DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-45207-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38287073
تاريخ النشر: 2024-01-29
المؤلف: Nanqi Wang وآخرون
الموضوع الرئيسي: تثبيت النيتروجين في البقوليات
نظرة عامة
تبحث الدراسة في آثار زراعة الفول السوداني (Arachis hypogaea L.) والذرة (Zea mays) معًا على تغذية النباتات، مع التركيز بشكل خاص على اكتساب الحديد ودور الميكروبات المرتبطة بالجذور. تكشف الدراسة أن زراعة الفول السوداني مع الذرة تعزز تغذية الحديد في الفول السوداني ولكن ليس في الذرة، مع تغييرات ملحوظة في تركيب الميكروبات لكلا النباتين. ومن النتائج المهمة تحديد مادة السايدروفور، بايوفيردين، التي تفرزها أنواع بكتيريا Pseudomonas، والتي أظهرت أنها تحسن تغذية الحديد في كل من التجارب في البيوت الزجاجية والميدانية.
تؤكد هذه النتائج على أهمية بكتيريا Pseudomonas التي تفرز السايدروفور في تعزيز توفر الحديد في الأنظمة المزروعة معًا، مما يشير إلى تطبيقات محتملة لتحسين تغذية النباتات من خلال ممارسات الزراعة المختلطة. تتناول هذه الدراسة التحديات الحرجة في الزراعة المستدامة، لا سيما في مناطق مثل الصين، حيث يمكن أن تعزز الزراعة المختلطة الإنتاجية وكفاءة الموارد في ظل محدودية الأراضي القابلة للزراعة.
طرق البحث
في هذه الدراسة، أجرى المؤلفون تجارب في أصص للتحقيق في آثار زراعة الفول السوداني (Arachis hypogaea L. cv. Luhua14) والذرة (Zea mays L. cv. Zhengdan958) تحت ظروف محكومة. استخدمت التجارب تربة رملية جيرية فقيرة بالحديد مأخوذة من قرية ليهوا، بكين، حيث تم تقييم خصائص التربة قبل تطبيق الأسمدة كما هو موضح في الجدول التكميلي 6. احتوت كل أصص على 8 كجم من التربة المضافة إليها مزيج محدد من الأسمدة، بما في ذلك النيتروجين، الفوسفور، البوتاسيوم، المغنيسيوم، والزنك.
تم إنشاء ثلاثة معالجات زراعية: زراعة أحادية لستة نباتات فول سوداني، زراعة أحادية لثلاث نباتات ذرة، وزراعة مختلطة لثلاث نباتات فول سوداني وثلاث نباتات ذرة لكل أصص. تمت زراعة النباتات تحت ضوء طبيعي مع درجات حرارة تتراوح بين 28-33 درجة مئوية، وشدة ضوء تتراوح بين 400-450 ممول م^-2 ث^-1، ورطوبة نسبية تتراوح بين 70-75%. تم الحفاظ على رطوبة التربة عند حوالي 80% من سعة الحقل طوال التجربة. تم جمع عينات النباتات في 46، 53، 63، و73 يومًا بعد الزراعة (dps) لتقييم الحالة الغذائية، بينما تم جمع تربة منطقة الجذور بدقة لتحليل الميكروبيوم وخصائص التربة، مع التأكد من فصل الجذور بعناية لتجنب التلوث. شمل كل علاج أربعة مكررات في كل نقطة زمنية لجمع العينات.
النتائج
تظهر نتائج هذه الدراسة أن زراعة الفول السوداني مع الذرة تعزز بشكل كبير تغذية الحديد في الفول السوداني المزروع في التربة الفقيرة بالحديد. تحت ظروف البيوت الزجاجية، أدت الزراعة المختلطة إلى زيادة ملحوظة في مستويات الكلوروفيل (قيمة SPAD) وتركيز الحديد النشط في أوراق الفول السوداني، مع زيادات تتراوح بين 17.6% إلى 51.5% و23.7% إلى 60.3%، على التوالي، اعتبارًا من 53 يومًا بعد الزراعة (dps). أكدت التحليلات الإحصائية هذه النتائج، مع قيم p ذات دلالة تشير إلى قوة النتائج. بالإضافة إلى ذلك، أدت الزراعة المختلطة إلى تركيز أعلى من الحديد المتاح في منطقة الجذور مقارنة بالزراعة الأحادية، بينما أظهرت الفول السوداني المزروعة أحاديًا أعراض الكلوروز الناتج عن نقص الحديد.
