原始研究的文章

前面。阿格龙。,05 May 2023
秒。农业生态的种植制度
卷5 - 2023 | https://doi.org/10.3389/fagro.2023.1134514

再生农业增强为一个更健康的土壤细菌群落结构和农业

英迪拉辛格 ^{1 * __},

Meeran侯赛因 ²,

g·希¹,

Nagasuma钱德拉 ²和

g . Ravikanth ¹

¹阿育王信任研究生态和环境,班加罗尔,印度
²印度理工学院科学、印度班加罗尔

作品简介:使用化学肥料和杀虫剂不仅破坏环境,而且对人类健康产生有害的影响。近年来,世界范围的一个主要强调对自然农业方法。再生农业闻名世界各地的免耕等用自然友好农业实践的结合,覆盖种植,轮作、农林和使用有机农业原料家庭/人士恢复土壤的健康。在印度,许多农民正在慢慢地采用这些实践使用家庭混合物和堆肥土壤复兴和害虫管理。为了评估再生农业实践的有效性,本研究比较传统和再生农业土地的土壤细菌和营养素。

方法:两种作物-鸭脚稗(手指小米,一个旧世界谷物在印度吃)和蔬菜(番茄/ bean),和不同长度(≤3 > 5年)再生实践附加指标被认为由于作物类型和理解可变性的应用程序。农民使用的常见的再生农业实践在这个研究包括实践,比如覆盖、minimal-till,水、作物轮作和应用堆肥和其他家庭混合物富含营养物质和微生物土壤丰富。

结果:我们发现所有再生实践有效地带来土壤细菌的富集与异质成分。此外,在再生蔬菜(RV)和传统蔬菜(CV)和贫瘠的土地(提单)地块的相对丰度百分比Actinobacteriota (RV - 7.47% /提单/ CV - 6.24% -7.02%)和Chloroflexi (RV - 9.37% /提单/ CV - 6.63% - 8.75%)略高。相比之下,Acidobacteriota水平(rv - 8.1% /提单/ cv - 9.88% - 9.62%)显著降低。同样,再生鸭脚稗(RR)相比,传统的鸭脚稗(CR)和贫瘠的土地(提单)情节看到高壁厚菌门的代表(RR - 5.45% /提单/ CR - 2.38% - 1.45%)和Actinobacteriota (RR - 11.53% /提单/ CR - 7.08% - 7.15%)和减少并发Acidobacteriota (RR - 6.91% /提单/ CR - 7.39% - 9.79%)。RV阴谋被发现是丰富植物生长促进Rhizobacteria (PGPRs)假单胞菌sp。(rv - 0.51% /提单/ cv - 0.01% - 0.21%),和RR情节丰富芽孢杆菌sp。(rr - 1.35% /提单/ cr - 0.95% - 0.61%),和Mesorhizobiumsp。(0.30% / 0.12% / 0.21%),扮演着重要的角色在蔬菜和鸭脚稗分别增长。

讨论:有趣的是,长期再生农业能够支持良好的营养成分,同时加强土壤有机碳(SOC)的水平。总之,再生农业实践发现同时有效地改善细菌群落结构和改善土壤健康。我们发现提单与桉树人工林土壤中显示至少细菌多样性表明对土壤健康产生不利影响。

介绍

农业是主要的生活意味着超过50%的印度人口(Madhusudhan 2015)。随着绿色革命,农民使用传统农业涉及密集使用合成肥料和农药的农作物和现场管理(Prashar和沙,2016年;约翰先生,2021年)。传统农业耕作等不可持续的土地管理实践,离开在non-growing季节土壤贫瘠,农业集约化和单作种植导致土壤质量的恶化和作物健康,让农民在经济上陷入困境(Sathyanarayana Rao et al ., 2017;约翰先生,2021年)。

再生农业,相反,其根源来自传统的农业资源和农业实践主要依赖人士的方法,是对环境有益,气候智能型、健康和农业可持续发展前景(辛格和辛格2017;14 et al ., 2018;帕特尔et al ., 2020;金正日et al ., 2021;Zhang et al ., 2021)。健康的土壤是由一个健壮的和繁荣的微生物群落,可以开展一系列生物地球化学活动和必需营养素丰富的土壤和植物生长促进剂(哈特曼和Tringe, 2019;马哈茂德et al ., 2021;特里帕西及白肢野牛(2021)。在这项研究中,我们比较两个农业系统(再生和传统)根据土壤养分和土壤细菌概要文件来验证自己的能力恢复健康在卡纳塔克邦的半干旱的背景下农田。

化肥的传统农业,包括应用程序(氮、磷、钾、氮磷钾)促进农业产出,牵连了酸化和土壤的恶化和气候变化(Kumar et al ., 2020)。过量的氮肥带来浸出氮进入水体,富营养化的主要原因,除了从土壤积累和释放的一氧化二氮,一种强有力的温室气体。相比之下,再生农业使用环境友好的土壤和作物管理系统,有能力治愈环境成本有效地以最小的输入(Brodt et al ., 2011;彼得et al ., 2020;Schreefel et al ., 2020;马毛绳et al ., 2021)。

一些印度小农的最近开始采用再生农业改善土壤和作物的健康。除了使用全球练习再生方法,小农在卡纳塔克邦也使用soil-rejuvenation方法基于传统知识。他们使用自制添加剂制成的牛产品和其他容易成分如棕榈糖和鹰嘴豆面粉为土壤和农作物病虫害管理。尽管如此,有一个巨大的知识积累向再生农业系统的好处,然而,有一个正在进行的讨论集成两个系统实现粮食生产的可持续性(Riaz et al ., 2020;Srour et al ., 2020)。与这个想法一致,许多印度农业肥料的农民使用化肥和人士更好的产量(Pental 2021;Aryal et al ., 2021)。

