影响评估的低温假单胞菌jeseniiMP1和假单胞菌palleronianaN26上菜豆产量和土壤健康
深钱德拉Suyal
阿米尔汗2 __,
Ajay转向辛格
已经Pareek
Reeta高尔- 1Vidyadayini科学学系研究所的科学、管理和技术,Sajjan辛格Nagar,印度博帕尔
- 2微生物学,基础科学与人文学院G.B. Pant农业科技大学Pantnagar,印度
- 3土壤学、农业大学G.B. Pant农业科技大学Pantnagar,印度
- 4农学、农业大学G.B. Pant农业科技大学Pantnagar,印度
- 5杯子大学应用科学与人文学院马图拉,印度
贫穷的农业实践,分散的土地,波动的气候条件,最小的外部输入导致喜马拉雅农业生态系统养分缺乏。因为与化肥相关联的风险,其含义是一个大问号。因此,两个刺激经济增长的rhizobacteria以前描述的工厂假单胞菌jeseniiMP1和假单胞菌palleronianaN26被用来提高芸豆生产力和土壤健康Harsil农民的田地和Chakrata北阿坎德邦喜马拉雅山脉的地区。这项研究表明,MP1 N26治疗导致粮食产量高于各自的25.62%和37.23%的未经变质处理的控制试验Harsil和Chakrata区域,分别。此外,细菌治疗已显著提高氮、磷、钾水平的土壤。土壤多样性分析显示变形菌门的主导地位和放线菌Harsil Chakrata,分别。此外,MP1治疗增加了壁厚菌门在未经变质处理的比例控制在两个地点。最终,冷适应的应用假单胞菌jeseniiMP1和假单胞菌palleronianaN26提高了籽粒产量和土壤喜马拉雅农业生态系统的健康状况。因此,他们可以探索的环保替代芸豆的商业生产。
介绍
农业是一个惊人的私营企业在印度和将继续在未来印度经济的生命线。据估计,整体粮食需求将世界人口比例上升。全球人口每年以1.8%以上的速度持续增长,将达到重点从今天的计算74亿年预计96亿年到2050年的人口数据(联合国,2013年)。当前的农业实践既不经济也不环保。绿色革命后,化工化肥和杀虫剂极大地推动了农业生产。然而,他们滥用,除了对大气产生不利影响在昆虫对常用的杀虫剂产生了耐药性。印度的化肥消费日益增加,已经达到了133公斤公顷1在2019年- 20 94公斤相比公顷1在2004 - 2005年(农业统计,2019)。这些趋势不能被忽视,因为他们会导致严重的农业、环境和健康问题。
芸豆是一个高价值的经济作物在印度喜马拉雅地区。当地品种优质而闻名,独特的味道和营养价值。然而,由于营养不良,栖息地退化,商业化和人为污染的芸豆无法正常完成。因此,环保和具有成本效益的农业方法是急需提高芸豆生产力和实现可持续农业发展的目标。在这方面,促进植物生长rhizobacteria (PGPR)似乎比其他人更好的选择(Sahu et al ., 2021)。与化肥相比,他们与减少环境破坏更安全,更有针对性的活动,是有效的在小数量。因此,本研究采用以前描述的冷适应性PGPR菌株的生产菜豆(芸豆或Rajmash)。这些菌株已经测试几个脉冲居和自然场条件下作物(Suyal et al ., 2017;Rajwar et al ., 2018;Joshi et al ., 2019;Rawat et al ., 2019)。因此,向前迈了一步,他们应用于农民的田地在北阿坎德邦喜马拉雅两个不同的位置。本研究探讨了影响上述bioinoculants Rajmash作物产量和土壤细菌多样性在第一年的田间试验。此外,当地农民的参与研究的动机采用这项技术。因此,除了促进可持续农业,这项研究将有助于社会经济提升当地的边际农民。虽然连续研究建议增加这些bio-formulations在自然领域的效率和持久性条件。
材料和方法
菌株和生长条件
冷适应的菌株p . jeseniiMP1和p . palleronianaN26得到的菌种保藏微生物学系GBPUAT Pantnagar,北阿坎德邦(表1这附近]。都已经为特征的固氮菌株以及phosphate-solubilizing潜力(Suyal et al ., 2017;托马et al ., 2017;Rajwar et al ., 2018;Joshi et al ., 2019;Rawat et al ., 2019)。营养琼脂培养基中的株种植耗氧在28±1°C实验。
