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Agricoltura moderna
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Le perdite di raccolto in tutto il mondo sono in gran parte causate da malattie trasmesse dal suolo. La produttività globale delle colture è influenzata negativamente da malattie causate da agenti patogeni delle piante, con conseguenti perdite di resa del 20-40 per cento in varie colture di cereali e legumi ogni anno.
Nel corso della stagione agricola 2016-17, 57, In India sono state utilizzate 000 tonnellate di pesticidi sintetici per proteggersi dai patogeni delle piante e dagli insetti nocivi. Però, i biopesticidi rappresentavano solo 6340 tonnellate metriche.
Simile a resistenza agli erbicidi delle infestanti , molti organismi resistenti ai pesticidi sono emersi a causa del continuo uso di pesticidi nell'agricoltura moderna e della presenza di residui di pesticidi negli ortaggi, cereali, e cereali rappresentano anche grandi pericoli per la salute umana.
i pesticidi utilizzati per combattere le malattie delle piante colpiscono l'insetto benefico naturale, fertilità del suolo e microbiota del suolo negativamente Khatoon et al., 2020
Ulteriore, pesticidi chimici e fertilizzanti utilizzati in modo non regolamentato e indiscriminato causano inquinamento del suolo, acqua, e aria, nonché una diminuzione della fauna e della microflora del suolo. Per controllare le malattie trasmesse dal suolo in tutto il mondo, grandi quantità di denaro vengono spese per pesticidi sintetici. A causa degli effetti dannosi delle sostanze chimiche di sintesi sull'ambiente, approcci alternativi al controllo delle malattie delle piante vengono esplorati sempre di più.
anche l'acidità del suolo dovuta a queste forti sostanze chimiche è alterata
Slepetiene et al., 2020
*A deve leggere :Tipi di suoli
Le attività antropiche possono causare danni ecologici e scoraggiare la salute del suolo, in ultima analisi, l'esaurimento del patrimonio non rinnovabile. È quindi essenziale adottare diverse modalità rispettose dell'ambiente. Nella presente circostanza, l'agricoltura sostenibile è essenziale in quanto offre la capacità di soddisfare non solo i nostri bisogni attuali, ma anche di garantire un futuro sano, qualcosa che non può essere realizzato attraverso le pratiche agricole dannose convenzionali Santoyo et al., 2017
Al fine di ridurre l'uso di pesticidi per la produzione agricola, i microrganismi benefici della rizosfera possono essere sfruttati per soluzioni di agricoltura sostenibile. Rispetto ai tradizionali pesticidi chimici/di sintesi, i biopesticidi offrono numerosi vantaggi, compreso il 100% di biodegradabilità e solubilità in acqua.
I prodotti biochimici e i microrganismi di origine vegetale sono quindi un'alternativa più sicura per il controllo delle malattie delle piante in agricoltura.
I rizobatteri promotori della crescita delle piante a vita libera (PGPR) colonizzano le radici e il terreno che circonda le piante, promuovendone la crescita, sviluppo, e salute.
Un PGPR può anche essere classificato come agente di biocontrollo, un biofertilizzante, o un biopesticida, a seconda delle sue attività/capacità.
I rizobatteri che promuovono la crescita delle piante (PGPR) sono attori fondamentali in agricoltura Etesami e Maheshwari, 2018
*A deve leggere :Guida ai biofertilizzanti
Il PGPR esercita i suoi effetti benefici attraverso la capacità di controllare o prevenire la diffusione di organismi deleteri che hanno un impatto negativo sulla salute e sulla crescita delle piante.
