تاثیرات ریزوبیوم ها در حاصلخیزی نیتروژن خاک را توضیح دهید؟

Question

حسین برخورداری · Answer

تاثیرات ریزوبیوم ها در حاصلخیزی نیتروژن خاک را توضیح دهید؟

1- مقدمه

سيستمهاي كشاورزي براي جبران نيتروژن برداشت شده توسط محصول و يا هدر رفت آن از طريق فرآيندهايي مانند آبشويي، نيتراتزدائي و تصعيد آمونياك، به ورود نيتروژن متكي هستند . همزيستي بين ريزوبيومها (باكتريهاي موجود در گرههاي ريشه اي و بقولات، يكي از منابع اصلي نيتروژن در سامانه هاي زراعي است. ريزوبيومها از طريق آلودهسازي تارهاي كشنده يا جراحات اپيدرمي، وارد سيستم ريشهاي گياه شده و سلولهاي كورتكس ريشه را تحريك به تقسيم شدن و ايجاد گره مينمايند ( Kijne ١٩٩٢) در گرههاي ريشهاي، ريزوبيوم ها نتيروژن اتمسفري كه براي گياه قابل استفاده نبوده را به فرم قابل استفاده گياه (NH) تبديل مينمايند كه اين فرآيند تثبيت بيولوژيك نيتروژن نام دارد نيتروژن تثبيت شده پس از انتقال از گرهها به بخشهاي هوايي، ميتواند به طور مستقيم توسط بقولات زراعي يا مرتعي، براي رشد استفاده گردد. مقدار نيتروژن تثبيت شده توسط سيستم همزيستي بقولات ريزوبيوم در اكوسيستم هاي زراعي به حداقل ٧٠ مليون تن در سال بالغ ميگردد كه حدود ٤٠ درصد كل نيتروژن تثبيت شده بر روي كره زمين را شامل ميشود اعتقاد بر اين است كه در مناطق مستعد زراعي، تثبيت نيتروژن توسط بقولات زراعي و مرتعي، مهمترين عامل ورود اين عنصر مي باشد به طوري كه مقاديري بيشتر از ٥٠ درصد، مكرراً در منابع گزارش شده است . مقدار نيتروژن تثبيت شده در استراليا توسط بقولات زراعي و مرتعي، حدود يك ميليون تن تخمين زده ميشود كه معادل كاربرد يك ميليارد دلار كود نيتروژني است نيتروژن تثبيت شده ممكن است به صورت غير مستقيم مانند تراوههاي ريشه بقولات و تجزيه بقاياي آنها، مورد استفاده ساير گياهان قرار گيرد . معدني شدن بقاياي بقولات، مقادير متفاوتي از نيتروژن را به سيستمهاي زراعي وارد ميكند كه اين امر بستگي به عواملي چون چراي دام، كارايي استفاده از كربن توسط موجودات تجزيه كننده، ني از نيتروژني، نسبت گياه و برخي از خصوصيات خاك دارد مقدار اين نيتروژن در سيستمهاي مرتعي كه در آنها بقولات به عنوان كود سبز كشت ميشوند ميتواند قابل توجه باشد با اينحال حتي هنگامي كه مقادير زيادي از نيتروژن تثبيت شده توسط يك محصول دانهاي برداشت ميشود؛ تثبيت نيتروژن ميتواند بازهم سبب بهبود اقتصاد نيتروژن تثبيت شده توسط يك محصول دانهاي برداشت ميشود؛ تثبيت نيتروژن ميتواند بازهم سبب بهبود اقتصاد نيتروژن خاكها شود بقولات عموماً مي توانند عملكرد محصول بعدي را معادل كاربرد ٣٠ تا ٨٠ كيلوگرم كود نيتروژن در هر هكتار افزايش داده و با قطع توالي بيماريها از اين نظر نيز مفيد باشند.به منظور حداكثر بهرهگيري از توان بالقوه تثبيت نيتروژن، بقولات بايد با سويه هاي ريزوبيومي مؤثر گرهدار شوند. در كشورهاي داراي كشاورزي مكانيزه، اين امر غالباً با تلقيح بذر بقولات با سويههاي ريزوبيومي منتخبي انجام ميشود كه بصورت تجاري و با اشكالي چون پيتاستريل شده با اشعه گاما، عرضه ميگردند براي مثال در استراليا سويه هاي ريزوبيومي انتخاب ميشوند كه داراي خصوصيات زير باشند

از نظر ظرفيت تثبيت نيتروژن در همزيستي با گياه ميزبان مورد نظر، كاملاً مؤثر باشند
 	در شرايط خاكي و اقليمي مورد استفاده، از توان ماندگاري خوبي در خاك برخوردار باشند.
 	در عين كارايي، توان گرهزايي بر روي گياه غير از ميزبان كشت شده در همان سيستم كشاورزي را نداشته باشند.

