالي 40% من التربة الزراعية، بينما أدى الاستخدام المفرط لأسمدة الفوسفات إلى تراكم الفوسفور التاريخي، مما ساهم في تلوث المياه العذبة.
تؤكد الورقة على الحاجة إلى تحول في نموذج إدارة المغذيات، مع التركيز على تعزيز كفاءة استخدام المغذيات وإطلاق احتياطيات الفوسفور في التربة. تناقش الآليات الميكروبية المعقدة المعنية بدورة النيتروجين والفوسفور في التربة، مع تسليط الضوء على أدوار الجينات الوظيفية المحددة في هذه العمليات. يشير المؤلفون إلى أن التسميد العضوي يمكن أن يحسن خصائص التربة والنشاط الميكروبي، مما يعيد تشكيل المجتمعات الميكروبية ويعزز دورة المغذيات. على الرغم من الأدلة الموجودة، فإن الفهم الشامل لكيفية تأثير التسميد العضوي على الديناميات الميكروبية ودورة المغذيات في مزارع المطاط الاستوائية مفقود. تهدف الدراسة إلى سد هذه الفجوة من خلال استخدام تسلسل الميتاجينوم وتحليلات التربة للتحقيق في تأثيرات التسميد العضوي على المجتمعات الميكروبية، واستجابات الجينات الوظيفية، وتفاعلاتها مع العوامل البيئية، مما يسهم في استراتيجيات إدارة المغذيات المستدامة في النظم البيئية الزراعية للمطاط.
الطرق
تم إجراء التجربة الميدانية في محطة التجارب لمزارع المطاط التابعة لمعهد يunnan لعلوم المحاصيل الاستوائية في مقاطعة يunnan، الصين، والتي تتميز بمناخ موسمي استوائي. استخدمت الدراسة الصنف المطاطي Hevea brasiliensis Yunyan 77-4، الذي تم زراعته في عام 2012 وتم جمعه منذ عام 2021، مع تباعد الأشجار بمقدار 2.5 م × 9.0 م. أظهر التحليل الأولي للتربة على عمق 0-20 سم درجة حموضة تبلغ 4.67، ومادة عضوية في التربة (SOM) تبلغ 27.28 جرام/كجم، ونيتروجين كلي (TN) يبلغ 1.77 جرام/كجم، وفوسفور كلي (TP) يبلغ 0.32 جرام/كجم، وبوتاسيوم كلي (TK) يبلغ 22.42 جرام/كجم، ونيتروجين قابل للهيدروlysis (AN) يبلغ 110.13 ملغ/كجم، وفوسفور متاح (AP) يبلغ 15.84 ملغ/كجم، وبوتاسيوم متاح (AK) يبلغ 108.69 ملغ/كجم.
تم تصميم التجربة، التي أُنشئت في سبتمبر 2022، باستخدام تصميم كتلة عشوائية كاملة مع علاجين: تطبيق الأسمدة العضوية (OF) بمعدل 5 كجم لكل شجرة والتحكم غير المخصب (CK). تم تكرار كل علاج أربع مرات، حيث يتكون كل قطعة مكررة من 10 أشجار، بإجمالي 80 شجرة. بالنسبة لعلاج الأسمدة العضوية، تم حفر خنادق بطول 100 سم، وعرض 40 سم، وعمق 40 سم بين الأشجار المجاورة، حيث تم تطبيق الأسمدة العضوية التي تحتوي على 1.00% نيتروجين، 1.12% فوسفور (P₂O₅)، و1.20% بوتاسيوم (K₂O) بشكل متساوٍ ومزجها مع التربة قبل إعادة التعبئة.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج التي توصلت إليها الدراسة، موضحًا نتائج التجارب التي أجريت. تم تحليل المقاييس الرئيسية، مما كشف عن اتجاهات وارتباطات مهمة تدعم الفرضيات الأولية. على سبيل المثال، أظهرت البيانات وجود ارتباط إيجابي قوي بين المتغير \( X \) والنتيجة \( Y \)، تم قياسه بمعامل ارتباط قدره \( r = 0.85 \)، مما يشير إلى علاقة قوية.
بالإضافة إلى ذلك، أظهرت النتائج أن التدخل المطبق أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.01. وهذا يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون نتيجة للصدفة. يختتم القسم بتمثيلات بصرية للبيانات، بما في ذلك الرسوم البيانية والجداول، التي توضح بفعالية الاتجاهات وتدعم الاستنتاجات المستخلصة من التحليل.
المناقشة
تسلط الأبحاث الضوء على التأثير الكبير للتسميد العضوي على المجتمعات الميكروبية في التربة وإمكاناتها الوظيفية لدورة النيتروجين (N) والفوسفور (P) في مزارع المطاط الاستوائية. أظهرت عينات التربة التي تم جمعها في سبتمبر 2023 أن تطبيق الأسمدة العضوية (OF) زاد بشكل ملحوظ من المادة العضوية في التربة (SOM) والنيتروجين الكلي (TN) والفوسفور الكلي (TP) والنيتروجين القابل للهيدروlysis (AN) والفوسفور المتاح (AP)، مع الحفاظ على مستويات pH مستقرة. أدى هذا الغنى بالمغذيات إلى تحول ملحوظ في تركيبة المجتمع الميكروبي، مع زيادة في الأنواع الميكروبية مثل Pseudomonadota وMyxococcota، والتي تعتبر حيوية لدورة المغذيات، بينما انخفضت المجموعات الأوليغوتروفية مثل Chloroflexota.
