Как микробные сообщества почвы влияют на урожайность и качество

Микробиом почвы: скрытый мир под нашими ногами

Почва — это гораздо больше, чем инертная среда для корней растений. Это живая, дышащая экосистема, изобилующая удивительным разнообразием микроорганизмов. Один грамм здоровой почвы может содержать миллиарды бактерий, а также грибы, археи, простейшие и нематоды, взаимодействующие в сложной сети жизни. Это сложное сообщество — микробиом почвы, и это двигатель, который обеспечивает продуктивность сельского хозяйства. Понимание того, как эти микробные сообщества влияют на урожайность и качество сельскохозяйственных культур, больше не является академическим любопытством; это критическая необходимость для устойчивого производства продуктов питания в условиях изменения климата, деградации почвы и растущего населения мира.

Влияние почвенных микробов на сельскохозяйственные культуры глубоко. Они способствуют круговороту питательных веществ, вырабатывают гормоны роста растений, подавляют патогены, улучшают структуру почвы и даже влияют на питательный и вкусовой профиль собранного продукта. На протяжении десятилетий традиционное сельское хозяйство ориентировалось в первую очередь на химические вещества, часто упуская из виду биологический аспект здоровья почвы. Однако растущий объем исследований и практический опыт теперь показывает, что управление для надежного и разнообразного микробного сообщества почвы может привести к более высоким урожаям, лучшему качеству урожая и снижению зависимости от синтетических удобрений и пестицидов.

Питательный двигатель: микробы как неоплачиваемые работники фермы

Наиболее фундаментальная роль почвенных микробов в сельском хозяйстве — их участие в круговороте питательных веществ. В природных экосистемах питательные вещества непрерывно перерабатываются через разложение органического вещества. В сельскохозяйственных системах, где вывозятся культуры и вывозятся питательные вещества, этот цикл становится ещё более критичным. Микробы являются основными агентами разложения, разлагая сложные органические соединения в остатках сельскохозяйственных культур, навозе и почвенном органическом веществе на более простые, доступные растениям формы.

Трансформация азота

Азот часто является наиболее ограничивающим питательным веществом для роста сельскохозяйственных культур. В то время как атмосферный азот (N2) в изобилии, он недоступен для растений. Специализированная группа бактерий, в том числе Ризобий (симбиотический с бобовыми)] и свободноживущие азотфиксаторные, такие как Азоспириллум, превращают N2 в аммиак посредством биологической азотной фиксации. Этот процесс является естественным эквивалентом производства синтетических азотных удобрений, но без затрат энергии и воздействия окружающей среды. Другие микробы, такие как нитрифицирующие бактерии, превращают аммиак в нитрат, форма азота, наиболее легко поглощаемая культурами. Денитрифицирующие бактерии завершают цикл, возвращая азот в атмосферу. Управление этими популяциями влияет на доступность азота в течение вегетационного периода, влияя как на урожайность, так и на содержание азота в зерне.

Солюбилизация фосфора

Фосфор является еще одним ключевым питательным веществом, которое часто заперто в почвенных минералах или органических формах. Многие бактерии (например, ]Псевдомонас, Bacillus и микоризные грибы производят органические кислоты и ферменты (фосфатазы), которые растворяют неорганический фосфор или минерализуют органический фосфор. Это делает фосфор доступным для корней сельскохозяйственных культур, усиливая развитие корней, цветение и фруктовый набор. В фосфоросодержащих почвах прививка фосфорсолюбивыми микробами может значительно повысить урожайность, иногда уменьшая потребность в горных фосфатных или суперфосфатных удобрениях.

Калий и микроэлементы

Микробная активность также влияет на доступность калия, железа, цинка и других микроэлементов. Изменяя рН почвы за счёт производства органических кислот и конкурируя за места сорбции, микробы могут выделять эти питательные вещества в почвенный раствор. Некоторые бактерии вырабатывают сидрофоры, соединения, которые хелатируют железо и делают его более доступным для растений. Это особенно важно в известковых почвах, где распространен хлороз железа. Здоровое микробное сообщество таким образом помогает гарантировать, что культуры не страдают от скрытого голода, что может снизить урожайность и ухудшить качество питания.

Прямое воздействие на урожайность культур: больше, чем просто питательные вещества

Почвенные микробы влияют на урожайность через механизмы, которые выходят за рамки простого питания. Они могут непосредственно стимулировать рост растений, производя фитогормоны. Например, многие рост растений, способствующие росту ризобактерий (PGPR) синтезируют ауксины, гиббереллины и цитокины. Эти гормоны стимулируют удлинение корня, увеличивают плотность корневых волос и усиливают образование узелков в бобовых. Более крупная, более эффективная корневая система приводит к лучшему усвоению воды и питательных веществ, непосредственно повышая потенциал урожайности, особенно в условиях стресса.

