DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2024.1452090
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39840359
تاريخ النشر: 2025-01-07
المؤلف: Daiyu Qiu وآخرون
الموضوع الرئيسي: الآثار الدوائية للمركبات الطبيعية
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تأثير الأسمدة الميكروبية على المجتمع الميكروبي في التربة المرتبط بـ Glycyrrhiza uralensis، خاصة في ظل ظروف الزراعة المستمرة مقابل دوران المحاصيل. وُجد أن الزراعة المستمرة تقلل من تنوع البكتيريا في التربة بنسبة 7.56% بينما تزيد من غنى الفطريات بنسبة 17.01% مقارنة بدوران المحاصيل. أدى تطبيق الأسمدة الميكروبية، وخاصة Bacillus amyloliquefaciens وBacillus subtilis ووكيل ميكروبي معقد، إلى تعزيز كبير في تنوع البكتيريا (من 7.22% إلى 12.03%) وتقليل غنى الفطريات وتنوعها (من 3.42% إلى 4.76%) في G. uralensis المزروعة بشكل مستمر. كانت البكتيريا السائدة في التربة تشمل Proteobacteria وActinobacteria وGemmatimonadota، بينما كانت Ascomycota وBasidiomycota وZygomycota هي الفطريات السائدة.
تشير النتائج إلى أن الزراعة المستمرة تؤدي إلى تحول ضار في المجتمعات الميكروبية في التربة، يتميز بزيادة “الفطريات”. أدى تطبيق الأسمدة الميكروبية إلى تحسين هيكل المجتمع الميكروبي بشكل فعال، خاصة في سيناريوهات الزراعة المستمرة، مما يوفر أساسًا نظريًا لتحسين ممارسات التسميد في المناطق الجافة من غرب الصين. تسلط الدراسة الضوء على الحاجة إلى مزيد من البحث لاستكشاف العلاقات المتبادلة بين الميكروبات في التربة وخصائص التربة والمحصول وجودة G. uralensis، داعية إلى دمج منهجيات متقدمة مثل نماذج المعادلات، والميتابولوميات، والترانسكريبتوميات في التحقيقات المستقبلية.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث أهمية *Glycyrrhiza uralensis* Fisch، وهو نبات معمر يُقدّر لخصائصه الطبية وفوائده البيئية، خاصة في المناطق الجافة من شمال غرب الصين. على الرغم من أهميته الاقتصادية، فإن الموارد البرية لـ *G. uralensis* تتناقص بسرعة، بينما يستمر الطلب في الارتفاع، مما يؤدي إلى توسيع زراعته. ومع ذلك، أدت ممارسات الزراعة التقليدية إلى مشاكل مثل ضعف دوران المحاصيل والاستخدام المفرط للأسمدة الكيميائية، مما يعطل المجتمعات الميكروبية في التربة ويساهم في الأمراض المنقولة عبر التربة، مما يعيق الممارسات الزراعية المستدامة.
تسلط الورقة الضوء على إمكانية الأسمدة الميكروبية لتعزيز صحة التربة ونمو النباتات من خلال تعديل المجتمعات الميكروبية، وتحسين امتصاص العناصر الغذائية، وزيادة مقاومة الأمراض. أظهرت الدراسات السابقة آثارًا إيجابية للأسمدة الميكروبية على محاصيل متنوعة، ولكن هناك نقص في البحث المنهجي حول تأثيرها على النباتات الطبية مثل *G. uralensis*. تهدف هذه الدراسة إلى سد هذه الفجوة من خلال تطبيق أنواع مختلفة من الأسمدة الميكروبية في كل من أنظمة الزراعة المستمرة ودوران المحاصيل لـ *G. uralensis*، باستخدام تسلسل عالي الإنتاجية لتحليل تنوع المجتمع الميكروبي وبنيته. من المتوقع أن توفر النتائج رؤى حول تطبيقات فعالة للأسمدة الميكروبية، مما يساهم في الزراعة المستدامة لـ *G. uralensis*.
