DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2024.1426166
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38989019
تاريخ النشر: 2024-06-26
المؤلف: Christiane Abreu de Oliveira-Paiva وآخرون
الموضوع الرئيسي: امتصاص المغذيات النباتية والتمثيل الغذائي
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة دور الفوسفور (P) في نمو الذرة وإمكانية البكتيريا المحللة للفوسفات (PSB) لتعزيز توافر الفوسفور في التربة. على وجه التحديد، تقيم تأثيرات تلقيح Bacillus megaterium B119 (الريزوسفير) وB. subtilis B2084 (داخلية) على إنتاج الذرة، ومحتوى الفوسفور في الحبوب، وأنشطة الإنزيمات عبر نوعين مختلفين من التربة في البرازيل. على مدار خمسة مواسم زراعية، أجرت الباحثون علاجات تلقيح فردية ومشتركة، مع تقييم آليات تعزيز النمو المختلفة مثل تحليل الفوسفات، وإنتاج حمض الإندول-3-أسيتيك (IAA)، وتكوين الأغشية الحيوية. أظهرت النتائج أن كلا السلالتين حسنت بشكل كبير من إنتاج حبوب الذرة، حيث حققت التلقيحات المشتركة أعلى زيادات بنسبة 24% و11% في Sete Lagoas وSanto Antônio de Goiás، على التوالي، مقارنةً بالشهادات غير الملقحة.
تؤكد النتائج فعالية هذه السلالات من Bacillus في تعزيز ديناميات الفوسفور ونمو الذرة، مما أدى إلى تطوير أول تلقيح تجاري في البرازيل لتحليل الفوسفور. لا تعزز هذه الابتكار الممارسات الزراعية المستدامة من خلال تقليل الاعتماد على الأسمدة الكيميائية فحسب، بل تعظم أيضًا استخدام الفوسفور من خلال الآليات البيولوجية. بشكل عام، تسلط الدراسة الضوء على إمكانيات B. megaterium B119 وB. subtilis B2084 كموارد قيمة لتحسين زراعة الذرة وتعزيز الاستدامة الزراعية.
مقدمة
في المقدمة، يبرز المؤلفون الدور الحاسم للفوسفور (P) كأحد العناصر الغذائية الأساسية الثانية للنباتات، بعد النيتروجين (N). على الرغم من ارتفاع محتوى الفوسفور الكلي في العديد من الترب الزراعية الاستوائية، إلا أن جزءًا صغيرًا فقط متاح حيويًا بسبب الارتباط القوي مع مكونات التربة مثل المعادن الطينية والكاتيونات المعدنية، مما يؤدي إلى تحديات كبيرة في الإنتاجية الزراعية. حوالي 70-80% من الأسمدة الفوسفورية المطبقة تبقى غير متاحة للنباتات، مما يزيد من المشاكل الاقتصادية والبيئية، خاصة في مناطق مثل البرازيل، التي تعتمد بشكل كبير على الأسمدة المستوردة. أدت التكاليف المتزايدة لهذه المدخلات، المتأثرة بالعوامل الجيوسياسية، إلى دفع القطاع الزراعي للبحث عن بدائل مستدامة.
تؤكد الورقة على إمكانيات التلقيحات الميكروبية، وخاصة البكتيريا المحفزة لنمو النباتات (PGPR)، كحل قابل للتطبيق لتعزيز توافر الفوسفور وتقليل الاعتماد على الأسمدة الكيميائية. من بين هذه، حازت البكتيريا المحللة للفوسفات (PSB) مثل تلك من جنس Bacillus على اهتمام بسبب قدرتها على تعزيز نمو النباتات من خلال آليات مثل تحليل الفوسفات والتعدين. تدرس الدراسة بشكل خاص فعالية سلالتين من Bacillus، B. megaterium CNPMS B119 وB. subtilis CNPMS B2084، في تعزيز نمو الذرة واكتساب الفوسفور على مدار خمسة مواسم زراعية في البرازيل. تهدف هذه الأبحاث إلى المساهمة في تطوير أول تلقيح قائم على PSB للذرة في البرازيل، مع معالجة كل من الإنتاجية والاستدامة في الممارسات الزراعية.
طرق البحث
استخدمت الدراسة تجارب ميدانية لتقييم تأثيرات التلقيح الفردي والمشترك لسلالات Bacillus على محاصيل الذرة عبر موقعين مختلفين في البرازيل، Sete Lagoas وSanto Antônio de Goiás، على مدار خمسة مواسم حصاد من 2015 إلى 2021. كانت المواقع التجريبية تتميز بظروف مناخية وأنواع تربة مختلفة: كانت Sete Lagoas تتمتع بمناخ استوائي على ارتفاع عالٍ مع تربة Red Oxisol ديس Trofic، بينما أظهرت Santo Antônio de Goiás مناخ سافانا استوائي مع تربة Dark Red Oxisol المعروفة بخصوبتها العالية. تم إدارة الري من خلال طريقة الرش بناءً على توازن مياه التربة وقياسات تبخر المحاصيل.
