Närvaron av höga salt- och kvävekoncentrationer i jordar med hög tunnel kan göra det mer utmanande att återuppbygga en frisk jordmikrobiom efter en jordrensningshändelse, enligt mikrobiella ekologer vid Penn State College of Agricultural Sciences.

Deras forskningsresultat har viktiga konsekvenser för markens bördighet, och i förlängningen, grödans hälsa och avkastning, förklarade Laura Kaminsky, en doktorand i växtpatologi, som ledde utredningen under ledning av Terrence Bell, biträdande professor i fytobiomer.

"Växter växer generellt bättre med ett aktivt och mångsidigt samhälle av bakterier, svampar och andra mikrober i jorden, " sa hon. "Om dessa mikrober utplånas av en jordrensningshändelse, vi vill veta hur snabbt markmikrobiomet studsar tillbaka och vilka mikrober som är mest framgångsrika när det gäller att återupprätta. Vår studie lägger grunden för den framtida utvecklingen av riktlinjer som kommer att hjälpa jordbrukare att återuppbygga jord med mikrobiella tillsatser."

Forskarna fokuserade på jordbrukssystem som använder höga tunnlar, som är plast, växthusliknande strukturer placerade över en del av åkerjord. Dessa strukturer används för att förlänga växtsäsongen och för att odla värdefulla grödor som tomater i en mer skyddad miljö.

Dock, kvaliteten på marken under höga tunnlar tenderar att försämras med tiden. "Om samma gröda odlas i en hög tunnel år efter år, patogener som är specifika för den grödan ackumuleras i högre och högre nivåer i jorden och orsakar ökande mängder växtsjukdomar, sa Kaminsky.

Ett sätt att hantera detta ökande sjukdomstryck är att minska populationen av patogener genom att utplåna hela markens mikrobiella samhälle, vilket görs med kemisk rökning eller mindre hårda metoder som anaerob jordavstötning och jordsolarisering.

Problemet, Kaminsky påpekade, är att dessa jordrensningsmetoder urskillningslöst eliminerar markmikrober, inklusive mikrober som ger fördelar för växtväxter och mikrober som utför allmänna markfunktioner som kretslopp av näringsämnen.

Kaminsky och Bells experiment, som ägde rum i Buckhout Laboratory 2018 och 2019, specifikt tittat på om hög jordsalthalt och höga markkvävekoncentrationer – två jordegenskaper som ofta utvecklas under höga tunnlar över tid – förändrade markens mikrobiomutveckling.

Att göra det, forskarna grävde ner små nätpåsar av nylon som innehöll osteriliserad "källa"-jord i steriliserad "mottagande"-jord och lämnade dem att inkubera i sju veckor. Detta gjorde att mikrober kunde kolonisera ut i mottagarjorden, simulerar hur mikrober från jord som omger ett röjt jordområde skulle kolonisera tillbaka till den röjda jorden med tiden. Mottagarjordar ändrades med salt, kväve, båda eller inte heller för att avgöra om dessa egenskaper påverkade mikrobiella samhällenas sammansättning i mottagarjorden.

Teamet tog prov på mottagarjorden vid två tidpunkter:en vecka och sju veckors inkubation. Vid varje tidpunkt, forskare karakteriserade det mikrobiella samhället genom att mäta mikrobiell biomassa och ta en katalog över de närvarande bakteriearterna med hjälp av gensekvenseringstekniker.

Efter den första veckan, de mikrobiella samhällena hade relativt låg biomassa och dominerades av en mycket begränsad uppsättning arter i släktena Bacillus och Paenibacillus. Vid sju veckor, det fanns en mycket större och mer mångsidig mikrobiell gemenskap närvarande.

"Vid varje tidpunkt, det fanns vissa bakteriearter närvarande i varje enskilt mikrokosmos, oavsett mottagarens jordbehandling, " sa Kaminsky. "Vi kallade dessa 'universella kolonisatörer,' ' och de flesta av dessa var i släktet Bacillus eller Paenibacillus. Detta är inte förvånande eftersom dessa bakteriella taxa är kända för att vara allestädes närvarande och snabbt växande i markmiljöer."

I mottagarjorden med salt och kväve tillsatt, ackumuleringen av biomassa och bakteriell mångfald var signifikant begränsad i förhållande till mottagarjordar utan tillsatser. Det är, högre jordsalthalt och högre jordkväve försenade återupprättandet av en mångsidig jordmikrobiom.

"Det var inte förvånande att hög salthalt i jorden gav detta resultat, eftersom salt utgör en betydande stress för många mikrober, "Sade Kaminsky. "Det var något förvånande att hög jordkväve gav detta resultat eftersom kväve är en näringskälla istället för en stress. Dock, det kan ha gynnat en mindre diversifierad undergrupp av snabbväxande mikrober, leder till de resultat vi såg."

Resultaten, publiceras i Miljömikrobiologi , tyder på att faktorer som ackumulering av näringsämnen och salt, vilket kan vara särskilt problematiskt i höga tunnelsystem, kan vara viktigt för att avgöra vilka koloniserande mikrober som överlever, sa Bell. Han noterade att Kaminsky har utvecklat Penn State Extension-program för att dela resultaten med odlare.

"Laura har arbetat hårt för att utveckla både spetskompetenser och kommunikationskunskaper som gör att hon kan förmedla kunskapsläget inom vårt område till jordbrukare och andra intressenter, " han sa.