DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1726084
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41573219
تاريخ النشر: 2026-01-07
المؤلف: Celeste Molina-Favero وآخرون
الموضوع الرئيسي: تفاعلات النباتات والميكروبات والمناعة
نظرة عامة
تسلط الأبحاث الضوء على الدور الحاسم للقمح كغذاء أساسي لأكثر من 40% من سكان العالم وتتناول التحديات التي تفرضها تغيرات المناخ، وخاصة عدم predictability للأمطار التي تؤثر على إدارة المحاصيل. تدرس الدراسة التأثيرات التآزرية لتطعيم بكتيريا تعزيز نمو النباتات Azospirillum argentinensis Az39 مع الطحالب الدقيقة Scenedesmus obliquus C1S. تشير النتائج إلى أن هذا المزيج يعزز استعمار الجذور البكتيرية ويحسن الإنبات والنمو بعد الإنبات في ظل ظروف الجفاف. أظهرت التجارب الميدانية التي أجريت في 2022 و2024 زيادة بنسبة 36% في إنتاج الحبوب وتحسين بنسبة 26.2% في إنتاجية المياه للمحاصيل بسبب تجمعات الطحالب الدقيقة-PGPB. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت الشتلات الملقحة بالطحالب الدقيقة زيادة بنسبة 50% في وزن الجذور الجافة تحت ضغط الجفاف، مع اختلاف كفاءة التطعيم بناءً على طرق الحراثة.
تشير النتائج إلى نهج جديد لتطوير لقاح اصطناعي من الطحالب الدقيقة-PGPB يعزز استعمار الجذور وإنتاجية المياه في القمح، مما يوفر استراتيجية مكملة للتكيف مع تغير المناخ وضمان الأمن الغذائي. هذه الدراسة رائدة في إظهار التطعيم المباشر للطحالب الدقيقة حقيقية النواة على بذور القمح لتعزيز النمو تحت ضغط الجفاف. إن توافق هذه الطحالب الدقيقة مع بكتيريا منطقة الجذور، التي قد تعزز من تأثيراتها في تعزيز النمو، يقدم تداعيات بيولوجية تكنولوجية كبيرة. هناك حاجة إلى مزيد من البحث لاستكشاف الآليات الفسيولوجية الكامنة وراء تحمل الضغط الذي يمنحه هذا العلاج، مما قد يعزز تطبيق الطحالب الدقيقة حقيقية النواة في الممارسات الزراعية.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الدور الحاسم للقمح كمحصول أساسي، حيث يوفر أكثر من 20% من السعرات الحرارية والبروتينات العالمية ويعمل كمصدر غذائي رئيسي لأكثر من 40% من سكان العالم. تعتمد الممارسات الزراعية الحالية بشكل كبير على المدخلات الخارجية مثل المبيدات الحشرية والأسمدة والري، خاصة في سياق تغير المناخ، الذي يهدد إنتاج القمح من خلال زيادة تقلبات الأمطار والحد من العوائد المحتملة بنسبة تصل إلى 60%. تتعقد التحديات التي يواجهها المزارعون بسبب عدم predictability البيئية، مما يتطلب استراتيجيات إدارة تكيفية تأخذ في الاعتبار أنماط الأمطار المتغيرة.
تناقش الورقة فوائد الحراثة المحافظة، وخاصة أنظمة عدم الحراثة (NT)، التي يمكن أن تعزز احتفاظ التربة بالمياه وتقلل من تدهور التربة. ومع ذلك، قد تؤدي NT أيضًا إلى آثار سلبية، مثل زيادة كثافة التربة وتقليل انتشار الأكسجين. يتم التأكيد على دور بكتيريا تعزيز نمو النباتات (PGPBs)، وخاصة قدرتها على تعزيز إنتاجية المحاصيل ومرونة الضغط من خلال آليات مختلفة، بما في ذلك تخليق الهرمونات. تقترح الدراسة أن دمج الطحالب الدقيقة في لقاحات PGPB يمكن أن يحسن من بقاء البكتيريا في منطقة الجذور ويعزز إنتاجية المياه في القمح تحت ممارسات الحراثة المختلفة. تهدف هذه الأبحاث إلى استكشاف إمكانيات مجتمعات الطحالب الدقيقة والبكتيريا كمدخلات حيوية مبتكرة لإنتاج المحاصيل المستدامة، مع معالجة منطقة غير مستكشفة إلى حد كبير لها تداعيات كبيرة على الممارسات الزراعية.