土壤微生物群落是由细菌、真菌、病毒和原生动物。这些微生物进行的基本流程facilitating-nutrient自行车、有机质的分解,定义土壤质地、土壤保水的能力,降解的有毒废物,防止植物害虫和病原体的生长(Brussaard et al ., 2007)。不同土壤的治疗会影响微生物群落结构,但微生物的变化是非常复杂的过程刺激由多个因素,如温度、气候、治疗、类型的作物种植,种植模式等可持续农业实践应该促进有益微生物的生长和流行的病原物种。研究表明,再生农业体现土壤健康通过改善土壤微生物多样性和丰富性(穆恩和Mulugeta, 2014;菲勒et al ., 2020;Bertola et al ., 2021;Mulugeta 2021)。印度农民使用一系列不同的再生农业实践包括覆盖,覆盖种植,国米和混合种植,免耕,利用土壤和植物治疗如堆肥、vermicompost,以及使用原住民知识提取方法如应用——Jeevamrutha(发酵混合物的叶子,棕榈,鹰嘴豆面粉,牛尿,牛粪、土壤和水)作为杀虫剂,Beejamrutha(拌种剂混合物包含牛粪、牛尿,土壤和柠檬汁)和Panchagavya(五cow-based成分的混合物,牛粪、牛尿,豆腐、牛奶和黄油)(帕特尔et al ., 2020;Duraivadivel et al ., 2022)。一些较大的农场也在印度使用农林支持农业的健康发展和保持高生产率(布朗et al ., 2018)。印度卡纳塔克邦的——农民普遍使用的间作种植多样化的作物包括豆类(红克,风信子豆类、豇豆等),蔬菜作物,黍(如高粱)和油籽等施法者同时改善农业生态系统和管理作物害虫(Maitra et al ., 2021)。研究表明,免耕显著影响土壤微生物多样性选择的有益微生物,改善营养易位和保护植物对病原体而耕作导致主要真菌腐生生物积累和植物病原体(Srour et al ., 2020)。同样,低投入/有机农业和传统农业的比较研究发现有机农业土壤中微生物多样性的提高,丰富的微生物公会可以降低粪肥和堆肥(哈特曼et al ., 2015)。间作发现提高土壤氮(N)可用性导致增加植物N同化和改善颗粒由于土壤微生物结构的变化(党et al ., 2020)。然而,太多的再生农业选项的可用性知识了解太少,对他们的预期结果,紧随其后的是一个长时段土壤健康/植物产生明显变化,使小农农民绝望和脆弱。因此,科学认识的基础土壤健康促进的这些实践是至关重要的,以证据为基础的建议。此外,由于广泛的可用性再生实践,伴随着巨大的可变性在地区土壤类型、气候条件、时间和程度上的应用程序和作物类型和种植模式的差异,比较是极其困难的研究来自世界各地。因此,一个地区特定的和国家特定的研究将有助于获得第一手信息行动的模式和福利应计。迄今印度没有这样的研究报告显示,使用再生的比较优势农业对土壤微生物多样性。

土壤宏基因组分析利用新一代高通量测序DNA样本是一个有效的工具来确定土壤中的微生物。技术提供了详细的多样性、丰度和发生的特定属物种在给定的样本(丁et al ., 2015;冯et al ., 2018;Bertola et al ., 2021;Ziqin et al ., 2021;Smruthi et al ., 2022)。在当前的研究中,使用16 s宏基因组相比我们相比使用16 s宏基因组的细菌群落结构再生农业观察传统农业和贫瘠的土地。此外,α和β多样性宏基因组数据集进行分析建立在不同的样品中细菌的多样性。农业土地种植蔬菜作物(番茄/ bean)或finger-millet作物(鸭脚稗)被认为是在这里。

材料和方法

土样的采集

本研究旨在建立再生农业实践的影响对土壤营养成分和微生物卫生对多年的应用程序的数量。在这项研究中,我们考虑两种类型的作物鸭脚稗(finger-millet)和番茄/ Bean(蔬菜)作物主要是因为这些都是最常见的半干旱地区种植作物。土壤采样进行了2021年1月和2月,当时从Covid-19片刻喘息。因此,一些样品收集缺失的作物。收集的土壤作物的根附近无论我们能找到的情节与其他作物和土壤深度的收集从顶部1 - 5厘米。我们收集土壤四角的情节和情节的中心。最后,所有的土壤样本从一个情节都汇集在一起的实验。进行化学分析,我们收集了大约2公斤的土壤池土壤样本的所有情节上的五个位置成一个袋子。土壤微生物研究收集的无菌猎鹰管继续冰和最终存储在-20年⁰C直到进一步的处理。土壤采样是给定的表1。

表1

表1土壤采样、分类、农业实践和历史。

我们选择这个研究的情节在城镇郊区的班加罗尔Ramanagara, Magadi, Doddaballapur Hosur。这个地区主要是半干旱。贫瘠的土地(提单)样品没有植被和桉树形成了没有治疗控制。贫瘠的土地与桉树(BL-Euc)是作为一个额外的度量研究中得到一种单一栽培如何影响土壤健康的感觉。再生的情节变化很大的应用实践。例如,一些农民使用农家肥料和Jeevamrutha,而其他人使用农家肥料,Jeevamrutha vermicompost (表1)。

为分析样本分组分类:

