Мікробіоми ґрунту як складова біорізноманіття педосфери та чинник формування врожайності сільськогосподарських культур
Анотація
Метою даного дослідження було оцінювання механізмів взаємодії між мікробіомами ґрунту та провідними культурами для оптимізації врожайності і якості продукції у процесі сільськогосподарського виробництва. У ході дослідження проведено всебічний аналіз фізико-хімічних властивостей ґрунтів (чорноземи, сірі лісові та підзолисті) та склад мікробіому ґрунту, включаючи чисельність азотфіксуючих бактерій Rhizobium і Azotobacter, бактерій Bacillus spp., представників роду Streptomyces, грибів Glomus spp. Найвищі показники врожайності пшениці сорту Kalbex (50 ц/га), кукурудзи Родос (80 ц/га) та сої Kingstone (30 ц/га) були зареєстровані при вирощуванні цих культур на чорноземах. Сірі лісові ґрунти і підзолисті ґрунти продемонстрували меншу продуктивність та якість врожаю. Чисельність азотфіксуючих бактерій Rhizobium і Azotobacter у чорноземах досягала 6 мільйонів колонієутворюючих одиниць (КУО) на грам ґрунту, тоді як у підзолистих ґрунтах вона була найнижчою – 3 мільйони КУО на грам ґрунту. Мікоризні гриби Glomus spp. також були найбільш чисельні в чорноземах – 8 мільйонів спор на грам ґрунту. У дослідженні вивчався вплив мікробіому ґрунтів на врожайність обраних культур. Був проведений кореляційний аналіз мікробіому та врожайності. Проаналізовано вплив мікробіому ґрунту на якість врожаю. Отримані результати підтверджують, що чорноземи забезпечують найкращі умови для вирощування культур завдяки високій біологічній активності ґрунту та оптимальним фізико-хімічним властивостям, що робить їх ідеальним вибором для агрономічної практики
Ключові слова
біорізноманіття; метагеноміка; агроекосистеми; педосфера; агропромисловий комплекс; біогеохімія; рослинництво
[1] Ablimit, R., Li, W., Zhang, J., Gao, H., Zhao, Y., Cheng, M., Meng, X., An, L., & Chen, Y. (2022). Altering microbial community for improving soil properties and agricultural sustainability during a 10-year maize-green manure intercropping in Northwest China. Journal of Environmental Management, 321, article number 115859. doi: 10.1016/j.jenvman.2022.115859.
[2] Aizi, T., Lijuan, L., Lihua, L., Wei, L., & Jiamei, Q. (2023). Comparative analysis of microbial community structure in different times of Panax ginseng Rhizosphere microbiome and soil properties under larch forest. BMC Genomic Data, 24, article number 51. doi: 10.1186/s12863-023-01154-1.
[3] Anthony, W.E., et al. (2024). From soil to sequence: filling the critical gap in genome-resolved metagenomics is essential to the future of soil microbial ecology. Environmental Microbiome, 19, article number 56. doi: 10.1186/ s40793-024-00599-w.
[4] Banerjee, S., & van der Heijden, M.G. (2022). Soil microbiomes and one health. Nature Reviews Microbiology, 21, 6-20. doi: 10.1038/s41579-022-00779-w.
[5] Bastida, F., Eldridge, D.J., García, C., Kenny Png, G., Bardgett, R.D., & Delgado-Baquerizo, M. (2021). Soil microbial diversity – Biomass relationships are driven by soil carbon content across global biomes. ISME Journal, 15(7), 2081-2091. doi: 10.1038/s41396-021-00906-0.
[6] Biyashev, B., Drobitko, A., Markova, N., Bondar, A., & Pismenniy, O. (2024). Chemical analysis of the state of Ukrainian soils in the combat zone. International Journal of Environmental Studies, 81(1), 199-207. doi: 10.1080/00207233.2023.2271754.
[7] Cheng, H., Yuan, M., Tang, L., Shen, Y., Yu, Q., & Li, S. (2022). Integrated microbiology and metabolomics analysis reveal responses of soil microorganisms and metabolic functions to phosphorus fertilizer on semiarid farm. Science of the Total Environment, 817, article number 152878. doi: 10.1016/j.scitotenv.2021.152878.