الطرق
في هذه الدراسة، تم معالجة عينات الأوراق الطازجة لتحليل السكريات الكلية والبروتين. تم استخراج السكريات من 100 ملغ من عينات الأوراق المجمدة باستخدام ماء الأمونيا (pH 8.0) عند 100 درجة مئوية لمدة 5 دقائق، تلاها الطرد المركزي عند 10,000×g. تم قياس السكريات القابلة للذوبان الكلية لونيًا عبر طريقة الأنثرون عند 620 نانومتر، باستخدام الجلوكوز كمعيار. شمل استخراج البروتين 100 ملغ من عينات الأوراق المعالجة بحمض السلفوساليسيليك بنسبة 3% (w/v)، وتم الطرد المركزي عند 15,200×g، ثم تفاعلت مع حمض السلفوساليسيليك، وحمض الأسيتيك الجليدي، وحمض النينهدين عند 96 درجة مئوية. تم قياس امتصاص الطور الناتج من التولوين عند 520 نانومتر، مع التقدير بناءً على منحنى قياسي من Bates et al. (1973).
تم إجراء تجارب ميدانية على مدى عامين في ثلاثة مواقع تحت أنظمة إدارة زراعية مختلفة: عدم الحراثة (NT)، الإدارة الزراعية البيئية (AM)، والإدارة التقليدية (CM). تم إجراء التجارب في محطة بالكارسي التجريبية في الأرجنتين، مع تصنيف التربة كـ Typic Argiudoll وPetrocalcic Paleudoll حراري دقيق. خضعت كل موقع لممارسات زراعية محددة، بما في ذلك التسميد والسيطرة الكيميائية على الأعشاب الضارة والآفات. تم تصميم القطع التجريبية بزراعة كثيفة وشملت تدابير لتقليل تأثيرات الحواف. تم تقييم مقاييس رئيسية مثل الكتلة الحيوية، ومؤشر الحصاد، وإنتاج الحبوب (GY)، وجودة الحبوب، مع جمع بيانات الأرصاد الجوية اليومية لربط الظروف البيئية بأداء المحاصيل. تم حساب إنتاجية المياه للمحاصيل (CWP) بناءً على بيانات GY وهطول الأمطار.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من الإجراءات التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود علاقة واضحة بين المتغيرات قيد التحقيق، 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 تطبيق الطريقة المقترحة يؤدي إلى تحسينات في مقاييس الأداء، مثل الدقة والكفاءة، مقارنة بالأساليب الحالية. تمثل الرسوم البيانية، بما في ذلك المخططات والرسوم البيانية، هذه النتائج بشكل أكبر، مما يوفر تأكيدًا بصريًا على الاتجاهات الملاحظة في البيانات. بشكل عام، تدعم النتائج الفرضية وتبرز الآثار المحتملة للبحوث المستقبلية والتطبيقات العملية في المجال المعني.