كنترل كيفي دقيق مايه تلقيحهاي تجاري توليد شده در استراليا كه توسط يك اداره مستقل انجام ميشود، سبب توليد مايه تلقيحهاي بر پايه پيت و با كيفيت بالا شده است كه ١ ريزوبيوم زنده در هر گرم ميباشد. در نتيجه كشاورزان امكان بهره گيري از  حاوي حداقل حداكثر تثبيت نيتروژن را در تناوبهاي زراعي و مرتعي سيستم هاي زراعي خواهند داشت . متأسفانه بقولات همواره با سويههاي تلقيح شده گرهدار نمي شوند . يكي از عواملي كه سبب جلوگيري از اشغال گرهها و تثبيت نيتروژن ميگردد، حضور جمعيت ريزوبيومهاي بومي با كارايي متفاوت و متغير است. در اين فصل به مرور عواملي خواهيم پرداخت كه در تعداد، تركيب سويهاي، دوام سويهاي و كارايي تثبيت نيتروژن ريزوبيومهاي بومي دخالت دارند . همچنين راهكارهاي مديريتي بالقوه براي افزايش ورود نيتروژن تثبيت شده از طريق دستكاري جمعيت بومي به منظور افزايش گرهبندي توسط سويههاي تلقيح شده نيز مورد بحث قرار خواهند گرفت . در انتها با بررسي تأثيرات عمليات زراعي حفاظتي بر رقابت بين جمعيت بومي و سويه هاي تلقيحي بحث را به پايان خواهيم رساند.

2- محدود شدن تثبيت نيتروژن به دليل وجود جوامع بومي ريزوبيومها در خاك

بيشترين مقادير تثبيت نيتروژن در بقولات زراعي بطور معمول در شرايط زير ديده ميشود:

I) در شرايطي كه جمعيت بومي ريزوبيوم براي رقابت با سويههاي تلقيح شده وجود ندارد يا

II) جمعيت بومي، حاوي ريزوبيومهايي است كه بقولات مورد نظر را بطور مؤثري گرهدار مينمايد.

هرگاه جمعيت بومي موجود نباشد، انتخاب يك سويه ريزوبيومي كارآمد و سازگار با شرايط خاكي مختلفي كه ميزبان مورد نظر در آن رشد ميكند، اطميناندهنده بيشترين مقادير تثبيت نيتروژن خواهد بود بقولات Biserrula pelecinus و Stylosanthes seabrana در استراليا و Lotus pedunculatus در افريقاي جنوبي مثالهايي ميباشند كه بقولات زراعي بدون حضور جمعيت بومي ريزوبيومها كشت ميگردند.

هنگامي كه خاك داراي جمعيت بومي ريزوبيوم باشد، غالباً تلقيح نميتواند سبب افزايش تثبيت نيتروژن گردد مگر اينكه اين تراكم جمعيت كمتر از ١٠ سلول ريزوبيوم در هر گرم خاك باشد.

بنابراين بقولاتي كه ميتوانند بطور مؤثري با جم عيت بومي خاك گرهدار شوند، فقط در مكانهايي كه سابقه كشت آنها وجود ندارد و يا در خاكهايي كه فقط براي يك مدت كوتاه زير كشت آن گياه بودهاند از تلقيح بهرهمند خواهند شد . گياهان lupin و Serradella و شبدر در جنوب غرب استراليا، باقلا در خاكهاي زراعي فرانسه نخود در خاكهاي بنگلادش و لوبيا در خاكهاي اسپانيا مثال هايي ميباشند كه بقولات در حضور جمعيت بومي ريزوبيومها بطور مؤثري گرهدار ميشوند. هنگامي كه مايه تلقيح به خاكي داراي جوامع بومي ريزوبيوم با درجات كارايي متفاوت افزوده شود، بخش كوچكي از گرهها توسط سويه هاي مايه تلقيح اشغال ميگردد كه خود عامل مهمي در محدود كردن عرضه نيتروژن از طريق تثبيت نيتروژن ميباشد. به عنوان مثال Thies و همكاران، ١٩٩١ نشان دادند در خاكهاي هاوايي كه داراي جمعيت ريزوبيوم بومي هستند براي اينكه افزايش قابل ملاحظهاي در عملكرد گياهان تلقيح شده نسبت به تلقيح نشده ملاحظه شود بايد ٦٦ % از گرهها توسط سويه موجود در مايه تلقيح اشغال گردد. در آمريكا و در مناطق كشت سويا، تمام تلاشهايي كه براي جايگزيني سويه هاي بومي و كم اثر Bradyrhizobium japonicum مربوط به 123 Serogroup با سويه هاي مؤثر مايه تلقيحها انجام شده تاكنون ناموفق بوده است. در مناطقي كه داراي جمعيت بومي ريزوبيوم در خاك هستند دلايل موفق نبودن تلاشها براي افزايش تثبيت نيتروژن از طريق تلقيح به خوبي شناخته شده است

در سال اول كشت محصول، به دليل تراكم نسبتاً كم جمعيت ب ومي و تعداد بيشتر سويه هاي تلقيح شده بر روي بذرها و در نقطه خروج ريشه چه، بخش عمدهاي از گرهها توسط سويه هاي تلقيح شده اشغال ميشود . ولي در سالهاي بعدي يك  روند كاهش در درصد اشغال گرهها توسط سويه تلقيح شده ملاحظه گرديد اين امر ميتواند به دليل I) دوام بهتر سويه هاي بومي سازگار يافته در محيط خاك II) تكثير سويههاي بومي در ريزوسفر گياه ميزبان III) توان رقابت بيشتر سويههاي بومي براي گرهزايي  IV) آزاد شدن تعداد زيادي از سويههاي بومي از  گرههاي پير و در حال متلاشي شدن Thies و باشد.

