Inžinjering rizosfere – vodi prema održivom vinogradarstvu

Inžinjering rizosfere. Kvalitet i zdravlje tla važni su faktori za održivu poljoprivredu (1). Održivost je često korišten pojam (2), posebno u današnje vrijeme kada se povećava svijest o tekućim klimatskim promjenama, gubitku biodiverziteta i zagađenju životne sredine. Zbog ove povećane svijesti, kao i kao odgovor na rastuća ograničenja upotrebe sintetičkih pesticida, došlo je do napretka ka usvajanju održivijih poljoprivrednih i vinogradarskih praksi (3–5).

Inžinjering rizosfere

Produktivnost poljoprivrednih sistema u velikoj mjeri zavisi od funkcionalnih procesa mikroorganizama u tlu, posebno unutar rizosfere (6). Težnja za većim prinosima dovodi do intenziviranja biljne proizvodnje, što ima za rezultat gubitak plodnosti i kvaliteta tla (7).

Bakterije i rizobakterije

U tlu se odigravaju različiti biotički i abiotički procese, koji su povezani sa ključnim funkcijama ekosistema poput kruženja ugljenika i drugih hranjivih materija (8). U pogledu ishrane biljaka, zdravlja biljaka i kvaliteta roda, najvažnije je tlo koje direktno okružuje korijenov prostor biljke – rizosferu (9). Rizosfera se razlikuje od rasutog tla i definiše se kao površina tla na koju fizički, hemijski i biološki utiče živi korijen biljke (10).

Konkretno, mikrobiom rizosfere može pozitivno uticati na razvoj biljaka, vitalnost i rast osiguravanjem i dobijanjem hranjivih materija i često je bio usmjeren na identifikaciju pozitivnih odnosa između biljaka i mikroba (11). Poznato je da određene korisne bakterije utiču na proizvodnju različitih regulatora rasta u biljkama (12). Stoga se nazivaju bakterije koje podstiču rast biljaka ”(plant growth-promoting bacteria PGPB)” (13) ili rizobakterije koje podstiču rast biljaka “(plant growth-promoting rhizobacteria PGPR)” (14).

PGPB mogu promovisati rast biljaka direktnim ili indirektnim mehanizmima (15), koji su povezani sa mikrobnim metabolizmima kao što su fiksacija azota, proizvodnja fitohormona, solubilizacija fosfata i supresija (suzbijanje) patogena (12,16). Osim toga, stimulacijom biljke domaćina, ovi korisni organizmi takođe dovode do povećane enzimske katalize, poboljšanog unosa vode i hranjivih materija ili odbrambenih odgovora (16).

Biljni inženjering i inženjering rizosfere

Neki od njih mogu proizvoditi jedinjenja koji utiču na rast biljaka kao fitohormoni (15). Osim toga, PGPR igraju važnu ulogu u industriji održive poljoprivrede (12) jer mogu djelovati kao korisni agensi za biokontrolu. Sredstva za biokontrolu bakterija štite svoje biljke domaćine od patogena bilo direktnom interakcijom sa patogenom ili indukcijom otpornosti domaćina (14). Biokontrola (17) ili proizvodnja grožđa uz pomoć mikroba su neizbježne alternativne metode za zaštitu vinove loze, a primjena takvih metoda je posebno obećavajuća u rizosferi biljaka (slika 1.).

U vinogradima, na mikrobnu zajednicu tla utiču različiti faktori, kao što su upotreba postrnih usjeva, obrada tla, primjena komposta i postupci održavanja-upravljanja (18) (slika 1C). Praksa upravljanja direktno utiče i na rast korjena vinove loze i na mikroorganizme rizosfere, ali tačan način delovanja je uglavnom nepoznat. Međutim, u posljednje vrijeme, dva nova istraživačka pristupa sve više dolaze u fokus kako bi se poboljšao rast i zdravlje vinove loze: biljni inženjering i inženjering rizosfere.

U biljnom inženjerstvu, znanje o interakcijama između biljaka i mikroba moglo bi se dodati programima oplemenjivanja biljaka kako bi se stvorile i održale zdrave i korisne mikrobne zajednice u rizosferi (slika 1B). U inženjerstvu rizosfere, mikrobne zajednice se modifikuju dodavanjem specifičnih đubriva, hranjivih materija ili bio-inokulacijom određenim bakterijama i/ili gljivama (slika 1A). Uzeti zajedno, ove nove metode sugeriraju podstiču potencijal za postizanje održivijeg razvoja vinogradarstva sa smanjenom količinom pesticida u budućnosti.

Inžinjering rizosfere

Slika 1. Proizvodnja grožđa uz pomoć mikroba različitim metodama kroz rizosferu

A) Povećanje korisnih mikroorganizama putem mikrobnih inokulanata. B) Poboljšanje korisnih mikroorganizama kroz oplemenjivanje biljaka ili biljno inženjerstvo. C) Stimulisanje korisnih mikroorganizama kroz postupke upravljanja kao što su postrni usjevi ili obrada tla. Kreirano sa BioRender.com. Preuzeto iz Hohmann et al. (19).