Aiuta il benessere delle colture fissando l'azoto, fosfato solubilizzante, riduzione dei metalli pesanti, produzione di fitormoni (come auxina, gibberelline, citochinine ecc.), mineralizzazione della sostanza organica del suolo, residui colturali in decomposizione, sopprimere i fitopatogeni, ecc. He et al., 2019
Il biocontrollo dei patogeni viene effettuato da PGPR in alcuni dei seguenti modi:
1. Alcuni batteri possono colonizzare una nicchia vegetale in modo più rapido ed efficace rispetto ai patogeni che causano malattie. Ciò a sua volta si traduce in una bassa disponibilità di nutrienti per gli organismi deleteri poiché i batteri benefici competono per i nutrienti.
2. Per di più, alcuni batteri producono antibiotici. Questi anticorpi sono composti organici letali per gli organismi che causano malattie a basse concentrazioni.
3. Infine, il batterio induce un meccanismo di resistenza nelle piante chiamato Resistenza sistemica indotta (IRS) . Questo innesca la produzione di metaboliti di difesa aumentando la capacità difensiva della pianta.
Ci sono alcuni vantaggi nell'usare il PGPR come agente di biocontrollo rispetto ai composti di controllo chimico.
I PGPR sono utili, microrganismi presenti in natura. Sono inoltre atossici e sicuri da usare. Per di più, dal punto di vista ecologico, sono sostenibili (a lungo termine).
Per di più, I PGPR possiedono una vasta gamma di modalità di azione, compresa l'antibiotico, siderofori, enzimi che degradano le pareti cellulari, bio-tensioattivi, e volatili, così come la resistenza sistemica nelle piante.
Ci sono vari tipi di stress sulla pianta. Queste sollecitazioni possono essere classificate in generale in due tipi: Stress abiotici e biotici.
Lo stress abiotico può essere dettato da qualsiasi condizione ambientale sfavorevole che influisca sulla diversità dei microbi e modifichi anche le proprietà fisico-chimiche del suolo.
Come parte dello stress abiotico, ci sono numerose condizioni che hanno impatti negativi sul microbioma della pianta e sull'ecologia circostante, come la tossicità da metalli pesanti, salinità, siccità, e inondazioni.
Quando metalli nocivi come il mercurio, amianto, cadmio, e aggregato di piombo nel suolo, causano stress alle piante e riducono gravemente la produttività delle colture. Oltre a influenzare negativamente il pH e la consistenza del suolo, l'aggregazione dei metalli influenza direttamente alcuni processi biologici nel suolo, compromettendo la crescita delle colture.
La presenza di metalli nella rizosfera ritarda la crescita delle piante interferendo con l'assorbimento dei nutrienti.
Sebbene il PGPR aumenti la crescita e la produttività delle piante, regola anche i contaminanti metallici del suolo attraverso vari meccanismi e migliora le proprietà del suolo.
Il problema può essere affrontato inoculando PGPR con resistenza metallica. Le piante possono essere efficacemente protette dallo stress abiotico da PGPR mediante l'induzione di Indotto Tolleranza Sistemica (IST).
UN siderofori è un metabolita microbico che forma complessi metallici in tracce. Questi sono composti a basso peso molecolare che hanno buone affinità con il ferro. I microbi li producono quando il ferro è carente nel terreno. Lo stress metallico è efficacemente contrastato dai siderofori prodotti dai microbi.
Biotensioattivi che sono composti anfifilici si trovano principalmente sulla superficie dei microrganismi. Migliorano la tolleranza ai metalli in tracce e aiutano a rimuovere il metallo del suolo.
Acidi organici a basso peso molecolare come acido ossalico e acidi citrici sono prodotti da PGPR. Questi acidi organici riducono lo stress da metalli in agricoltura. PGPR produce acidi inorganici che potrebbe prevenire lo stress del metallo attraverso la precipitazione.
Sostanze polimeriche extracellulari (EPS) sono polimeri microbici omo- o etero-polisaccaridi ad alto peso molecolare. I batteri rizosferici rilasciano polisaccaridi extracellulari come lipopolisaccaridi, polisaccaridi, peptidi solubili, e glicoproteina e creano un'area di restrizione degli anioni che aiuta nella rimozione o nella disintossicazione dei metalli pesanti attraverso il bioassorbimento.
