Enhancing plant growth in biofertilizer-amended soil through nitrogen-transforming microbial communities
Resumo
Os biofertilizantes têm um imenso potencial para aumentar a produtividade agrícola. No entanto, ainda há a necessidade de esclarecer os mecanismos específicos pelos quais esses biofertilizantes melhoram as propriedades do solo e estimulam o crescimento das plantas. Neste estudo, um agente bacteriano foi utilizado para promover o crescimento das plantas e investigar o mecanismo de modulação microbiana da turnover de nutrientes do solo utilizando tecnologia metagenômica. Os resultados demonstraram um aumento significativo no nitrogênio de ação rápida no solo (46,7%) e no fósforo de ação rápida (88,6%) após a aplicação do agente bacteriano. Essa constatação sugere que os microrganismos do solo estimulados contribuem para a transformação de nutrientes aumentada, levando, em última instância, a um crescimento melhorado das plantas. Além disso, a aplicação do agente bacteriano teve um impacto notável na acumulação de genes-chave envolvidos no ciclo do nitrogênio. Notavelmente, houve um aumento nos genes de nitrificação (amo, hao e nar), enquanto os genes de desnitrificação (nir e nor) mostraram uma leve diminuição. Isso indica que a oxidação de amônio pode ser a principal via para aumentar o nitrogênio de ação rápida nos solos. Adicionalmente, o agente bacteriano influenciou a composição e a estrutura funcional da comunidade microbiana do solo. Além disso, os genomas metagenômicamente montados (MAGs) obtidos das comunidades microbianas do solo exibiram processos metabólicos complementares, sugerindo troca mútua de nutrientes. Esses MAGs continham genes amplamente distribuídos e altamente abundantes que codificam características de promoção de crescimento das plantas (GPCV). Essas descobertas enfatizam como as comunidades microbianas do solo podem aprimorar o crescimento da vegetação ao aumentar a disponibilidade de nutrientes e regular a produção de hormônios vegetais. Esse efeito pode ser ainda mais potencializado pela introdução de agentes microbianos inoculados. Em conclusão, este estudo fornece novos insights sobre os mecanismos subjacentes aos efeitos benéficos dos biofertilizantes nas propriedades do solo e no crescimento das plantas. O aumento significativo na disponibilidade de nutrientes, a modulação de genes-chave envolvidos no ciclo do nitrogênio e a presença de MAGs que codificam características GPCV destacam o potencial dos biofertilizantes para melhorar as práticas agrícolas. Esses achados têm importantes implicações para o aumento da sustentabilidade e produtividade agrícola, com impactos positivos para a sociedade e o meio ambiente.
Abstract
Biofertilizers have immense potential for enhancing agricultural productivity. However, there is still a need for clarification regarding the specific mechanisms through which these biofertilizers improve soil properties and stimulate plant growth. In this research, a bacterial agent was utilized to enhance plant growth and investigate the microbial modulation mechanism of soil nutrient turnover using metagenomic technology. The results demonstrated a significant increase in soil fast-acting nitrogen (by 46.7%) and fast-acting phosphorus (by 88.6%) upon application of the bacterial agent. This finding suggests that stimulated soil microbes contribute to enhanced nutrient transformation, ultimately leading to improved plant growth. Furthermore, the application of the bacterial agent had a notable impact on the accumulation of key genes involved in nitrogen cycling. Notably, it enhanced nitrification genes (amo, hao, and nar), while denitrification genes (nir and nor) showed a slight decrease. This indicates that ammonium oxidation may be the primary pathway for increasing fast-acting nitrogen in soils. Additionally, the bacterial agent influenced the composition and functional structure of the soil microbial community. Moreover, the metagenome-assembled genomes (MAGs) obtained from the soil microbial communities exhibited complementary metabolic processes, suggesting mutual nutrient exchange. These MAGs contained widely distributed and highly abundant genes encoding plant growth promotion (PGP) traits. These findings emphasize how soil microbial communities can enhance vegetation growth by increasing nutrient availability and regulating plant hormone production. This effect can be further enhanced by introducing inoculated microbial agents. In conclusion, this study provides novel insights into the mechanisms underlying the beneficial effects of biofertilizers on soil properties and plant growth. The significant increase in nutrient availability, modulation of key genes involved in nitrogen cycling, and the presence of MAGs encoding PGP traits highlight the potential of biofertilizers to improve agricultural practices. These findings have important implications for enhancing agricultural sustainability and productivity, with positive societal and environmental impacts.
L. Li
Z. Hu
G. Tan
J. Fan
Y. Chen
Y. Xiao
S. Wu
Q. Zhi
T. Liu
H. Yin
Q. Tang
2023 - Frontiers in Plant Science
Palavras-chave:
Biofertilizante, categorização, metagenômica, interação microbiana, taxa keystone, solo
Termos de indexação:
Metagenômica, ciclagem de nitrogênio, disponibilidade de nutrientes, nitrificação, desnitrificação, sustentabilidade agrícola, microbioma do solo