الطرق
أُجريت الدراسة في موقع تجريبي في مدينة تشانغنينغ، مقاطعة مينكين، مقاطعة قانسو، الصين، والتي تتميز بمناخ قاري جاف معتدل مع متوسط درجة حرارة سنوية تبلغ 8.5 درجة مئوية وهطول أمطار منخفض (113.2 مم). كانت التربة، المصنفة على أنها طينية رملية، تظهر مستويات خصوبة أساسية متباينة بين مواقع الزراعة المستمرة ومواقع دوران المحاصيل التجريبية. على وجه التحديد، كانت موقع الزراعة المستمرة تحتوي على مادة عضوية تبلغ 17.06 جرام/كجم ونيتروجين إجمالي يبلغ 12.49 جرام/كجم، بينما أظهرت موقع الدوران قيمًا أعلى تبلغ 21.12 جرام/كجم و14.88 جرام/كجم، على التوالي.
استخدم التصميم التجريبي نهج تقسيم الكتل، مقارنًا بين نظامين زراعيين (الزراعة المستمرة ودوران المحاصيل) مع أربعة علاجات للتسميد: التسميد التقليدي، Bacillus amyloliquefaciens، Bacillus subtilis، ووكيل ميكروبي معقد. تم تكرار كل علاج ثلاث مرات عبر 24 قطعة، كل منها بمساحة 5 م × 3 م. تم زراعة G. uralensis في 3 أغسطس 2021، مع بروتوكولات زراعة وتسميد محددة، بما في ذلك تطبيق الأسمدة الميكروبية المختلطة مع الأسمدة الأساسية والتسميد العلوي اللاحق أثناء الري. كانت المنهجية تهدف إلى تقييم تأثير استراتيجيات التسميد المختلفة على نمو G. uralensis تحت أنظمة زراعية متغيرة.
النتائج
أظهر تحليل نتائج التسلسل للبكتيريا والفطريات في الزراعة الدوارة والمستمرة لـ *G. uralensis* تغطية عالية، تجاوزت 98%، مما يشير إلى أن عمق التسلسل قد التقط بشكل فعال الغالبية العظمى من التنوع الميكروبي الموجود في التربة. تم الحصول على إجمالي 722,142 تسلسلًا صالحًا من مكتبات بكتيريا الزراعة الدوارة، مما أدى إلى 43,329 تسلسلًا محسنًا ومتوسط 32,401 وحدة تصنيف تشغيلية (OTUs) عند مستوى تشابه 97%. بالمقابل، أنتجت الزراعة المستمرة 742,400 تسلسلًا صالحًا و468,168 تسلسلًا محسنًا، مما أدى إلى 33,342 OTUs بكتيرية. ومن الجدير بالذكر أن العلاجات J وK وF قللت بشكل كبير من عدد OTUs الفطرية في أنظمة الزراعة المستمرة.
كشفت التسمية التصنيفية لـ OTUs أن تربة *G. uralensis* الدوارة تحتوي على تنوع أكبر من البكتيريا (17 شعبة، 1991 نوع) والفطريات (6 شعب، 405 نوع) مقارنة بالزراعة المستمرة، التي كانت تحتوي على 14 شعبة و1700 نوع بكتيري، و5 شعب و362 نوع فطري. توضح مخططات فين التداخل والتفرد لـ OTUs عبر العلاجات، حيث أظهرت أن العلاجات J وK زادت بشكل كبير من OTUs البكتيرية الفريدة في الأنظمة الدوارة، بينما عززت العلاجات K وF OTUs البكتيرية الفريدة في الزراعة المستمرة. على العكس، كانت العلاجات J وK وF مرتبطة بتقليل OTUs الفطرية الفريدة في كلا النظامين الزراعيين، مما يبرز تأثير ممارسات الزراعة على المجتمعات الميكروبية في التربة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم تأثير الأسمدة الميكروبية على المجتمعات الميكروبية في التربة المرتبطة بـ *G. uralensis* من خلال سلسلة من التجارب التي أجريت على مدى تواريخ أخذ عينات متعددة. كشفت النتائج أن غنى وتنوع الميكروبات في التربة كانا أعلى بكثير في *G. uralensis* الدوارة مقارنة بأنظمة الزراعة المستمرة. يُعزى هذا الاختلاف إلى أنظمة الجذور الأعمق للمحاصيل الدوارة، مما يعزز النشاط الميكروبي في التربة. على وجه الخصوص، وُجد أن الأسمدة الميكروبية، بما في ذلك *Bacillus amyloliquefaciens* و*Bacillus subtilis*، تزيد من تنوع البكتيريا في أنظمة الزراعة المستمرة بنسبة 7.22% إلى 12.03% بينما تقلل في الوقت نفسه من غنى الفطريات وتنوعها بنسبة 4.76% إلى 20.96%.