●两个常规蔬菜(CV)的阴谋Con-VP1&Con-VP2

●两个传统的鸭脚稗(CR)情节-Con-RA1&Con-RA2

●两个再生(≤3年)蔬菜(RV)情节-Reg-1VA&Reg-3VP

●三种再生(> 5年)蔬菜(RV)情节-Reg-8VP,Reg-10VP&Reg-12VA

●一个再生(≤3年)鸭脚稗(RR)情节-Reg-1RA

●两个再生(> 5年)鸭脚稗(RR)情节-Reg-7RA&Reg-8RA

●两个不毛之地——样品提单(无植被)&BL-Euc(与桉树)

土壤化学分析

收集土壤样本被送往实验室,阴凉干燥,使用木杵和臼捣碎,渗(2毫米)和储存在密封的聚乙烯袋进行进一步分析。土壤样品为各种电化学性能进行分析。土壤pH、电导率、有机碳含量,即营养,氮、磷、钾、钙、镁和微量元素铁、锌、锰和铜进行了分析根据给定的标准程序表2。

表2

表2方法采用土壤分析。

土壤DNA隔离、图书馆准备和深度测序

DNA是孤立于土壤样品使用DNeasy电力设备,遵循制造商的协议。16 s宏基因组分析DNA样本被送往欧陆坊,扩增子测序在哪里使用Illumina公司MiSeq平台(欧陆坊基因组学印度经纪有限公司,班加罗尔,印度)。DNA样本的质量检查使用NanoDrop估计通过确定A260/280比率。扩增子库准备使用Nextera XT索引工具(Illumina公司inc .)按照16 s宏基因组测序图书馆准备协议(# 15044223启B部分)。引物的扩增细菌16 s V3-V4地区在欧陆坊的设计和合成基因组学实验室。16 s基因的扩增。Illumina公司适配器的QC扩增子通过放大使用i5和i7引物,添加多路复用指数序列以及常见的集群生成所需的适配器(P5和P7)按照标准Illumina公司协议。扩增子库被AMPure纯化XP珠子,用量子位荧光计量化。分析了放大和AMPure XP珠纯化库在4200磁带站系统(安捷伦科技)使用D1000屏幕磁带按照制造商的说明。在获得平均峰值大小从磁带站资料,图书馆是装上MiSeq在适当浓度(10 - 20点)集群生成和测序。Paired-end测序允许模板片段测序MiSeq在正向和反向两个方向。设备试剂用于绑定样品补充适配器益生元paired-end流细胞。 The adapters were designed to allow selective cleavage of the forward strands after re-synthesis of the reverse strand during sequencing. The copied reverse strand was then used to sequence from the opposite end of the fragment.

宏基因组分析

总共有14个样品和阅读的数量每样对从100468年到341993年不等。16 s rRNA序列的质量检查是通过使用FastQC (v0.11.5)和适配器序列被移除使用Trimgalore(版本:0.6.7)(2010年安德鲁斯;安德鲁斯et al ., 2015)。完整的metagenome分析使用QIIME 2.0(定量了解微生物生态学)(版本:2021.4.0)管道(Bolyen et al ., 2019)。去噪的paired-end读取完成使用DADA2工具在QIIME 2.0用于过滤劣质读取phr得分< 15。高质量的阅读被保留在16 s rRNA序列的长度,形成正向读285个基点和反向读取250个基点。结果读取de-noised获得独特的序列变异。DADA2(版本:2021.4.0)产生“操作分类单元(辣子鸡)”分组独特的序列;这些都是100%相当于辣子鸡,被称为“扩增子序列变异(asv)”。功能表构造使用QIIME 2.0,这类似于BIOM表和代表序列文件。

此外,每个示例使用的种系发生树建于MAFT项目,这是一个内置插件QIIME 2.0管道中,这个程序的结果用于研究α多样性通过信仰的系统发育和Pielou的均匀度矩阵。α多样性是进一步探讨作为采样深度的函数通过执行α稀疏。分类分类是由映射序列在99%序列标识数据库的优化版本席尔瓦使用朴素贝叶斯分类器和q2-feature-classifier QIIME 2.0的插件。每一步的结果从QIIME2下载程序,他们密谋使用ggplot2 (3.3.5) R编程语言(韦翰,2016;Bolyen et al ., 2019)。

统计分析

执行统计分析使用威尔士两个未配对样本t检验比较土壤化学性质和比较α多样性在不同的土壤类型。威尔士两个未配对样本t检验完成使用R-package (R核心团队,2022年)。门和属水平分布的比较是通过使用ANCOMBC方法(林和Peddada, 2020年)。差异,p值< 0.05被认为是重要的。

结果

土壤的有机碳和营养成分

土壤的化学性质如pH值,主要和次要的研究中获得的营养成分比较与预定义的理想值(给定表3)。土壤化学分析的结果表明,除了Con-RA2 (pH = 3.94),Con-RA1(pH = 5.79),提单(pH = 5.85)BL-Euc(pH = 6.04),所有其他样品pH值在理想范围(6.5 - 7.5)或适度的碱性范围(藤et al ., 2012)。

