DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1592834
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40539100
تاريخ النشر: 2025-06-05
المؤلف: Zhenyun Du وآخرون
الموضوع الرئيسي: البيوكراست والبيئة الميكروبية
نظرة عامة
تبحث الدراسة في دور سبع أنواع من النباتات المقاومة للملوحة في تحسين التربة المالحة القلوية في سهل سونغن، مع التركيز على آثارها على مغذيات التربة والمجتمعات الميكروبية. وجدت الدراسة أن وجود هذه النباتات قلل بشكل كبير من ملوحة التربة ودرجة الحموضة (pH) بينما عزز مستويات المغذيات (النيتروجين الكلي، الفوسفور، والبوتاسيوم) وأنشطة الإنزيمات (الكاتالاز، السليلوز، السكراز، اليورياز). من بين الأنواع، أظهرت Salix linearistipularis (SL) تحسينات ملحوظة في خصائص التربة وتنوع الميكروبات، مع تحديد العوامل الرئيسية لهذه التغيرات على أنها الموصلية الكهربائية (EC) والنيتروجين الكلي (TN).
تشير النتائج إلى أن الغطاء النباتي لا يحسن فقط خصوبة التربة ولكن أيضًا يعيد هيكلة المجتمعات الميكروبية، مما يعزز الفصائل المفيدة بينما يقلل من الفصائل المسببة للأمراض. تسلط الدراسة الضوء على أهمية EC وpH في التأثير على تنوع الميكروبات وتركيب المجتمع. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانية استعادة الغطاء النباتي المستهدف، وخاصة مع SL، كاستراتيجية فعالة لإعادة تأهيل الأراضي المالحة القلوية بشكل مستدام، مما يعزز صحة التربة واستقرار النظام البيئي.
مقدمة
تتناول مقدمة ورقة البحث القضية الحرجة لملوحة التربة، التي تشكل تهديدات كبيرة للأمن الغذائي العالمي وصحة النظام البيئي. في الصين، وخاصة في سهل سونغن، تتأثر أكثر من 3 ملايين هكتار بالأراضي المالحة القلوية، التي تتميز بارتفاع درجة الحموضة ومحتوى كربونات الصوديوم، مما يؤدي إلى تقليل الجدوى الزراعية. تسلط الورقة الضوء على ضرورة تحويل هذه الأراضي إلى أراضٍ زراعية منتجة من خلال طرق الترميم المختلفة، بما في ذلك الطرق الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية. بينما تحتوي الطرق الفيزيائية والكيميائية على قيود، فإن الترميم البيولوجي، وخاصة من خلال استخدام النباتات المالحة، يقدم حلاً مستدامًا وفعالًا من حيث التكلفة.
تظهر النباتات المالحة تكيفات فريدة مع البيئات المالحة، مما يعزز خصائص التربة وعوائد المحاصيل من خلال استراتيجيات الزراعة المختلطة. تؤكد الدراسة على دور البقوليات المقاومة للملوحة في إعادة تأهيل التربة المالحة وتحسين ديناميات المجتمعات الميكروبية، والتي تعتبر ضرورية لاستقرار النظام البيئي. يهدف المؤلفون إلى دراسة التفاعلات بين النباتات المقاومة للملوحة والمجتمعات الميكروبية في التربة المالحة القلوية، مع التركيز على الخصائص الفيزيائية والكيميائية وأنشطة الإنزيمات في تربة الجذور. باستخدام التسلسل عالي الإنتاجية، تسعى الدراسة إلى توضيح تأثير هذه النباتات على تنوع الميكروبات وتحديد العوامل البيئية الرئيسية التي تؤثر على تركيب المجتمع، مما يساهم في فهم أعمق لصحة التربة واستراتيجيات الترميم في المناطق المالحة القلوية.
