DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1726681
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41623615
تاريخ النشر: 2026-01-15
المؤلف: Xianjun Lai وآخرون
الموضوع الرئيسي: تفاعلات النباتات والميكروبات والمناعة
نظرة عامة
تسلط هذه الدراسة الضوء على دور الميكروبيوم التربة في التوسط في تأثيرات استراتيجيات التسميد على الاستجابات الفسيولوجية والكيميائية للمحاصيل، مقدمة رؤى لإدارة التسميد المستدام. توضح الدراسة أن التطبيق المشترك للميكروبات المعززة لنمو النباتات القائمة على *Bacillus* وسماد ميكروبي تجاري يوفر فوائد تآزرية للتبغ المجفف بالدخان. على وجه الخصوص، أظهرت التجارب الأولية في الأواني أن سلالات مثل *Bacillus subtilis* و*Bacillus licheniformis* عززت مقاييس نمو النباتات – مثل الارتفاع، وقوة الساق، وتطور الجذور – بشكل أساسي من خلال تفاعلاتها مع الميكروبيوم المحلي بدلاً من تأثيرات المستقلبات المباشرة.
أكدت التجارب الميدانية هذه النتائج، حيث أظهرت أن تطبيق PGPM المعتدل حسّن باستمرار نمو النباتات وغير نسب السكر/النيكوتين والنيتروجين/النيكوتين نحو النطاقات المثلى. بالإضافة إلى ذلك، كان هناك زيادة في الأحماض الفينولية، والأحماض العضوية، والمكونات المحبة للدهون عبر مواضع الأوراق، مما ساهم في تحقيق درجات جودة أعلى. كشفت تحليلات الميكروبيوم أن نوع التسميد، بدلاً من جرعته، كان العامل الرئيسي الذي يقود إعادة هيكلة المجتمع، حيث أدى التطبيق المشترك إلى إثراء الأجناس الوظيفية المرتبطة بتدوير المغذيات والعمليات الأيضية. أكدت تحليل الشبكات ونمذجة المعادلات الهيكلية (SEM) آلية تسلسلية حيث يعيد نظام التسميد تشكيل ميكروبيوم منطقة الجذور، ويعيد برمجة ملفات التعريف الأيضية للأوراق، ويعزز الصفات الزراعية والجودة. توفر هذه الدراسة إطارًا شاملاً لتصميم دقيق لصيغ الأسمدة الميكروبية المستقبلية التي تهدف إلى تحسين جودة التبغ.
مقدمة
تؤكد مقدمة ورقة البحث على الدور الحاسم لجودة التبغ المجفف بالدخان في تحديد القدرة التنافسية والجدوى الاقتصادية لصناعة التبغ. تسلط الضوء على أنه بينما زادت أنظمة الإنتاج التقليدية من الكتلة الحيوية من خلال الأسمدة الكيميائية المفرطة، فقد أدت أيضًا إلى اختلالات في المؤشرات الكيميائية الأساسية، مما أثر سلبًا على القابلية للاحتراق، والرائحة، وجودة الأوراق بشكل عام. إن تدهور صحة التربة، الذي يتميز بانخفاض المواد العضوية وتنوع الميكروبات، يقيد أيضًا امتصاص المغذيات وتحسين الجودة.
استجابةً لهذه التحديات، تستكشف الدراسة إمكانيات الأسمدة الميكروبية كبدائل صديقة للبيئة يمكن أن تعزز جودة التبغ من خلال آليات مختلفة، بما في ذلك تحسين إمدادات المغذيات وتنظيم الأيض. توضح الورقة كيف يمكن أن تعمل سلالات ميكروبية معينة على تحسين توازن السكر إلى القلويدات وتفعيل المسارات المرتبطة بالرائحة وخصائص الأوراق. ومع ذلك، تشير إلى وجود فجوات كبيرة في الأبحاث الحالية، لا سيما فيما يتعلق بالتأثيرات التآزرية لمختلف الأسمدة الميكروبية وتطبيقها في سياقات بيئية متنوعة. لمعالجة هذه القضايا، تقيم الدراسة بشكل منهجي تأثيرات نوعين جديدين من الأسمدة الميكروبية بتركيزات مختلفة على الصفات الزراعية، والتنسيق الكيميائي، والجودة الحسية، ومجتمعات الميكروبات في منطقة إنتاج التبغ الممتاز في الصين. تهدف النتائج إلى وضع استراتيجيات تسميد مثلى وتقديم رؤى لتطبيقات أوسع في زراعة المحاصيل المتخصصة.
