Användning av DNA-metabarkodning för att analysera förändringar i sammansättningen av jordorganismer i jordbruksmark med växtföljd

DOI: 10.1038/s41598-023-42291-y
DOI: 10.1038/s41598-023-42291-y

Ett forskarlag under ledning av professor Toshihiko Eki vid institutionen för tillämpad kemi och biovetenskap vid Toyohashi University of Technology och andra använde DNA-metabarcoding för att analysera förändringar i sammansättningen av markorganismer i samband med grödotillväxt i två majs- och kålrotationsfält i Tahara City.

Resultaten visade att markbiota och deras nätverk i jordbruksmark oväntat lätt förändras av markmiljön, odlingshistoriken och grödorna. I framtiden kommer DNA-metabarcoding för analys av markbiota att göra det möjligt att klargöra förhållandet mellan grödor och markorganismer, samt utvärdera jordbruksmarkens biologiska egenskaper och förutsäga grödosjukdomar, vilket förväntas bidra till förbättrad teknik för odling av grödor.

Historiskt sett har jorden och människan varit djupt sammanflätade med varandra genom jordbruket. På senare år har det funnits en växande internationell rörelse för att bekräfta vikten av jord och dess bevarande, vilket framgår av att 2015 har utsetts till det internationella året för jord. Olika organismer som bakterier, nematoder, leddjur och svampar finns i jorden och bildar ett ekosystem, men deras faktiska sammansättning och dynamik är oklar.

Tidigare har forskargruppen analyserat nematoder genom att fullt ut utnyttja DNA-streckkodning som identifierar biologiska arter baserat på skillnader i organismens unika nukleotidsekvenser i gener, vilket avslöjar de unika nematodsamhällen som är anpassade till olika markmiljöer. Forskargruppen har också introducerat ”DNA-metabarcoding” med hjälp av en nästa generations sekvenserare som kan avkoda stora mängder nukleotidsekvenser, för att analysera alla pro- och eukaryoter som lever i marken.

I den aktuella studien använde forskargruppen DNA-metabarcoding på jorden på två fält i Tahara City där majs och kål roterades 2019 (fält 1 och fält 2) för att undersöka den taxonomiska sammansättningen och mångfalden av pro- och eukaryoter associerade med grödotillväxt, interbiotiska nätverk och korrelationen mellan jordkemiska faktorer och organismer.

De två fälten som var föremål för forskning hade följande olika odlingshistorik: under föregående år (2018) var fält 1 fyllt med gröngödsel och odlades inte, medan fält 2 hade samma växtföljd med majs och kål. Delar av de ribosomala RNA-generna 16S och 18S användes som DNA-streckkoder för att klassificera pro- och eukaryoter, och totalt 3 086 eukaryota sekvensvarianter (SV) och 17 069 prokaryota SV identifierades som SV med unika nukleotidsekvenser.

En detaljerad analys av SV-data visade att det för det första fanns biologiska samhällen med olika sammansättning i de fyra jordarna med olika fält och grödor, vilket tyder på att markorganismerna påverkades av både fält och grödor. För det andra undersökte forskargruppen korrelationen mellan markkemiska faktorer och organismer, och fann biologiska grupper och större SV som var nära korrelerade med markens pH, fukthalt, nitratkväve, närsaltkoncentrationer och andra faktorer.

Slutligen visade en nätverksanalys av pro- och eukaryota SV för första gången att nätverksstrukturen i den majsodlade jorden på fält 1, som inte odlades under föregående år, var klart mindre komplex än de andra jordarna, men att nätverket blev mer komplext med efterföljande kålodling. Denna process involverade till stor del inte bara svampar utan även protister som Cercozoa.

Denna forskning visade att markbiota och interbiotiska nätverk i jordbruksmark påverkas och lätt förändras av markmiljön (t.ex. kemiska faktorer), odlingshistoria och grödor.

Denna forskning visade att DNA-metabarcoding-metoden är användbar för biologisk analys av jordbruksmark. Ny forskning har visat att tarmmikrobiotan påverkar människors hälsa, och förhållandet mellan växter (grödor) och markorganismer kan jämföras med förhållandet mellan människor och deras tarmmikrobiota.

Forskargruppen anser att markorganismer, särskilt de som lever i rhizosfären, är djupt involverade i grödornas hälsa och tillväxt, och de skulle vilja utveckla sin forskning i framtiden genom att fokusera på samspelet mellan växter och rhizosfärorganismer.

Forskningen publiceras i tidskriften Scientific Reports.

Ytterligare information: Harutaro Kenmotsu et al, Distinct prokaryotic and eukaryotic communities and networks in two agricultural fields of central Japan with different histories of maize–cabbage rotation, Scientific Reports (2023). DOI: 10.1038/s41598-023-42291-y

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.