La tabella seguente mostra il biorisanamento PGPR dei metalli pesanti nel suolo:
| PGPR | Pianta | Metallo(i) | Condizione di coltivazione | Ruolo di PGPR | Riferimenti |
|---|---|---|---|---|---|
| Brevundimonas minuto, Alcaligenes faecalis | Scripus Mucronato | Mercurio | casa verde | • Aumento della fitodepurazione • Diminuzione della tossicità del suolo | Mishra et al., 2016 |
| Bacillo, Stafilococco, Aerococco | Prosopis juliflora, Lolium mltiforum | Cromo Cadmio, Rame, Condurre e Zinco | Condizioni della serra | • Migliorare l'efficienza di Fitodepurazione • Tollera alte concentrazioni. di • Cromo. | Wani e Khan, 2012 |
| Rhizobium sp., Microbatterio sp. | Pisum sativum | Cromo (VI) | Condizioni della serra | • Migliorare la concentrazione di azoto nelle piante • Diminuzione della tossicità del cromo | Mishra et al., 2016 |
| Bacillo megaterio | Brassica napus | Condurre | In condizioni di campo | • Diminuzione dell'inquinamento del suolo • Resa totale di sostanza secca delle piante | Reichmann, 2014 |
| bradirizobio japonicum CB1809 | Helianthus annuus e Triticum stima | Arsenico | studi di pentola | • Eccesso di biomassa vegetale • Crescita in condizioni di alta concentrazione di arsenico | Yavar et al., 2014 |
| Mesorhizobium huakuii subsp. rengei B3 | Pomodoro Astragalus sinicus | Cadmio | Idroponica | • Espressione del gene PCSAt maggiore capacità delle cellule di legarsi Cd2 | Sriprang et al., 2003 |
| Bacillus subtilis SJ-101 | Brassica juncea | Nichel | Esperimenti in vaso in crescita Camera | • Facilitato l'accumulo di Nichel. | Zaidi et al., 2006 |
| Azotobacter chroococcum HKN-5, Bacillus megaterium HKP-1, B. mucillaginoso HKK-1 | Brassica juncea | Condurre, zinco | Esperimenti di pentole in serra | • Crescita delle piante stimolata • Pianta protetta dalla tossicità dei metalli | Wu et al., 2006 |
È dannoso per l'agroeconomia avere condizioni di salinità. Come risultato dell'uso agrochimico a lungo termine, i sali si accumulano nel terreno nel tempo, che porta a problemi di salinità.
Sotto stress da salinità, specie reattive dell'ossigeno (ROS) Compreso O-2, O2, e H2O2 danneggiare la cellula, che è noto come stress ossidativo. Un PGPR in grado di produrre componenti sia enzimatici che non enzimatici aiuta la pianta a sopravvivere allo stress salino. Gestendo il livello di H2O2, un sistema antiossidante enzimatico e non enzimatico neutralizza tale tossicità. I livelli di ROS sono regolarmente controllati da enzimi come catalasi e ascorbato perossidasi e componenti non enzimatici come l'ascorbato.
Prodotti PGPR ACC (1-amminociclopropan-1-carbossilato) deaminasi, che protegge le piante da stress da etilene.
Un fattore importante che ostacola la produttività agricola in tutto il mondo è la siccità. La resistenza alla siccità si riferisce alla capacità di una pianta di persistere e resistere durante una siccità.
Modificando l'architettura della radice causata dai batteri, l'area totale della radice aumenta , con conseguente miglioramento dell'assorbimento di nutrienti e acqua, che facilita la crescita complessiva. Il batterio aumenta il numero di radichette di diametro minore con maggiore profondità, aumentando così la superficie totale dell'apparato radicale.