表1研究菌株所使用的细节。
实验网站和田间试验
农民的田地上进行田间试验在印度喜马拉雅地区中部Harsil (31.0383˚N, 78.7377˚E)和Chakrata (30.7016˚N, 77.8696˚E)北阿坎德邦的村庄,印度在2019年。为了进行实验在丘陵地区农业领域分散,梯田,一个农夫的现场尺寸面积等于或高于1502在两个地点被选中。随后,潜在bioinoculants包含bio-formulations (1 x109CFU g1)准备。在播种的时候,bioformulation随后在Jaggrey溶液混合芸豆种子的速度治疗10 g公斤1种子发芽(效率- > 86%),其次是阴凉干燥30分钟。随后,种子被播种在地里Harsil和Chakrata位置。除了这些未经处理的种子播种在地里担任未经变质处理的农民的实践或控制。对每一个治疗领域,控制成立。这些网站都属于温带平均温度8-29˚C从5月到9月。总共3治疗(p . jeseniiMP1,p . palleronianaN26,未经变质处理的控制)在每个站点一式三份都放下。
总共六个治疗组成p . jeseniiMP1,p . palleronianaN26,未经变质处理的控制Harsil和Chakrata土壤被放在一式三份。
种子生物接种和播种
Rajmah的当地品种的种子被浸泡在0.1% HgCl表面消毒2了2分钟,然后彻底清洗与热压处理过的蒸馏水。后,种子混合0.1%木炭和一夜之间成长文化拥有109CFU毫升1。种子被干1 h其次是播种在各自的领域与植物种植10厘米的距离,一行,一行15厘米的距离。
土壤采样、土壤养分分析,作物产量
土壤样本采集前播种和收割作物后用消毒抹子0-20cm深度。所有土壤样品收集在一式三份灭菌胶袋和寒冷和无菌条件下运到实验室。土壤样品分析可用氮(印度和Asija, 1956)、磷(奥尔森,1954)和钾(杰克逊,1973年)的内容。此外,分析了作物产量比较各自的治疗控制。
土壤DNA的提取和量化基因拷贝数
根际的土壤复合受到总DNA提取DNA莫土壤生物的力量隔离设备。总基因组DNA提取土壤中从0.5通用复合按照制造商的协议。中提取DNA的数量和质量检查通过NanoDrop在260 nm,后存储在-80˚C直到进一步分析。副本数量的16 s rRNA量化使用iCycleriQ™多色(美国大力神Bio-Rad实验室)qPCR机按照先前的报告(Suyal et al ., 2015;托马et al ., 2017;Rajwar et al ., 2018;Suyal et al ., 2019)。
Metagenome测序和生物信息学分析
细菌的多样性决定了测序V3-V4段使用Illumina公司Hiseq测序仪以及安捷伦科技2100生物分析仪。分析了原始序列的质量通过FastQC (v0.11.7)和TrimGalore (v0.5.0)。此外,QIIME软件包(诉1.9.0)被用于去除单例,分配操作分类单元(OTU)剩下的序列,和准备的维恩图(Kumar et al ., 2019;Suyal et al ., 2021 a)。稀疏曲线和多样性指数分析了利用Mothur (v.1.21.1)软件。
统计分析
通过单向方差分析结果统计分析使用R 3.6.1 P < 0.005显著性水平。
结果
性状参数和籽粒产量
冷适应的细菌的相对性能即p . jeseniiMP1和p . palleronianaN26随高度的变化即Chakrata,并通过现场试验建立了Harsil实验。整体实验结果证明细菌在农艺的积极后果和相关属性的芸豆未经变质处理的控制。在Harsil网站的影响p . jeseniiMP1等性状参数根,射击,和荚长度,不。发现每荚收益突出。同样,在Chakarta站点,所有性状参数最高的积极影响p . jeseniiMP1 [表2这附近]。这两个菌株有显著提高籽粒产量在各自的控制在每一个实验的网站。Harsil,最大百分比平均产量是观察到的种子接种假单胞菌jeseniiMP1(25.62%高于未经变质处理的控制)。进一步,治疗N26控制提高了籽粒产量高19.28%。相反,在Chakrata N26治疗提供了最大粮食产量(37.23%高于未经变质处理的控制)MP1(11.70%)紧随其后。它表明显著增长晋升的潜力p . jeseniiMP1和p . palleroniana在高海拔N26 (表2)。