表3

表3土壤样品的化学参数。

对于大多数参数,没有显著区别传统和再生农业土地。例如,氮水平观察远低于所需的280 - 560公斤/公顷范围所有的情节。磷含量远高于所需的范围22.9 - 56.3公斤/公顷,钾在理想范围时(141 - 3663公斤/公顷)在所有土壤样品。一个重要的发现是,磷和钾存在在非常高的水平Reg-10VP土壤只使用有机肥。的Reg-10VP情节用很重的应用牛的粪便和其他家庭农业混合物+人士和一直在使用这些实践长达10年。将是有趣的分别研究牛的粪便和如何这些实践有助于土壤磷、钾的含量。此外,Reg-10VP还显示0.51%的最佳有机碳组成(理想- 0.5 - 0.75%),不像其他所有土壤样品仍低于理想的范围。相比之下,其他再生农业情节在这项研究似乎没有显示这样一个显著增强营养素相比与传统农业土壤。然而,大多数再生的阴谋所需的大多数宏观和微量营养素水平除了氮和有机碳的水平。这清楚地表明,大多数这些土壤再生治疗方案有能力提供最大的这些营养物质即使没有无机添加剂。

进一步的调查将需要建立改进的化学概要文件的基础Reg-10VP土壤。,这些发现表明,再生实践的长期应用可以帮助改善土壤的营养成分包括有机碳含量。

土壤微生物群落的分类组成

识别与传统相关的细菌群落结构与再生实践,我们执行16 s宏基因组研究。所有样品的序列数据已经上传到PRJNA912401 NCBI数据库和访问。共有2941473个原始序列读取来自14个,16 s metagenome图书馆产生的Illumina公司平台,从1,51169 - 3,41993读/样品。删除适配器序列后,模棱两可的读(读与未知的核苷酸“N”大于5%),和低质量的序列(读取QV < 20 phr分数)和100个基点的最小长度,2801991高质量清洁读取被进一步用于分析。

数据集进行了分析与QIIME 2.0管道,使用席尔瓦数据库。在门的层面上,变形菌门、Bacteroidota Planctomycetota,蓝藻、Actinobacteriota, Chloroflexi, Acidobacteriota, Verrucomicrobiota、厚壁菌门和Gemmatimonadetes十大主要类群。

细菌丰富和社区的异质性

土壤样品分析-被分为以下组

我贫瘠的(包括。提单和BL-Euc);

二世。Conv(蔬菜的阴谋Con-VP1和Con-VP2)和(鸭脚稗情节-Con-RA1和Con-RA2);

三世。Reg≤3(蔬菜的阴谋Reg-1VA和Reg-3VP)和(鸭脚稗情节-Reg-1RA);

三世。四、注册> 5(蔬菜的阴谋Reg-8VP,Reg-10VP和Reg-12VA)和(鸭脚稗情节-Reg-7RA和Reg-8RA)

对作物类型(蔬菜和鸭脚稗),我们发现,再生农业情节一般显示更高的细菌丰富比传统和贫瘠的(图1 a, C)。此外,细菌物种均匀度比较表明,再生蔬菜(RV)和再生鸭脚稗(RR)情节显示至少物种均匀度暗示这些情节是高度异构的物种组成(图1 b, D)。令人惊讶的是,CR情节显示至少细菌丰富(图1 c),甚至不到提单的观察土壤,而简历土壤细菌丰富比提单样本演示(图1一个)。同样,CR情节物种均匀度最高,其次是提单的情节(图1 d),而简历的情节比提单物种均匀度较低(图1 b)。我们的发现表明再生农业增加土壤细菌的丰富性和异质性无论采用作物类型和再生的实践。

图1

图1比较细菌丰富(一)和均匀度(B)分析蔬菜种植传统的(Conv)和再生农业(注册土壤)与贫瘠的土地(提单)。比较细菌丰富(C)和均匀度(D)分析鸭脚稗增长传统的(Conv)和再生农业(注册土壤)与贫瘠的土地(提单)。

α多样性

α多样性不同土壤样本之间的比较来确定物种多样性意味着在每一个情节。更高的α多样性价值因此意味着一个更加多样化的细菌物种积累。这里重要的是要指出,我们收集了一些再生的土壤样本块在蔬菜作物贴上后缀VP,在鸭脚稗贴上RP和那些收获后用后缀标记V和类风湿性关节炎分别。情节虽然所有简历收集土壤的作物,CR田块都收集缺失的作物。

总的来说,α多样性研究表明,大多数再生农业土地证明高α多样性相比,传统农业情节和贫瘠的土壤(图2 a, B)。蔬菜情节中我们的研究结果表明,α多样性的长度成正比再生农业实践。例如,土壤中细菌多样性的植物再生情节练习十年(Reg-10VP)是比观察情节练习8年(Reg-8VP)(图2一个)。同样,在收获后的类别中,我们观察到细菌的多样性Reg-12VA(12年)相比Reg-1VA(1年)(图2一个)。令人惊讶的是,与时间依赖性,Reg-3VP(3年)显示α多样性比Reg-8VP(8年)。我们认为,这种变化是由于固有的土壤质量差异与不同位置有关。正如所料,土壤收集从RA情节蔬菜作物存在显示多样性大于RA post-crop采集土壤样本收获(图2一个)。

图2

图2α稀疏研究土壤细菌多样性分析的个体(一)蔬菜种植再生和传统与贫瘠的土地(提单)。明显高于α多样性在房车与提单土壤;和(B)鸭脚稗增长注册和反对阴谋与提单。明显高于α多样性在RR和CR土壤;p < 0.05被认为是显著的。

另一个有趣的观察是,Con-VP2土壤,这是暴露在传统和再生实践的结合,显示细菌多样性与观察Reg-12VA(图2一个)。这个结果很重要,因为它表明,尽管合并两个农业方法和土壤采样在作物,完成Con-VP2细菌多样性只有一样好吗Reg-12VA土壤是在缺乏作物。因此,最终增强土壤中细菌物种形成中观察到的情节有选择地练习再生农业。