سادهترين راه براي افزايش تثبيت نيتروژن در شرايطي كه خاك داراي جمعيت ريزوبيوم بومي است، انتخاب گونههايي از بقولات است كه بطور مؤثري با جمعيت بومي گرهدار شده و يا  اينكه اثر متقابلي با آن نداشته باشند . در برخي موارد مي توان سويه اي با قدرت رقابت بالا و سازگار با محيط را از ميان توده جمعيت بومي انتخاب كرد كه قادر به اشغال گرهها باشد. براي مثال دريافت هنگامي كه سويههاي بومي و مؤثر ٧ سلول در هر گرم خاك × ٨ و ١٠٣ × ريزوبيوم به خاكهاي داراي تراكم جمعيت بومي معادل تلقيح شدند، توانستند اكثر گرهها را اشغال نمايند. در تحقیقاتی که اخیراً انجام شده است، سویههاي ریزوبیوم بومی همزیست با نخود، باقلا و گونههاي یونجه در شرق استرالیا مورد غربالگري قرار گرفتند تا از میان جوامع ریزوبیومی غالب در گره، سویههاي با درجه کارایی بالا مشخص گردند در غرب استرالیا چندین سویه مؤثر و رقابتگر Bradyrhizobium از بین سویه هاي بومی تشخیص داده شدهاند که قابلیت استفاده به عنوان مایه تلقیح براي گیاه serradella را در خاکهاي شنی اسیدي دارا میباشند. عنایت به اینکه رقابت براي ایجاد گره یکی از مهمترین عوامل تعیینکننده در ترکیب سویه اي جوامع ریزوبیومی است. انتخاب سویههاي مؤثر که در شرایط منطقه مورد نظر از قدرت رقابت بالایی برخوردار میباشند، بهترین راه براي معرفی مایه تلقیحهاي موفق در حضور جمعیتهاي بومی ریزوبیوم است. راه ديگر براي يافتن سويههاي محلي و مؤثر، شامل دستكاري جمعيت بومي به نحوي است كه سويههاي معرفي شده بيشترين درصد گرهها را اشغال نمايند. اجراي  وفقيت آميز چنين برنامهاي بستگي به ميزان درك ما از فرآيندهايي است كه تعيين كننده تركيب سويهها، پايداري آنها، تنوع ژنتيكي و كارايي جمعيت بومي است و شامل موارد زير ميباشند:

چگونگي پيدايش و تكامل جمعيتهاي ريزوبيومي
 	تأثير جهش ژنتيكي و تبادل DNA بر تنوع ژنتيكي و كارايي آنها
 	مهاجرت سويه ها بين جمعيتهاي مختلف
 	تأثير شرايط محيطي بر تعداد و تنوع جمعيتي، نسبت هر سويه در داخل جمعيتها و توان  رقابتي سويهها براي گرهبندي گياه ميزبان.

3- منابع تنوع ژنتيكي در جوامع ريزوبيومي بومي

3-1- - تكامل و تغيير ژنتيكي در جوامع ريزوبيومي

تكامل اوليه ريزوبيومها احتمالاً قبل از تكامل گياهان بوده و توانايي تثبيت نيتروژن نيز در اين دوره به وجود آمده است بعدها با ظهور بقولات، ظرفيت گرهبندي نيز تكامل يافته است و شواهدي مبني بر توزيع ژنهاي گرهزايي در ميان گروههاي مختلف فيلوژني ريزوبيومها از طريق انتقال افقي وجود دارد تعيين رديف بازهاي ژنهاي nod و nif مشخص ساخته است كه فيلوژني ژنهاي nod مطابقت خوبي با سيستماتيكگياه ميزبان دارد؛ در صورتي كه فيلوژني ژنهاي nif با فيلوژني باكتريها مطابقت دارد طيفي از مكانيسمهاي مختلف ناشي از اثرات متقابل بين DNA موجودات زنده مختلف و متغيرهاي محيطي وجود دارد كه منجر به تنوع ژنتيكي جوامع ريزوبيومهاي بومي مي گردد كه آلوده كننده يك گياه ميزبان ميباشند. تغييرات ژنوم ريزوبيوم ها در آزمايشگاه از طريق جهش، باز چيني ژنوم و اكتساب DNA از طريق فرآيندهاي معمول انتقال DNA در باكتريها شامل تبديل ، ترارساني و جفتشدگي به اثبات رسيده است باز چيني DNA در حين همانندسازي سلول و هنگامي كه پلاسميدهاي متحرك مختلف و عناصر قابل جايگزيني بين باكتريهايي كه بهم نزديكند مبادله ميشود اتفاق ميافتد. سرعت وقوع چنين وقايعي توسط مواد جهشزاي محيطي و دروني، سرعت تقسيم سلولي و عوامل محيطي كه نوتركيبي ژنتيكي ٢٦٥ را افزايش ميدهند تعيين ميگردد.