المناقشة
في هذه الدراسة، أدى التطعيم المشترك للطحالب الدقيقة *Scenedesmus obliquus* C1S مع بكتيريا تعزيز نمو النباتات (PGPB) *Azospirillum argentinense* Az39 و*Pseudomonas sp.* LSR1 إلى تعزيز كبير في استعمار جذور القمح (*Triticum aestivum*)، حيث زاد استعمار الجذور بواسطة *Az39* عشرة أضعاف عند التطعيم المشترك مع الطحالب الدقيقة. بينما أدى التطعيم الفردي مع *Az39* إلى تأخير الإنبات وإطالة الجذور، عكس التطعيم المشترك مع LSR1 هذا التأثير، مما يشير إلى تفاعل معقد يتم بوساطة الهرمونات النباتية، وخاصة حمض الأبسيسيك (ABA) والسيتوكينينات. من المحتمل أن يكون ملف الهرمونات النباتية للطحالب الدقيقة، الغني بحمض الجاسمونيك (JA) وcis-zeatin، قد ساهم في تحسين تمهيد البذور والنمو بعد الإنبات، مما يبرز إمكانية الطحالب الدقيقة في تعزيز مرونة النباتات تحت ظروف الجفاف.
أظهرت التجارب الميدانية أن تجمع الطحالب الدقيقة-PGPB أدى إلى زيادة بنسبة 36% في إنتاج الحبوب (GY) وزيادة بنسبة 26.2% في إنتاجية المياه للمحاصيل (CWP) تحت الحراثة التقليدية، بينما لم تُلاحظ فوائد كبيرة تحت ظروف عدم الحراثة. قد يُعزى هذا التباين إلى الطبيعة التنافسية للميكروبيوم التربة في أنظمة عدم الحراثة، مما قد يعيق إنشاء التجمع الميكروبي المدخل. بالإضافة إلى ذلك، تحت ظروف ضغط الجفاف، أظهرت الشتلات الملقحة تحسنًا في محتوى المياه النسبي وتقليل تراكم البروتين، مما يشير إلى تعزيز تحمل الجفاف. تشير النتائج إلى أن تطبيق الطحالب الدقيقة حقيقية النواة كلقاح للبذور يمكن أن يكون استراتيجية قابلة للتطبيق لتحسين إنتاجية القمح ومرونته في مواجهة تغير المناخ، مما يستدعي مزيدًا من التحقيق في الآليات الفسيولوجية الكامنة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1726084
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41573219
Publication Date: 2026-01-07
Author(s): Celeste Molina-Favero et al.
Primary Topic: Plant-Microbe Interactions and Immunity
Overview
The research highlights the critical role of wheat as a staple food for over 40% of the global population and addresses the challenges posed by climate change, particularly the unpredictability of rainfall affecting crop management. The study investigates the synergistic effects of co-inoculating the plant-growth-promoting bacterium Azospirillum argentinensis Az39 with the microalga Scenedesmus obliquus C1S. Results indicate that this combination enhances bacterial root colonization and improves germination and post-germinative growth under drought conditions. Field trials conducted in 2022 and 2024 demonstrated a 36% increase in grain yield and a 26.2% improvement in crop water productivity due to the microalgae-PGPB consortia. Additionally, seedlings inoculated with microalgae exhibited a 50% increase in root dry weight under drought stress, with inoculation efficiency varying based on tillage methods.
The findings suggest a novel approach to developing a eukaryotic microalgae-PGPB synthetic consortia inoculant that enhances root colonization and water productivity in wheat, offering a complementary strategy for adapting to climate change and ensuring food security. This study is pioneering in demonstrating the direct inoculation of eukaryotic microalgae on wheat seeds to promote growth under drought stress. The compatibility of these microalgae with rhizosphere bacteria, which may amplify their growth-promoting effects, presents significant biotechnological implications. Future research is warranted to explore the physiological mechanisms underlying the stress tolerance conferred by this treatment, potentially advancing the application of eukaryotic microalgae in agricultural practices.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the critical role of wheat as a staple crop, providing over 20% of global calories and proteins and serving as the primary food source for more than 40% of the world’s population. Current agricultural practices heavily rely on external inputs such as insecticides, fertilizers, and irrigation, particularly in the context of climate change, which threatens wheat production through increased rainfall variability and potential yield reductions of up to 60%. The challenges faced by farmers are compounded by environmental unpredictability, necessitating adaptive management strategies that consider varying rainfall patterns.
