Wprowadzenie do tematyki mikrobiomu strefy korzeniowej

Dzięki trwającym badaniom, w ostatnich latach nastąpił ogromny postęp w naukowym zrozumieniu mikrobiomu strefy korzeniowej - innymi słowy, życia drobnoustrojów na korzeniach rośliny i wokół nich. Ale jak rozwija się mikrobiom strefy korzeniowej w wełnie skalnej i co tak naprawdę dzieje się w tym fascynującym, niewidocznym świecie?

Strefa korzeniowa w nieorganicznym podłożu uprawowym, takim jak wełna skalna, może zawierać tyle samo bakterii, co podłoże organiczne - czasem nawet ponad miliard na mililitr wełny skalnej" - mówi Marta Stremińska, ekolog mikrobiologiczny z Wageningen University & Research, Business Unit Greenhouse Horticulture and Flower Bulbs w Bleiswijk w Holandii. 

Definicja: Mikrobiom to charakterystyczna społeczność drobnoustrojów zajmująca dość dobrze zdefiniowane siedlisko, które ma odrębne właściwości fizykochemiczne. Mikrobiom odnosi się nie tylko do zaangażowanych mikroorganizmów, ale także obejmuje ich teatr aktywności, co skutkuje tworzeniem określonych nisz ekologicznych. W przypadku mikrobiomu strefy korzeniowej tym teatrem aktywności jest obszar bezpośrednio wokół korzeni rośliny, czyli ryzosfera, oraz mikroorganizmy w szerszej strefie korzeniowej.

Czyste i wolne od chorób w punkcie produkcji

Nietrudno wyobrazić sobie organiczne podłoże uprawowe, takie jak torf kokosowy, pełne mikroorganizmów. Ale co z nieorganicznymi podłożami uprawowymi, takimi jak wełna skalna? Czy one również zawierają mikroby w strefie korzeniowej? "Podłoże uprawowe z wełny skalnej firmy Grodan jest czyste i wolne od chorób w momencie produkcji. Jednak po dodaniu wody, składników odżywczych, nasion i roślin mikroby natychmiast zaczynają się rozprzestrzeniać, szybko tworząc zróżnicowany mikrobiom strefy korzeniowej (patrz wykres ).

Jak rozwija się mikrobiom w wełnie skalnej?

"Kiedy sadzimy młodą roślinę w kostce lub macie z wełny skalnej, mikroby szybko kolonizują strefę korzeniową, gdzie rozwijają się dzięki wydzielinom korzeniowym: materii organicznej, takiej jak glukoza, kwasy organiczne i metabolity wtórne, które są stale wydzielane przez korzenie roślin podczas wzrostu. Jeśli chodzi o liczbę bakterii, nie ma dużej różnicy między wełną skalną a organicznym podłożem uprawowym" - mówi. "Liczby te są oszałamiające, z ponad miliardem komórek składających się z 600-700 różnych rodzajów na mililitr wełny skalnej".

"Teraz jest jeszcze bardziej jasne, że istnieje różnica między populacjami drobnoustrojów rozwijającymi się bezpośrednio w ryzosferze i w pozostałej części strefy korzeniowej. Tak więc nawet w tak małej skali przestrzennej istnieją mierzalne i zdefiniowane różnice mikrobiologiczne" - komentuje Marta.

"Jedną z kluczowych różnic między mikrobiomem w wełnie skalnej i organicznych podłoży uprawowych jest obecność grzybów. Grzyby preferują złożoną materię organiczną, taką jak celuloza i lignina, która jest bardziej obfita w organicznych podłożach uprawowych. Powodem tego jest fakt, że organiczne podłoże uprawowe jest wykonane z martwego materiału roślinnego" - dodaje. To proste wyjaśnienie jest powodem, dla którego wyższy poziom grzybów występuje w organicznych podłożach uprawowych w porównaniu do wełny skalnej, ponieważ grzyby mają zdolność do degradacji złożonych związków organicznych i ponownego udostępniania węgla.

Intensywne badania

Przez wiele lat znaczenie mikroorganizmów we wzroście roślin było niedoceniane i często całkowicie pomijane. "Około 20 lub 30 lat temu mikroorganizmy w systemach uprawy były często pomijane, po prostu dlatego, że naukowcy nie byli w stanie dostrzec różnorodności drobnoustrojów, ponieważ nie można było ich hodować w laboratorium" - kontynuuje. Od tego czasu, dzięki postępom w biologii molekularnej, mikrobiolodzy byli w stanie intensywniej badać rolę drobnoustrojów w roślinach, zarówno w filosferze (nadziemnych częściach roślin), jak i w ryzosferze (podziemnych częściach roślin).

Dziś wiadomo również, że oprócz precyzyjnego zarządzania nawadnianiem, zrównoważony mikrobiom strefy korzeniowej w istotny sposób przyczynia się do utrzymania siły, zdrowia, odporności i potencjału produkcyjnego rośliny. "Korzystając z nowych technik naukowych, przyglądamy się teraz dwóm rzeczom: jakie mikroby tam są i jaka jest ich funkcja" - mówi Marta.