در آزمايشهاي كنترل شده در خاك ثابت شده است كه سرعت نوتركيبي تحت تأثيركانيهاي رس، مواد جامد pH حرارت، رطوبت، وجود اكسيژن، وضعيت عناصر غذايي و دسترسي به منابع انرژي قرار مي گيرد آزمايشات مزرعهاي نشان داده است كه نسبت به مطالعات آزمايشگاهي كنترل شده، انتقال DNA بين موجودات در خاك به مراتب از احتمال كمتري برخوردار مي باشد بخشي از اين امر ميتواند به اين دليل باشد كه ژنوتيپهاي مختلف در ريزمكانهاي مختلف خاك وجود دارند و موانع مولكولي و ژنتيكي نيز در راه انتقال ژن در اين موضوع دخالت دارند. اين موانع شامل مكانيسمهايي است كه از تركيب پايدار DNA منتقل شده جلوگيري كرده و به صورت انتخابي سبب بروز صفات مورد نظر ميشوند.

به دليل اهميت پلاسميدهاي  Sym كه در بسياري از ريزوبيوم ها، حامل ژن هاي nod و nif ميباشند؛ تبادل پلاسميدي بطور گستردهاي مورد مطالعه قرار گرفته است نسبت به Bradyrhizobium ها، تبادل پلاسميدي مي تواند مهمترين منبع تنوع ژنتيكي در ريزوبيومها باشد زيرا با وجود اينكه انتقال پلاسميدي بين Bradyrhizobium ها در خاك مي تواند اتفاق بيفتد ولي Bradyrhizobium ها بندرت داراي پلاسميد هستند.

Sullivan و Ronson ١٩٩٨ نشان دادند ژنهاي همزيستي واقع بر كرموزوم يك سويه مايه تلقيح به نام Mesorhizobium loti ميتواند به ريزوبيومهاي غيرهمزيست منتقل شود آنها پيشنهاد كردند كه تفاوت ژنتيكي جمعيت ريزوبيومي بازيافت شده از گرههاي گياه Lotus corniculatus با سويه اي كه هفت سال پيش به خاك فاقد M. loti تلقيح شده بود ناشي از اين انتقال بوده است. اين مكانيسم همچنين ميتواند در پيدايش تنوع ژنتيكي در جمعيت هاي Bradyrhizobium ها مهم باشد (ژنهاي همزيستي در Bradyrhizobium ها بر روي كروموزومها قرار دارند) اگرچه وجود جمعيت هاي غيرهمزيست در Bradyrhizobium تاكنون گزارش نشده است. با اين حال مطالعات متعددي نشان داده است برخي از باكتريهاي اوليگوتروف خاك كه داراي رابطه فيلوژنتيك با Bradyrhizobium

(براساس رديف بازهاي  srRNA 16 ) هستند ميتوانند به عنوان پذيرنده هاي ژنهاي همزيستي منتقل شده عمل نمايند جمعيتهاي متفاوت ژنتيكي Bradyrhizobium هاي مؤثر همزيست با گياهان serradella و lupin تلقيح شده در خاكهاي غرب استراليا (آمار منتشر نشده Haq و McInnes ) ممكن است از طريق چنين مكانيسمي به وجود آمده باشند مطالعات بازيافت يك تا ٢٠ ساله سويههاي ريزوبيومي تلقيح شده، نشان داده است كه پيدايش تنوع ژنتيكي در ريزوبيومها ميتواند به سرعت انجام شود.

اكثر جدايههاي بازيافت شده از مزرعه، با استفاده از روشهاي مختلف شناسايي سويه ها كه براي سويههاي تلقيح شده اوليه نيز بكار رفتند مورد آزمون قرار گرفتند. با اينحال به جز يك  مورد در تمام مطالعات مداركي دال بر تغيير ژنتيكي در سويههاي مايه تلقيح ديده شده است جدايه هاي مزرعه اي سويههاي مايه تلقيح از نظر خصوصيات فنوتيپي و توان رقابتي متفاوت بودند و با استفاده از روشهاي انگشت نگاري RFLP PCR RAPD و تفاوتهاي كموزيادي را بهلحاظ خصوصيات ژنوتيپي نشان دادند.

برخي از جدايههاي مزرعهاي نسبت به كشتهاي آزمايشگاهي سويههاي مادري مايه تلقيح، توان تثبيت نيتروژن آنها كاهش يا افزايش يافته بود اين مطالعات دلالت بر اين دارند كه تمام سويه هاي تلقيح شده پس از رها شدن در خاك در معرض تغيير ژنتيكي قرار مي گيرند و اين امر در چارچوب زماني بسياري از برنامههاي تحقيقات قرار ميگيرد. مطالعات مربوط به جمعيتهاي ريزوبيومي درون گرهها نشان داده است كه نوتركيبي اندكي بين موجودات زنده درون بافت گره اتفاق مي افتد.

با اينحال مطالعات مربوط به جمعيتهاي خاك نشان داده است كه نوتركيبي قابل توجهي در محيط خاك اتفاق مي افتد اين يافتههاي متناقض دلالت بر اين امر دارد كه جمعيتهاي ريزوبيومي موجود در گرهها تنها شامل نسبت كوچكي از كل تنوع جمعيتي در محل است و افزايش يكدست ژنوتيپ هاي معين در گره ها، در ساختار جمعيتي گرههاي لگوم ميزبان بعدي مشاركت عمدهاي دارد.