表2的影响假单胞菌jeseniiMP1和假单胞菌palleronianaN26芸豆的籽粒产量。
土壤养分状况
在播前的条件下,土壤含氮量Harsil和Chakrata ha为246.76±48.23公斤1和206.19±27.44公斤公顷1分别为(表3这附近]。后收获264.09±39.83公斤公顷1(Harsil)和207.04±27.48公斤公顷1(Chakrata)。此外,应用程序的假单胞菌jeseniiMP1改善274.21±38.46公斤公顷1和212.49±27.00公斤公顷1分别在Harsil Chakrata。同样的,假单胞菌palleronianaN26也增强了土壤氮含量296.34±21.52公斤公顷1和225.48±4.12公斤公顷1分别在Harsil Chakrata。
表3Nutrientstatus和基因丰度下的土壤样本的研究。
对于磷,Harsil, Chakrata(±7.86)公斤28.80公顷1和66.63(±24.47)公斤公顷1P2O5在播前土壤。收获后,它被发现(±7.78)公斤31.30公顷1和70.03(±23.92)公斤公顷1,分别。当治疗MP1,达到42.58(±8.09)公斤公顷1和84.26(±17.25)公斤公顷1分别在Harsil Chakrata。此外,N26治疗改善了61.93±20.63,78.51±17.99,分别。
同样,钾含量为415.44±66.18 ppm (Harsil)和635.22±236.50 ppm (Chakrata)播前土壤和433.89±90.36 ppm (Harsil)和686.33±239.31 ppm (Chakrata)在收获后土壤。治疗后与MP1 N26,达到501.29±125.77 ppm, Harsil 536.93±126.45, 928.58±167.15, 278.53±11.87 ppm Chakrata。
细菌多样性组成
16 s rRNA基因丰度是最大的在两个站点后跟N26-treated MP1-treated土壤土壤对控件(表3)。根据初步结果通过基因丰度和籽粒产量,MP1-treated土壤被选为metagenome测序。因此,四个土壤基因组即未收获后土壤Harsil (HRC),未经变质处理的收获后土壤的Chakrata (CHC), MP1-treated Harsil土壤(人力资源管理)和土壤MP1-treated Chakrata (CHM)测序和分析。一笔31日04626 .00纯化16 s rRNA扩增子序列测序的检索。过滤后的序列分配到85041辣子鸡。维恩图是绘制找出独特的分布和共享中细菌种类组图1这附近]。物种的数量组出现在肉干,CHM, HRC,和人力资源管理是38559,35768年、36437年和34644年分别。辣子鸡、CHC之间共享CHM的数量是13231,而常见的辣子鸡人权组织和人力资源管理之间是11202。对照组的两个站点共享13633辣子鸡和治疗组有11724个常见的辣子鸡。辣子鸡由所有四组共享的总数只有4318。
图1维恩图显示的总数辣子鸡观察土壤中的基因组。肉干,CHM,人权组织和人力资源管理代表Chakrata未经变质处理的收获后的土壤,MP1 Chakrata处理的土壤(CHM),未经变质处理的收获后土壤Harsil,分别和Harsil MP1处理的土壤。
辛普森多样性指数显示较低价值的bioinoculant处理土壤(分别为0.42和0.45在化学加工和人力资源管理)相比,各自控制(分别为0.69和0.57)(表4这附近)。此外,CHM Shanaon值较高(4.71)和人力资源管理(3.6)比在各自的控制即CHC人权组织(3.12)和(2.87)。类似地,物种丰富度估计高曹国伟和ACE CHM (3.61 x 104和5.62 x 104分别)和人力资源管理(3.48 x 104和4.87 x 104分别比CHC) (1.41 x 103和3.92 x 103分别)和HRC (2.93 x 103和2.68 x 104分别)。
