DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1720323
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41684900
تاريخ النشر: 2026-01-28
المؤلف: Saira Tabbasum وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الكربون والنيتروجين في التربة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في دور البكتيريا المحللة للفوسفات (PSB) في تعزيز خصوبة التربة وإدارة الفوسفور (P)، لا سيما في التربة القلوية ذات التباين المكاني في الفوسفور. تحدد الدراسة الفوسفور المتاح في التربة كعامل حاسم يؤثر على وفرة وخصائص PSB القابلة للزراعة، مع وجود عتبة ملحوظة عند مستويات الفوسفور أقل من 6.3 ملغ كغ\(^{-1}\) من التربة الجافة. في ظروف الفوسفور المنخفض، تظهر PSB زيادة في إفراز الأحماض العضوية مثل حمض الماليك، وحمض السكسينيك، وحمض الجبريلين، وحمض الستريك، بينما تظهر انخفاضًا في إنتاج حمض الإندول أسيتيك. يشير ذلك إلى وجود تبادل حيث تعطي PSB الأولوية لاكتساب الموارد على حساب النمو، مما يعزز قدرتها على تحريك الفوسفور من مصادر أقل وصولاً.
تظهر النتائج أن PSB من التربة ذات الفوسفور المنخفض يمكن أن تحسن بشكل كبير من نمو النباتات، كما يتضح من نباتات القمح التي تلقت 70% من التسميد الفوسفاتي الموصى به وحققت عوائد مقارنة بتلك التي تلقت تسميدًا كاملًا دون تلقيح PSB. بشكل محدد، أدى تلقيح PSB إلى زيادة بنسبة 24.3% في الكتلة الحيوية، وزيادة بنسبة 28.53% في العائد، وتحسين بنسبة 31.66% في كفاءة استخدام الفوسفور. تؤكد هذه النتائج على إمكانية استخدام PSB كعوامل حيوية فعالة لتقليل الاعتماد على الأسمدة الكيميائية مع الحفاظ على أو تعزيز إنتاجية المحاصيل. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تطبيق PSB من التربة ذات الفوسفور المنخفض عبر مختلف التربة والمناطق الزراعية البيئية للتحقق من فعاليتها في الظروف الميدانية.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الضغوط المتزايدة على النظم البيئية الأرضية، لا سيما موارد التربة، بسبب النمو السكاني وزيادة الطلب على الغذاء. أدت الممارسات الزراعية المكثفة إلى استنفاد المادة العضوية في التربة والمواد الغذائية الأساسية مثل الفوسفور (P)، وهو أمر حاسم لصحة التربة وعمليات الأيض الميكروبية. تؤكد الورقة على الدور المهم للفوسفور في عمليات بيولوجية متنوعة وتأثيره على المجتمعات الميكروبية في التربة عبر بيئات متنوعة، من الغابات الاستوائية إلى التندرا. على الرغم من الأهمية المعروفة للفوسفور في تعديل الميكروبيومات التربة، لا تزال هناك فجوات في فهم التفاعلات بين الفوسفور في التربة والديناميات الميكروبية، مما يعقد إدارة الأراضي المستدامة.
يؤكد المؤلفون على أن بكتيريا التربة تلعب دورًا محوريًا في دورة الفوسفور البيوجيوكيميائية، حيث تعمل كمصادر ومصارف لأيونات الفوسفات من خلال عمليات مثل إعادة التمعدن والتثبيت. يشيرون إلى أن إنتاج البكتيريا للأحماض العضوية يعزز توفر الفوسفور من خلال تسهيل ذوبان أيونات الفوسفات، وهو ما يتأثر بحالات التربة ومعدلات الأيض الميكروبية. تهدف الدراسة إلى التحقيق في كيفية تأثير التباين المكاني في الفوسفور في التربة على الخصائص الإيكولوجية الفسيولوجية للبكتيريا ومساهماتها في اكتساب النباتات للفوسفور. من خلال تحليل 127 موقعًا زراعيًا في باكستان، يسعى الباحثون إلى توضيح العلاقة بين العوامل الإيدافية، وديناميات المجتمع البكتيري، وإنتاج الأحماض العضوية، مما يوفر رؤى حول الاستراتيجيات الميكروبية التي تعزز ديناميات المغذيات في النظم الزراعية.