Da zaključimo

Nova oblast inženjerstva rizosfere i ekosistema je više nego obećavajući put koji vodi ka održivijem vinogradarstvu. U budućnosti bi moglo biti moguće očuvati i obnoviti mikrobnu raznolikost tla i podržati korisne organizme izložene intenzivnim poljoprivrednim praksama (20). Treba napomenuti, međutim, da pronalaženje korisnih mikroorganizama ne vodi trenutno do svetog grala bio-inokulacijom.

Mnogo različitih faktora treba uzeti u obzir u budućim istraživanjima. Za postizanje održivog vinogradarstva potrebna je još jača i dublja identifikacija i karakterizacija (korisnih) mikroorganizama na korijenu vinove loze. Koristeći metabarkodiranje ili metagenomski pristup, mikrobiološki sastav se može identifikovati bez dugotrajne kultivacije, što dovodi do boljeg razumijevanja mikrobioma vinogradskog tla i rizosfere.

Posebno je važno uzeti u obzir uticaj različitih varijabli kao što su varijacije podloge, genotip biljke i sorte grožđa. Pored toga, treba uzeti u obzir i uticaj faktora kao što su tip zemljišta, uslovi životne sredine, klimatske promene, prakse upravljanja (održavanja) i nivoi đubrenja. Sledeći korak je istraživanje korisnog načina djelovanja interakcije biljka-mikrob. Osim toga, obrasci kolonizacije na površini korijena su važni za proučavanje. Samo kroz razumijevanje ova dva mehanizma, moguće je modifikovati ili optimizirati unakrsni razgovor korijena biljaka i mikrobiota rizosfere.

Za vinogradarstvo treba razviti konačne, prikladne formulacije korisnih mikroorganizama za bio-inokulaciju. Međutim, dalja ispitivanja bio-inokulacije mogu biti korisnija kada se intenzivnije proučavaju interakcije između vinove loze i njenog mikrobioma. Postizanje ovih koraka važan je zadatak za smanjenje primjene pesticida ili đubriva i za poboljšanje kvaliteta tla i produktivnosti prinosa (21). Sva nova otkrića korisnih organizama ili metoda za inženjering rizosfere i korištenje mikrobnih inokulanata kao sredstava za biokontrolu nude potencijal za postizanje održivijeg vinogradarstva.

Zanima vas ovo? Pročitajte više na: https://oeno-one.eu/article/view/4534

Izvor: https://www.ciencia-e-vinho.com/ .Naslov orginala: Rhizosphere engineering – leading towards a sustainable viticulture? Objavljeno: 24.10.2021. by Leonie Dries. Prevod: Dragutin Mijatović

Pogledati i: https://ovinu.info/organsko-biodinamicko-i-odrzivo-vino/https://ovinu.info/koliko-je-odrzivo-vase-vino/   

References 1

  • 1.Karimi, B.; Cahurel, J.-Y.; Gontier, L.; Charlier, L.; Chovelon, M.; Mahé, H.; Ranjard, L. A meta-analysis of the ecotoxicological impact of viticultural practices on soil biodiversity. Environ Chem Lett 2020, doi:10.1007/s10311-020-01050-5.
  • 2.Lewandowski, I.; Haerdtlein, M.; Kaltschmitt, M. Sustainable Crop Production: Definition and Methodological Approach for Assessing and Implementing Sustainability. Crop Sci. 1999, 184–193.
  • 3.Zucca, G.; Smith, D.E.; Mitry, D.J. Sustainable viticulture and winery practices in California: What is it, and do customers care? International Journal of Wine Research 2009, 189–194, doi:10.2147/IJWR.S5788.
  • 4.Úrbez-Torres, J.R.; Tomaselli, E.; Pollard-Flamand, J.; Boulé, J.; Gerin, D.; Pollastro, S. Characterization of Trichoderma isolates from southern Italy, and their potential biocontrol activity against grapevine trunk disease fungi. Phytophatologia Mediterranea 2020, 425–439, doi:10.14601/Phyto-11273.
  • 5.Andreolli, M.; Zapparoli, G.; Lampis, S.; Santi, C.; Angelini, E.; Bertazzon, N. In Vivo Endophytic, Rhizospheric and Epiphytic Colonization of Vitis vinifera by the Plant-Growth Promoting and Antifungal Strain Pseudomonas protegens MP12. Microorganisms 2021, 9, doi:10.3390/microorganisms9020234.
  • 6.Bakker, M.G.; Manter, D.K.; Sheflin, A.M.; Weir, T.L.; Vivanco, J.M. Harnessing the rhizosphere microbiome through plant breeding and agricultural management. Plant Soil 2012, 360, 1–13, doi:10.1007/s11104-012-1361-x.
  • 7.Gattullo, C.E.; Mezzapesa, G.N.; Stellacci, A.M.; Ferrara, G.; Occhiogrosso, G.; Petrelli, G.; Castellini, M.; Spagnuolo, M. Cover Crop for a Sustainable Viticulture: Effects on Soil Properties and Table Grape Production. Agronomy 2020, 10, 1334, doi:10.3390/agronomy10091334.

