Genopbygning af jordmikrobiomer i højtunnel landbrugssystemer fokus for undersøgelse

Tilstedeværelsen af ​​høje salt- og nitrogenkoncentrationer i høje tunneljorde kan gøre det mere udfordrende at genopbygge et sundt jordmikrobiom efter en jordrydningsbegivenhed, ifølge mikrobielle økologer i Penn State's College of Agricultural Sciences.

Deres forskningsresultater har vigtige konsekvenser for jordens frugtbarhed, og i forlængelse heraf, afgrødes sundhed og udbytte, forklarede Laura Kaminsky, en doktorand i plantepatologi, der ledede efterforskningen under vejledning af Terrence Bell, adjunkt i phytobiomer.

"Planter vokser generelt bedre med et aktivt og mangfoldigt samfund af bakterier, svampe og andre mikrober i jorden, " sagde hun. "Hvis disse mikrober udslettes af en jordrydningsbegivenhed, vi vil vide, hvor hurtigt jordmikrobiomet hopper tilbage, og hvilke mikrober der har størst succes med at genetablere. Vores undersøgelse lægger grundlaget for den fremtidige udvikling af retningslinjer, der vil hjælpe landmænd, når de genopbygger jord gennem mikrobielle tilsætningsstoffer."

Forskerne fokuserede på landbrugssystemer, der bruger høje tunneler, som er plastik, drivhuslignende strukturer placeret over et stykke markjord. Disse strukturer bruges til at forlænge vækstsæsonen og til at dyrke afgrøder af høj værdi, såsom tomater i en mere beskyttet ramme.

Imidlertid, kvaliteten af ​​jorden under høje tunneler har en tendens til at forringes over tid. "Hvis den samme afgrøde dyrkes i en høj tunnel år efter år, patogener, der er specifikke for den afgrøde, akkumuleres i højere og højere niveauer i jorden og forårsager stigende mængder af afgrødesygdomme, " sagde Kaminsky.

En måde at håndtere dette stigende sygdomspres på er at reducere populationen af ​​patogener ved at udslette hele jordens mikrobielle samfund, som udføres med kemisk røgning eller mindre hårde fremgangsmåder såsom anaerob desinfestation af jord og jordsolarisering.

Problemet, Kaminsky påpegede, er, at disse jordrydningsmetoder vilkårligt eliminerer jordmikrober, herunder mikrober, der giver fordele til afgrødeplanter og mikrober, der udfører generelle jordbundsfunktioner som næringsstofkredsløb.

Kaminsky og Bells eksperimenter, som fandt sted i Buckhout Laboratory i 2018 og 2019, specifikt set på, om høj jordsaltholdighed og høje jordnitrogenkoncentrationer - to jordegenskaber, der ofte udvikler sig under høje tunneler over tid - ændrede jordmikrobiomudviklingen.

At gøre det, forskerne begravede små nylonnetposer indeholdende usteriliseret "kilde"-jord i steriliseret "recipient"-jord og lod dem inkubere i syv uger. Dette gjorde det muligt for mikrober at kolonisere ud i modtagerjorden, simulerer, hvordan mikrober fra jord omkring et ryddet jordområde ville kolonisere tilbage i den ryddede jord over tid. Recipientjorden blev ændret med salt, nitrogen, begge eller ingen af ​​dem for at afgøre, om disse egenskaber påvirkede de mikrobielle samfunds sammensætning i modtagerjorden.

Holdet tog prøver af modtagerens jord på to tidspunkter:en uge og syv ugers inkubation. På hvert tidspunkt, forskere karakteriserede det mikrobielle samfund ved at måle mikrobiel biomasse og tage et katalog over de tilstedeværende bakteriearter ved hjælp af gen-sekventeringsteknikker.

Efter den første uge, de mikrobielle samfund havde relativt lav biomasse og var domineret af et meget begrænset sæt arter i slægterne Bacillus og Paenibacillus. Ved syv uger, der var et langt større og mere mangfoldigt mikrobielt samfund til stede.

"På hvert tidspunkt, der var visse bakteriearter til stede i hvert enkelt mikrokosmos, uanset modtagerens jordbehandling, " sagde Kaminsky. "Vi kaldte disse 'universelle kolonisatorer' 'og de fleste af disse var i slægten Bacillus eller Paenibacillus. Dette er ikke overraskende, da disse bakterielle taxa er kendt for at være allestedsnærværende og hurtigt voksende i jordmiljøer."

I recipientjorden tilsat salt og nitrogen, akkumuleringen af ​​biomasse og bakteriediversitet var betydeligt begrænset i forhold til recipientjorde uden tilsætningsstoffer. Det er, højere jordsaltindhold og højere jordkvælstof forsinkede genetableringen af ​​et mangfoldigt jordmikrobiom.

"Det var ikke overraskende, at høj saltholdighed i jorden gav dette resultat, da salt udgør en betydelig stress for mange mikrober, " sagde Kaminsky. "Det var noget overraskende, at højt nitrogen i jorden gav dette resultat, fordi nitrogen er en næringskilde i stedet for en stress. Imidlertid, det kan have favoriseret en mindre forskelligartet undergruppe af hurtigtvoksende mikrober, fører til de resultater, vi så."

Fundene, udgivet i Miljømikrobiologi , tyder på, at faktorer som næringsstoffer og saltakkumulering, hvilket kan være særligt problematisk i høje tunnelsystemer, kan være vigtig for at bestemme, hvilke koloniserende mikrober der overlever, sagde Bell. Han bemærkede, at Kaminsky har udviklet Penn State Extension-programmer for at dele resultaterne med avlerne.

"Laura har arbejdet hårdt på at udvikle både avancerede forskningsevner og kommunikationsevner, der gør det muligt for hende at videregive videnens tilstand på vores område til landmænd og andre interessenter, " han sagde.