استكشفت الدراسة أيضًا دور الميكروبيوم في منطقة الجذور في تعزيز تغذية الحديد من خلال تسلسل 16S rRNA. كشفت التحليلات عن مجتمعات بكتيرية متميزة مرتبطة بأنظمة زراعية مختلفة، حيث أظهرت ميكروبات الفول السوداني والذرة المزروعة معًا تشابهًا أكبر من نظيراتها المزروعة أحاديًا. ومن الجدير بالذكر أن أنواع Pseudomonas ظهرت كعلامة حيوية رئيسية مرتبطة بتحسين تغذية الحديد، حيث أظهرت ارتباطًا إيجابيًا قويًا مع كل من الحديد النشط في الأوراق وتوفر الحديد في منطقة الجذور. تشير النتائج إلى أن الزراعة المختلطة لا تعدل فقط تركيب الميكروبيوم ولكن أيضًا تسهل تبادل الأنواع الميكروبية المفيدة بين الفول السوداني والذرة، مما يعزز اكتساب الحديد في الفول السوداني.
المناقشة
في هذه الدراسة، بحثنا في دور بكتيريا Pseudomonas في تعزيز توافر الحديد الحيوي في منطقة جذور الفول السوداني من خلال إفراز السايدروفور، مع التركيز بشكل خاص على السلالة Pseudomonas sp. 1502IPR-01. كشفت نتائجنا أن الزراعة المختلطة مع الذرة أغنت منطقة جذور الفول السوداني بشكل كبير بكتيريا Pseudomonas spp. التي تفرز السايدروفور، وخاصة ASV487، التي لم تكن قابلة للاكتشاف في أنظمة الزراعة الأحادية. كان السايدروفور الرئيسي المحدد هو بايوفيردين، الذي أظهر قدرة قوية على إذابة Fe(III) من المصادر غير القابلة للذوبان، مما يحسن تغذية الحديد في الفول السوداني. أكدت التجارب في البيوت الزجاجية والميدانية أن كل من Pseudomonas sp. 1502IPR-01 و بايوفيردين زادت بشكل كبير من قيم SPAD، وتركيزات الحديد النشط، ومحاصيل الفول السوداني المزروعة أحاديًا، مما يبرز إمكانيات بايوفيردين كسماد طبيعي للحديد.
علاوة على ذلك، تشير نتائجنا إلى أن التأثيرات المفيدة للزراعة المختلطة يتم توجيهها من خلال تقارب الميكروبيوم، حيث تنتقل البكتيريا المفيدة بين الذرة والفول السوداني، مما يعزز توفر الحديد. تؤكد هذه التفاعلات على أهمية المجتمعات الميكروبية في الزراعة المستدامة، حيث يمكن أن تساعد وجود Pseudomonas spp. وسايدروفوراتها في التخفيف من نقص الحديد في المحاصيل. بالإضافة إلى ذلك، تشير الدراسة إلى أن الزراعة المختلطة لا تفيد فقط تغذية الحديد في الفول السوداني ولكن قد تعزز أيضًا اكتساب النيتروجين في الذرة من خلال إثراء بكتيريا تثبيت النيتروجين، مما يشير إلى علاقة تكافلية بين النوعين. بشكل عام، توفر هذه البحث رؤى قيمة حول الآليات التي يمكن من خلالها تحسين الزراعة المختلطة لتغذية المحاصيل والعائد، مما يبرز دور التفاعلات الميكروبية في الممارسات الزراعية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-45207-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38287073
Publication Date: 2024-01-29
Author(s): Nanqi Wang et al.
Primary Topic: Legume Nitrogen Fixing Symbiosis
Overview
The research investigates the effects of intercropping peanut (Arachis hypogaea L.) and maize (Zea mays) on plant nutrition, specifically focusing on iron acquisition and the role of root-associated microbiota. The study reveals that intercropping enhances iron nutrition in peanuts but not in maize, with notable changes in the microbiota composition of both plants. A significant finding is the identification of a siderophore, pyoverdine, secreted by Pseudomonas species, which was shown to improve iron nutrition in both glasshouse and field experiments.