[8] Clark, D.R., Underwood, G.J., McGenity, T.J., & Dumbrell, A.J. (2021). What drives study-dependent differences in distance-decay relationships of microbial communities? Global Ecology and Biogeography, 30(4), 811-825. doi: 10.1111/geb.13266.
[9] Debray, R., Herbert, R.A., Jaffe, A.L., Crits-Christoph, A., Power, M.E., & Koskella, B. (2022). Priority effects in microbiome assembly. Nature Reviews Microbiology, 20(2), 109-121. doi: 10.1038/s41579-021-00604-w.
[10] Delgado, L.F., & Andersson, A.F. (2022). Evaluating metagenomic assembly approaches for biome-specific gene catalogues. Microbiome, 10, article number 72. doi: 10.1186/s40168-022-01259-2.
[11] Guo, J., Ling, N., Li, Y., Li, K., Ning, H., Shen, Q., Guo, S., & Vandenkoornhuyse, P. (2021). Seed-borne, endospheric and rhizospheric core microbiota as predictors of plant functional traits across rice cultivars are dominated by deterministic processes. New Phytologist, 230(5), 2047-2060. doi: 10.1111/nph.17297.
[12] Hartmann, M., & Six, J. (2023). Soil structure and microbiome functions in agroecosystems. Nature Reviews Earth and Environment, 4(1), 4-18. doi: 10.1038/s43017-022-00366-w.
[13] Havryliuk, L., Beznosko, I., Humennyi, D., Gentosh, D., & Bashta, O. (2024). Review of the main diseases of Solanum lycopersicum and methods of chemical control of pathogens. Ukrainian Black Sea Region Agrarian Science, 28(4), 32-40. doi: 10.56407/bs.agrarian/4.2024.32.
[14] Hu, J., Yang, T., Friman, V., Kowalchuk, G.A., Hautier, Y., Li, M., Wei, Z., Xu, Y., Shen, Q., & Jousset, A. (2021). Introduction of probiotic bacterial consortia promotes plant growth via impacts on the resident rhizosphere microbiome. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 288(1960), article number 20211396. doi: 10.1098/rspb.2021.1396.
[15] Jansson, J.K., McClure, R., & Egbert, R.G. (2023). Soil microbiome engineering for sustainability in a changing environment. Nature Biotechnology, 41(12), 1716-1728. doi: 10.1038/s41587-023-01932-3.
[16] Jiang, P., Wang, Y., Zhang, Y., Fei, J., Rong, X., Peng, J., Yin, L., & Luo, G. (2024). Intercropping enhances maize growth and nutrient uptake by driving the link between rhizosphere metabolites and microbiomes. New Phytologist, 243(4), 1506-1521. doi: 10.1111/nph.19906.
[17] Jurburg, S.D., Blowes, S.A., Shade, A., Eisenhauer, N., & Chase, J.M. (2024). Synthesis of recovery patterns in microbial communities across environments. Microbiome, 12, article number 79. doi: 10.1186/s40168-02401802-3.
[18] Khavkhun, A. (2024). The impact of mineral fertilisers on the physicochemical properties of soil in maize cultivation. Plant and Soil Science, 15(3), 44-53. doi: 10.31548/plant3.2024.44.
[19] Mason, L., Debenport, S., DeLay, С., Diedhiou, I., McSpadden Gardener, B.B., Assigbetsee, K.B., Rich, V., & Dick, R.P. (2023). Microbial community shifts in pearl millet root zone soils with Guiera senegalensis intercropping along a rainfall and soil type gradient in the Sahel. Soil Science Society of America Journal, 87(3), 498-515. doi: 10.1002/saj2.20494.
[20] Myronycheva, O., Bandura, I., Bisko, N., Gryganskyi, A.P., & Karlsson, O. (2017). Assessment of the growth and fruiting of 19 oyster mushroom strains for indoor cultivation on lignocellulosic wastes. BioResources, 12(3), 4606-4626. doi: 10.15376/biores.12.3.4606-4626.
[21] Neuberger, P., Romero, C., Kim, K., Hao, X., McAllister, T.A., Ngo, S., Li, C., & Gorzelak, M.A. (2024). Biochar is colonized by select arbuscular mycorrhizal fungi in agricultural soils. Mycorrhiza, 34(3), 191-201. doi: 10.1007/ s00572-024-01149-5.