الطرق
في هذه الدراسة، تم إجراء تجربة في الأصص في المعهد الوطني للتكنولوجيا الحيوية والهندسة الوراثية (NIBGE) في فيصل آباد، باكستان، لتقييم تأثيرات البكتيريا المحللة للفوسفات (PSB) المعزولة من التربة ذات الفوسفور المنخفض (P) والتربة ذات الفوسفور العالي على توفر الفوسفور في التربة ونمو القمح. تضمنت إعداد التجربة استخدام تربة طينية معقمة تم جمعها من حقل دوار القمح والأرز، والتي تم تعقيمها للقضاء على المجتمع الميكروبي الأصلي، مما يسمح بإجراء تحقيق محكوم في سلالات البكتيريا الملقحة. تم تصميم التجربة بأربعة علاجات: علاج تحكم مع 100% من الأسمدة الكيميائية، علاج تحكم مع 70% من الأسمدة، وعلاجان مع تلقيح PSB من التربة ذات الفوسفور المنخفض والعالي، وكلاهما يتلقى 70% من الأسمدة.
تم اختيار سلالات PSB بناءً على خصائصها الشكلية، وإمكانات حل الفوسفور، وإنتاج الأحماض العضوية، مما أدى إلى تشكيل مجموعتين: مجموعة-1 (L PSB) ومجموعة-2 (H PSB). أكدت اختبارات التوافق باستخدام اختبار انتشار الآبار أن السلالات المختارة يمكن أن تتعايش، مما سهل تطوير المجموعات البكتيرية. تم تعقيم بذور القمح ثم تلقيحها بالمجموعات البكتيرية قبل الزراعة، بينما تم معالجة بذور التحكم بمغذيات LB. يهدف هذا التصميم التجريبي إلى توضيح دور PSB في تعزيز توفر الفوسفور وتعزيز نمو القمح، مما يوفر أساسًا للتجارب الميدانية المستقبلية.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من الإجراءات التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط قوي بين المتغيرات قيد البحث، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن النموذج المقترح يتنبأ بفعالية بسلوك النظام، كما يتضح من قيمة معامل التحديد العالية ($R^2$)، مما يشير إلى توافق جيد بين البيانات المرصودة والمتوقعة. تسهم هذه النتائج في الجسم المعرفي القائم من خلال توفير رؤى حول الآليات الأساسية والتطبيقات المحتملة لموضوع البحث.
المناقشة
تبحث الدراسة في التباين المكاني لتوفر الفوسفور (P) في التربة عبر مقاطعتي البنجاب والسند في باكستان، والتي تتميز بمناخ شبه جاف إلى جاف. تم جمع عينات التربة من 127 حقل قمح، مع التركيز على 14 موقعًا بمستويات فوسفور متباينة (منخفض < 15 ملغ/كغ وعالي > 15 ملغ/كغ). استخدمت الأبحاث تحليلات كيميائية وميكروبية متنوعة لتقييم خصائص التربة، بما في ذلك الرقم الهيدروجيني، والتوصيل الكهربائي، والمادة العضوية، والفوسفور المتاح، إلى جانب عزل وتصنيف البكتيريا المحللة للفوسفات (PSB). تشير النتائج إلى أن توفر الفوسفور المنخفض هو السائد في المنطقة، مما يؤثر بشكل كبير على تجمعات البكتيريا وأدوارها الوظيفية في ديناميات مغذيات التربة.
تكشف النتائج أن وفرة البكتيريا مرتبطة بشكل معقد بالعوامل الإيدافية، حيث يظهر الفوسفور المتاح كعامل رئيسي في هيكل المجتمع الميكروبي. أبرز تحليل شجرة الانحدار أن مستويات الفوسفور أقل من 6.3 ملغ/كغ هي حاسمة لفهم الديناميات البكتيرية، بينما تلعب المادة العضوية والتوصيل الكهربائي أيضًا أدوارًا مهمة. علاوة على ذلك، أظهرت سلالات PSB المعزولة من التربة ذات الفوسفور المنخفض إمكانات أعلى في حل الفوسفور وإنتاج الأحماض العضوية، مما يشير إلى أهميتها في تعزيز توفر الفوسفور للنباتات. أظهرت التقييمات في النبات أن تلقيح البكتيريا، وخاصة من سلالات التربة ذات الفوسفور المنخفض، حسن بشكل كبير من معايير نمو القمح وكفاءة استخدام الفوسفور، مما يبرز إمكانية PSB في الممارسات الزراعية المستدامة في التربة ذات المغذيات الناقصة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1720323
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41684900
Publication Date: 2026-01-28
Author(s): Saira Tabbasum et al.
Primary Topic: Soil Carbon and Nitrogen Dynamics
Overview
This research investigates the role of phosphate-solubilizing bacteria (PSB) in enhancing soil fertility and phosphorus (P) management, particularly in alkaline soils with spatial P heterogeneity. The study identifies soil available P as a critical factor influencing the abundance and functional traits of culturable PSB, with a notable threshold at P levels below 6.3 mg kg\(^{-1}\) dry soil. In low-P conditions, PSB exhibit increased secretion of organic acids such as malic, succinic, gibberellic, and citric acid, while showing reduced production of indole acetic acid. This indicates a trade-off where PSB prioritize resource acquisition over growth, thereby enhancing their ability to mobilize P from less accessible sources.