كما أبرزت الدراسة أن تأثيرات الأسمدة الميكروبية كانت أكثر وضوحًا في أنظمة الزراعة المستمرة بسبب انخفاض التنوع الميكروبي الأولي والقدرة التنافسية للميكروبات الأصلية في التربة. بالمقابل، كانت المجتمعات الميكروبية المستقرة في الأنظمة الدوارة أكثر تنوعًا ومرونة، مما يحد من تأثير الأسمدة المطبقة. ومن الجدير بالذكر أن الوكيل الميكروبي المعقد أظهر أكبر تأثيرات، مما عزز الوفرة النسبية لمجموعات البكتيريا المفيدة مثل *Gemmatimonadota* و*Proteobacteria*، بينما قلل من مجموعات الفطريات الممرضة مثل *Basidiomycota* و*Zygomycota*. تؤكد هذه النتائج على إمكانية الأسمدة الميكروبية لتعديل هياكل المجتمعات الميكروبية في التربة، خاصة في أنظمة الزراعة المستمرة الأقل تنوعًا، مما يعزز النظم البيئية الصحية في التربة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2024.1452090
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39840359
Publication Date: 2025-01-07
Author(s): Daiyu Qiu et al.
Primary Topic: Pharmacological Effects of Natural Compounds
Overview
The research investigates the impact of microbial fertilizers on the soil microbial community associated with Glycyrrhiza uralensis, particularly under conditions of continuous cropping versus crop rotation. Continuous cropping was found to reduce soil bacterial diversity by 7.56% while increasing fungal richness by 17.01% compared to crop rotation. The application of microbial fertilizers, specifically Bacillus amyloliquefaciens, Bacillus subtilis, and a complex microbial agent, resulted in a significant enhancement of bacterial diversity (7.22% to 12.03%) and a reduction in fungal richness and diversity (3.42% to 4.76%) in continuously cropped G. uralensis. The dominant soil bacteria included Proteobacteria, Actinobacteria, and Gemmatimonadota, while Ascomycota, Basidiomycota, and Zygomycota were the dominant fungi.
The findings suggest that continuous cropping leads to a detrimental shift in soil microbial communities, characterized by increased “fungalization.” The application of microbial fertilizers effectively optimized the microbial community structure, particularly in continuous cropping scenarios, providing a theoretical basis for improved fertilization practices in arid regions of western China. The study highlights the need for further research to explore the interrelationships between soil microorganisms, soil properties, and the yield and quality of G. uralensis, advocating for the integration of advanced methodologies such as equation models, metabolomics, and transcriptomics in future investigations.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significance of *Glycyrrhiza uralensis* Fisch, a perennial plant valued for its medicinal properties and ecological benefits, particularly in arid regions of northwest China. Despite its economic importance, the wild resources of *G. uralensis* are rapidly depleting, while demand continues to rise, leading to an expansion of its cultivation. However, traditional cultivation practices have resulted in issues such as poor crop rotation and excessive chemical fertilizer use, which disrupt soil microbial communities and contribute to soil-borne diseases, hindering sustainable agricultural practices.
The paper highlights the potential of microbial fertilizers to enhance soil health and plant growth by modulating microbial communities, improving nutrient absorption, and increasing disease resistance. Previous studies have shown positive effects of microbial fertilizers on various crops, but there is a lack of systematic research on their impact on medicinal plants like *G. uralensis*. This study aims to fill this gap by applying different microbial fertilizers in both continuous cropping and crop rotation systems of *G. uralensis*, utilizing high-throughput sequencing to analyze microbial diversity and community structure. The findings are expected to provide insights into effective microbial fertilizer applications, contributing to the sustainable cultivation of *G. uralensis*.