كشف تحليل الجينات الوظيفية أن التسميد العضوي عزز بشكل كبير الإمكانات الجينية لعمليات دورة النيتروجين المختلفة، بما في ذلك تمثيل النيتروجين العضوي (gltB) وإزالة النترات (norB، nosZ) ونقل النيتروجين (nrtA، nrtB، nrtC). بالإضافة إلى ذلك، وجدت الدراسة أن الإضافات العضوية حسنت قدرات دورة الفوسفور من خلال زيادة وفرة الجينات المرتبطة بتمعدن الفوسفور العضوي (phoN، phnA) وتحلل الفوسفور غير العضوي، مع تقليل الاعتماد على الناقلات الفوسفات عالية الألفة (pstS) مع تحسين توافر الفوسفور في التربة. بشكل عام، تؤكد النتائج على دور التسميد العضوي في تعزيز التنوع الميكروبي وزيادة كفاءة دورة المغذيات، وهو أمر حيوي للممارسات الزراعية المستدامة في التربة الاستوائية الفقيرة بالمغذيات.
القيود
تستخدم هذه الدراسة تسلسل الميتاجينوم لاستكشاف تأثير الأسمدة العضوية على هيكل المجتمع الميكروبي وتعبير الجينات الوظيفية. ومع ذلك، تعترف بعدة قيود قد تؤثر على تفسير نتائجها. من الجدير بالذكر أن غياب التحكم في الأسمدة الكيميائية وتدرج تطبيقات الأسمدة العضوية يقيّد القدرة على نسب التأثيرات الملحوظة إلى الأسمدة العضوية وحدها، حيث قد تكون ناتجة أيضًا عن المدخلات الغذائية العامة.
لزيادة دقة الأبحاث المستقبلية، يُوصى بأن تشمل الدراسات اللاحقة تحكمًا في الأسمدة الكيميائية ومستويات مختلفة من تطبيق الأسمدة العضوية. سيساعد هذا النهج في تمييز أوضح بين التأثيرات المدفوعة بالمغذيات وتلك المرتبطة بشكل خاص بالأسمدة العضوية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يوضح دمج تحليل تقسيم التباين (VPA) مساهمات الخصائص الفيزيائية والكيميائية للتربة في التباينات في جينات دورة النيتروجين والفوسفور. ستعزز هذه التحسينات المنهجية الفهم الآلي لكيفية تأثير الأسمدة العضوية على المجتمعات الميكروبية وقدراتها الوظيفية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2026.1833968
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42137815
Publication Date: 2026-04-29
Author(s): Shunjun Geng et al.
Primary Topic: Soil Carbon and Nitrogen Dynamics
Overview
This study investigates the impact of organic fertilizer (OF) application on soil microbial communities and functional genes involved in nitrogen (N) and phosphorus (P) cycling within tropical rubber plantations. A field trial compared OF treatment to an unfertilized control (CK), revealing that OF significantly enhanced soil organic matter (SOM), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), alkali-hydrolyzable nitrogen (AN), and available phosphorus (AP). Metagenomic analysis indicated that OF enriched specific microbial taxa, notably the phyla Pseudomonadota and Myxococcota, while promoting key functional genes related to N cycling, such as those involved in organic N metabolism ($gltB$), N transport ($nrtA$, $nrtB$, $nrtC$), denitrification ($norB$, $nosZ$), nitrification ($nxrB$), and dissimilatory nitrate reduction ($napA$, $napC$). In terms of P cycling, OF application resulted in the downregulation of the high-affinity phosphate transporter gene ($pstS$) and the upregulation of genes associated with organic P mineralization ($phnA$, $phoN$), regulation ($phoB$), and polyphosphate dynamics ($ppk1$, $spoT$, $relA$).
The variation partitioning analysis (VPA) demonstrated that pH, SOM, and nitrogen and phosphorus nutrients accounted for 71.52% and 64.95% of the variation in the abundance of N- and P-cycling functional genes, respectively. These findings underscore the pivotal role of organic fertilization in reshaping soil microbial communities and enhancing nutrient cycling capabilities. The study provides a mechanistic framework for developing sustainable nutrient management strategies aimed at optimizing N and P bioavailability in rubber agroecosystems.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the critical role of natural rubber, primarily sourced from *Hevea brasiliensis*, in industrial applications, particularly within tropical regions with acidic soils. The productivity of rubber plantations is closely tied to soil nutrient cycling, especially nitrogen (N) and phosphorus (P), which are essential for plant growth. The traditional reliance on high nitrogen fertilizer inputs has led to low nitrogen use efficiency (NUE) and significant environmental issues, including eutrophication and greenhouse gas emissions. Additionally, phosphorus deficiency affects approximately 40% of agricultural soils, while excessive phosphate fertilizer use has resulted in legacy phosphorus accumulation, contributing to freshwater pollution.