3-2-مكانيسمهايي كه در كارايي جوامع ريزوبيومي تعيين كننده هستند

كارايي سويههاي جوامع بومي ريزوبيوم ميتواند تحت تأثير وجود گياه ميزبان قرار گيرد. نتايج دو مطالعه قديمي در استراليا نشان داد كه دو نوع شبدر مورد مطالعه توانستند ريزوبيومهاي كارآمد تثبيتكننده نيتروژن را از جمعيتهاي مخلوط انتخاب نمايند. با اينحال مطالعات بعدي نشان دادند كه معمولاً هيچ رابطه اي بين توان تثبيت نيتروژن ژنوتيپهاي ريزوبيومي و قابليت انتخاب شدن آنها توسط ميزبان وجود ندارد.

جديدترين نظريه مبني بر اين است كه كارايي تثبيت نيتروژن بطور غير مستقيم توسط خود گياه ميزبان و از طريق محدوديتهايي كه براي سويه هاي غيرفعال در گرهها اعمال ميشود مورد انتخاب و غربال گري واقع مي گردد. اين محدوديتها (مانند كاهش عرضه اكسيژن به گره ها، توليد اسيد هيدرولازها و وابسته كردن متابوليسم كربن باكتريها به متابوليسم نيتروژن گياه ميزبان ميتواند به اختصاص ترجيحي منابع به باكتروئيدهاي مؤثر و يا گرههاي فعال منجر شود نتيجه نهايي، افزايش ژنوتيپ هاي باكتريهاي مطلوب در جمعيت خاك از طريق آزاد شدن از گرههاي پير است. به اعتقاد Denison ٢٠٠٠ اين مكانيسمها احتمالاً ديناميك جمعيتي ريزوبيومهاي آلوده كننده بقولات با گره هاي با رشد محدود را بيشتر از بقولات با رشد نامحدود تحت تأثير قرار ميدهند. چون در گرههاي با رشد محدود پس از پيري گرهها، باكتروئيدها زنده ميمانند لذا عملاً محدوديتهاي اعمال شده از طرف گياه ميزبان بر عليه باكتروئيدهاي غير فعال به بخش كوچكي از اين ژنوتيپهاي آزاد شده در جمعيت خاك اعمال ميشود. اين امر در مورد گرههاي با رشد نامحدود پيچيدهتر است زيرا باكتروئيدها در چنين حالتي پس از پيري گره ميميرند و محدوديتهاي اعمال شده عليه باكتريهاي غير فعال، جمعيت خاك را تحت تأثير قرار نميدهد. با اين حال باكتريهاي جدا نشده از گرهها، در جمعيت خاك تأثيري نخواهند داشت.

اشغال گرهها توسط بيش از يك سويه ريزوبيومي امري نسبتاً عادي است ( Thies وهمكاران، 1995 )  و اين بدين معني است كه ريزوبيوم هاي انگل ممكن است در گرههاي حاوي باكتروئيدهاي فعال كه فاقد محدوديت اعمال شده از طرف گياه ميزبان است تكثير يابند. در اين حالت احتمال انتخاب سويه هاي فعال ريزوبيوم در خاك توسط گياه ميزبان اندك است. نظريههاي ديگر پيشنهاد ميكنند كه تركيب سويهاي در داخل گرهها ارتباطي به درجه كارايي آنها در همزيستي با گياه ميزبان ندارد. قابليت ريزوبيومها و انطباق آنها براي بقاي طولاني مدت در خاك عامل مهمتري براي انتخاب طبيعي در تركيب سويه اي جمعيت نسبت به توان تثبيت نيتروژن آنها در همزيستي با لگوم ميزبان است (Sprent ١٩٩٤ Howieson و McInnes ٢٠٠١) در يك مطالعه مربوط به مدلسازي كه توسط Provorov و ،Vorobev ١٩٩٨ انجام شد اين محققين پيشنهاد كردند كه رقابت براي گره بندي، بزرگترين و بيشترين تأثير را بر تكامل جمعيت بومي ريزوبيومها دارد. هر دو اين مكانيسمها ميتوانند در تنوع كارايي بسياري از جمعيتهاي بومي ريزوبيوم نقش داشته باشند (قسمت ٢ اين فصل).

3-3-مهاجرت بين جمعيتي سويههاي ريزوبيومي

همچنانكه از توزيع گسترده نژادهاي اصيل بومي بسياري از ريزوبيومها پيداست، تنوع جمعيتهاي ريزوبيومي ممكن است به دليل مهاجرت گروههاي متمايز ژنتيكي به يك منطقه جديد باشد مكانيسمهاي توزيع ريزوبيومها ميتواند شامل انتقال آنها توسط باد، آب سطحي و پخش توسط انسان و حيوانات اهلي باشد ريزوبيومها ميتوانند براي مدت هاي طولاني در خاك و نيز گرد و غبار روي بذر دوام داشته باشند و از اين طريق بسياري از سويههاي مختلف همزيست با بقولات زراعي مختلف ممكن است به جمعيت خاك افزوده شوند در نتيجه جوامع ريزوبيومي ممكن است شامل سويههايي باشند كه به همراه بقولات بومي منطقه در خاك تكامل يافته باشند و يا سويههايي كه از طريق روشهايي كه در بالا شرح داده شد از محل ديگري وارد خاك شده باشند.