Con l'inoculazione riuscita di ceppi PGPR, la produttività delle colture può essere migliorata da mantenere una crescita dei germogli quasi media durante lo stress da siccità. Poiché riduce la superficie fogliare accessibile e la perdita di acqua per evaporazione è ridotta .
Lo stato idrico dell'impianto può essere determinato misurando il contenuto di acqua relativo (RWC) . Le piante trattate con PGPR hanno avuto una migliore gestione della RWC rispetto alle piante non trattate con PGPR. PGPR può regolare la chiusura stomatica di un impianto in aree aride e portare a un migliore RWC di un impianto.
Nelle piante, la modificazione osmotica è una delle principali strategie di adattamento per affrontare lo stress da siccità. Nelle piante che soffrono di stress da siccità, la prolina è un osmolita importante. Le piante con livelli di prolina più elevati sono più resistenti alla siccità. I livelli di prolina possono essere aumentati mediante inoculazione di PGPR.
La crescita e lo sviluppo delle piante sono facilitati da regolatori di crescita chimici e fitormoni come citochinine, acido abscissico, gibberelline, auxine, acidi jasmonici (JAs) e etilene . PGPR promuove lo sviluppo delle piante stressate dalla siccità regolando i fitormoni e i regolatori di crescita.
Durante un'alluvione, lo scambio di gas nell'apparato radicale si riduce> questo si traduce nell'accumulo di etilene. L'etilene è responsabile della regolazione dei tratti tolleranti alle inondazioni delle piante. Livelli elevati di ACC causano livelli inferiori di ossigeno nel sistema radicale durante un'alluvione.
L'elevata concentrazione di ACC accumulata nelle radici è ridotta dall'ACC deaminasi, che consente all'ACC di diffondersi fuori dalle radici. Questo meccanismo riduce i livelli di etilene durante e dopo l'allagamento.
Nelle piante, lo stress biotico è causato da organismi viventi, come batteri, virus, fungo, insetti, e nematodi. Questi organismi interferiscono con i nutrienti dell'ospite, con conseguente morte delle piante. Lo stress biotico contribuisce alle perdite sia prima che dopo la raccolta.
Sebbene pochi microbi partecipino al controllo biologico dei patogeni, tuttavia è noto che il PGPR crea protezione da molte malattie seguendo vari meccanismi tra cui batteriocina, antibiotico, produzione di composti organici volatili (VOC), e lisi attraverso l'enzima extracellulareHamid et al., 2021
Tossine batteriche contro i batteri alias batteriocine sono secrezioni peptidiche con attività antimicrobica limitata. Le batteriocine sono prodotte sia da Gram-negativi (ad esempio, colicina ) e batteri Gram-positivi (ad esempio, nisina ). In condizioni di laboratorio, le batteriocine hanno dimostrato di essere utili nella lotta contro la malattia batterica del pomodoro.
A causa del loro antimicrobico, insetticida, antivirale, fitotossico, citotossico, e proprietà antielmintiche, Gli antibiotici PGPR sono più potenti di altri. Una vasta gamma di sostanze antimicotiche è prodotta da Pseudomonas, di cui 2, 4 diacetilfloroglucinolo (2, 4-DAPG), butirrolattoni, ramnolipidi, N-butilbenzene sulfonammide.
Esistono numerosi composti organici volatili (VOC) secreti dal PGPR che sono specialisti del biocontrollo per alcuni nematodi e microrganismi. I COV includono benzene, cicloesano, tetradecano, e 2-(benzilossi)-1-etanammina. L'HCN è uno dei VOC (forniti da microbi rizosferici) in grado di controllare alcuni fitopatogeni.
PGPR produce composti litici che consentono alle piante di combattere i microbi che causano infezioni. I rizobatteri producono enzimi extracellulari (chitinasi e β-1, 3-glucanasi) che sono legati alla lisi della parete cellulare. Chitinasi e -1, 3-glucanasi sono forti composti antimicotici sulle cellule fungine con le loro pareti fatte di chitina e β-1, 4-N-acetil-glucosamina.