طرق
تم إجراء التجربة الميدانية على مدى موسمين زراعيين في قاعدة إنتاج التبغ المجفف بالدخان الممتاز Guobao في مقاطعة Puge، مقاطعة سيتشوان، الصين، التي تتميز بمناخ هضبة شبه استوائي. استخدمت الدراسة تربة رملية طينية ذات خصائص فيزيائية وكيميائية محددة، بما في ذلك نطاق pH من 5.5-7.0 ومستويات مغذيات متنوعة. كانت سلالة التبغ المجفف بالدخان المستخدمة هي Yunyan 85، وتم إدارة القطع التجريبية، التي تبلغ مساحتها حوالي 0.67 هكتار، بشكل موحد من قبل نفس المزارع.
تم تقييم نوعين من الأسمدة الميكروبية: مكون من مزيج من *Bacillus subtilis* و*Bacillus licheniformis* و*Paenibacillus polymyxa*، وسماد ميكروبي تجاري، Xi•Weifeng، يحتوي على سلالات وظيفية من *Bacillus spp.* و*Pseudomonas spp.* و*Streptomyces spp.* كان التصميم التجريبي عبارة عن ترتيب عاملي من مستويين، مع تسع تركيبات معالجة، حيث تم تطبيق كل سماد بمعدلات 0 و27 و54 كجم•هكتار⁻¹. تم ترتيب المعالجات في تصميم كتلة عشوائية مع ثلاث مكررات، وتم استخدام تطبيق سماد عضوي موحد بمعدل 900 كجم•هكتار⁻¹ عبر جميع القطع. تم تطبيق الأسمدة الميكروبية بدءًا من أسبوع واحد بعد الزراعة، مخففة في الماء، وتم إدارتها من خلال الرش الورقي وسقي الجذور على فترات ثلاثة أسابيع.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم القدرة على تعزيز النمو لميكروبين معززين لنمو النباتات (PGPMs)، *Bacillus subtilis* و*B. licheniformis*، من خلال تجربة في غرفة نمو محكمة وتجارب تلقيح معقمة. تم زراعة كلا السلالتين وتطبيقهما على شتلات التبغ، مما أدى إلى تحسينات كبيرة في ارتفاع النباتات وتطور الجذور، خاصة مع *B. subtilis*. ومع ذلك، لم تؤدي التطبيقات المباشرة لمستقلبات الميكروبات إلى تحسينات كبيرة في النمو، مما يشير إلى أن الفوائد الملحوظة كانت ناتجة بشكل أساسي عن استعمار الميكروبات وتفاعلاتها داخل منطقة الجذور. أكدت التجارب الميدانية اللاحقة أن التطبيقات المعتدلة من PGPMs (27 كجم•هكتار⁻¹) عززت باستمرار نمو النباتات وحسنت الصفات الزراعية، بينما أدت التطبيقات المفرطة (54 كجم•هكتار⁻¹) إلى تقليل عرض الأوراق، مما يشير إلى تأثير يعتمد على الجرعة.
علاوة على ذلك، قيمت الدراسة تأثيرات مختلف معالجات الأسمدة على التركيب الكيميائي وجودة أوراق التبغ المجفف. ومن الجدير بالذكر أن التطبيقات المختلطة من PGPMs ومنتج تجاري (Xi•Weifeng) حسنت محتوى النيكوتين، ونسب السكر إلى النيكوتين، ودرجات الجودة العامة عبر مواضع الأوراق المختلفة. تم تحقيق أعلى درجات الجودة مع مزيج من PGPM بمعدل 27 كجم•هكتار⁻¹ وXi•Weifeng بمعدل 54 كجم•هكتار⁻¹، مما يشير إلى أن استراتيجيات التطبيق المشترك أكثر فعالية من العلاجات الفردية. بالإضافة إلى ذلك، كشفت تحليل تنوع الميكروبات في منطقة الجذور عن تحسينات كبيرة في غنى الميكروبات وتنوعها تحت مختلف معالجات التسميد، لا سيما مع التطبيق المشترك، مما يبرز الفوائد البيئية لاستخدام الأسمدة الميكروبية في زراعة التبغ.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1726681
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41623615
Publication Date: 2026-01-15
Author(s): Xianjun Lai et al.
Primary Topic: Plant-Microbe Interactions and Immunity
Overview
This research highlights the role of the soil microbiome in mediating the effects of fertilization strategies on crop physiological and chemical responses, offering insights for sustainable fertilization management. The study demonstrates that the co-application of Bacillus-based plant growth-promoting microorganisms (PGPM) and a commercial microbial fertilizer yields synergistic benefits for flue-cured tobacco. Specifically, preliminary pot experiments indicated that strains such as *Bacillus subtilis* and *Bacillus licheniformis* enhanced plant growth metrics—such as height, stem robustness, and root development—primarily through their interactions with the native microbiome rather than direct metabolite effects.
