Διερεύνηση της δυνατότητας αύξησης της ανοχής των θερμοκηπιακών καλλιεργειών τομάτας σε συνδυασμό παραγόντων αβιοτικής καταπόνησης μέσω της χρήσης βιοδιεγερτών και εμβολιασμού

Abstract

Η κατανάλωση νερού και λιπασμάτων στις καλλιέργειες θα πρέπει να μειωθεί τα επόμενα χρόνια τόσο για περιβαλλοντικούς λόγους όσο και για λόγους μείωσης του κόστους παραγωγής. Η τομάτα είναι ένα λαχανικό που καταναλώνει σημαντικές ποσότητες νερού και λιπασμάτων και η ταυτόχρονη μείωση και των δυο αυτών εισροών ενδέχεται να επηρεάσει σημαντικά την παραγωγή των φυτών. Στην παρούσα διδακτορική μελέτη εξετάσθηκαν διαφορετικοί μέθοδοι για την αύξηση της ανοχής των φυτών σε συνδυασμένη καταπόνηση από έλλειψη νερού και θρεπτικών στοιχείων. Οι μέθοδοι ήταν η εφαρμογή χημικών και βιολογικών βιοδιεγερτών και ο εμβολιασμός σε υποκείμενα με ανοχή σε αβιοτικούς παράγοντες καταπόνησης. Επιπλέον, μελετήθηκε και η πιθανότητα αύξησης της διαθεσιμότητας των θρεπτικών στοιχείων στο έδαφος μέσα από την εφαρμογή γαιοσκωλήκων, με στόχο να αυξηθεί η αποτελεσματικότητα χρήσης των λιπασμάτων. Πραγματοποιήθηκαν τρεις πειραματικές μελέτες από τις οποίες η πρώτη και η τρίτη αφορούσαν θερμοκηπιακή καλλιέργεια εκτός εδάφους, ενώ η δεύτερη αφορούσε θερμοκηπιακή καλλιέργεια στο έδαφος. Κατά την 1η πειραματική μελέτη εξετάσθηκε η εφαρμογή 5 διαφορετικών στελεχών ριζοβακτηρίων που προωθούν την ανάπτυξη των φυτών (Plant Growth Promoting Rhizobacteria, PGPR) και ο εμβολιασμός στο υποκείμενο Μ82. Τα PGPR στελέχη ήταν τα: Enterobacter sp. C1.2, Enterobacter sp. C1.5, Paenibacillus sp. DN1.2, Enterobacter mori C3.1 και Lelliottia sp. D2.4. Ο εμβολιασμός και τα ριζοβακτήρια εφαρμόσθηκαν σε τομάτα η οποία αναπτύχθηκε κάτω από συνθήκες συνδυασμένης καταπόνησης νερού και θρεπτικών στοιχείων. Κατά την 2η μελέτη, εξετάσθηκε η επίδραση 4 διαφορετικών υποκειμένων (Ramellet, M82, Maxifort, BIL-6335) τομάτας και η εφαρμογή γαιοσκωλήκων (επίγειος γαιοσκώληκας Eisenia fetida) στην αύξηση της ανοχής των φυτών σε συνθήκες μειωμένων θρεπτικών στο έδαφος λόγω καλλιέργειας σε βιολογικό σύστημα παραγωγής, σε σύγκριση με συμβατική καλλιέργεια. Τέλος, κατά την 3η μελέτη εξετάσθηκε η εφαρμογή χημικών βιοδιεγερτών από α) υδρολυμένες πρωτεΐνες, β) εκχυλίσματα φυκών (Ascophyllum nodosum) και γ) την φυτορμόνη στριγγολακτόνη, κάτω από συνθήκες συνδυασμένης καταπόνησης νερού και θρεπτικών στοιχείων. Η 1η πειραματική μελέτη περιλάμβανε και αναλύσεις μεταβολομικής με σκοπό την καλύτερη κατανόηση των μηχανισμών που σχετίζονται με την ανοχή των φυτών σε συνθήκες συνδυασμένης καταπόνησης και του τρόπου που αυτοί επηρεάζονται από την εφαρμογή των ριζοβακτηρίων ή του εμβολιασμού. Η εφαρμογή των PGPR επηρέασε σημαντικά την ανάπτυξη βιομάζας των φυτών, άλλοτε θετικά και άλλοτε αρνητικά, ανάλογα με τις συνθήκες καταπόνησης, όμως τελικά κανένα βακτηριακό στέλεχος δεν κατάφερε να αυξήσει την τελική παραγωγή των φυτών. Από τα υποκείμενα που μελετήθηκαν, διαπιστώθηκε ότι το υποκείμενο M82 αυξάνει την παραγωγή των φυτών σε ιδανικές συνθήκες και σε συνθήκες συνδυασμένης καταπόνησης κατά την υδροπονική καλλιέργεια, ενώ κατά την καλλιέργεια στο έδαφος, υψηλότερη παραγωγή προσδίδει το υποκείμενο BIL-6335, αλλά μόνο σε συμβατική καλλιέργεια. Μάλιστα παρατηρήθηκε ότι τα εμβολιασμένα φυτά στο υποκείμενο BIL-6335 ωφελήθηκαν σημαντικά από την εφαρμογή του γαιοσκώληκα Eisenia fetida στο έδαφος του θερμοκηπίου, καθώς η παρουσία τους στο χώμα οδήγησε σε αύξηση της συγκέντρωσης των αμμωνιακών και της οργανικής ουσίας στο έδαφος, με αποτέλεσμα την αύξηση της συγκέντρωσης του ολικού αζώτου στα φύλλα των φυτών. Από τους χημικούς βιοδιεγέρτες που μελετήθηκαν, παρατηρήθηκε ότι τα εκχυλίσματα φυκών και οι υδρολυμένες πρωτεΐνες δεν συνεισφέρουν στην αύξηση της ανοχής των φυτών τομάτας που αναπτύσσονται σε καλλιέργεια εκτός εδάφους, όμως η εφαρμογή στριγγολακτόνης οδήγησε σε αύξηση της φυλλικής επιφάνειας κατά τα αρχικά στάδια ανάπτυξης των φυτών καθώς και της πρώιμης παραγωγής καρπών, χωρίς όμως να δώσουν τα φυτά αυτά και υψηλότερη τελική παραγωγή συγκριτικά με τον μάρτυρα. Από τις αναλύσεις μεταβολομικής παρατηρήθηκε ότι η συνδυασμένη καταπόνηση και η εφαρμογή των PGPR επηρεάζουν σε εντονότερο βαθμό τον δευτερογενή μεταβολισμό των φύλλων των φυτών συγκριτικά με το εμβολιασμό στο υποκείμενο M82. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον αποτελεί το γεγονός ότι η εφαρμογή του PGPR E. mori C3.1 οδήγησε σε μεταβολή της συγκέντρωσης ορισμένων μεταβολιτών όπως η τρεχαλόζη το μηλικό οξύ και η μονοπαλμιτίνη, μεταβολίτες που έχουν μελετηθεί στο παρελθόν και σχετίζονται με την αλληλεπίδραση μεταξύ φυτών και ριζοβακτηρίων. Συνεπώς, οι μεταβολίτες αυτοί θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στο μέλλον από ερευνητές ως βιοδείκτες για την πρακτική αναγνώριση της επιτυχούς αλληλεπίδρασης των φυτών με τα ριζοβακτήρια, όταν αυτά εφαρμόζονται σε καλλιέργειες τομάτας.