4- روند غناي سويه اي و تنوع ژنتيكي در داخل جمعيت هاي ريزوبيومي

فرآيندهايي كه در بالا و در مورد تكامل، تبادل ژنتيكي و مهاجرت توضيح داده شد سبب پيدايش جمعيتهاي ريزوبيومي در سراسر جهان ميشوند كه هم از لحاظ تعداد سويههاي مختلف موجود در جمعيت (غناي سويهاي) و هم از نظر تنوع ژنتيكي بين سويهها با هم تفاوت دارند برخي از گونههاي گياهي نسبت به ساير گونهها، ذاتاً داراي جمعيت هاي ريزوبيومي با غناي سويهاي بالا هستند (به عنوان Phaseolus coccineus ؛ Souza و همکاران 1994) و همچنين براي يك گونه مشخص، غناي سويهاي در داخل گره ها مي تواند در نقاط مختلف متفاوت باشد جوامعي از ايزولههاي جدا شده از گرهها كه غناي سويهاي بالايي را نشان ميدهند ممكن است با استفاده از روش پروفيل الكتروفورز آنزيمهاي چند نقطهاي از نظر ژنتيكي متفاوت بوده و يا اينكه تفاوتي با هم نداشته باشند همانند غناي سويهاي، تفاوت ژنتيكي جوامع ريزوبيومي مستقر در گرهها نيز، بين گونهها يا ارقام مختلف رشد يافته در يك نقطه ( Caballero-Mellado و ،Martinez-Romero ١٩٩٩) و يك گونه مشخص روئيده شده در نقاط مختلف متفاوت ميباشد. از بين اين جوامع متنوع، تنها بخش كوچكي از سويه ها با  احتمال بالا از گره ها قابل بازيابي هستند با توجه به مطالعات منتشر شده، فقط يك يا دو سويه بيشتر از ٣٠ % جمعيت گره ها را اشغال مي كنند اين صفت جمعيتي به وجود آورنده چالشي براي يافتن راهكارهاي مديريتي براي افزايش جمعيت سويههاي ريزوبيومي دلخواه در خاك و يا گره گياه ميزبان است. با اينحال ممكن است از طريق مديريت عوامل محيطي تأثيرگذار بر تعداد، تنوع و غلبه سويهاي در جوامع ريزوبيومي، بتوان تظاهر سويه هاي دلخواه را افزايش داد. اين عوامل محيطي در جدول يك آورده شدهاند.

5- عوامل محيطي مؤثر شناخته شده بر جوامع ريزوبيومي خاك

عوامل بسياري مانند تلقيح سويههاي ريزوبيومي، انتخاب گونههاي گياهي غير بقولات و بقولات ميزبان، نوع خاك، اقليم و عمليات مديريت كشاورزي ميتوانند جوامع ريزوبيومي خاكهاي زراعي را تحت تأثير قرار دهند در سطح كلي جمعيت، عوامل محيطي مي توانند اندازه جمعيت و تنوع آن را متأثر سازند براي مثال Woomer و Bohlool ١٩٨٩ در يك مطالعه گسترده روي جوامع ريزوبيومي كه در طيفي از محيطهاي متنوع آمريكا انجام شد دريافتند كه ٩٥ % از تغييرات مشاهد ه شده در اندازه « مائويي هاوايي » جزيره جوامع بومي با استفاده از يك مدل منظم به تراكم گياه ميزبان، متوسط بارندگي ساليانه و كل بازهاي تبادلي قابل پيشبيني است. در بين جوامع ريزوبيومي، دوام نسبي سويههاي منفرد ممكن است توسط بسياري از عوامل محيطي تحت تأثير قرار گيرد، و توان رقابتي آنها براي گرهبندي با گياه ميزبان تغيير يابد احتمالاً سويههاي تلقيح شده نسبت به سويههاي بومي سازگار يافته با محيط، به مجموعه ديگري از عوامل عكسالعمل نشان ميدهند.