Si propone che un'interazione metabolica tra piante e microbi coinvolga gli amminoacidi, zuccheri, acidi organici, e altre fonti di carbonio fornite dalle piante.
Le associazioni metaboliche tra piante e rizomicrobi possono essere esplorate in questa nicchia.
I metaboliti biologici dei microrganismi rizosferici sono cruciali per il successo ecologico. Secondo i loro modelli di assorbimento del substrato, i rizomicrobi in questo habitat svolgono un importante ruolo ecologico.
Molti ceppi di rizobatteri funzionano in modo da espellere un nuovo metabolita che non si trova nel sistema radicale nativo. Quindi complimentarmi con il sistema di root.
Aggiungendo abbondanti quantità di zucchero, i microbi del suolo proliferano rapidamente, dando l'impressione che il carbonio nel suolo sia in una capacità limitata nel suolo. Così, si attribuisce che le piante contengano ampi livelli di carbonio che si diffondono all'esterno attraverso molteplici vie metaboliche.
Sebbene le piante fissino il carbonio principalmente attraverso la respirazione, la deposizione rizosferica rilascia anche carbonio.
I rizobatteri producono metaboliti per le piante, ma i rizodepositi nelle piante producono una gamma di metaboliti che offrono enormi opportunità sia per attrarre che per inibire specifici ceppi batterici.
I rizomicrobi forniscono azoto, fosforo, e ferro alle piante in forme utilizzabili che sono essenziali per la crescita delle piante.
I rizomicrobi producono fitormoni come l'ACC deaminasi, citochinina, e acido indolo-3-acetico che sono essenziali per la crescita e lo sviluppo delle piante.
Per lo sviluppo di una formulazione PGPR di successo, le specie di rizobatteri dovrebbero possedere le seguenti caratteristiche Jeyarajan e Nakkeeran, 2000
I biofertilizzanti sono formulazioni vive di microbi benefici che aiutano a rendere disponibili i nutrienti alle piante. Attraverso la sua attività biologica, migliora la salute del suolo e quindi la microflora del suolo.
Il PGPR è un biofertilizzante?
Sì. PGPR è un fertilizzante biologico .
I PGPM sono il componente principale di questo biofertilizzante. Il PGPM può essere classificato in tre grandi gruppi, vale a dire, organismi micorrizici arbuscolari (AMF), sviluppo della pianta che avanza rizobatteri (PGPR), e rizobia azotofissatrice.
PGPR è stato utilizzato in tutto il mondo come biofertilizzante, aumento delle rese e della qualità del suolo. Con PGPR probabile che venga commesso, potrebbe portare alla sostenibilità agroalimentare .
Questi biofertilizzanti sono disponibili in forma solida e liquida, con formulazioni liquide risultate più efficaci. Inoculazione della radice, inoculazione di semi, e l'inoculazione del suolo sono i tre tipi principali di formulazioni liquide.
Dopo aver applicato il biofertilizzante Burkholderia phytofirmans alla radice di loietto, seme, e suolo, metodo di inoculazione del suolo era più efficiente nel migliorare la produzione di biomassa vegetale, fitorisanamento e degradazione degli idrocarburi Afzal et al., 2013
Qual è l'esempio PGPR?