表4多样性指数在土壤基因组。
土壤多样性分类分布和治疗效果
Chakrata土壤
CHC土壤的主要类群属于放线菌(23%)、变形菌门(21%)、蓝细菌(14%)、Acidobacteria(10%),和Planctomycetes (8%)。同时,控制门的CHM土壤放线菌(27%)、变形菌门(23%)、厚壁菌门(20%)、Acidobacteria(8%),和Planctomycetes (7%) (图2这附近]。此外,CHC和CHM基因组显示分配辣子鸡的8%和6%,分别。在家庭层面上,芽胞杆菌科为主的CHM肉干相比(9%)(2%)。另一个主要家庭生丝微菌科有4%和5%的辣子鸡CHC CHM,分别。此外,主导的属CHC和化学加工Rhodoplanes(3%)和芽孢杆菌(9%),分别为(图3这附近]。
图2分布的土壤基因组之间的门。肉干,CHM,人权组织和人力资源管理代表Chakrata未经变质处理的收获后的土壤,MP1 Chakrata处理的土壤(CHM),未经变质处理的收获后土壤Harsil,分别和Harsil MP1处理的土壤。
图3大量的土壤基因组之间的属。肉干,CHM,人权组织和人力资源管理代表Chakrata未经变质处理的收获后的土壤,MP1 Chakrata处理的土壤(CHM),未经变质处理的收获后土壤Harsil,分别和Harsil MP1处理的土壤。
Harsil土壤
变形菌门(35%和31%)是人权组织和人力资源管理的主要门其次是放线菌(27%和21%),分别为(图2)。其他丰富的类群在人力资源管理Acidobacteria(10%)、厚壁菌门(10%)、Planctomycetes(6%),和Gemmatimonadetes (6%);在人权理事会由辣子鸡分配Acidobacteria (8%)、Chloroflexi (6%)、Gemmatimonadetes(5%)和厚壁菌门(5%)。此外,辣子鸡,分别有6%和3%。更具体地说,人权组织和人力资源管理的主要成员来自Nocardioidaceae Sphingomonadaceae家庭,分别。最丰富的属(2%)Rhizoplane在两种土壤。其他丰富的属芽孢杆菌人力资源管理(2%)和人权组织(1%)(图3)。
讨论
寒冷的适应假单胞菌jeseniiMP1和假单胞菌palleronianaN26最初从喜马拉雅分离土壤和已经在几个脉冲测试作物(托马et al ., 2017;Rajwar et al ., 2018;Joshi et al ., 2019;Rawat et al ., 2019)。这两个潜在的细菌隔离。假单胞菌jeseniiMP1和假单胞菌palleronianaN26最初隔离芸豆根际和进一步他们的植物营养增溶的潜力在体外条件在各种媒介进行了探讨托马et al . (2017)。此外,托马et al . (2017)和Rawat et al。(2019)确定细菌种子萌发和能够提高产量潜力在体外和温室实验。之后,Rajwar et al。(2018)和Joshi et al。(2019)记录了营养增溶的潜力,从而作物生长和yield-improving潜力假单胞菌jeseniiMP1鹰嘴豆在现场条件下的作物研究中心Pantnagar。除此之外,汗et al。(2023)也记录了产量、土壤健康和营养biofortifying两场条件下细菌分离株的能力。细菌分离株都显著成立crop-improving可能因此在目前的研究中,他们被直接应用到农民的字段来评估他们的实时性能。