در مطالعه جزيره مائويي ( Woomer و Bohlool ١٩٨٩) نشان داده شد كه سينتيك جوامع ريزوبيومهاي تلقيح شده، تابعي از كربن آلي خاك، ظرفيت نگهداري آب خاك و ظرفيت تبادل كاتيوني ميباشند. برخي از عوامل محيطي (مانند نوع خاك، درجه حرارت و رطوبت خاك،) كه تأثير آنها در اندازه جمعيت ريزوبيومي و تركيب سويه اي آن اثبات شده است، به راحتي توسط زارعين قابل مديريت نبوده و لذا نميتواند براي افزايش اشغال گره ها توسط سويههاي تلقيح شده مورد استفاده قرار گيرد. عواملي كه قابل مديريت مي باشند شامل انتخاب گياه ميزبان و غيرميزبان (تناوبهاي زراعي، تركيب مراتع) pH خاك (آهكدهي، استفاده از كودهاي غيراسيدزا)، وضعيت عناصر غذايي خاك (كاربرد كوداي (Fe و Ca ،K ،P ،N) محتواي مواد آلي خاك (مرتع و كود سبز، برگرداندن بقايا) و عمليات خاكورزي است احتمال تغيير در تركيب جمعيتي ريزوبيومها و مديريت آنها از طريق كاربرد علف كشها، آفت كشها و قارچكشها نيز وجود دارد ولي تاكنون (با اطلاعات مؤلفين) اين امر مطالعه نشده است . مديريت ميكروارگانيسمهاي غير ريزوبيومي كه تأثيرات مثبت يا منفي بر ريزوبيومها دارند (مانند باكتريها،قارچها، پروتوزئرها، فاژها و بدلوويبريو ٢٧٩ ، جدول يك را ببينيد) ممكن است راه ديگري براي مديريت جوامع ريزوبيومي باشد (Boven و Rovira ١٩٩٩) اگرچه اثرات متقابل آنها در محيط خاك به درستي روشن نشده است.

همچنين افزايش گرهبندي توسط سويههاي كارآ ممكن است از طريق راهكار هاي مديريتي كه بطور اختصاصي فرآيند آلودهسازي ريشه را هدف قرار ميدهند نيز امكانپذ ير باشد براي مثال:

تلقيح توام سويه هاي ريزوبيومي و باكتريهاي ريزوسفري محرك رشد گياه (PGPR) بر روي بذر كه ميتواند به واسطه توليد هورمونها، سيدروفورها، آنتيبيوتيكها، آنزيمهاي حل كننده فسفات و تركيبات محرك رشد تارهاي كشنده، سبب افزايش عمر مايه تلقيح و قدرت آلوده سازي آن شود (Bowen وRovira ١٩٩٩ )
 	انتخاب سويههايي كه داراي حداكثر تحرك با خصوصيات ويژه سطح سلول كه منجر به گرهزايي زودتر ميشود.
 	انتخاب سويههاي توليد كننده باكتريوسين (Dowling و Broughton ١٩٨٦ ) كه ميتواند منجر به محدوديت براي باكتريهاي بومي شود.
 	استفاده از ارقامي از بقولات كه بطور انتخابي سبب افزايش گرهبندي با سويههاي ريزوبيوم تلقيح شده ميشوند (بطور مثال از طريق توليد ايزوفلاونوئيد Dakora و Phillips ١٩٩٦)
 	تغيير ژنتيكي گياه ميزبان و يا سويههاي تلقيحي به منظور افزايش قدرت رقابت براي گرهبندي و يا ظرفيت تثبيت نيتروژن (Bosworth و همكاران، ١٩٩٤ Phillips و  Streit١٩٩٨ ) .

موفقترين تصميمات مديريتي احتمالاً تركيب راهكارهايي است كه تعداد و تنوع ريزوبيومهاي بومي را كاهش داده يا گرهبندي با سويههاي تلقيح شده را افزايش ميدهند. عواملي كه سبب كاهش جمعيت كلي ريزوبيومها ميشوند، مانند عدم حضور بقولات ميزبان، توليد تراوههاي ريشهاي سمي، فراهمي كم فسفر، خاكورزي و آيش، ممكن است قبل از اضافه كردن سويههاي تلقيحي سبب كاهش جمعيت بومي شوند. عواملي كه سبب كاهش تنوع ژنتيكي در جمعيت بومي ريزوبيومها ميشوند (انتخاب گياه ميزبان، اسيديته خاك، مقدار منيزيم خاك، كاربرد نيتروژن يا ك ودهاي NPK خاكورزي ميتوانند سبب افزايش استقرار و توان رقابتي سويه هاي تلقيح شده شوند.

با عنايت به پيچيدگي جمعيتهاي بومي، و ظرفيت تبادل ژنتيكي حتي در سويه هاي تلقيح شده (قسمت 1-3 این فصل) همچنان نيازمند مداخله براي افزايش گره بندي توسط سويههاي مطلوب هستيم. راهكارهاي مديريتي به كار رفته ممكن است در سيستم هاي زراعي، موفقتر از مراتع دائمي يا طولاني مدت باشند و لذا امكان مداخله بيشتري وجود دارد . چون سويه هاي ريزوبيومي كه در جمعيتهاي ريزوبيومي جدا از هم (از لحاظ جغرافيايي) وجود دارند. غالباً با هم متفاوت هستند ( Strain) و همكاران، ١٩٩٥؛ Aguilar و همكاران ١٩٩٨؛ Handley و همكاران، 1998؛ Mhamdi و همكاران،١٩٩٩؛ McInnes ٢٠٠٢ ) موفقيت راهكارهاي انتخاب شده براي افزايش گرهبندي و تثبيت نيتروژن در بقولات رشد يافته در خاكهاي با جمعيت بومي، غالباً وابسته به محل خواهند بود.