The paper discusses the benefits of conservation tillage, particularly no-tillage (NT) systems, which can enhance soil water retention and reduce soil degradation. However, NT may also lead to negative effects, such as increased soil bulk density and reduced oxygen diffusion. The role of plant-growth-promoting bacteria (PGPBs) is emphasized, particularly their ability to enhance crop productivity and stress resilience through various mechanisms, including hormone synthesis. The study proposes that integrating microalgae into PGPB inoculants could improve bacterial survival in the rhizosphere and enhance wheat water productivity under different tillage practices. This research aims to explore the potential of microalgae-bacteria communities as innovative bioinputs for sustainable crop production, addressing a largely unexplored area with significant implications for agricultural practices.
Methods
In this study, fresh leaf samples were processed for total sugars and proline analysis. The sugars were extracted from 100 mg of frozen leaf samples using ammoniacal water (pH 8.0) at 100°C for 5 minutes, followed by centrifugation at 10,000×g. Total soluble sugars were quantified colorimetrically via the anthrone method at 620 nm, using glucose as a standard. Proline extraction involved 100 mg of leaf samples treated with 3% (w/v) sulfosalicylic acid, centrifuged at 15,200×g, and subsequently reacted with sulfosalicylic acid, glacial acetic acid, and acid-ninhydrin at 96°C. The absorbance of the resulting toluene phase was measured at 520 nm, with quantification based on a standard curve from Bates et al. (1973).
Field trials were conducted over two years at three locations under different agronomic management systems: No-till (NT), Agroecological Management (AM), and Conventional Management (CM). The trials were performed at the Balcarce Experimental Station in Argentina, with soil classified as Typic Argiudoll and fine thermic Petrocalcic Paleudoll. Each site underwent specific agronomic practices, including fertilization and chemical control of weeds and pests. Experimental plots were designed with high-density sowing and included measures for minimizing edge effects. Key metrics such as biomass, harvest index, grain yield (GY), and grain quality were assessed, with daily meteorological data collected to correlate environmental conditions with crop performance. The crop water productivity (CWP) was calculated based on GY and precipitation data.
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 clear 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 application of the proposed method yields improvements in performance metrics, such as accuracy and efficiency, compared to existing approaches. Graphical representations, including plots and charts, further illustrate these findings, providing visual confirmation of the trends observed in the data. Overall, the results substantiate the hypothesis and underscore the potential implications for future research and practical applications in the relevant field.
Discussion
In this study, the co-inoculation of the microalga *Scenedesmus obliquus* C1S with the plant growth-promoting bacteria (PGPB) *Azospirillum argentinense* Az39 and *Pseudomonas sp.* LSR1 significantly enhanced root colonization of wheat (*Triticum aestivum*), with *Az39* root colonization increasing tenfold when co-inoculated with microalgae. While single inoculation with *Az39* delayed germination and root elongation, co-inoculation with LSR1 counteracted this effect, suggesting a complex interaction mediated by phytohormones, particularly abscisic acid (ABA) and cytokinins. The microalgae’s phytohormone profile, rich in jasmonic acid (JA) and cis-zeatin, likely contributed to improved seed priming and post-germinative growth, highlighting the potential of microalgae to enhance plant resilience under drought conditions.
Field experiments demonstrated that the microalgal-PGPB consortium led to a 36% increase in grain yield (GY) and a 26.2% increase in crop water productivity (CWP) under conventional tillage, while no significant benefits were observed under no-till conditions. This discrepancy may be attributed to the competitive nature of the soil microbiome in no-till systems, which could hinder the establishment of the introduced microbial consortium. Additionally, under drought stress conditions, inoculated seedlings exhibited improved relative water content and reduced proline accumulation, indicating enhanced drought tolerance. The findings suggest that the application of eukaryotic microalgae as a seed inoculant can serve as a viable strategy for improving wheat productivity and resilience in the face of climate change, warranting further investigation into the underlying physiological mechanisms.