Микробы также производят летучие органические соединения, которые могут вызвать системную устойчивость у растений. Это означает, что все растение становится более устойчивым к лиственным заболеваниям и вредителям, уменьшая потери урожая без необходимости химических пестицидов. Кроме того, некоторые грибы, такие как Триходерма , хорошо известны своей способностью вытеснять или паразитировать почвенные патогены, такие как Ризоктония, Питий, и Фузариум . Защищая корневую систему от инфекции, эти полезные микробы предотвращают потери урожая, которые могут быть катастрофическими, особенно в высокоценных культурах, таких как клубника, помидоры и картофель.

Подавление болезней почвенно-борнских

Одним из наиболее драматических способов воздействия микробов на урожай является подавление болезней. Почвы, подавляющие патогены, часто имеют большое разнообразие и обилие полезных микроорганизмов. Эти микробы конкурируют за ресурсы, производят антибиотики, индуцируют защиту растений и даже непосредственно колонизируют и убивают патогены. Например, Bacillus subtilis производит липопептиды, которые разрушают мембраны грибковых клеток, в то время как Стрептомики виды производят широкий спектр антимикробных соединений.Посевы, выращенные в богатой микробами почве с высоким потенциалом подавления, последовательно демонстрируют более высокие урожаи и более низкую заболеваемость.

Засуха и стрессоустойчивость

Микробы почвы также способствуют стабильности урожайности при абиотических стрессах, таких как засуха, соленость и жара. Микороризальные грибы образуют обширные гифальные сети, которые исследуют поры почвы вне досягаемости корней, эффективно расширяя корневую зону и получая доступ к воде в сухие периоды. Некоторые бактерии продуцируют фермент ACC-деаминазу, который снижает уровни этилена растений, тем самым снижая стрессоустойчивость. Улучшая стрессоустойчивость, микробы помогают поддерживать урожайность даже тогда, когда погодные условия являются неоптимальными. В меняющемся климате эта биологическая страховка становится все более ценной. Для получения дополнительной информации о стрессоустойчивости см. исследования, опубликованные в о микробной активности ACC-деаминазы.

Повышение качества урожая за счет микробной активности

Урожайность — лишь часть уравнения. Все чаще потребители и переработчики продуктов питания требуют высококачественную продукцию с конкретными питательными профилями, вкусовыми характеристиками и свойствами сроков хранения. Почвенные микробные сообщества оказывают прямое и часто недооцениваемое влияние на эти качественные черты. На содержание питательных веществ в заготовленных органах влияет наличие и баланс питательных веществ, опосредованных микробами. Например, микоризная колонизация часто увеличивает концентрацию антиоксидантов, витаминов и полифенолов во фруктах и овощах.

аромат и аромат

Существует все больше доказательств того, что микробиомы почвы формируют вкус культур. В известном исследовании исследователи обнаружили, что идентичные сорта базилика, выращенные в разных почвах, имели разные вкусовые профили, и эти различия были связаны с составом микробных сообществ. Микробы влияют на производство летучих органических соединений в растениях посредством гормональной сигнализации и подачи питательных веществ. Для винограда микробиом почвы может влиять на концентрации терпенов и других предшественников вкуса, способствуя терруару виноградника. Высококачественные помидоры, например, часто были связаны с конкретными бактериальными и грибковыми сообществами, которые улучшают баланс сахара и кислоты. Дополнительную информацию о связи почвенного вкуса можно найти в публикациях Службы сельскохозяйственных исследований USDA .

Качество питания

Микробная активность повышает минеральное содержание культур. По мере того, как микробы растворяют минералы, такие как цинк и железо, из почвы, эти элементы становятся более доступными для поглощения растениями. Пищевые культуры, выращенные в почвах с активными микробными сообществами, часто показывают более высокие концентрации основных микроэлементов, потенциально устраняя дефицит микроэлементов в человеческих популяциях. Кроме того, микробное производство витаминов (например, B12, фолата) в ризосфере может быть поглощено корнями растений, что еще больше повышает питательную ценность съедобных частей.