Methods
The research was conducted at an experimental site in Changning Town, Minqin County, Gansu Province, China, characterized by a temperate continental arid climate with an annual average temperature of 8.5°C and low precipitation (113.2 mm). The soil, classified as sandy loam, exhibited varying base fertility levels between continuous cropping and crop rotation experimental sites. Specifically, the continuous cropping site had organic matter of 17.06 g/kg and total nitrogen of 12.49 g/kg, while the rotation site showed higher values of 21.12 g/kg and 14.88 g/kg, respectively.
The experimental design employed a split block approach, comparing two cropping systems (continuous cropping and crop rotation) with four fertilization treatments: conventional fertilization, Bacillus amyloliquefaciens, Bacillus subtilis, and a complex microbial agent. Each treatment was replicated three times across 24 plots, each measuring 5 m × 3 m. G. uralensis was sown on August 3, 2021, with specific planting and fertilization protocols, including the application of microbial fertilizers mixed with base fertilizers and subsequent topdressing during irrigation. The methodology aimed to assess the impact of different fertilization strategies on the growth of G. uralensis under varying cropping systems.
Results
The analysis of sequencing results for soil bacteria and fungi in rotating and continuous cropping of *G. uralensis* demonstrated high coverage, exceeding 98%, indicating that the sequencing depth effectively captured the majority of microbial diversity present in the soil. A total of 722,142 valid sequences were obtained from the rotating cropping bacterial libraries, resulting in 43,329 optimized sequences and an average of 32,401 operational taxonomic units (OTUs) at a 97% similarity level. In contrast, continuous cropping yielded 742,400 valid sequences and 468,168 optimized sequences, resulting in 33,342 bacterial OTUs. Notably, the treatments J, K, and F significantly reduced the number of soil fungal OTUs in continuous cropping systems.
Taxonomic annotation of the OTUs revealed that rotating *G. uralensis* soil contained a greater diversity of bacteria (17 phyla, 1991 species) and fungi (6 phyla, 405 species) compared to continuous cropping, which had 14 phyla and 1700 bacterial species, and 5 phyla and 362 fungal species. Venn diagrams illustrated the overlap and uniqueness of OTUs across treatments, showing that J and K treatments significantly increased unique bacterial OTUs in rotating systems, while K and F treatments enhanced unique bacterial OTUs in continuous cropping. Conversely, J, K, and F treatments were associated with a reduction in unique fungal OTUs in both cropping systems, highlighting the impact of cropping practices on soil microbial communities.
Discussion
In this study, the impact of microbial fertilizers on soil microbial communities associated with *G. uralensis* was assessed through a series of experiments conducted over multiple sampling dates. The findings revealed that soil microbial richness and diversity were significantly higher in rotating *G. uralensis* compared to continuous cropping systems. This difference is attributed to the deeper root systems of rotating crops, which enhance microbial activity in the soil. Specifically, microbial fertilizers, including *Bacillus amyloliquefaciens* and *Bacillus subtilis*, were found to increase bacterial diversity in continuous cropping systems by 7.22% to 12.03% while concurrently reducing fungal richness and diversity by 4.76% to 20.96%.
The study also highlighted that the effects of microbial fertilizers were more pronounced in continuous cropping systems due to the lower initial microbial diversity and competitive ability of native soil microorganisms. In contrast, the established microbial communities in rotating systems were more diverse and resilient, limiting the impact of the applied fertilizers. Notably, the complex microbial agent demonstrated the most significant effects, enhancing the relative abundance of beneficial bacterial groups such as *Gemmatimonadota* and *Proteobacteria*, while reducing pathogenic fungal groups like *Basidiomycota* and *Zygomycota*. These results underscore the potential of microbial fertilizers to modify soil microbial community structures, particularly in less diverse continuous cropping systems, thereby promoting healthier soil ecosystems.