Di seguito sono riportati alcuni degli esempi di PGPR e dei loro ruoli nella rizosfera:
| Rappresentante specie | Ruolo | Meccanismo(i) coinvolto(i) | Impianto(i) partecipante(i) | Riferimenti) |
|---|---|---|---|---|
| Agrobatterio radiobatterio | Migliora la bioprotezione | Antibiotici | - | Mohanram e Kumar, 2019 |
| Azotobatteri chroococcum | Assiste in biostimolazione | Produzione di gibberellina | Cereali | Zhang et al., 2019 |
| Aiuta nella bioprotezione | sideroforo | - | ||
| Azospirillum brasilense | Biofertilizzazione | solubilizzazione dei fosfati | Mais (Zea mays), Grano (Triticum aestivum L.) e Riso (Oryza sativa) | Lucia et al., 2004 |
| Bacillus cereus | Aumenta la bioprotezione | lipopeptidi | Fagiolo (Phaseolus vulgaris) | Ongena e Jacques, 2008; Vaikundamoorthy et al., 2018; Hashami et al., 2019 |
| Sistemico indotto e acquisito resistenza | Pomodoro (S. lycopersicum) Soia (Glycine Max L.) | |||
| Biorimedio | Produzione di amilasi Bonifica rifiuti industriali | - - | ||
| Bacillus subtilis | Biofertilizzazione | Sintesi dell'ammoniaca | Mais (Zea mays) | Ouhaibi-Ben Abdeljalil et al., 2016; Ait-Kaki et al., 2014; Tahir et al., 2017 |
| Aiuta nella biostimolazione | Attraverso la produzione di IAA e citochinine | Cece (Cicer arietinum) Pomodoro (S. lycopersicum L.) | ||
| Bioprotezione | lipopeptidi | - | ||
| Produzione di catalasi | Cetriolo (Cucumis sativus) | |||
| Biorimedio | Xenobiotici degradanti e allelochimici | - | ||
| Enterobacter oryzae | Biofertilizzazione | Fissazione dell'azoto | Mangart e Marmellata (Acacia acuminata) | Dinnage et al., 2019 |
| Frankia casuarinae, F. inefficace, F. irregolare, e F. saprophytica | Biostimolazione | Produzione di citochinine | - | Nouioui et al., 2019 |
| Polmonite da Klebsiella | Aiuta la biofertilizzazione | Fissazione dell'azoto | Mais (Zea mays) | Kuan et al., 2016; Sharma et al., 2019 |
| Bioprotezione | Sistemico acquisito e indotto resistenza | Arachidi (Arachis hypogaea) | ||
| Mesorhizobium loti | Biofertilizzazione | Fissazione dell'azoto | Loto (Arabidopsis thaliana) | Kaneko et al., 2000 |
| Metilobatterio exotorquens | Aiuta la biostimolazione | Produzione di citochinine | Arabidosi, orzo, mais e soia | Kaneko et al., 2000 |
| Paenibacillus xylanexedens | Facilita la bioprotezione | Produzione di chitinasi | Frumento (Triticum aestivum L.) | Verma et al., 2016 |
| Pseudomonas aeruginosa | Aiuta nella biofertilizzazione | solubilizzazione dei fosfati | Mais (Zea mays) | Hameeda et al., 2008; Ahemad e Khan, 2012; Paramanandham et al., 2017; Cheng et al., 2019; Lawrance et al., 2019 |
| Aiuta nella bioprotezione | Produzione di ammoniaca | Senape campestre (Brassica campestris L.) | ||
| Produzione di acido cianidrico | Erba dell'elefante (Pennisetum purpureo) | |||
| Assiste in Biorimedio | Produzione di cellulasi | Riso (O. sativa), Pisello (P. sativa) | ||
| Assorbimento di metalli pesanti | amaranto, Pomodoro (solanum lycopersicum L.) | |||
| rizobio leguminosarum | Biostimolazione | Produzione di gibberelline | Riso (O. sativa L.) | Yanni et al., 2001 |
| Serratia marcescens | Bioprotezione | produzione di sideroforo, chitinasi e proteasi | Zucca di campo (Poa pratensis) | Selvakumar et al., 2008; Rathore e Gupta, 2015 |
| Stafilococco saprofita | Biostimolazione | Produzione di IAA | Specie ornamentali | Manzoor et al., 2019 |
| Stenotrophomonas rizofila | Bioprotezione | Sintesi dell'amilasi | Mais (Zea mays) e Canola (Brassica napus) | Ghavami et al., 2017 |
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