Dobre, złe i brzydkie

Mówiąc o funkcjach mikrobów strefy korzeniowej, mikrobiolog dzieli je na trzy kategorie (Tabela 1). Z perspektywy uprawy roślin można je nazwać "dobrymi, złymi i brzydkimi". Te "dobre" mają pozytywny wpływ na roślinę, "złe" mają negatywny wpływ na roślinę, a "brzydkie" są możliwymi patogenami dla ludzi, choć mają neutralny wpływ na roślinę. Przykładami "brzydali" są bakterie E. coli, które mogą zostać wprowadzone do upraw poprzez kontakt z ludźmi, oraz L. pneumophila, która może rozwijać się w systemach wodnych. Jednak proces kategoryzacji nie zawsze jest łatwy, ponieważ niektóre drobnoustroje z tego samego rodzaju mogą być dobre, złe i brzydkie. "Na przykład bakteria Pseudomonas fluorescens jest dobra. Może tłumić patogeny grzybowe roślin i jest stosowana jako środek biokontroli w strefie korzeniowej. Pseudomonas syringae jest powszechnym, jeśli nie najczęstszym patogenem roślin. W pomidorach powoduje plamistość liści.  Wreszcie Pseudomonas aeruginosa może powodować zapalenie płuc u ludzi.

To samo dotyczy niektórych typów grzybów, takich jak Fusarium. Wiele gatunków Fusarium powoduje więdnięcie i gnicie korzeni u różnych roślin, z drugiej strony istnieją izolaty Fusarium, takie jak izolat Fusarium oxysporum Fo47, które w ogóle nie są patogeniczne dla roślin i faktycznie chronią roślinę przed atakiem patogenicznego Fusarium oxysporum, zajmując korzenie i wpływając na indukowaną odporność rośliny" - komentuje. 

Większość ogrodników zna przykłady "złych" mikrobów strefy korzeniowej: patogeny roślin, takie jak Fusarium oxysporum i Pythium aphanidermatum, które powodują choroby roślin. "W naturze wspierają one proces naturalnej selekcji poprzez eliminację słabych roślin, ale oczywiście są niepożądane w dzisiejszych profesjonalnych szklarniach na dużą skalę, które mają tendencję do uprawy roślin monokulturowych o wysokim poziomie wyrównania w populacji ze względu na stosowanie nasion hybrydowych F1" - dodaje Marta.

Dzięki trwającym badaniom wiadomo już, że niektóre "dobre" mikroby (patrz przykłady w tabeli 1) mogą pomóc chronić roślinę przed takimi patogenami. "Niektóre z nich faktycznie bezpośrednio atakują patogen, aby zapobiec jego wpływowi na roślinę. Inne sposoby działania mogą obejmować pobudzanie rośliny do przygotowania się na atak patogenu, na przykład poprzez produkcję hormonów, takich jak kwas salicylowy lub kwas jasmonowy. Niektóre szczepy Bacillus często wykonują obie te czynności. Na przykład wytwarzają metabolity, które bezpośrednio zabijają patogeny roślin, a także indukują ogólnoustrojową odporność roślin poprzez wpływanie na produkcję kwasu salicylowego i jasmonowego.  Poprzez kolonizację ryzosfery w ten sposób "dobre" mikroby mogą ograniczyć dostęp patogenów do korzeni" - komentuje. 

Wkład w rosnącą odporność

"W przeciwieństwie do Pożytecznych owadów, bakterii i grzybów nie można zobaczyć ani policzyć bezpośrednio na roślinie lub w próbce wody. Ale one tam są i mogą naprawdę mieć ogromny wpływ na odporność roślin" - stwierdza ekolog mikrobiologiczny. Dlatego ważne jest, aby kierować mikrobiomem strefy korzeniowej w podłożu uprawowym w kierunku stabilnej i korzystnej równowagi.

W kontekście obecnego przejścia na odporne systemy rosnące w Rolnictwie o Kontrolowanym Środowisku, mikroby mogą również w istotny sposób przyczynić się do ograniczenia stosowania chemikaliów w przejściu na naturalną kontrolę patogenów i szkodników.

Poza tym "dobre" mikroby mogą pełnić różne inne funkcje w strefie korzeniowej. "Niektóre mikroby - zwłaszcza grzyby - żywią się celulozą w rozkładających się korzeniach w podłożu uprawowym, degradując materię organiczną, aby ponownie udostępnić węgiel organiczny. Inne odgrywają rolę w dostępności i pobieraniu składników odżywczych, takich jak azot, fosfor i mikroelementy. Obecnie w systemach hydroponicznych wszystkie składniki odżywcze są dostarczane roślinie w sposób ciągły w postaci mineralnej wraz z nawadnianiem. Nie oznacza to jednak, że mikroorganizmy nie mogą pomóc roślinom w pobieraniu tych składników odżywczych, jednocześnie pomagając w ochronie przed chorobami. Mikroorganizmy w mikrobiomie strefy korzeniowej wydzielają związki zwane "sideroporami", które chelatują żelazo, co oznacza, że żelazo nie jest już dostępne dla innych potencjalnie patogennych mikroorganizmów, obniżając w ten sposób ich zjadliwość dla roślin. Inną ważną funkcją drobnoustrojów w strefie korzeniowej, takich jak niektóre gatunki Trichoderma lub Pseudomonas, jest produkcja różnych metabolitów. Te cząsteczki organiczne mogą obejmować hormony roślinne, takie jak auksyny i cytokininy, które promują wzrost i rozwój roślin" - wyjaśnia.

Oczywiste jest, że strefa korzeniowa zarówno w podłożach organicznych, jak i w podłożach uprawowych z wełny skalnej jest domem dla setek rodzajów mikroorganizmów. Mimo że wciąż trwają badania mające na celu lepsze zrozumienie ich poszczególnych funkcji, nie ma wątpliwości, że odpowiednia równowaga w mikrobiomie strefy korzeniowej może przyczynić się do silniejszej, zdrowszej, bardziej odpornej i wydajniejszej rośliny. Ale w jaki sposób można sterować mikrobiomem strefy korzeniowej? I jakie są zalety wełny skalnej w tym kontekście? Przeczytaj część 2 tej serii, aby się tego dowiedzieć.