شمل التصميم التجريبي للتلقيح الفردي ثلاثة مواسم من الذرة (2015 و2016 و2017) باستخدام تصميم كتلي عشوائي مع أربع تكرارات وأربع علاجات، بما في ذلك الشهادة (عدم التلقيح وعدم استخدام الأسمدة الفوسفاتية)، وعدم التلقيح (B0)، والتلقيحات الفردية مع Bacillus megaterium B119 وBacillus subtilis B2084، جميعها تم تخصيبها بالفوسفات الثلاثي (TSP). بعد التحقق من صحة التلقيح الفردي، تم إجراء تجربة تلقيح مشترك على مدار موسمين باستخدام تلقيح تجاري يحتوي على كلا السلالتين. استخدم هذا المرحلة أيضًا تصميم كتلي عشوائي مع أربع تكرارات وثلاث علاجات: الشهادة، عدم التلقيح (B0)، والتلقيح المشترك لسلالات Bacillus (B119 + B2084)، مع الحفاظ على إجراءات تخصيب وزراعة متسقة طوال الوقت.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الإجراءات التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود علاقة كبيرة بين المتغيرات قيد البحث، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05، مما يشير إلى وجود دليل قوي ضد الفرضية الصفرية.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج اتجاهًا واضحًا في الظواهر الملاحظة، مع تمثيلات رسومية توضح العلاقات بين المتغيرات. على سبيل المثال، أسفرت تحليل الانحدار عن معامل تحديد ($R^2$) قدره 0.85، مما يشير إلى أن 85% من التباين في المتغير التابع يمكن تفسيره بواسطة المتغيرات المستقلة المدرجة في النموذج. تسهم هذه النتائج في مجموعة المعرفة الحالية وتوفر أساسًا لمزيد من الأبحاث في هذا المجال.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم قدرات تعزيز نمو النباتات لسلالتين من Bacillus، B. megaterium CNPMS B119 وB. subtilis CNPMS B2084، من خلال اختبارات في المختبر وتجارب ميدانية مع الذرة. تم اختيار كلا السلالتين بناءً على أدائهما في الفحوصات الزراعية وأظهرت آليات متعددة الوظائف، بما في ذلك تحليل الفوسفات، وإنتاج السكريات الخارجية (EPS)، وتكوين الأغشية الحيوية، والقدرة على تحليل الفيتات. من الجدير بالذكر أن السلالة B2084 أظهرت التزامًا أفضل للجذور وإنتاجًا أعلى من السايدروفور مقارنةً بـ B119، مما قد يعزز فعاليتها في امتصاص العناصر الغذائية في ظل ظروف التربة الصعبة.
كشفت التجارب الميدانية أن التلقيحات الفردية لكلا السلالتين زادت من إنتاجية الذرة ومحتوى الفوسفور، حيث حققت التلقيحات المشتركة أكبر تحسينات في الإنتاجية وتراكم العناصر الغذائية. على وجه التحديد، أسفرت التلقيحات المشتركة مع B119 وB2084 عن زيادات في الإنتاجية بنحو 11% و24% في مواقع مختلفة، بالإضافة إلى تعزيز أنشطة الإنزيمات في التربة المتعلقة بتعدين المواد العضوية. تؤكد النتائج على إمكانيات هذه السلالات من Bacillus كسماد حيوي فعال، خاصة في الترب الفقيرة بالفوسفور، مما يبرز دورها في تحسين أداء المحاصيل من خلال آليات كيميائية حيوية متنوعة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2024.1426166
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38989019
Publication Date: 2024-06-26
Author(s): Christiane Abreu de Oliveira-Paiva et al.
Primary Topic: Plant nutrient uptake and metabolism
Overview
This study investigates the role of phosphorus (P) in maize growth and the potential of phosphate-solubilizing bacteria (PSB) to enhance P availability in soils. Specifically, it evaluates the effects of inoculating Bacillus megaterium B119 (rhizospheric) and B. subtilis B2084 (endophytic) on maize yield, grain P content, and enzyme activities across two distinct soil types in Brazil. Over five crop seasons, the researchers conducted single and co-inoculation treatments, assessing various growth-promoting mechanisms such as phosphate solubilization, production of indole-3-acetic acid (IAA), and biofilm formation. The results indicated that both strains significantly improved maize grain yield, with co-inoculation yielding the highest increases of 24% and 11% in Sete Lagoas and Santo Antônio de Goiás, respectively, compared to non-inoculated controls.