与蔬菜的土地,土壤的鸭脚稗情节只能收获后收集的增长。值得注意的是CR情节显示为穷人细菌多样性中被发现BL-Euc(图2 b)。至少在这些细菌多样性CR情节可能是由于趋向下降的常规施肥对土壤微生物的影响健康或由于连续培养没有支持性干预或由于固有的土壤质量差的Doddaballapur这些土壤。有趣的是,尽管RR情节显示细菌多样性比CR,再生实践的时间不与细菌物种丰富。例如,Reg-1RA(练习1年)显示细菌多样性高于Reg-7RA(练习7年)。令人惊讶的是,Reg-8RA(练习8年)显示细菌多样性低于甚至提单情节。一种解释可能是,在不同的地方开始土壤细菌多样性的会有不同的基线。样例Reg-1RA从Magadi而收集Reg-7RA和Reg-8RA从Ramanagara获得。似乎Magadi土壤已经更健康的比从其他地方由于其大多green-covered柱身和最近在该地区的农业转变Ramanagara相比,Doddaballapur, Hosur。因此,土壤在其他地方相比,要求更高的输入是新生Magadi土壤。这个论点是加强的发现Reg-3VP(图2一个来自Magadi)也显示了一个细菌一样丰富的观察Reg-10VP情节在短短三年的再生农业实践。

细菌社区

阐明细菌群落结构在各种类型的情节,我们评估和比较不同土壤的细菌类群样本分成类别如前所述在细菌的丰富性和异质性分析。主要类群中观察到两种蔬菜情节和贫瘠的土壤-变形菌门,包括Bacteroidota, Planctomycetota, Acidobacteriota, Chloroflexi, Actinobacteriota, Verrucomicrobiota,蓝藻和Patescibacteria (图3一)。同样,在鸭脚稗情节和贫瘠的土壤比较细菌社区主要由门——Planctomycetota,变形菌门,Bacteroidota, Chloroflexi, Actinobacteriota, Acidobacteriota,蓝藻、Verrucomicrobiota,厚壁菌门,Patescibacteria, Myxococcota Gemmatimonadota (图3 b)。我们的观察表明,在再生农业土地转向一个更统一的表示所有主要类群相比,在传统农业的情节。例如,在菜地(图3一,表4一),我们观察到的相对丰度的减少门Proteobacteriota Acidobacteriota和增加的代表——Chloroflexi Actinobacteriota,蓝藻和在土壤再生Patescibacteria相比传统和贫瘠的土壤。同样,在鸭脚稗情节(图3 b,表4 b我们观察到相对低水平的Acidobacteriota和更高水平的Actinobacteriota Fermicutes。有趣的是,一个比较确定的影响数年再生农业在房车的情节并没有显示出显著改变门的水平分布在注册≤3和注册> 5土壤。尽管RR情节的比较(注册> 5和注册= 1)(图3 b)展示了厚壁菌门的明显高于表示Reg = 1土壤虽然只有一年的再生实践。据说这是归因于区域更好的土壤获得的Magadi Reg = 1 (Reg-1RA)。然而,Reg的RR情节练习> 5年被发现显示显著增强Actinobacteriota的相对丰度。

图3

图3(一)相对传统细菌丰度在门的水平(Conv)和再生(注册)农业土地和提单(一)蔬菜情节和(B)鸭脚稗情节。在房车与CV -蓝藻、厚壁菌门和Gemmatimonadota p < 0.05;在房车与提单-变形菌门、Planctomycetota Chloroflexi和Gemmatimonadota p < 0.05;简历与提单-变形菌门、Planctomycetota Acidobacteria, Chloroflexi和蓝藻p < 0.05;RR和CR - Myxococcota p < 0.05。

表4一

表4一丰富的选择比例门选择基于他们的相对丰度在蔬菜和鸭脚稗情节。

表4 b

表4 b丰富的选择比例门选择基于他们的相对丰度在鸭脚稗情节。

PGPR再生农业社区结构

植物生长促进Rhizobacteria (PGPR)是一个重要的特征组支持植物生长和健康的土壤细菌的合成和分泌各种有益的化学物质和养分在土壤中。确定土壤健康的PGPR表示,我们选择一组细菌属已识别和归类为PGPRs (Beneduzi et al ., 2012;Munees Mulugeta。,2013年;De Souza et al ., 2015;他et al .,: 2016;支持者et al ., 2018)。属中认为这是-黄杆菌属,芽孢杆菌,链霉菌属,Mesorhizobium,无色菌,克雷伯氏菌,Paenibacillus,洋葱和假单胞菌。有趣的是,房车情节相比,简历和贫瘠的土壤表现出相对富集假单胞菌sp. - 0.51 / 0.007/0.21的比例比分别为RV / CV /提单。相反,RR情节演示——的增加表示芽孢杆菌sp.在- (1.35% / 0.95% / 0.61%)Mesorhizobiumsp.(0.30% / 0.12% / 0.21%)的各自的RR / CR /提单样本。的水平芽孢杆菌sp.都发现明显高于RR类别(注册> 5和注册= 1)相比,CR和贫瘠的土地。的相对表现Mesorhizobiumsp.最高被发现在注册> 5 RR水平同时减少的情节洋葱sp. CR和贫瘠的土壤(相比图4 b)。有趣的是,属链霉菌属被发现有一个非常高的代表在所有Magadi情节(注册- - - - - -1 ra, Reg-1VA和Reg-3VP相比其他情节(图4 a, B)。然而,由于我们没有任何传统的情节或贫瘠的土壤样本Magadi估计RA的贡献是不可能提高链霉菌属配置。