土壤养分状况是公认的健康指示器。目前的研究显示,接种假单胞菌jeseniiMP1和假单胞菌palleronianaN26显著提高了土壤氮、磷含量。此外,一个显著的区别是观察到的内容被发现高钾bioinoculant-treated土壤Harsil和Chakrata(分别高23%和20%)。这些结果表明,没有营养的土壤是植物可用bio-inoculants。进一步,还明显的籽粒产量数据,显示MP1 N26治疗改善了Harsil作物产量提高25.62个和19.28%,37.23%和11.70更高的收益率在Chakrata各自的控制。这表明bioinoculants得以维持,在高海拔地区表现得更好。最近,我们小组分析了性状参数和土壤微生物多样性的连续种植第二年太本研究(汗et al ., 2023)。他们观察到类似的结果MP1和N26增强了大约23%的粮食产量在连续第二年种植。此外,显著增加锌和蛋白质含量也被报道。
metagenome测序表明土壤都富含细菌的多样性是显示通过多样化的分类群的存在。它可以明显的多样性指数的值。此外,更高的香农指数显示额外的独特的物种(香农,1948辛普森指数越低,表明财富)和异构的生态系统(辛普森,1949)。同样的,更高的物种丰富度值表示给定系统的多样性。因此,在目前的研究中,bioinoculant-treated土壤有较高的细菌多样性对各自的未经处理的控制。大量的序列未赋值的辣子鸡的样本,证实了新型微生物的存在,并建议在未来文化相关研究的必要性。metagenome分析显示门变形菌门的主导地位在Harsil门在Chakrata放线菌。这些结果与之前的研究结果相一致,表明高海拔土壤是由变形菌门,放线菌,acidobacteria (Lugtenberg Kamilova, 2009;戴et al ., 2018;Kumar et al ., 2019)。此外,它已被观察到,MP1治疗改变壁厚菌门的微生物多样性的增加百分比在未经变质处理的控制在两个地点。先前的研究已经proteobacterial呈正相关,得到了较高的丰富营养动员和改善土壤肥力(Pattnaik et al ., 2021;Suyal et al ., 2021 a)。进一步说,按照目前的研究中,冷适应的蓝藻,Acidobacteria, Planctomycetes, Gemmatimonadetes,厚壁菌门,Nitrospirae门也报告了更高的高度农业生态系统(Suyal et al ., 2015;Suyal et al ., 2021 b)。
结论
目前的研究显示,bioinoculant的应用改善了土壤健康和芸豆生产在喜马拉雅农民的领域。除了促进边际有机耕作的农民,这项研究将有助于商业生产的作物。最终,假单胞菌jeseniiMP1和假单胞菌palleronianaN26强烈建议实现农业可持续发展在喜马拉雅山脉和相关的农民的社会经济发展。
数据可用性声明
本文中提供的宏基因组数据被提交到NCBI数据库下加入PRJNA607339数量。
作者的贡献
DS:实验工作,分析的结果。正义与发展党:实验工作,分析结果。翻译:概念化、现场安排。AA:分析的结果。NP:概念化、现场安排。VS:概念化、现场安排。RG:概念化,手稿编辑。所有作者的文章和批准提交的版本。
资金
这项工作是由国家喜马拉雅研究任务(NMHS)批准号GBPNI / nmhs RG - 2019 - 20 /毫克。然而,这个项目没有任何资金开放获取出版费用。此外,我们没有收到任何这样的拨款机构或其他资助机构。
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
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关键词:自适应微生物群落结构、土壤metagenome冷,芸豆,bioinoculants
引用:Suyal直流,汗一个,辛格AV, Agarwal, Pareek N, Sah VK和高尔R(2023)影响评估的低温假单胞菌jeseniiMP1和假单胞菌palleronianaN26上菜豆产量和土壤健康。前面。阿格龙。5:1121757。doi: 10.3389 / fagro.2023.1121757
收到:2022年12月12日;接受:2023年5月19日;
发表:2023年5月31日。
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