DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1613771
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40636004
تاريخ النشر: 2025-06-25
المؤلف: Jiancai Xiao وآخرون
الموضوع الرئيسي: الآثار الدوائية للمركبات الطبيعية
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تأثير استبدال الأسمدة الكيميائية ببدائل عضوية على زراعة العرقسوس، مع التركيز على ديناميات المجتمع الميكروبي، وخصائص التربة، وتراكم المركبات النشطة بيولوجيًا. باستخدام نهج الميتاجينوم، تكشف الدراسة أن التسميد العضوي يعزز بشكل كبير من إنتاجية العرقسوس ومستويات المركبات النشطة بيولوجيًا مقارنة بالطرق الكيميائية. ومن الجدير بالذكر أن الاستبدال الكامل بالأسمدة العضوية يحسن محتوى العناصر الغذائية في التربة، والمواد العضوية، ومستويات الكربون، بينما يقلل من نشاط الإنزيمات مثل اليورياز والبروتياز. تشير النتائج إلى أن التسميد العضوي يعزز تنوع البكتيريا، وخاصة زيادة الأكتينوبكتيريا وبعض الأنواع الفطرية (Ascomycota وBasidiomycota)، ويؤسس علاقات بين المجتمعات الميكروبية في التربة، ونشاط الإنزيم، وتخليق المستقلبات الثانوية مثل حمض الجلسيرهيزيك.
في الختام، تسلط الدراسة الضوء على أن استبدال الأسمدة العضوية لا يعزز فقط إنتاجية العرقسوس وتراكم المركبات النشطة بيولوجيًا، بل يعزز أيضًا حالة العناصر الغذائية في التربة، مما يدعم الممارسات الزراعية المستدامة. أظهرت التعديلات العضوية المختلطة أنها تقلل من حموضة التربة وموصلية الكهرباء (EC)، وتخفف من الحموضة، وتزيد من مستويات البوتاسيوم المتاح (AK)، والكربون الكلي (TC)، والمواد العضوية في التربة (SOM)، وكربون التربة العضوي (SOC)، إلى جانب أنشطة إنزيمية محددة (S-AKP وS-ALPT). تؤكد الدراسة على الاستجابات الميكروبية قصيرة المدى للتعديلات العضوية ودورها الكبير في تعزيز الجودة الطبية للعرقسوس من خلال التفاعلات بين التربة والميكروبات والنبات. يُوصى بإجراء دراسات إضافية لاستكشاف التعبير الجيني الوظيفي وعمليات دوران العناصر الغذائية لتحسين استراتيجيات التسميد من أجل تحسين الوظيفة الميكروبية وتخليق المستقلبات الثانوية.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على التحديات التي تواجه الأنظمة الزراعية في الصين، وخاصة فيما يتعلق بعدم كفاءة استخدام الأسمدة، والتي لم تؤد إلى زيادة متناسبة في إنتاجية النباتات. أدت هذه الكفاءة المنخفضة إلى تقليل جودة المحاصيل وتلوث البيئة، مما يؤثر بشكل خاص على زراعة الأعشاب الطبية. يؤكد المؤلفون على أهمية فهم ميكروبيوتا الجذور وتفاعلها مع خصائص التربة، حيث تؤثر هذه العوامل بشكل كبير على استخدام العناصر الغذائية ونمو المحاصيل. تلعب الميكروبات في التربة دورًا حيويًا في دورة العناصر الغذائية، وتعزيز نمو النباتات، وتحسين جودة النباتات الطبية من خلال وظائف بيئية مختلفة وأنشطة إنزيمية.
تفترض الورقة أن استبدال الأسمدة الكيميائية بالأسمدة العضوية قد يحسن من خصوبة التربة وإنتاجية النباتات الطبية. أظهرت الدراسات السابقة أن الأسمدة العضوية يمكن أن تعزز الكربون العضوي في التربة وفعالية العناصر الغذائية، مما يؤدي إلى زيادة الغلات ومحتوى المستقلبات الثانوية في المحاصيل مثل Centella asiatica. يهدف المؤلفون إلى دراسة التأثيرات قصيرة المدى لهذا الاستبدال على جودة وإنتاجية Glycyrrhiza uralensis، وهي عشبة طبية مستخدمة على نطاق واسع. يفترضون أن مثل هذه الممارسات يمكن أن تعزز خصائص التربة، وتنوع الميكروبات، ونشاط الإنزيم، مما يحسن جودة النباتات الطبية ويعزز الممارسات الزراعية المستدامة. تشمل أهداف الدراسة فحص تأثيرات استبدال الأسمدة العضوية على تراكم المكونات الطبية في العرقسوس واستكشاف العلاقات بين خصائص التربة، والمجتمعات الميكروبية، وجودة العرقسوس من خلال دراسات الميتاجينوم.