图4

图4选择的相对组成植物生长促进Rhizobacteria (PGPRs)在不同的土壤样本。(一)比较植物种植再生(注册和传统的Conv情节和提单(B)比较鸭脚稗增长Reg。和Conv。情节与贫瘠。在简历和提单-克雷伯氏菌sps。p < 0.05;在RR与CR -链霉菌属sps。和伯克sps。p < 0.05;在RR与提单-伯克sps。在CR与提单-芽孢杆菌sps。p < 0.05。

讨论

再生农业再次出现在过去的十年里(马毛绳et al ., 2021)作为一个非常重要的手段,土地复兴实践土壤健康的可持续发展,农业生产力和环境管理。再生农业为我们提供了一个非合成,自然选择,有助于恢复整个生态系统。在印度也有越来越多的兴趣进行机械式和更便宜的农业系统,迫使需要阐明其对土壤的影响,环境和食物生产作为一个整体。因此,本研究试图破译再生农业对土壤细菌轮廓的影响,土壤营养成分,在两个种植制度下短期(< = 3年)和长期(> 5年)的影响。

土壤化学性质

大多数土壤样本发现理想的酸碱或一种碱性,主要适用于农业。酸性pH值被发现在土壤样本来自Doddaballapur -提单,BL-Euc,Con-RA1和Con-RA2。这些发现符合报告显示,从Doddaballapur通常酸性土壤pH值的范围从5.0到7.3 (Rajendra对冲基金et al ., 2007)。酸度最高反对- - - - - -RA1和反对- - - - - -红警2土壤可能是由于应用合成肥料和继续培养不允许土地时间恢复本身(辛格2018年)。根据美国农业部,土壤pH值低于5.5可能可怜的钙、镁和磷含量(美国农业部,1998)。与此一致的是,Con-RA2与pH值< 5.5Con-RA1展示pH值约5.5显示低水平的钙、镁和磷。我们进一步发现,土壤pH值在7.8以上样品有足够的钙和镁的水平但是贫铜、锰和铁含量。这是样品,发现有点真实Reg-10VP(pH = 7.95)Reg-8VP(pH = 8.31),钙和镁水平盈余,而铜远高于理想的极限0.2 ppm。大多数再生农业阴谋被发现有理想或微碱性pH值。

可用文献表明,土壤降解有同步所有营养成分的下降(Zhang et al ., 2017)。然而,由于提单土壤被认为是在这项研究并没有显示出显著减少的任何营养物质,因此这些土壤可能不是适当归类为退化。虽然,它可能是有趣的学习这些土壤的微生物卫生和营养成分在3 - 5年后,观察贫瘠的土壤成分的变化来估计退化的进展。

细菌的丰富性和多样性

如图所示由多个研究来自世界各地,我们发现再生农业系统提高细菌多样性相比传统和贫瘠的土壤(听et al ., 2019;郑et al ., 2019;金正日et al ., 2021;Mulugeta 2021;Peltoniemi et al ., 2021;Zhang et al ., 2021)。我们在这里报告一个细菌丰富和增加异质性在所有再生阴谋,包括那些最近搬到这个系统。这是一个非常重要的结果表明再生农业中的应用,从一开始就促进和调节土壤的细菌生长,促进更多的异构组合进行各种土壤健康促进活动。α多样性比较的另一个重要发现菜地是长时期的RA应用大社区的细菌多样性。这些发现证实的生物富集能力再生农业(Kumar et al ., 2020;彼得et al ., 2020)。

证明降低α多样性在RA情节没有农作物在土壤采样和那些作物支撑这一事实根作物的诱导增殖的各种根殖民和植物生长刺激根际微生物(伯格和Smalla, 2009;Benfey et al ., 2010)。虽然RR情节还显示最高的α多样性相比,CR和提单,但反向时间依赖性是鸭脚稗RA情节中观察到的趋势。这可能归因于内在区域土壤特性和成分可能在形成中扮演重要角色的微生物群落结构(郑et al ., 2019)。这是明显的Magadi获得土壤-Reg-3VP和Reg-1RAα多样性最高,显示各自的团体,尽管年再生应用程序(越少图2 a, B)。

在所有的RA情节在这个研究Reg-10VP观察显示最好的整体形象方面的细菌群落结构以及土壤化学特性。望着营养和细菌的样本Reg-10VP再生实践,一个人可以解释,继续在5年或更能够提高土壤的细菌群落结构,进而提高土壤和植物健康。我们知道从农夫的采访Reg-10VP展示良好的作物产量。此外,有趣的是要注意,钾,磷和土壤有机碳(SOC)含量的土壤比其他农场。研究声称,再生农业的最有前途的方法是隔离大气碳和缓解气候变化(凯尔,2012;基斯et al ., 2019;马提拉et al ., 2022)。据报道,印度的土壤SOC水平高度耗尽(Bhattacharyya et al ., 2009)。有机农业与传统的时间序列比较表明,有机练习有助于提高土壤SOC含量从12.5 g / dm³21 g / dm³和微生物生物量从87毫克/公斤到120毫克/公斤的跨度一年(Araujo et al ., 2009)。全面改善土壤细菌和营养剖面显示Reg-10VP持有类似的承诺再生农业在印度。