Пост-сбор урожая срок годности

Качество урожая также включает в себя характеристики после сбора урожая. Фрукты и овощи из растений, которые были колонизированы полезными микробами, часто демонстрируют более прочную ткань, более высокое содержание антиоксидантов и сниженную восприимчивость к послеуборочной гнили. Это связано с тем, что предуборочные микробные обработки (или естественно высокое микробное разнообразие) могут стимулировать иммунную систему растения. Например, было показано, что помидоры из растений, обработанных ]Bacillus amyloliquefaciens , поддерживают твердость и уменьшают распад во время хранения. Это приводит к меньшему количеству пищевых отходов и более высокой товарности, особенно для свежих рыночных культур.

Ключевые игроки в микробиологическом сообществе

Rhizobia: партнеры по азоту

Эти бактерии образуют симбиотические узелки на корнях бобовых, фиксируя атмосферный азот в аммиак, который растение может использовать. Взамен растение обеспечивает углеродные соединения. Эта взаимосвязь может обеспечить 50-80% азота, необходимого бобовым, уменьшая потребность в синтетических N-удобрениях. В севооборотах остаточный азот из бобовых конкреций приносит пользу последующим зерновым культурам, демонстрируя, как микробные взаимодействия могут каскадироваться через агроэкосистемы.

Микоризные грибы (AMF)

АМФ являются, пожалуй, самыми важными грибковыми симбионтами в сельском хозяйстве. Они колонизируют корни более 80% наземных растений, включая основные культуры, такие как кукуруза, пшеница, соя и картофель. В обмен на углеводы, АМФ гифы поглощают фосфор, азот, воду и микроэлементы из почвенных пор, недоступных корням. Они также улучшают агрегацию почвы, производя гломалин, гликопротеин, который связывает частицы почвы. Почвы с высоким содержанием АМФ имеют лучшую инфильтрацию воды, снижение эрозии и большее хранение углерода. АМФ в настоящее время широко используется в биоудобрениях, особенно для высокоценных садоводческих культур.

Растения, способствующие росту ризобактерий (PGPR)

PGPR — это широкая категория полезных бактерий, которые связываются с корнями растений и усиливают рост. Известные роды включают Pseudomonas, Bacillus, Azospirillum, и Enterobacter. Они производят фитогормоны (индол-3-уксусная кислота, гиббереллины), фиксируют небольшие количества азота, растворяют фосфор, производят сидерофоры и антагонизируют патогены. Прививка PGPR может повысить урожайность на 10-30% во многих культурах, особенно при умеренном стрессе. Они коммерчески доступны для многих полевых и овощных культур.ScienceDirect.

Свободно живущие и ассоциативные фиксеры азота

Не все азотфиксирующие вещества требуют конкреций. Бактерии, такие как Azotobacter, Klebsiella, и Clostridium фиксируют азот, свободно живя в почве или в ризосфере. Хотя фиксированные количества ниже, чем у ризобии, они по-прежнему способствуют азотной экономике нелегуминовых культур. В интегрированных системах эти бактерии могут обеспечить 5-20 кг N на гектар в год, что является значимой добавкой.

Проблемы, с которыми сталкиваются сообщества почвенных микробов

Несмотря на их преимущества, почвенные микробные сообщества сталкиваются с многочисленными угрозами в современных сельскохозяйственных ландшафтах. Тиллаж нарушает грибковые гифы и уменьшает обилие микоризных грибов. Интенсивное использование синтетических удобрений и пестицидов может подавлять полезные микробы, способствуя росту патогенов. Например, высокие уровни азотных удобрений часто ингибируют ризобиальную конденсацию и колонизацию AMF, потому что растениям больше не нужно торговать углеродом для азота. Тяжелые металлы и стойкие органические загрязнители из промышленных отходов и осадка сточных вод могут уменьшить микробное разнообразие и функцию. Эрозия почвы и уплотнение ухудшают структуру среды обитания.

Утрата микробного разнообразия

Монокультурное возделывание с ограниченным севооборотом уменьшает разнообразие экссудатов корней растений, что, в свою очередь, отбирает более узкий диапазон видов микроорганизмов. Эта потеря разнообразия может дестабилизировать экосистему, делая ее более уязвимой к вспышкам патогенов и менее эффективной в круговороте питательных веществ. Восстановление разнообразия посредством диверсифицированных ротаций, покровного обрезки и уменьшенной обработки почвы является одной из наиболее эффективных стратегий восстановления здоровых микробиомов почвы.

Воздействие изменения климата

Повышение температуры и изменение структуры осадков непосредственно влияют на микробную активность и состав сообщества. В некоторых регионах повышенная засуха уменьшит микробную биомассу и активность, замедляя разложение и цикличность питательных веществ. Более теплые почвы могут ускорить минерализацию органических веществ, первоначально высвобождая питательные вещества, но истощая углерод почвы в долгосрочной перспективе. Однако адаптивное управление, такое как поддержание почвенного покрова и добавление органических поправок, может буферизировать микробы против экстремальных климатических явлений. Текущие исследования из FLT:0.FAO подчеркивает важность биологических подходов в климатически умном сельском хозяйстве.