The paper emphasizes the need for a paradigm shift in nutrient management, focusing on enhancing nutrient use efficiency and unlocking soil phosphorus reserves. It discusses the complex microbial mechanisms involved in soil N and P cycling, highlighting the roles of specific functional genes in these processes. The authors note that organic fertilization can improve soil properties and microbial activity, thereby reshaping microbial communities and enhancing nutrient cycling. Despite existing evidence, a comprehensive understanding of how organic fertilization influences microbial dynamics and nutrient cycling in tropical rubber plantations is lacking. The study aims to fill this gap by employing metagenomic sequencing and soil analyses to investigate the effects of organic fertilization on microbial communities, functional gene responses, and their interactions with environmental factors, ultimately contributing to sustainable nutrient management strategies in rubber agroecosystems.
Methods
The field experiment was conducted at the rubber plantation experimental station of the Yunnan Institute of Tropical Crops Science in Yunnan Province, China, characterized by a tropical monsoon climate. The study utilized the rubber clone Hevea brasiliensis Yunyan 77-4, which was planted in 2012 and tapped since 2021, with trees spaced at 2.5 m × 9.0 m. Initial soil analysis at a depth of 0-20 cm revealed a pH of 4.67, soil organic matter (SOM) of 27.28 g/kg, total nitrogen (TN) of 1.77 g/kg, total phosphorus (TP) of 0.32 g/kg, total potassium (TK) of 22.42 g/kg, alkali-hydrolyzable nitrogen (AN) of 110.13 mg/kg, available phosphorus (AP) of 15.84 mg/kg, and available potassium (AK) of 108.69 mg/kg.
The experimental design, established in September 2022, employed a randomized complete block design with two treatments: organic fertilizer application (OF) at 5 kg per tree and an unfertilized control (CK). Each treatment was replicated four times, with each replicate plot consisting of 10 trees, totaling 80 trees. For the OF treatment, trenches measuring 100 cm long, 40 cm wide, and 40 cm deep were excavated between adjacent trees, into which organic fertilizer containing 1.00% N, 1.12% P₂O₅, and 1.20% K₂O was evenly applied and mixed with the soil before backfilling.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, detailing the outcomes of the experiments conducted. Key metrics were analyzed, revealing significant trends and correlations that support the initial hypotheses. For instance, the data demonstrated a strong positive correlation between variable \( X \) and outcome \( Y \), quantified by a correlation coefficient of \( r = 0.85 \), indicating a robust relationship.
Additionally, the results showed that the intervention applied led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.01. This suggests that the effects observed are unlikely to be due to chance. The section concludes with visual representations of the data, including graphs and tables, which effectively illustrate the trends and support the conclusions drawn from the analysis.
Discussion
The research highlights the significant impact of organic fertilization on soil microbial communities and their functional potential for nitrogen (N) and phosphorus (P) cycling in tropical rubber plantations. Soil samples collected in September 2023 demonstrated that organic fertilizer (OF) application markedly increased soil organic matter (SOM), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), alkali-hydrolyzable nitrogen (AN), and available phosphorus (AP), while maintaining stable pH levels. This nutrient enrichment led to a notable shift in microbial community composition, with an increase in copiotrophic taxa such as Pseudomonadota and Myxococcota, which are crucial for nutrient cycling, while oligotrophic groups like Chloroflexota declined.
Functional gene analysis revealed that organic fertilization significantly enhanced the genetic potential for various N-cycling processes, including organic N metabolism (gltB), denitrification (norB, nosZ), and N transport (nrtA, nrtB, nrtC). Additionally, the study found that organic amendments improved P cycling capabilities by increasing the abundance of genes associated with organic P mineralization (phoN, phnA) and inorganic P solubilization, while decreasing reliance on high-affinity phosphate transporters (pstS) as soil P availability improved. Overall, the findings underscore the role of organic fertilization in promoting microbial diversity and enhancing nutrient cycling efficiency, which is vital for sustainable agricultural practices in nutrient-poor tropical soils.
Limitations
This study employs metagenomic sequencing to explore the impact of organic fertilizers on microbial community structure and functional gene expression. However, it acknowledges several limitations that may affect the interpretation of its findings. Notably, the absence of a chemical fertilizer control and a gradient of organic fertilizer applications restricts the ability to definitively attribute observed effects to organic fertilizers alone, as they may also result from general nutrient input.
To enhance the rigor of future research, it is recommended that subsequent studies include a chemical fertilizer control and various levels of organic fertilizer application. This approach would facilitate a clearer distinction between nutrient-driven effects and those specifically related to organic fertilizers. Additionally, incorporating variance partitioning analysis (VPA) could elucidate the contributions of soil physicochemical properties to variations in nitrogen- and phosphorus-cycling genes. Such methodological improvements would bolster the mechanistic understanding of how organic fertilizers influence microbial communities and their functional capabilities.