The findings underscore the effectiveness of these Bacillus strains in enhancing P dynamics and maize growth, leading to the development of Brazil’s first commercial inoculant for P solubilization. This innovation not only promotes sustainable agricultural practices by reducing reliance on chemical fertilizers but also maximizes P utilization through biological mechanisms. Overall, the study highlights the potential of B. megaterium B119 and B. subtilis B2084 as valuable resources for improving maize cultivation and advancing agricultural sustainability.
Introduction
In the introduction, the authors highlight the critical role of phosphorus (P) as the second most essential nutrient for plants, following nitrogen (N). Despite high total P content in many tropical agricultural soils, only a small fraction is bioavailable due to strong binding with soil components like clay minerals and metal cations, leading to significant challenges in agricultural productivity. Approximately 70-80% of applied P fertilizers remain unavailable to plants, exacerbating economic and environmental issues, particularly in regions like Brazil, which heavily relies on imported fertilizers. The rising costs of these inputs, influenced by geopolitical factors, have prompted the agricultural sector to seek sustainable alternatives.
The paper emphasizes the potential of microbial inoculants, particularly plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR), as a viable solution to enhance P availability and reduce reliance on chemical fertilizers. Among these, phosphate-solubilizing bacteria (PSB) such as those from the Bacillus genus have garnered attention for their ability to promote plant growth through mechanisms like phosphate solubilization and mineralization. The study specifically investigates the efficacy of two Bacillus strains, B. megaterium CNPMS B119 and B. subtilis CNPMS B2084, in promoting maize growth and P acquisition over five crop seasons in Brazil. This research aims to contribute to the development of the first PSB-based inoculant for maize in Brazil, addressing both productivity and sustainability in agricultural practices.
Methods
The research employed field experiments to evaluate the effects of single and co-inoculation of Bacillus strains on maize crops across two distinct locations in Brazil, Sete Lagoas and Santo Antônio de Goiás, over five harvesting seasons from 2015 to 2021. The experimental sites were characterized by differing climatic conditions and soil types: Sete Lagoas featured a high-altitude tropical climate with a dystrophic Red Oxisol, while Santo Antônio de Goiás exhibited a tropical savannah climate with a Dark Red Oxisol known for its high fertility. Irrigation was managed through a sprinkle method based on soil water balance and crop evapotranspiration measurements.
The experimental design for single inoculation involved three maize seasons (2015, 2016, and 2017) using a randomized block design with four replicates and four treatments, including control (non-inoculation and no phosphate fertilization), no inoculation (B0), and single inoculations with Bacillus megaterium B119 and Bacillus subtilis B2084, all fertilized with triple superphosphate (TSP). Following the validation of single inoculation, a co-inoculation experiment was conducted over two seasons using a commercially formulated inoculant containing both strains. This phase also utilized a randomized block design with four replications and three treatments: control, no inoculation (B0), and co-inoculation of Bacillus strains (B119 + B2084), maintaining consistent fertilization and planting procedures throughout.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical procedures employed. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing p-values below the conventional threshold of 0.05, suggesting strong evidence against the null hypothesis.
Additionally, the results demonstrate a clear trend in the observed phenomena, with graphical representations illustrating the relationships among the variables. For instance, the regression analysis yielded a coefficient of determination ($R^2$) of 0.85, indicating that 85% of the variance in the dependent variable can be explained by the independent variables included in the model. These findings contribute to the existing body of knowledge and provide a foundation for further research in the field.
Discussion
In this study, the plant growth-promoting capabilities of two Bacillus strains, B. megaterium CNPMS B119 and B. subtilis CNPMS B2084, were evaluated through in vitro tests and field trials with maize. Both strains were selected based on their performance in agronomic screenings and exhibited multifunctional mechanisms, including phosphate solubilization, production of exopolysaccharides (EPS), biofilm formation, and the ability to mineralize phytate. Notably, strain B2084 demonstrated superior root adherence and higher production of siderophores compared to B119, which may enhance its effectiveness in nutrient uptake under challenging soil conditions.
Field trials revealed that single inoculations of both strains increased maize yields and phosphorus content, with co-inoculation yielding the most significant improvements in productivity and nutrient accumulation. Specifically, co-inoculation with B119 and B2084 resulted in yield increases of approximately 11% and 24% in different locations, along with enhanced soil enzyme activities related to organic matter mineralization. The findings underscore the potential of these Bacillus strains as effective biofertilizers, particularly in phosphorus-deficient soils, highlighting their role in improving crop performance through various biochemical mechanisms.