These results underscore the importance of siderophore-secreting Pseudomonas in enhancing iron availability in intercropped systems, suggesting potential applications for improving plant nutrition through intercropping practices. This research addresses critical challenges in sustainable agriculture, particularly in regions like China, where intercropping could enhance productivity and resource efficiency amidst limited arable land.
Methods
In this study, the authors conducted pot experiments to investigate the effects of intercropping peanut (Arachis hypogaea L. cv. Luhua14) and maize (Zea mays L. cv. Zhengdan958) under controlled conditions. The experiments utilized iron-deficient calcareous sandy soil sourced from Lihua village, Beijing, with soil properties assessed prior to fertilizer application as detailed in Supplementary Table 6. Each pot contained 8 kg of soil supplemented with a specific mixture of fertilizers, including nitrogen, phosphorus, potassium, magnesium, and zinc.
Three cropping treatments were established: monocropping of six peanut plants, monocropping of three maize plants, and intercropping of three peanut and three maize plants per pot. The plants were cultivated under natural light with temperatures ranging from 28-33 °C, light intensity of 400-450 mmol m^-2 s^-1, and relative humidity of 70-75%. Soil moisture was maintained at approximately 80% of field capacity throughout the experiment. Plant samples were collected at 46, 53, 63, and 73 days post sowing (dps) to evaluate nutritional status, while rhizosphere soil was meticulously collected for microbiome and soil properties analysis, ensuring that roots were carefully separated to avoid contamination. Each treatment included four replicates at each sampling time point.
Results
The results of this study demonstrate that intercropping peanuts with maize significantly enhances iron nutrition in peanuts grown in iron-limited soils. Under greenhouse conditions, intercropping led to a marked increase in chlorophyll levels (SPAD value) and active iron concentration in peanut leaves, with increases of 17.6% to 51.5% and 23.7% to 60.3%, respectively, from 53 days post sowing (dps) onwards. Statistical analyses confirmed these findings, with significant p-values indicating the robustness of the results. Additionally, intercropping resulted in a higher concentration of available iron in the rhizosphere compared to monocropping, while monocropped peanuts exhibited symptoms of iron-deficiency chlorosis.
The study further explored the role of the rhizosphere microbiome in enhancing iron nutrition through 16S rRNA amplicon sequencing. The analysis revealed distinct rhizobacterial communities associated with different cropping systems, with intercropped peanut and maize microbiomes showing greater similarity than their monocropped counterparts. Notably, Pseudomonas spp. emerged as a key biomarker linked to improved iron nutrition, exhibiting a strong positive correlation with both active iron in leaves and iron availability in the rhizosphere. The findings suggest that intercropping not only modifies the microbiome composition but also facilitates the exchange of beneficial microbial taxa between peanut and maize, thereby enhancing iron acquisition in peanuts.
Discussion
In this study, we investigated the role of Pseudomonas rhizobacteria in enhancing iron bioavailability in the peanut rhizosphere through siderophore secretion, particularly focusing on the strain Pseudomonas sp. 1502IPR-01. Our findings revealed that intercropping with maize significantly enriched the peanut rhizosphere with high siderophore-secreting Pseudomonas spp., notably ASV487, which was undetectable in monocropping systems. The primary siderophore identified was pyoverdine, which demonstrated a strong capacity to solubilize Fe(III) from insoluble sources, thereby improving iron nutrition in peanuts. Greenhouse and field experiments confirmed that both Pseudomonas sp. 1502IPR-01 and its pyoverdine significantly increased SPAD values, active iron concentrations, and crop yields in monocropping peanut, highlighting the potential of pyoverdine as a natural iron fertilizer.
Moreover, our results suggest that the beneficial effects of intercropping are mediated through microbiome convergence, where beneficial bacteria translocate between maize and peanut, enhancing iron availability. This interaction underscores the importance of microbial communities in sustainable agriculture, as the presence of Pseudomonas spp. and their siderophores can mitigate iron deficiency in crops. Additionally, the study indicates that intercropping not only benefits peanut iron nutrition but may also enhance nitrogen acquisition in maize through the enrichment of nitrogen-fixing bacteria, suggesting a mutualistic relationship between the two species. Overall, this research provides valuable insights into the mechanisms by which intercropping can improve crop nutrition and yield, emphasizing the role of microbial interactions in agricultural practices.