细菌多样性的中级简历情节最可能是由于这些农民使用的混合农业方法。这里的农民集成有机肥料和化学肥料的方法从两个系统中获得好处。如果明智而审慎地使用合成肥料也可能是有用的补充土壤提供必要的营养物质,维持土壤有机质(SOM) (Pental 2021;辛格2018年;马毛绳et al ., 2021)。提单土壤的穷人细菌丰富和高均匀度是由于没有任何植被为多个年导致持续暴露在风化、侵蚀和恶化(邱et al ., 2021)。退化土壤在中国进行的一项研究表明土壤质量差显示一个耗尽操作分类单位(OTU)丰富有益微生物和致病微生物的重要增强(Zhang et al ., 2017)。

细菌群落结构

在房车的阴谋,我们观察到Chloroflexi表示增加,和Actinobacteriota。已经提出Actinobacteriota诱导植物根生物量,从而支持更好的营养收购(Yadav和亚达夫。,2019年;Ha et al ., 2021;Hannula et al ., 2021)。Chloroflexi植物健康的作用尚不清楚,尽管研究报道,Chloroflexi组成厌氧细菌,发现富含稻田根据氧的可用性和调节土壤细菌群落组成(唐et al ., 2021)。

同样,RR情节展示了浓缩为厚壁菌门和Actinobacteriota人口,再次形成一群极其有益的植物生长促进细菌(Yadav和亚达夫。,2019年;Hashmi et al ., 2020)。门壁厚菌门由许多农业生态有益细菌属等芽孢杆菌,Paenibacillus,Lysinibacillus,Brevibacillus,等,梭状芽胞杆菌,Sporosarcina等(Hashmi et al ., 2020)。这些细菌属(如。芽孢杆菌)已被确定为生物防除和植物修复剂和其他植物生长促进Rhizobacteria (PGPRs)。因此,厚壁菌门的浓缩再生农业土地意味着显著改善土壤健康。门的成员Actinobacteriota链霉菌属,Brevibacteria和诺卡氏菌属促进植物生长生物肥和bio-controllers农业可持续发展Yadav和Yadav, 2019)。同样,一项研究还显示厚壁菌门和Actinobacteriota控制的重要性在番茄细菌性疾病发病率(李et al ., 2021)。

贫瘠的土壤被观察到有一个相对高的代表Planctomycetota相比传统和再生的土壤。另外,我们观察到一个更高层次的门Acidobacteriota表示在贫瘠的土壤相比,CR和RR情节。这是在一致性报告,变形菌门的相对丰度的增加,Acidobacteriota和观察Bacteroidota退化土壤而健康的土壤是Actinobacteriota丰富和壁厚菌门(Zhang et al ., 2017)。

植物生长促进Rhizobacteria

该领域的新进展表明,健康的土壤是富含植物生长促进Rhizobacteria (PGPRs)。这些PGPRs分泌植物生长激素和监管在根际化学物质,促进植物生长,使植物养分采购、调节植物激素水平和通过释放生物防治剂保护植物免受病原体。许多细菌属包括假单胞菌,芽孢杆菌,链霉菌属,黄杆菌属,无色菌,Mesorhizobium,Paenibacillus,Sinorhizobium,洋葱,根瘤菌已列为PGPRs等等。很多细菌,目前被用作生物防治剂和生物肥(他et al .,: 2016;帕沙克et al ., 2018;Qessaoui et al ., 2018;Riaz et al ., 2020;El-Sersawy et al ., 2021;Mekonnen Kibret。,2021年;Pirttila et al ., 2021)。增加土壤中这些细菌属直接表示对土壤健康的改善。

我们的研究显示相对富集假单胞菌sp在房车的情节,芽孢杆菌sp。Mesorhizobiumsp. RR情节。许多研究已经提供了证据假单胞菌形式的核心PGPRs对于许多蔬菜,水果和开花植物(Qessaoui et al ., 2018;Mekonnen Kibret, 2021)。据研究,假单胞菌是最有效的生产氨和提高生物利用度和bio-assimilation的营养物质,促进植物生长和产量(Qessaoui et al ., 2018)。因此,浓缩为假单胞菌房车情节sp.本质上是一个有利的发展。有趣的是,研究表明,鸭脚稗增长促进了根际的增长的芽孢杆菌sp。芽孢杆菌sp.支持鸭脚稗增长固定氮和保护作物免受根腐病疾病导致病原体,菌核rolfsii(乔杜里et al ., 2020)。此外,芽孢杆菌sp.已知参与改善鸭脚稗谷物的营养价值丰富他们必需氨基酸(Dheeman et al ., 2020)。一位埃塞俄比亚的研究表明芽孢杆菌和假单胞菌物种形成重大PGPRs支持蔬菜作物(Mekonnen Kibret, 2021)。实际上的浓缩假单胞菌sp.房车情节和芽孢杆菌sp.鸭脚稗情节意味着一个有益的变换在土壤细菌组成。同样的,Mesorhizobiumsp.发现非常有用PGPRs与他们的特殊属性合成ACC脱氨酶酶保护植物对非生物胁迫的退化ACC形成乙烯的前兆。此外,Mesorhizobiumsp.综合IAA,促进植物根系生长,也参与了无机磷酸盐溶解使它可用于植物(斗牛红布et al ., 2021)。

似乎Magadi土壤固有的丰富链霉菌属sp。链霉菌属sp.也形成一个重要的农业集团有益的根际细菌(Manullang,壮族,2020年;斯et al ., 2020)。链霉菌属合成植物激素-吲哚乙酸(IAA)适度数量和帮助磷酸盐溶解和抗压能力,从而促进植物生长和生产力。因此这显然表明再生农业实践能够诱导促进土壤健康的土壤中微生物种群的整体健康和农业生产力。