The findings demonstrate that PSB from low-P soils can significantly improve plant growth, as evidenced by wheat plants receiving 70% of the recommended phosphate fertilization achieving yields comparable to those receiving full fertilization without PSB inoculation. Specifically, PSB inoculation resulted in a 24.3% increase in biomass, a 28.53% increase in yield, and a 31.66% improvement in P use efficiency. These results underscore the potential of PSB as effective bio-inoculants to reduce reliance on chemical fertilizers while maintaining or enhancing crop productivity. Future research should focus on the application of low-P soil PSB across various soils and agroecological zones to validate their effectiveness in field conditions.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the increasing pressures on terrestrial ecosystems, particularly soil resources, due to population growth and heightened food demand. Intensive agricultural practices have led to the depletion of soil organic matter and essential nutrients like phosphorus (P), which is crucial for soil health and microbial metabolism. The paper underscores the significant role of P in various biological processes and its impact on soil microbial communities across diverse environments, from tropical forests to tundras. Despite the established importance of P in modulating soil microbiomes, gaps remain in understanding the interactions between soil phosphorus and microbial dynamics, which complicates sustainable land management.
The authors emphasize that soil bacteria are pivotal in biogeochemical P cycling, acting as both sources and sinks of phosphate ions through processes such as remineralization and immobilization. They note that bacterial production of organic acids enhances P availability by facilitating the dissolution of phosphate ions, which is influenced by soil conditions and microbial metabolic rates. The study aims to investigate how spatial variability in soil P affects bacterial ecophysiological traits and their contributions to plant P acquisition. By analyzing 127 agricultural sites in Pakistan, the researchers seek to elucidate the relationship between edaphic factors, bacterial community dynamics, and organic acid production, ultimately providing insights into microbial strategies that enhance nutrient dynamics in agroecosystems.
Methods
In this study, a pot experiment was conducted at the National Institute for Biotechnology and Genetic Engineering (NIBGE) in Faisalabad, Pakistan, to assess the effects of phosphate-solubilizing bacteria (PSB) isolated from low-phosphorus (P) and high-P soils on soil phosphorus availability and wheat growth. The experimental setup involved using sterilized loamy soil collected from a wheat-rice rotation field, which was autoclaved to eliminate the native microbial community, thereby allowing for a controlled investigation of the inoculated bacterial strains. The experiment was designed with four treatments: a control with 100% chemical fertilizer, a control with 70% fertilizer, and two treatments with PSB inoculation from low-P and high-P soils, both receiving 70% fertilizer.
The PSB strains were selected based on their phenotypic characteristics, phosphorus solubilization potential, and organic acid production, leading to the formation of two consortia: Consortium-1 (L PSB) and Consortium-2 (H PSB). Compatibility tests using a well diffusion assay confirmed that the selected strains could coexist, which facilitated the development of the bacterial consortia. Wheat seeds were sterilized and then inoculated with the bacterial consortia before planting, while control seeds were treated with LB broth. This experimental design aims to elucidate the role of PSB in enhancing phosphorus availability and promoting wheat growth, providing a foundation for future field trials.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental or analytical procedures employed. The data indicates a strong correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant.
Additionally, the results demonstrate that the proposed model effectively predicts the behavior of the system, as evidenced by a high coefficient of determination ($R^2$) value, indicating a good fit between the observed and predicted data. These findings contribute to the existing body of knowledge by providing insights into the underlying mechanisms and potential applications of the research topic.
Discussion
The study investigates the spatial heterogeneity of phosphorus (P) availability in soils across Punjab and Sindh provinces of Pakistan, characterized by semi-arid to arid climates. Soil samples were collected from 127 wheat fields, focusing on 14 sites with contrasting P levels (low < 15 mg/kg and high > 15 mg/kg). The research employed various chemical and microbial analyses to assess soil properties, including pH, electrical conductivity, organic matter, and available P, alongside the isolation and characterization of phosphate-solubilizing bacteria (PSB). The findings indicate that low P availability is prevalent in the region, significantly influencing bacterial populations and their functional roles in soil nutrient dynamics.
The results reveal that bacterial abundance is intricately linked to edaphic factors, with available P emerging as a primary driver of microbial community structure. Regression tree analysis highlighted that P levels below 6.3 mg/kg are critical for understanding bacterial dynamics, while organic matter and electrical conductivity also play significant roles. Furthermore, PSB strains isolated from low-P soils exhibited higher phosphorus solubilization potential and organic acid production, suggesting their importance in enhancing P availability for plants. In planta evaluations demonstrated that bacterial inoculation, particularly from low-P soil strains, significantly improved wheat growth parameters and phosphorus use efficiency, underscoring the potential of PSB in sustainable agricultural practices in nutrient-deficient soils.