الطرق
تضمن التصميم التجريبي زراعة Glycyrrhiza uralensis Fisch، وتحديدًا شتلات عمرها عام واحد مأخوذة من منغوليا الداخلية. استخدمت الدراسة تصميم كتلة عشوائية بالكامل مع ثلاث تكرارات عبر 18 قطعة، كل منها يقيس حوالي 4 م². تضمنت المعالجات التجريبية مجموعات مختلفة من الأسمدة العضوية وغير العضوية: OF100 (100% عضوي)، OF75 (75% عضوي + 25% كيميائي)، OF50 (50% عضوي + 50% كيميائي)، OF25 (25% عضوي + 75% كيميائي)، OF0 (100% كيميائي)، وقطعة تحكم (CK). كانت الأسمدة الكيميائية المستخدمة هي اليوريا، سوبر فوسفات الكالسيوم، وأكسيد البوتاسيوم، بينما كانت السماد العضوي هو روث الأغنام المعالج من خلال التسميد.
تم ضبط معدلات التسميد بعناية، حيث تم تطبيق الأسمدة الكيميائية بمعدل 225 كجم·هكتار⁻² للنيتروجين، والفوسفور، والبوتاسيوم، والسماد العضوي بمعدل 45,000 كجم·هكتار⁻². تم زراعة كل قطعة بحوالي 50 نبتة عرقسوس، مرتبة في تكوين صفوف واقية لضمان المسافة الكافية والتكرار. تم إجراء التجربة على أراضٍ تم استصلاحها حديثًا، مع تحضير التربة قبل الزراعة وتطبيق الأسمدة بشكل موحد وفقًا لممارسات زراعة العرقسوس القياسية. يتماشى هذا الإطار المنهجي مع البروتوكولات المعتمدة لزراعة العرقسوس في مراحلها المبكرة، مما يضمن جمع البيانات وتحليلها بشكل قوي.
المناقشة
الدراسة التي أجريت في غيو يوان، بكين، من أبريل 2022 إلى نوفمبر 2023، بحثت في تأثيرات أنظمة التسميد المختلفة على نمو وتراكم المكونات النشطة للعرقسوس (Glycyrrhiza uralensis) بينما تم تقييم خصائص التربة الفيزيائية والكيميائية وتنوع الميكروبات. تشير النتائج إلى أن التطبيقات المدمجة للأسمدة العضوية والكيميائية (تحديدًا نسب OF25 إلى OF75) تعزز بشكل كبير من كل من إنتاجية الأجزاء الطبية وتركيزات المركبات النشطة الرئيسية، مثل حمض الجلسيرهيزيك والجلسيرهيزين، مقارنة بمعالجات التحكم ومعالجات الأسمدة الفردية. يُعزى هذا التحسن إلى توفير أكثر شمولاً للعناصر الغذائية، مما يعزز من بنية التربة، ونفاذيتها، ونشاط الميكروبات، مما يعود بالنفع في النهاية على نمو النباتات والتمثيل الغذائي.
بالإضافة إلى ذلك، تسلط الدراسة الضوء على العلاقات المعقدة بين خصائص التربة، والمجتمعات الميكروبية، وجودة العرقسوس. تأثرت مؤشرات التربة الفيزيائية والكيميائية، بما في ذلك النيتروجين الكلي (TN)، والبوتاسيوم المتاح (AK)، والمواد العضوية في التربة (SOM)، بشكل إيجابي من خلال تطبيق الأسمدة العضوية، مما أدى إلى تحسين خصوبة التربة. استخدمت البحث تسلسل الميتاجينوم للكشف عن أن تنوع الميكروبات في منطقة الجذور كان عمومًا أعلى من التربة السائبة، مع إظهار مجتمعات بكتيرية وفطرية معينة ارتباطات كبيرة مع أنشطة إنزيمات التربة ومكونات العرقسوس النشطة. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية استراتيجيات التسميد المتوازنة في تحسين كل من إنتاجية وجودة العرقسوس بينما تعزز صحة التربة من خلال تحسين الديناميات الميكروبية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1613771
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40636004
Publication Date: 2025-06-25
Author(s): Jiancai Xiao et al.
Primary Topic: Pharmacological Effects of Natural Compounds
Overview
The research investigates the impact of substituting chemical fertilizers with organic alternatives on licorice cultivation, focusing on microbial community dynamics, soil properties, and bioactive compound accumulation. Utilizing a metagenomic approach, the study reveals that organic fertilization significantly enhances licorice yield and bioactive compound levels compared to chemical methods. Notably, full organic substitution improves soil nutrient content, organic matter, and carbon levels, while decreasing enzyme activities such as urease and protease. The findings indicate that organic fertilization promotes bacterial diversity, particularly increasing Actinobacteria and certain fungal taxa (Ascomycota and Basidiomycota), and establishes correlations between soil microbial communities, enzyme activity, and the synthesis of secondary metabolites like glycyrrhizic acid.