再生实践及其影响

这里几乎所有再生农业情节考虑表示使用农家肥料作为一种土壤管理的重要补充。粪便除了归因于诱导提高了土壤中微生物生物量(Das et al ., 2017;Faissal et al ., 2017;Semenov et al ., 2021)。一些研究表明,农业肥料的类型和来源决定了土壤微生物种群(焦et al ., 2021)。然而,它可能很难定义土壤中微生物的来源。例如,一份报告声称,牛粪丰富土壤为厚壁菌门和Bacteroidota而另一个表明浓缩为厚壁菌门和变形菌门。与此相反,最近的一项研究称,在两周内从粪便,来自粪便微生物主要是失去而生长和繁殖的土传细菌被激活(Semenov et al ., 2021)。再生情节演示增加壁厚菌门特别的增长芽孢杆菌sp.鸭脚稗领域和变形菌门(假单胞菌sp)在蔬菜的阴谋。此外,因为几乎所有的再生的农场使用多个再生实践除了农家肥料的应用程序,这些额外的治疗方法也会影响土壤微生物。因此更多的研究需要确定这些个体治疗的角色在决定微生物群落结构。在Reg-10VP情节丰富的农家肥料补充(400公斤/行)可能是一个重要因素,情节最好的营养和细菌。然而,由于不是所有的农场将能够负担得起这种土壤补充制度,政策和实践,比如鼓励循环经济为农民提供基于家庭堆肥是必要的。

地区和作物对土壤细菌成分的影响

土壤微生物群落结构被发现受区域和空间特征的影响。某些地区与多年的应用程序需要更大的投入和其他人更达到一个可信的微生物健康和土壤质量的改善。这是明显的Magadi获得土壤样本Reg-1VA,Reg-3VP和Reg-1RA。这些再生农业情节已经练习了一个,分别三个和一年,然而,这些土壤表现出非常高的α多样性(图2 a, B)和一个明显异构和高度多样化的细菌组成具有更高的代表链霉菌属sp。图4 a, B)。此外,类型的作物中也扮演了重要的角色在土壤的细菌群落结构定义为从各种资料表现出明显的再生情节发展鸭脚稗和蔬菜作物(雅各比et al ., 2017;14 et al ., 2018;哈特曼和Tringe, 2019)。

土壤微生物的影响融合传统和再生系统

的Con-VP2,土壤采样是在作物的存在形式一个合适的例子,一个情节,传统和再生两个农业系统——土地和作物综合管理。这个图显示了一个明显的高α多样性相媲美,在Reg-12VA情节,土壤收集没有收成。然而,的α多样性Con-VP2仍发现较小的比所有RV情节在土壤作物的存在。因此,我们得出这样的结论:加法合成肥料对土壤微生物可能有不利影响。过多依赖无机化肥带来一系列不利影响土壤中包括盐度增加,酸化,土壤压实和保水性差,影响生物地球化学过程中通过改变微生物动态,积累有毒废物/重金属和最终减少微生物多样性(Prashar和沙,2016年)。

限制

这项研究开始于2021年1月印度目睹一些Covid-19病例。然而,2021年3月全国流行病肆虐导致政府非常严格的实施封锁措施,使得第二和第三轮土壤取样。事态平静下来的时候,2021年11月土壤剖面改变了由于多种因素(如天气,新一轮的种植,等等)。因此,这项研究的结果从一个圆的土壤样品,不能容纳所需的统计对比多个复制的土壤样本。

结论

本研究旨在比较和说明再生农业实践的有效性对土壤微生物及营养健康传统农业和贫瘠的土壤。除了少数例外欠选择不同原始基线的情节,再生实践的观察表明,长时间并提高土壤细菌多样性和土壤养分的健康。甚至SOC水平被发现在长期再生所需的范围内应用程序块。

RA情节展示最好的细菌概要和理想的SOC水平使用很重的应用堆肥对土壤管理和Jeevamrutha害虫管理。因此尽管再生农业有能力在土壤健康和农业产生有益的结果,所需的影响成为可能只有一个大量使用修改至少在最初的十年左右的时间。这个标识需要建立一个持续和过剩供应肥料的农民,以确保高质量的输出。

数据可用性声明

在这项研究中提出的数据集可以在网上找到存储库。库的名称/存储库和加入号码可以找到(s)如下:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/,PRJNA912401。

作者的贡献

参与规划实验,收集土壤样本,DNA孤立,数据分析以及写作手稿。MH的宏基因组数据分析与数控协商。MG帮助现场识别和土样的采集GR参与实验计划和土壤集合。所有作者的文章和批准提交的版本。

确认

这项研究是SHEFS的一部分——一个跨学科研究伙伴关系,形成威康信托基金会的资助我们的地球的一部分,我们的健康计划,与整体目标提供新颖的证据定义未来食品系统策略提供营养和健康的食物以一种环境可持续和社会公正的方式。这项研究是由威康信托基金会通过可持续和健康食品系统(SHEFS)项目(批准号- 205200 / Z / 16 / Z)。作者要感谢Deepshikha辛格女士提供的支持从Nagasuma博士的实验室在印度,班加罗尔为宏基因组数据分析的工作。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

引用

安德鲁斯s (2010)FastQC:高通量序列数据的质量控制工具。可以在:https://www.bioinformatics.babraham.ac.uk/projects/fastqc/。

谷歌学术搜索

安德鲁斯。,Krueger F., Segonds-Pichon A., Biggins L., Virk B., Dalle-Pezze P., et al. (2015)减少大量的。可以在:https://www.bioinformatics.babraham.ac.uk/projects/trim_galore/。