Meios de cultivo minerais e orgânicos têm estrutura de comunidade distinta, estabilidade e funcionalidade em sistemas de cultivo sem solo

Scientific Reports volume 6, Número do artigo: 18837 (2016) Citar este artigo

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A escolha do meio de cultivo sem solo para nutrição, crescimento e suporte das plantas é crucial para melhorar a ecossustentabilidade da produção em sistemas hortícolas. Como nossa compreensão atual das comunidades microbianas funcionais que habitam esse ecossistema ainda é limitada, examinamos o desenvolvimento da comunidade microbiana dos dois meios de cultivo mais importantes (orgânico e mineral) usados ​​em sistemas abertos de horticultura sem solo. Nosso objetivo foi identificar fatores que influenciam a composição da comunidade ao longo do tempo e comparar a distribuição de táxons individuais em meios de cultivo e sua funcionalidade potencial. A análise de sequenciamento de alto rendimento revelou uma comunidade microbiana distinta e estável no meio de cultivo orgânico. Umidade, pH, nitrato-N, amônio-N e condutividade foram apontados como os principais fatores associados às comunidades bacterianas residentes. Ammonium-N foi correlacionado com a abundância de Rhizobiaceae, enquanto potenciais interações competitivas entre Methylophilaceae e Actinobacteridae com Rhizobiaceae foram sugeridas. Nossos resultados revelaram que meios de cultivo sem solo são nichos únicos para diversas comunidades bacterianas com estabilidade funcional temporal, o que possivelmente pode afetar a resistência a forças externas. Essas diferenças nas comunidades podem ser usadas para desenvolver estratégias para avançar em direção a uma horticultura sustentável com maior produtividade e qualidade.

Nos EUA, Canadá e Europa, 95% das hortaliças de estufa, particularmente tomates, são produzidas em sistemas de cultivo de plantas em estufas sem solo usando meios de cultivo hortícolas1. Os sistemas abertos de horticultura sem solo têm vantagens sobre os sistemas tradicionais, pois os nutrientes, o oxigênio e a água necessários para o crescimento saudável das plantas são controlados2 e os patógenos transmitidos pelo solo podem ser contornados3,4. Na Europa Ocidental, quase todos os tomates cultivados em estufa são produzidos em meio de cultura mineral composto por fibras sintéticas inorgânicas5. Os meios de cultivo mineral são produzidos a partir de diabásio, calcário e coque, que são fundidos a 1500 °C e transformados em fibras6. Em contraste, a turfa e o coco são os constituintes de origem orgânica mais utilizados nos meios de cultura produzidos na UE7. Enquanto o meio de cultivo mineral tem pH neutro, alto teor de ar e baixa densidade, o meio de cultivo orgânico é caracterizado por seu alto teor de matéria orgânica e capacidade de troca catiônica com a solução de água que irriga o meio de cultivo. Apesar dessas diferenças, o rendimento e o número de frutos de tomate (Solanum lycopersicum) foram comparáveis ​​entre plantas cultivadas em meios de cultivo mineral ou orgânico durante vários anos consecutivos8.

A sustentabilidade dos sistemas de estufa sem solo depende muito do aumento da produtividade e da eficácia geral do processo de cultivo4. Medidas de desinfecção são tomadas na estufa para garantir o rendimento final e a qualidade4. No entanto, isso resulta na eliminação não apenas de microorganismos deletérios, mas também de táxons microbianos potencialmente benéficos para a planta. Isso pode, em última análise, impedir que a comunidade atinja o equilíbrio e a estabilidade, tornando esses sistemas de cultivo sem solo em risco de invasão bem-sucedida de patógenos4. A biodiversidade protege os ecossistemas contra o declínio da sua funcionalidade, como consequência da redundância funcional pela coexistência de múltiplas espécies9,10. Isso também pode levar ao aumento da produtividade11, devido ao impacto positivo na respiração bacteriana, na produção de biomassa microbiana e no armazenamento de nutrientes para as plantas. Além disso, foi relatado aumento da estabilidade funcional temporal e resistência a forças externas, como perturbações de nutrientes e espécies invasoras10,12.

A complexa comunidade microbiana associada à planta, também conhecida como o "segundo genoma da planta", é crucial para a saúde, crescimento e desenvolvimento da planta13. Trabalhos anteriores investigando comunidades microbianas associadas a meios de cultura se concentraram principalmente na ausência de bactérias e fungos patogênicos14. Há uma compreensão limitada dos fatores que influenciam a composição da comunidade ao longo do tempo, a distribuição de táxons individuais nos meios de cultivo e sua potencial funcionalidade. A falta de estratégias de controle eficazes visando aumentar a produtividade15 aumenta nossa necessidade de monitorar de perto a rizosfera, o meio de cultivo e suas populações microbianas.