Микробиом почвы и урожайность: проверка принципов севооборота
Глобальная потребность в сельскохозяйственных культурах растет. Для устойчивого производства к 2050 году мировая урожайность должна увеличиваться в среднем на 1.73% ежегодно. Ученые из Института патогенов и микробиома (PMI) Университета Северной Аризоны и Университета Пердью исследуют бактериальные и грибковые сообщества почвы, чтобы понять, как микробиом влияет на урожай.
Проверка традиционного правила севооборота
Исследователи проверили устоявшееся правило: для максимизации урожая следует чередовать филогенетически далекие культуры. Гипотеза гласит, что патогены растений специфичны к одному хозяину или близкородственным, поэтому посадка родственных культур подряд увеличивает риск заражения.
Эксперимент, поддержанный грантом USDA, длился два сезона:
- Первый год: На разных участках высадили 36 культур и сорняков с разной степенью эволюционного родства с томатом — от самого томата до баклажана (тот же род), сладкого перца (то же семейство) и далеких родственников (кукуруза, пшеница, рожь).
- Второй год: На всех участках высадили только томаты.
Результаты, опубликованные в Evolutionary Applications:
- Урожай томатов на участках, где в первый год тоже росли томаты, снизился, как и ожидалось.
- Не было значительного снижения урожая томатов ни на одном из других участков, где в первый год росли иные культуры, даже родственные.
"Этот результат предполагает, что хотя севооборот действительно важен для урожая, его эффект может не распространяться дальше уровня вида", — сказал Грег Капорасо, директор Центра прикладной микробиомной науки (CAMS).
Профессор энтомологии Ян Каплан назвал результат неожиданным, так как правило избегания посадки родственных культур широко распространено. Это указывает, что при планировании севооборота в устойчивых системах нужно учитывать другие факторы.
Роль микробиома и новые технологии
Перед посадкой во второй год ученые использовали микробиомное секвенирование для анализа почвы. Они обнаружили, что "наследие" микробиома культур первого сезона сохранилось, и состав бактериальных и грибковых сообществ значительно различался на участках.
"Теперь мы можем исследовать роль микробов в сельскохозяйственных системах с гораздо большей глубиной и разрешением, чем когда-либо прежде. Эти технологии могут помочь оптимизировать системы земледелия для непрерывного обогащения почвы", — отметил Капорасо.
Долгосрочная цель — сотрудничество с фермерами, практикующими методы регенеративного земледелия, чтобы с помощью науки о микробиоме снизить затраты на удобрения и воду, повысив устойчивость и продовольственную безопасность.
Смежные проекты: вермикомпостирование и новые направления
В другом проекте, финансируемом NAU Green Fund, студентка-эколог Кристина Остеринк летом запустит пилотную программу компостирования в кампусе. Пищевые отходы из офисов будут доставлять на городскую ферму Roots Micro Farm.
Проект включает отслеживание микробиома пищевых отходов через процесс вермикомпостирования (с использованием червей) до превращения в качественную почву. Это поможет точнее понять роль микробов в компостировании и улучшить устойчивость университета и качество почв Флагстаффа.
Капорасо отмечает, что это новое направление для CAMS, чья работа в основном связана со здоровьем человека, но возможности применения микробиомных исследований в сельскохозяйственной науке не менее велики.
Следующие шаги
Следующий этап в исследовании севооборота — определить важные факторы для урожайности, если эволюционное родство исключено.
"Стоит ли чередовать культуры, которые процветают при сходном составе почвенного микробиома, чтобы полезные бактерии и грибы уже были на месте для поддержки следующего сезона? Это была бы ценная информация как для небольших городских ферм, так и для крупных промышленных предприятий", — говорит Капорасо.