In conclusion, the study highlights that organic fertilizer substitution not only boosts licorice yield and bioactive compound accumulation but also enhances soil nutrient status, thereby supporting sustainable agricultural practices. Mixed organic amendments are shown to reduce soil pH and electrical conductivity (EC), alleviate acidification, and increase levels of available potassium (AK), total carbon (TC), soil organic matter (SOM), and soil organic carbon (SOC), alongside specific enzyme activities (S-AKP and S-ALPT). The research underscores the short-term microbial responses to organic amendments and their significant role in enhancing the medicinal quality of licorice through interactions between soil, microbes, and the plant. Further studies are recommended to explore functional gene expression and nutrient turnover processes to optimize fertilization strategies for improved microbial function and secondary metabolite synthesis.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the challenges faced by agricultural systems in China, particularly regarding the inefficiency of fertilizer use, which has not correspondingly increased plant productivity. This inefficiency has led to reduced crop quality and environmental pollution, particularly affecting the cultivation of medicinal herbs. The authors emphasize the importance of understanding rhizosphere microbiota and its interaction with soil properties, as these factors significantly influence nutrient utilization and crop growth. Soil microorganisms play a crucial role in nutrient cycling, promoting plant growth, and enhancing the quality of medicinal plants through various ecological functions and enzyme activities.
The paper posits that substituting chemical fertilizers with organic fertilizers may improve soil fertility and medicinal plant productivity. Previous studies have shown that organic fertilizers can enhance soil organic carbon and nutrient effectiveness, leading to increased yields and secondary metabolite content in crops like Centella asiatica. The authors aim to investigate the short-term effects of this substitution on the quality and productivity of Glycyrrhiza uralensis, a widely used medicinal herb. They hypothesize that such practices can enhance soil properties, microbial diversity, and enzyme activity, thereby improving the quality of medicinal plants and promoting sustainable agricultural practices. The study’s objectives include examining the effects of organic fertilizer substitution on licorice’s medicinal component accumulation and exploring the relationships among soil properties, microbial communities, and licorice quality through metagenomic studies.
Methods
The experimental design involved the cultivation of Glycyrrhiza uralensis Fisch, specifically one-year-old seedlings sourced from Inner Mongolia. The study utilized a completely randomized block design with three replications across 18 plots, each measuring approximately 4 m². The experimental treatments included various combinations of organic and inorganic fertilizers: OF100 (100% organic), OF75 (75% organic + 25% chemical), OF50 (50% organic + 50% chemical), OF25 (25% organic + 75% chemical), OF0 (100% chemical), and a control (CK). The chemical fertilizers used were urea, calcium superphosphate, and potassium oxide, while the organic fertilizer was sheep manure processed through composting.
Fertilization rates were carefully calibrated, with chemical fertilizers applied at 225 kg·hm⁻² for nitrogen, phosphorus, and potassium, and organic fertilizer at 45,000 kg·hm⁻². Each plot was planted with approximately 50 licorice plants, arranged in a protective row configuration to ensure adequate spacing and replication. The trial was conducted on newly reclaimed land, with pre-planting soil preparation and uniform fertilizer application following standard licorice cultivation practices. This methodological framework aligns with established protocols for early-stage licorice cultivation, ensuring robust data collection and analysis.
Discussion
The study conducted in Guyu Yuan, Beijing, from April 2022 to November 2023, investigated the effects of various fertilization regimes on the growth and active ingredient accumulation of licorice (Glycyrrhiza uralensis) while also assessing soil physicochemical properties and microbial diversity. The findings indicate that combined applications of organic and chemical fertilizers (specifically ratios of OF25 to OF75) significantly enhance both the yield of medicinal parts and the concentrations of key active compounds, such as Glycyrrhizic acid and Glycyrrhizin, compared to control and single-fertilizer treatments. This improvement is attributed to a more comprehensive nutrient supply, which enhances soil structure, permeability, and microbial activity, ultimately benefiting plant growth and metabolism.
Additionally, the study highlights the intricate relationships between soil properties, microbial communities, and licorice quality. Soil physicochemical indicators, including total nitrogen (TN), available potassium (AK), and soil organic matter (SOM), were positively affected by organic fertilizer application, leading to improved soil fertility. The research employed metagenomic sequencing to reveal that microbial diversity in the rhizosphere was generally higher than in bulk soil, with specific bacterial and fungal communities showing significant correlations with soil enzyme activities and licorice active components. Overall, the results underscore the importance of balanced fertilization strategies in optimizing both licorice yield and quality while enhancing soil health through improved microbial dynamics.