Минеральные и органические среды выращивания имеют четкую структуру сообщества, стабильность и функциональность в беспочвенных системах выращивания.

Научные отчеты, том 6, Номер статьи: 18837 (2016) Цитировать эту статью

6099 Доступов

41 цитат

12 Альтметрика

Подробности о метриках

Выбор беспочвенной среды для питания, роста и поддержки растений имеет решающее значение для повышения экологической устойчивости производства в садоводческих системах. Поскольку наше нынешнее понимание функциональных микробных сообществ, населяющих эту экосистему, все еще ограничено, мы изучили развитие микробного сообщества в двух наиболее важных средах выращивания (органических и минеральных), используемых в открытых беспочвенных садоводческих системах. Мы стремились выявить факторы, влияющие на состав сообщества с течением времени, и сравнить распределение отдельных таксонов в растущих средах и их потенциальную функциональность. Высокопроизводительный анализ секвенирования выявил характерное и стабильное микробное сообщество в органической среде выращивания. Влажность, pH, нитрат-N, аммоний-N и проводимость были обнаружены как основные факторы, связанные с резидентными бактериальными сообществами. Аммоний-N коррелировал с численностью Rhizobiaceae, при этом были предположены потенциальные конкурентные взаимодействия как между Mmethylophilaceae, так и Actinobacteridae с Rhizobiaceae. Наши результаты показали, что беспочвенные среды выращивания представляют собой уникальные ниши для разнообразных бактериальных сообществ с временной функциональной стабильностью, что, возможно, может влиять на устойчивость к внешним воздействиям. Эти различия в сообществах могут быть использованы для разработки стратегий перехода к устойчивому садоводству с повышенной продуктивностью и качеством.

В США, Канаде и Европе 95% тепличных овощей, особенно томатов, выращиваются в беспочвенных тепличных системах выращивания растений с использованием садовых сред1. Открытые беспочвенные системы садоводства имеют преимущества перед традиционными системами в том, что питательные вещества, кислород и вода, необходимые для здорового роста растений, контролируются2 и что можно обойти почвенные патогены3,4. В Западной Европе почти все томаты, выращиваемые в теплицах, выращиваются на минеральной питательной среде, состоящей из неорганических синтетических волокон5. Минеральные питательные среды производятся из диабаза, известняка и кокса, которые плавятся при температуре 1500 °C и скручиваются в волокна6. Напротив, торф и кокос являются наиболее используемыми компонентами органического происхождения в средах выращивания, производимых в ЕС7. В то время как минеральная среда для выращивания имеет нейтральный pH, высокое содержание воздуха и низкую плотность, органическая среда для выращивания характеризуется высоким содержанием органических веществ и способностью к катионному обмену с водным раствором, орошающим среду для выращивания. Несмотря на эти различия, урожайность и количество плодов томата (Solanum lycopersicum) были сопоставимы среди растений, выращенных на минеральных или органических питательных средах в течение нескольких лет подряд8.

Устойчивость беспочвенных тепличных систем во многом зависит от повышения урожайности и общей эффективности процесса выращивания4. В теплице принимаются меры по дезинфекции, чтобы гарантировать конечный урожай и качество4. Однако это приводит к уничтожению не только вредных микроорганизмов, но и потенциально полезных для растения микробных таксонов. В конечном итоге это может помешать сообществу достичь равновесия и стабильности, подвергая беспочвенные системы культивирования риску успешной инвазии патогенов4. Биоразнообразие защищает экосистемы от снижения их функциональности вследствие функциональной избыточности в результате сосуществования множества видов9,10. Это также может привести к повышению продуктивности11 благодаря положительному воздействию на бактериальное дыхание, производство микробной биомассы и хранение питательных веществ в растениях. Кроме того, сообщалось о повышенной временной функциональной стабильности и устойчивости к внешним силам, таким как возмущения питательных веществ и инвазивные виды10,12.

Сложное микробное сообщество, связанное с растениями, также называемое «вторым геномом растения», имеет решающее значение для здоровья, роста и развития растений13. Предыдущие работы по изучению микробных сообществ, связанных с растущей средой, в основном были сосредоточены на отсутствии патогенных бактерий и грибов14. Существует ограниченное понимание факторов, которые влияют на состав сообщества с течением времени, распределение отдельных таксонов в растущих средах и их потенциальную функциональность. Отсутствие эффективных стратегий контроля, направленных на повышение продуктивности15, увеличивает нашу потребность в тщательном мониторинге ризосферы, среды выращивания и ее микробных популяций.