Использование микробов: инокулянты и биоудобрения

Наука использования микробов для повышения урожайности сельскохозяйственных культур быстро развивается. Коммерческие биоудобрения содержат живые или спящие полезные микроорганизмы, которые могут быть применены к семенам, саженцам или почве. Продукты, содержащие Ризобий для бобовых, используются уже более века. Более поздние инновации включают многоштаммовые инокулянты, сочетающие PGPR, AMF и азотфиксатор. Эти продукты направлены на имитация естественной синергии здорового микробиома почвы. Однако их успех зависит от правильной формулировки, хранения и применения. Инокулянты должны выживать в почвенной среде и конкурировать с нативными микроорганизмами. Покрытие семян защитным полимером и использование материалов-носителей, которые поддерживают выживание (например, торф, альгинат или биоуголь) имеют улучшенную эффективность.

Тенденции в микробных инокулянтах

Новые подходы включают использование эндофитных бактерий, которые живут внутри растительных тканей, обеспечивая прямые преимущества без необходимости конкурировать в ризосфере. Кроме того, микробные консорциумы (пакеты нескольких совместимых видов) становятся стандартными, поскольку они более устойчивы и эффективны, чем отдельные штаммы. Например, консорциум Trichoderma и Bacillus может одновременно подавлять патогены и способствовать росту. Прогнозируется, что глобальный рынок сельскохозяйственных микробных инокулянтов значительно вырастет, что отражает увеличение принятия фермерами и нормативную поддержку биологических продуктов.

Устойчивые методы ведения сельского хозяйства для микробного здоровья

Пожинать плоды почвенных микробов требует не только применения продукта; это требует системного управления, которое способствует микробному изобилию и разнообразию.

  • Минимизируйте поголовье: Уменьшенное или нулевое выращивание сохраняет грибковые гифы и структуру почвы, позволяя процветать микробным сетям. Покровные культуры и удержание остатков защищают поверхность почвы и обеспечивают непрерывные источники пищи для микробов.
  • Диверсификация вращений: Посадка различных культур, включая бобовые, брассики и травы, поддерживает более широкое микробное сообщество. Каждый тип культур источает уникальные соединения, которые питают различные микробные группы, предотвращая доминирование любого отдельного патогена.
  • Добавить органические поправки: Компост, навоз, зеленые навозы и биоуголь обеспечивают органическое вещество, которое питает почвенную пищевую сеть. Эти поправки увеличивают микробную биомассу и активность, улучшая цикличность питательных веществ и подавление заболеваний.
  • Снижает синтетические вводы: Чрезмерное использование удобрений и пестицидов может нанести вред полезным микробам. Интегрировать органические источники и применять химические вещества разумно на основе почвенных тестов и мониторинга вредителей. Биологические средства контроля часто могут заменить синтетические фунгициды или инсектициды.
  • Поддерживать покрытие почвы: Грязная почва уязвима для эрозии, экстремальных температур и высыхания микробов. Покровные культуры, мульчи или остатки культур защищают микробиом и обеспечивают среду обитания.
  • Мудрое орошение: Чрезмерное орошение может привести к анаэробным условиям, которые благоприятствуют денитрификаторам и патогенам. Капельное орошение и планирование на основе датчиков влажности почвы предотвращают заболачивание и поддерживают аэробные условия, полезные для большинства микробов.

Заключение

Почвенные микробные сообщества не являются периферийными субъектами в сельском хозяйстве; они являются центральными партнерами. Управляя почвами для поддержки бактериальной, грибковой и другой микробной жизни, фермеры могут одновременно повышать урожайность сельскохозяйственных культур, улучшать качество питания и вкуса, снижать затраты на ввод и способствовать долгосрочному здоровью почвы. Переход от ориентированного на химию к ориентированному на биологию взгляду на плодородие почвы представляет собой изменение парадигмы в сельском хозяйстве. В то время как проблемы остаются - от расширения производства инокулянтов до преодоления скептицизма фермеров - доказательная база сильна и растет. Почва под нашими ногами обладает огромным потенциалом, который при надлежащем управлении может накормить мир при восстановлении планеты. Охват этого потенциала является наиболее перспективным путем к действительно устойчивой и устойчивой продовольственной системе. Для дальнейшего чтения об интеграции управления микробами в регенеративное сельское хозяйство см. NRCS Почвенная биология