Refernces 2

  • 8.Köberl, M.; Wagner, P.; Müller, H.; Matzer, R.; Unterfrauner, H.; Cernava, T.; Berg, G. Unraveling the Complexity of Soil Microbiomes in a Large-Scale Study Subjected to Different Agricultural Management in Styria. Front. Microbiol. 2020, 11, 1052, doi:10.3389/fmicb.2020.01052.
  • 9.Berg, G.; Smalla, K. Plant species and soil type cooperatively shape the structure and function of microbial communities in the rhizosphere. FEMS Microbiol. Ecol. 2009, 68, 1–13, doi:10.1111/j.1574-6941.2009.00654.x.
  • 10.Ryan, P.R.; Dessaux, Y.; Thomashow, L.S.; Weller, D.M. Rhizosphere engineering and management for sustainable agriculture. Plant Soil 2009, 321, 363–383, doi:10.1007/s11104-009-0001-6.
  • 11.Taye, Z.M.; Helgason, B.L.; Bell, J.K.; Norris, C.E.; Vail, S.; Robinson, S.J.; Parkin, I.A.P.; Arcand, M.; Mamet, S.; Links, M.G.; et al. Core and Differentially Abundant Bacterial Taxa in the Rhizosphere of Field Grown Brassica napus Genotypes: Implications for Canola Breeding. Front. Microbiol. 2019, 10, 3007, doi:10.3389/fmicb.2019.03007.
  • 12.Biofertilizers for Sustainable Agriculture and Environment; Giri, B.; Prasad, R.; Wu, Q.-S.; Varma, A., Eds.; Springer International Publishing: Cham, 2019.
  • 13.Compant, S.; Clément, C.; Sessitsch, A. Plant growth-promoting bacteria in the rhizo- and endosphere of plants: Their role, colonization, mechanisms involved and prospects for utilization. Soil Biology and Biochemistry 2010, 42, 669–678, doi:10.1016/j.soilbio.2009.11.024.
  • 14.Trotel-Aziz, P.; Couderchet, M.; Biagianti, S.; Aziz, A. Characterization of new bacterial biocontrol agents Acinetobacter, Bacillus, Pantoea and Pseudomonas spp. mediating grapevine resistance against Botrytis cinerea. Environmental and Experimental Botany 2008, 64, 21–32, doi:10.1016/j.envexpbot.2007.12.009.
  • 15.Compant, S.; Samad, A.; Faist, H.; Sessitsch, A. A review on the plant microbiome: Ecology, functions, and emerging trends in microbial application. J. Adv. Res. 2019, 19, 29–37, doi:10.1016/j.jare.2019.03.004.

References 3

  • 16.Pacifico, D.; Squartini, A.; Crucitti, D.; Barizza, E.; Lo Schiavo, F.; Muresu, R.; Carimi, F.; Zottini, M. The Role of the Endophytic Microbiome in the Grapevine Response to Environmental Triggers. Front. Plant Sci. 2019, 10, 1256, doi:10.3389/fpls.2019.01256.
  • 17.Compant, S.; Brader, G.; Muzammil, S.; Sessitsch, A.; Lebrihi, A.; Mathieu, F. Use of beneficial bacteria and their secondary metabolites to control grapevine pathogen diseases. BioControl 2013, 58, 435–455, doi:10.1007/s10526-012-9479-6.
  • 18.Burns, K.N.; Bokulich, N.A.; Cantu, D.; Greenhut, R.F.; Kluepfel, D.A.; O’Geen, A.T.; Strauss, S.L.; Steenwerth, K.L. Vineyard soil bacterial diversity and composition revealed by 16S rRNA genes: Differentiation by vineyard management. Soil Biology and Biochemistry 2016, 103, 337–348, doi:10.1016/j.soilbio.2016.09.007.
  • 19.Hohmann, P.; Schlaeppi, K.; Sessitsch, A. miCROPe 2019 – emerging research priorities towards microbe-assisted crop production. FEMS Microbiol. Ecol. 2020, 96, doi:10.1093/femsec/fiaa177.
  • 20.Gu, Y.; Dong, K.; Geisen, S.; Yang, W.; Yan, Y.; Gu, D.; Liu, N.; Borisjuk, N.; Luo, Y.; Friman, V.-P. The effect of microbial inoculant origin on the rhizosphere bacterial community composition and plant growth-promotion. Plant Soil 2020, 452, 105–117, doi:10.1007/s11104-020-04545-w.
  • 21.Dessaux, Y.; Grandclément, C.; Faure, D. Engineering the Rhizosphere. Trends Plant Sci. 2016, 21, 266–278, doi:10.1016/j.tplants.2016.01.002.