6-عمليات مؤثر بر جمعيت ريزوبيومها

با توجه به مطالبي كه درباره عوامل تأثيرگذار بر اندازه جمعيت ريزوبيوم ها، تنوع و ماندگاري سويهها در بالا مرور شد، ميتوان به نتايجي درباره تأثيراتي كه كشاورزي حفاظتي بر جمعيت بومي ريزوبيوم و بر تلقيح موفقيتآميز سويههاي تلقيح شده دارند رسيد. عملياتي مانند كم خاكورزي و بازگرداندن بقايا، منجر به افزايش ماده آلي خاك، بهبود ساختمان خاك، بهبود تهويه و كاهش غرقاب و شوري ميشود كه تمامي اين پديدهها سبب بهبود دوام ريزوبيوم ها و افزايش اندازه جمعيت بومي ميگردد افزايش مدت حضور بقولات در تناوب ها (بقولات مرتعي و علفي) از طريق افزايش مواد آلي خاك و نيز حضور بقولات ميزبان، اثرات مشابهي را اعمال ميكنند . افزايش اندازه جمعيت بومي در خاك، احتمال موفقيت سويههاي تلقيح شده را بسيار مشكل ميسازد (قسمت ٢ اين فصل). افزايش غناي سويهاي و تنوع ژنتيكي در تناوبهاي زراعي با طيف وسيعتر گونههاي گياهي نيز ممكن است داراي تأثير مشابهي باشد. تأثير كم خاكورزي بر جمعيتهاي ريزوبيومي پيچيده است. كم خاك ورزي بدين معني است كه سويههاي تلقيح شده به درستي و يكنواختي در خاك توزيع نشده و نمي توانند محيط خاك اطراف منطقهاي را كه به آنجا تلقيح شدهاند كلونيزه نمايند. با اينحال به اعتقاد Sattery و همكاران، ٢٠٠١ عدم استفاده از ماشينآلات كشاورزي (به واسطه كاهش اثرات منفي ناشي از خاكورزي) ميتواند سبب كلونيزاسيون سريع توسط سويههاي تلقيح شده گردد. افزايش اندازه جمعيت بومي ريزوبيوم در سيستم بدون خاكورزي يا با حداقل خاكورزي اتفاق ميافتد و اين جمعيت ممكن است داراي افاقد تنوع كمتر ژنتيكي نسبت به جمعيت بومي در سيستم هاي واجد خاك ورزي باشند . عمليات كشاورزي حفاظتي ممكن است همچنين بر روي تركيب ژنتيكي سويهها در درون گرهها، و روي كارايي تثبيت نيتروژن آنها تأثيرگذار باشند. هر چه محيط خاك بافرتر باشد، از انتخاب كمتري براي بقاي ساپروفيتي ريزوبيومها برخوردار است. بنابراين انتخاب اعمال شده توسط بقولات ميزبان تأثير بيشتري بر تركيب سويهاي جمعيتهاي ريزوبيومي خواهند داشت . همچنين  ميتواند شامل انواع كارآ از نظر تثبيت نيتروژن باشد يا نباشد تركيب سويهاي جمعيتهاي ريزوبيومي ممكن است در پاسخ به عملياتي مانند كاهش كاربرد كود و ساير مواد شيميايي زراعي (مانند علفكشها و قارچكشها) تغيير يابد.

7- نتیجه گیری

در اين فصل عوامل دخيل در تعداد و تنوع جمعيتهاي ريزوبيومي مرور شد و تعدادي از عمليات مديريتي كه ميتوانند براي استقرار بهتر سويه هاي تلقيح شده در خاكهاي حاوي جمعيتهاي بومي مورد توجه واقع شوند، بررسي شدند. با توجه به:

I)پيچيدگي مكانيسمهاي تعيين كننده تركيب سويهاي، دوام سويه اي، تنوع ژنتيكي و كارايي جمعيتهاي بومي II) تغيير پذيري جمعيتهاي ريزوبيومي در نقاط مختلف III) ظرفيت تكامل سريع سويههاي جديد از طريق تغيير و تبادل ژنتيكي (شامل تغيير در سويههاي تلقيح شده)، موانع جدي در راه بهبود گرهبندي توسط سويههاي تلقيح شده وجود دارد. راهكارهاي مديريتي موفق شامل:

I) انتخاب سويههاي غالب و مؤثر براي مايه تلقيحها از خاكهايي كه بقولات مورد نظر در آن خاكها كشت ميشوند II)كاهش تعداد و تنوع جمعيت بومي قبل از كشت III) وجود حالت انتخابي براي گرهبندي توسط سويههاي تلقيح شده ميباشند. تغيير عمليات زراعي، مانند تغيير به سمت خاكورزي حفاظتي در توسعه راهكارهاي جديد تلقيح نيازمند توجه جدي است.

منبع :

وزارت جهاد کشاورزی سازمان تحقیقات ، آموزش و ترویج کشاورزی مرکز اطلاعات و مدارک علمی

جهت خرید انواع خاک مناسب برای بستر های کشاورزی و نیز خاک های مناسب گیاهان زینتی به صورت بسته بندی به بستر عرضه خاک و مشتقات وارد شوید . بستر خاک و مشتقات

جهت تماشای ویدئوی آموزشی رایگان وارد بستر مرکز آموزش شوید . بستر مرکز آموزش ویدئویی