الطرق
أُجريت الدراسة في مدينة أندا، مقاطعة هيلونغجيانغ، في محطة التجارب بجامعة الغابات في شمال شرق الصين، التي شاركت في الترميم النباتي للتربة المالحة القلوية منذ عام 2005. منطقة أخذ العينات، التي تبلغ مساحتها حوالي 6 هكتارات، تتميز بتربة رملية طينية مسطحة ومناخ قاري شبه جاف معتدل. تم اختيار سبع أنواع من النباتات للتحليل، وتم إنشاء مربعات لتقليل التداخل بين الأنواع. تم جمع عينات التربة من منطقة الجذور بعمق 0-20 سم، وتم معالجتها وتخزينها لتحليل الخصائص الفيزيائية والكيميائية وأنشطة الإنزيمات لاحقًا.
تم قياس الخصائص الفيزيائية والكيميائية للتربة، بما في ذلك درجة الحموضة، الموصلية الكهربائية (EC)، النيتروجين الكلي (TN)، البوتاسيوم الكلي (TK)، الفوسفور الكلي (TP)، ومواد التربة العضوية (SOM)، باستخدام طرق قياسية. تم تقييم أنشطة الإنزيمات لليورياز، الفوسفاتاز القلوي، الكاتالاز، والسكراز باستخدام مجموعات تجارية. لتحليل المجتمع الميكروبي، تم تضخيم تسلسلات 16S rRNA البكتيرية وITS الفطرية باستخدام بادئات محددة، تلتها PCR والتسلسل عالي الإنتاجية. خضعت التسلسلات الناتجة لمراقبة الجودة، وتم تجميعها في وحدات تصنيف تشغيلية (OTUs)، وتم تصنيفها باستخدام مصنف RDP مقابل قواعد البيانات ذات الصلة، مما يسهل فهمًا شاملاً للمجتمعات الميكروبية المرتبطة بالتربة المدروسة.
النتائج
تكشف نتائج الدراسة عن اختلافات كبيرة في الخصائص الفيزيائية والكيميائية وأنشطة الإنزيمات في تربة الجذور المرتبطة بأنواع النباتات المالحة المختلفة. بشكل ملحوظ، عززت جميع أنواع الغطاء النباتي مواد التربة العضوية (SOM)، النيتروجين الكلي (TN)، ومستويات النيتروجين الأمونيوم (NH₄⁺-N) بينما قللت من محتوى النيتروجين النترات (NO₃⁻-N) والموصلية الكهربائية (EC). لوحظت أعلى مستويات SOM وTN في Salix linearistipularis (SL) وPopulus davidiana × P. alba var. Pyramidalis (PP)، حيث أظهرت الأخيرة أيضًا أعلى درجة حموضة للتربة عند 7.82. كانت أنشطة إنزيمات التربة، وخاصة السكراز والسليلوز، مرتفعة بشكل ملحوظ عبر جميع أنواع الغطاء النباتي مقارنة بالنقطة القلوية (AS)، مع أنشطة الكاتالاز أعلى بشكل ملحوظ في Aneurolepidium chinense (AC) وSL.
أدى تحليل المجتمع الميكروبي إلى 1,115,143 تسلسل بكتيري و1,488,479 تسلسل فطري، مما يشير إلى بيانات عالية الجودة مع مؤشرات تغطية تتجاوز 97%. أظهر تحليل α-diversity أن التربة الجذرية المغطاة بالنباتات كانت لديها تنوع بكتيري أعلى بشكل ملحوظ مقارنة بـ AS، بينما كان التنوع الفطري أقل وضوحًا. أكدت تحليل المكونات الرئيسية (PCoA) على هياكل مجتمعات ميكروبية متميزة بين العينات، مع ظهور AS بتمايز ملحوظ. على مستوى الفصيلة، هيمنت Actinobacteriota وProteobacteria على المجتمع البكتيري، بينما كانت Ascomycota هي الفصيلة الفطرية الأكثر وفرة. كما حددت الدراسة وحدات تصنيف تشغيلية فريدة (OTUs)، كاشفة أن AS كان لديها أقل عدد من OTUs الفريدة، بينما أظهرت النباتات المقاومة للملوحة تنوعًا ميكروبيًا أغنى، خاصة في الأجناس Mortierella وRamophialophora.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم آثار سبع نباتات مقاومة للملوحة على الخصائص الفيزيائية والكيميائية للتربة والمجتمعات الميكروبية في التربة المالحة القلوية في سهل سونغن. كشفت التحليلات الإحصائية، بما في ذلك تحليل المكونات الرئيسية (PCoA) وتحليل التكرار (RDA)، أن الموصلية الكهربائية للتربة (EC) ودرجة الحموضة (pH) أثرت بشكل كبير على هيكل المجتمع الميكروبي، حيث كانت EC هي العامل الرئيسي الذي يؤثر على تنوع البكتيريا (R² = 0.7308، P = 0.0001). أشارت النتائج إلى أن ارتفاع الملوحة ودرجة الحموضة ارتبط سلبًا مع غنى وتنوع الميكروبات، بينما حسنت وجود النباتات المقاومة للملوحة من ظروف التربة من خلال تعزيز محتوى المغذيات ونشاط الميكروبات، خاصة في معالجة Salix linearistipularis (SL)، التي أظهرت التأثيرات الأكثر وضوحًا في تقليل الملوحة وزيادة مغذيات التربة.