[22] Pandey, V., Bhattacharya, A., & Pandey, A. (2023). Plant growth-promoting microbiomes: History and their role in agricultural crop improvement. In P. Swapnil, M. Meena, Harish, A. Marwal, S. Vijayalakshmi & A. Zehra (Eds.), Plant-microbe interaction – recent advances in molecular and biochemical approaches (pp. 1-44). London: Academic Press. doi: 10.1016/B978-0-323-91875-6.00012-8.
[23] Philippot, L., Griffiths, B.S., & Langenheder, S. (2021). Microbial community resilience across ecosystems and multiple disturbances. Microbiology and Molecular Biology Reviews, 85(2). doi: 10.1128/MMBR.00026-20.
[24] Pichura, V., Potravka, L., Stratichuk, N., & Drobitko, A. (2023). Space-time modeling and forecasting steppe soil fertility using geo-information systems and neuro-technologies. Bulgarian Journal of Agricultural Science, 29(1), 182-197.
[25] Poudel, R., Jumpponen, A., Kennelly, M.M., Rivard, C., Gomez-Montano, L., & Garrett, K.A. (2023). Integration of phenotypes in microbiome networks for designing synthetic communities: A study of mycobiomes in the grafted tomato system. Applied and Environmental Microbiology, 89, article number e01843-22. doi: 10.1128/ aem.01843-22.
[26] Qiao, Y., Xu, D., Peng, J., Lu, H., Tan, Y., & Guo, D. (2024). Influence of decomposed stubble return on the soil microbial community under perennial crop rotation. Journal of Soil Science and Plant Nutrition, 24, 2295-2304. doi: 10.1007/s42729-023-01472-4.
[27] Riley, R., et al. (2021). Terabase-scale coassembly of a tropical soil microbiome. Microbiology Spectrum, 11(4), article number e0020023. doi: 10.1128/spectrum.00200-23.
[28] Ruan, Z., Chen, K., Cao, W., Meng, L., Yang, B., Xu, M., Xing, Y., Li, P., Freilich, S., Chen, C., Gao, Y., Jiang, J., & Xu, X. (2024). Engineering natural microbiomes toward enhanced bioremediation by microbiome modeling. Nature Communications, 15(1), article number 4694. doi: 10.1038/s41467-024-49098-z.
[29] Scharlemann, J.P., Tanner, E.V., Hiederer, R., & Kapos, V. (2023). Global soil carbon: Understanding and managing the largest terrestrial carbon pool. Carbon Management, 5(1), 81-91. doi: 10.4155/cmt.13.77.
[30] Shi, Z., Yang, M., Li, K., Yang, L., & Yang, L. (2023). Influence of cultivation duration on microbial taxa aggregation in Panax ginseng soils across ecological niches. Frontiers in Microbiology, 14, article number 1284191. doi: 10.3389/fmicb.2023.1284191.
[31] Singh, B.K., Trivedi, P., Egidi, E., Macdonald, C.A., & Delgado-Baquerizo, M. (2020). Crop microbiome and sustainable agriculture. Nature Reviews Microbiology, 18(11), 601-602. doi: 10.1038/s41579-020-00446-y.
[32] Trivedi, P., Leach, J.E., Tringe, S.G., Sa, T., & Singh, B.K. (2020). Plant-microbiome interactions: From community assembly to plant health Nature. Reviews Microbiology, 18(11), 607-621. doi: 10.1038/s41579-020-0412-1.
[33] Voitovyk, M., Prymak, I., Tsyuk, O., & Melnyk, V. (2023). Ertility of typical black soil under multi-year main tillage in short rotation crop rotation. Scientific Reports of the National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, 19(3). doi: 10.31548/dopovidi3(103).2023.008.
[34] Wu, R., Davison, M.R., Gao, Y., Nicora, C.D., Mcdermott, J.E., Burnum-Johnson, K.E., Hofmockel, K.S., & Jansson, J.K. (2021). Moisture modulates soil reservoirs of active DNA and RNA viruses. Communications Biology, 4(1), article number 992. doi: 10.1038/s42003-021-02514-2.
[35] Zhou, Y., Liu, D., Li, F., Dong, Y., Jin, Z., Liao, Y., Li, X., Peng, S., Delgado-Baquerizo, M., & Li, X. (2024). Superiority of native soil core microbiomes in supporting plant growth. Nature Communications, 15(1), article number 6599. doi: 10.1038/s41467-024-50685-3.