Field experiments corroborated these findings, showing that moderate PGPM application consistently improved plant growth and altered sugar/nicotine and nitrogen/nicotine ratios towards optimal ranges. Additionally, there was an increase in phenolic acids, organic acids, and lipophilic components across leaf positions, contributing to higher quality scores. Microbiome analyses revealed that the type of fertilization, rather than its dosage, was the main factor driving community restructuring, with co-application enriching functional genera associated with nutrient turnover and metabolic processes. Network analysis and structural equation modeling (SEM) confirmed a sequential mechanism where the fertilization regime reshapes the rhizosphere microbiome, reprograms leaf metabolic profiles, and enhances agronomic and quality traits. This work provides a comprehensive framework for the precision design of future microbial fertilizer formulations aimed at improving tobacco quality.
Introduction
The introduction of the research paper emphasizes the critical role of flue-cured tobacco quality in determining the competitiveness and economic viability of the tobacco industry. It highlights that while conventional production systems have increased biomass through excessive chemical fertilizers, they have also led to imbalances in essential chemical indices, negatively affecting combustibility, aroma, and overall leaf quality. The decline in soil health, characterized by reduced organic matter and microbial diversity, further constrains nutrient uptake and quality improvements.
In response to these challenges, the study explores the potential of microbial fertilizers as environmentally friendly alternatives that can enhance tobacco quality through various mechanisms, including improved nutrient supply and metabolic regulation. The paper outlines how specific microbial strains can optimize the sugar-to-alkaloid balance and activate pathways linked to aroma and leaf properties. However, it notes significant gaps in current research, particularly regarding the synergistic effects of different microbial fertilizers and their application in diverse ecological contexts. To address these issues, the study systematically evaluates the effects of two novel microbial fertilizers at varying concentrations on agronomic traits, chemical coordination, sensory quality, and rhizosphere microbial communities in a premium tobacco production area in China. The findings aim to establish optimal fertilization strategies and provide insights for broader applications in specialty crop cultivation.
Methods
The field experiment was conducted over two growing seasons at the Guobao premium flue-cured tobacco production base in Puge County, Sichuan Province, China, characterized by a subtropical plateau climate. The study utilized sandy loam soil with specific physicochemical properties, including a pH range of 5.5-7.0 and various nutrient levels. The flue-cured tobacco cultivar used was Yunyan 85, and the experimental plots, approximately 0.67 hectares, were managed uniformly by the same farmer.
Two types of microbial fertilizers were evaluated: an in-house plant growth-promoting microbial (PGPM) inoculant composed of a consortium of Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis, and Paenibacillus polymyxa, and a commercial microbial fertilizer, Xi•Weifeng, containing functional strains from Bacillus spp., Pseudomonas spp., and Streptomyces spp. The experimental design was a two-factor, three-level factorial arrangement with nine treatment combinations, applying each fertilizer at rates of 0, 27, and 54 kg•ha⁻¹. The treatments were arranged in a randomized block design with three replicates, and a uniform organic fertilizer application of 900 kg•ha⁻¹ was used across all plots. Microbial fertilizers were applied starting one week post-transplanting, diluted in water, and administered through foliar spraying and root drenching at three-week intervals.
Discussion
In this study, the growth-promoting potential of two plant growth-promoting microorganisms (PGPMs), *Bacillus subtilis* and *B. licheniformis*, was evaluated through a controlled growth chamber pot experiment and sterile inoculation assays. Both strains were cultured and applied to tobacco seedlings, leading to significant improvements in plant height and root development, particularly with *B. subtilis*. However, the direct application of microbial metabolites did not yield significant growth enhancements, suggesting that the observed benefits were primarily due to microbial colonization and interactions within the rhizosphere. Subsequent field experiments confirmed that moderate applications of PGPMs (27 kg•ha⁻¹) consistently promoted plant growth and enhanced agronomic traits, while excessive applications (54 kg•ha⁻¹) led to reduced leaf width, indicating a dose-dependent effect.
The study further assessed the impact of various fertilizer treatments on the chemical composition and quality of cured tobacco leaves. Notably, mixed applications of PGPMs and a commercial product (Xi•Weifeng) improved nicotine content, sugar-to-nicotine ratios, and overall quality scores across different leaf positions. The highest quality scores were achieved with the combination of PGPM at 27 kg•ha⁻¹ and Xi•Weifeng at 54 kg•ha⁻¹, indicating that co-application strategies are more effective than single treatments. Additionally, the analysis of rhizosphere microbial diversity revealed significant enhancements in microbial richness and diversity under various fertilization treatments, particularly with co-application, highlighting the ecological benefits of using microbial fertilizers in tobacco cultivation.