علاوة على ذلك، أظهر تحليل التنبؤ الوظيفي أن المجتمعات الميكروبية في الجذور المرتبطة بهذه النباتات كانت غنية في المجموعات الوظيفية المتعلقة بدورة الكربون والنيتروجين، مما يشير إلى دور كبير لتفاعلات النباتات والميكروبات في تعزيز خصوبة التربة. خلصت الدراسة إلى أن إنشاء نباتات مقاومة للملوحة لا يخفف فقط من ملوحة التربة ولكن أيضًا يعزز مجتمعًا ميكروبيًا متنوعًا ونشطًا، وهو أمر حاسم لاستقرار النظام البيئي. ومن الجدير بالذكر أن SL ظهرت كأكثر الأنواع فعالية في ترميم التربة، مما يبرز إمكانياتها للاستخدام في استراتيجيات الترميم النباتي التي تهدف إلى إعادة تأهيل التربة المالحة القلوية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1592834
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40539100
Publication Date: 2025-06-05
Author(s): Zhenyun Du et al.
Primary Topic: Biocrusts and Microbial Ecology
Overview
The research investigates the role of seven salt-tolerant plant species in ameliorating saline-alkali soils in the Songnen Plain, focusing on their effects on soil nutrients and microbial communities. The study found that the presence of these plants significantly reduced soil salinity and pH while enhancing nutrient levels (total nitrogen, phosphorus, and potassium) and enzyme activities (catalase, cellulase, saccharase, urease). Among the species, Salix linearistipularis (SL) exhibited the most pronounced improvements in soil properties and microbial diversity, with key drivers of these changes identified as electrical conductivity (EC) and total nitrogen (TN).
The findings indicate that vegetation not only improves soil fertility but also restructures microbial communities, promoting beneficial phyla while reducing pathogenic ones. The study highlights the importance of EC and pH in influencing microbial diversity and community composition. Overall, the results underscore the potential of targeted vegetation restoration, particularly with SL, as an effective strategy for sustainable rehabilitation of saline-alkali lands, enhancing both soil health and ecosystem stability.
Introduction
The introduction of the research paper addresses the critical issue of soil salinization, which poses significant threats to global food security and ecosystem health. In China, particularly in the Songnen Plain, over 3 million hectares are affected by saline-alkali land, characterized by high pH and sodium carbonate content, leading to reduced agricultural viability. The paper highlights the urgency of transforming these lands into productive farmland through various remediation methods, including physical, chemical, and biological approaches. While physical and chemical methods have limitations, biological remediation, particularly through the use of halophytes, presents a sustainable and cost-effective solution.
Halophytes exhibit unique adaptations to saline environments, enhancing soil properties and crop yields through intercropping strategies. The study emphasizes the role of salt-tolerant legumes in rehabilitating saline soils and improving microbial community dynamics, which are essential for ecosystem stability. The authors aim to investigate the interactions between salt-tolerant plants and microbial communities in saline-alkali soils, focusing on the physicochemical properties and enzyme activities of rhizosphere soils. Utilizing high-throughput sequencing, the research seeks to elucidate the impact of these plants on microbial diversity and identify key environmental factors influencing community composition, thereby contributing to a deeper understanding of soil health and remediation strategies in saline-alkali regions.