Application of irrigation water and fertilizers should be reduced in the following years to increase environmental sustainability and reduce production costs. Tomato is a highly demanding crop for both water and fertilizers and thus, water and nutrient shortage may result in reduced crop yields. In the present study, different methods of increasing plant resilience to combined water and nutrient shortage were investigated. These included the application of chemical and biological biostimulants and the application of grafting to vigorous rootstocks. Furthermore, the application of earthworms was studied as a means of increasing nutrient availability on soil and concomitantly the fertilizer use efficiency. The first and third experiment of the current study were conducted in soilless cropping systems in a greenhouse, while the second experiment was conducted in the greenhouse soil. In all experiments the experimental crop species was tomato. In the first experiment, 5 different strains of plant growth promoting rhizobacteria (PGPR) were combined with non-grafting or grafting onto the rootstock M82, and all PGPR and grafting combinations were grown either under non-stress or under combined water and nutrient stress. The 5 PGPR strains were: Enterobacter sp. C1.2, Enterobacter sp. C1.5, Paenibacillus sp. DN1.2, Enterobacter mori C3.1 και Lelliottia sp. D2.4. In the second experimental study, the plants were cultivated either organically or conventionally after grafting onto 4 different rootstocks (Ramellet, M82, Maxifort, BIL-6335). In all combinations of cropping system and rootstock, the epigeic worm Eisenia fetida was either applied or not applied. The aim of earthworm application was to increase tomato resilience to nutrient shortage, especially in organic tomato crops. Finally, at the third experimental study, chemical biostimulants from protein hydrolysates, seaweed extracts (Ascophyllum nodosum) and the phytohormone strigolactone were applied to assess their impact on tomato grown under combined water and nutrients stress. The first experimental study also included metabolomic analysis aiming to contribute to a better understanding of the mechanisms related to combined stress resilience and how these mechanisms are affected by the application of PGPR and grafting. Application of PGPR either increased, or decreased, or had no impact on tomato biomass, depending on stress conditions. However, none of the tested PGPR strains lead to a higher total fruit yield. From the tested rootstocks, M82 increased tomato fruit yield under optimal, but not under combined stress conditions, while the rootstock BIL-6335 increased the fruit yield in soil-grown tomato. Furthermore, plants grafted onto BIL-6335 were positively influenced by the application of the earthworm E. fetida, since earthworms increased soil ammonium levels and soil organic matter, thus leading to higher total-N concentrations in scion leaves. With respect to the chemical biostimulants, protein hydrolysates and seaweed extracts did not confer resilience to combined stress in soilless-grown tomato, while on the other hand, strigolactones increased early leaf area development and early fruit yield in tomatoes. However, stigolactones did not increase the final yield compared to control plants, presumably because it was applied through a single spray at the early cropping stage. Metabolomic analysis showed that application of stress and PGPR affects more markedly the plant metabolism, compared to grafting onto M82. Of particular intertest is that the PGPR E. mori C3.1 increased the levels of particular metabolites already known to be related to plant/rhizobacterium interaction. These metabolites could be used as biomarkers in future studies for screening tomato genotypes with a higher efficiency to form successful association with rhizobacteria when PGPR are applied.