Methods
The study was conducted in Anda City, Heilongjiang Province, at the Northeast Forestry University experimental station, which has been engaged in phytoremediation of saline-alkali soils since 2005. The sampling area, approximately 6 hectares, features flat sandy loam soil and a temperate continental semiarid climate. Seven plant species were selected for analysis, with quadrats established to minimize interspecific interference. Soil samples were collected from the rhizosphere at a depth of 0-20 cm, processed, and stored for subsequent physicochemical property and enzyme activity analyses.
Soil physicochemical properties, including pH, electrical conductivity (EC), total nitrogen (TN), total potassium (TK), total phosphorus (TP), and soil organic matter (SOM), were measured using standard methods. Enzyme activities for urease, alkaline phosphatase, catalase, and sucrase were assessed using commercial kits. For microbial community analysis, bacterial 16S rRNA and fungal ITS sequences were amplified using specific primers, followed by PCR and high-throughput sequencing. The resulting sequences underwent quality control, clustering into operational taxonomic units (OTUs), and were classified using the RDP classifier against relevant databases, facilitating a comprehensive understanding of the microbial communities associated with the studied soils.
Results
The results of the study reveal significant variations in the physicochemical properties and enzyme activities of rhizosphere soil associated with different halophyte vegetation types. Notably, all vegetation types enhanced soil organic matter (SOM), total nitrogen (TN), and ammonium nitrogen (NH₄⁺-N) levels while decreasing nitrate nitrogen (NO₃⁻-N) content and electrical conductivity (EC). The highest SOM and TN levels were observed in Salix linearistipularis (SL) and Populus davidiana × P. alba var. Pyramidalis (PP), with the latter also exhibiting the highest soil pH at 7.82. Soil enzyme activities, particularly sucrase and cellulase, were significantly elevated across all vegetation types compared to alkaline spot (AS), with catalase activities notably higher in Aneurolepidium chinense (AC) and SL.
Microbial community analysis yielded 1,115,143 bacterial and 1,488,479 fungal sequences, indicating high-quality data with coverage indices exceeding 97%. The α-diversity analysis showed that vegetated rhizospheres had significantly higher bacterial diversity compared to AS, while fungal diversity was less pronounced. Principal Coordinates Analysis (PCoA) confirmed distinct microbial community structures among samples, with AS showing marked differentiation. At the phylum level, Actinobacteriota and Proteobacteria dominated the bacterial community, while Ascomycota was the most abundant fungal phylum. The study also identified unique operational taxonomic units (OTUs), revealing that AS had the fewest unique OTUs, whereas salt-tolerant plants exhibited a richer microbial diversity, particularly in the genera Mortierella and Ramophialophora.
Discussion
In this study, the effects of seven salt-tolerant plants on soil physicochemical properties and microbial communities were evaluated in saline-alkali soils of the Songnen Plain. Statistical analyses, including Principal Coordinate Analysis (PCoA) and Redundancy Analysis (RDA), revealed that soil electrical conductivity (EC) and pH significantly influenced microbial community structure, with EC being the primary factor affecting bacterial diversity (R² = 0.7308, P = 0.0001). The results indicated that higher salinity and pH negatively correlated with microbial richness and diversity, while the presence of salt-tolerant plants improved soil conditions by enhancing nutrient content and microbial activity, particularly in the Salix linearistipularis (SL) treatment, which exhibited the most pronounced effects on reducing salinity and increasing soil nutrients.
Furthermore, functional prediction analysis showed that the rhizosphere microbial communities associated with these plants were enriched in functional groups related to carbon and nitrogen cycling, indicating a significant role of plant-microbe interactions in enhancing soil fertility. The study concluded that the establishment of salt-tolerant plants not only mitigates soil salinity but also fosters a diverse and active microbial community, which is crucial for ecosystem stability. Notably, SL emerged as the most effective species for soil remediation, highlighting its potential for use in phytoremediation strategies aimed at rehabilitating saline-alkali soils.