Взаємозв'язок віку чайного дерева, мікробіому ґрунту та якості чаю. Повний переклад наукової статті (2024)

Взаємозв’язок віку чайного дерева, мікробіому ґрунту та якості чаю. Повний переклад наукової статті (2024)

🍀 СРІБНИЙ ЛЕЛЕКА – автентичні чайники з їсінської глини від Династії Цин до 1990х років🍀
Срібний Лелека
Срібний Лелека

Преамбула від Чайнатеки

☝️ Існує стала думка, що чай з дерев кращій, але ви ніколи не задумувались чому саме і від чого це залежить? І якщо з дерева, то від якого віку? В цьому дослідженні вчені показали, що впливає на якість, смак та аромат чаю з дерев.

🌳 В дослідженні Мікробіом та метаболіти в пуерах. Витримка пуеру з точки зору науки (2016) вчені розглядали свіже листя чаю як стартовий контейнер з мікробіомом, від якого залежить подальша якість готового пуеру. Але в цьому вирішили дізнатися як мікробіом ґрунту впливає на здоров’я рослини та листя, а отже і на якості готового продукту. Для дослідження вчені обрали дерева Ассаміки віком 30, 60, 90, 120, 180 та 200 років, відібрали по 200 грамів свіжого листя у кожного, а також взяли зразки ґрунту.

🔬 Результати показали, що зі збільшенням віку чайного дерева від 30 до 120 років рН ґрунту знижувався, що пояснюється накопиченням органічних кислот, які виділяються корінням, але з етапу 120-ті років рН і різномаїття мікробіому зростає. Також подібну тенденцію показав вміст азоту, фосфору, калію та кількість органічних сполук у ґрунті. Але в листі ситуація була інакша: азот та водний екстракт показав тенденцію до зниження, але кількість поліфенолів, амінокислот, фосфору та калію збільшувались.

🌸 Розберемось детальніше. Вторинні метаболіти (ВМ) відіграють вирішальну роль у процесі відновлення та захисту рослин, ВМ у чайному листі – це поліфеноли, катехіни і теанін, кількість та співвідношення яких визначає якість чаю. Дослідження показало, що є чіткий взаємозв’язок між рівнем ВМ та рівнем азоту, фосфору і калію. Азот відповідає за швидкість росту і фотосинтезу, але його вміст знижується з віком, а от рівень калію та фосфору, що відповідають за стійкість до стресу і розвитку – збільшується. Це пояснюється адаптацією рослини до якісної стратегії розподілу поживних речовин.

🦠 Але найголовнішим чинником кругообігу цих поживних речовин та якості ґрунту є мікроби, тобто гриби та бактерії. Аналіз показав таку ж кореляцію: з 30 до 120 років різноманіття мікробів починає зростати, окрім того ці спільноти з віком утворюють сталі симбіотичні зв’язки між собою, навколишнім середовищем та кореневою системою. Ґрунтові гриби пригнічують патогени, розкладають органіку, зберігають вологу та підвищують насичення ґрунту киснем. Бактерії виробляють фітогормони, що відповідальні за ріст рослин, фіксують азот з повітря, а також впливають на накопичення ВМ в рослині. А спільно вони відповідальні за рівень азоту, фосфору та калію для живлення дерева.

⚙️ Переломним моментом в житті чайної рослини є вік 120 років, коли хімічні властивості ґрунту досягають критичного поворотного моменту, що вказує на цей етап як на ключовий для змін родючості ґрунту в процесі росту чайних дерев. В цей період встановлюється сильна та постійна симбіотична система “навколишнє середовище-бактерії-гриби-коріння”, коли коренева система виділяє потрібну кількість поживних речовин для мікробіому ґрунту, а мікробіом, в свою чергу, налагоджує власну систему харчування, боротьби з патогенами та рівнем поживних речовин для рослини. Ця постійно працююча система і впливає на кількість речовин, що є складовими ефірних олій та ВМ, які в свою чергу впливають на якість, аромат та смак чаю.

Перекладена назва: Механізми оновлення та ітерації старих чайних дерев: дослідження мікробних спільнот ґрунту чайних садів

Посилання на оригінал: https://www.researchgate.net/publication/387016419_Renewal_and_Iteration_Mechanisms_of_Aged_Tea_Trees_Insights_from_Tea_Garden_Soil_Microbial_Communities

Автори: Хуцзяо Ван, Тян Юй Ву, Венься Юань та Ліцзяо Чень. 2024 рік.

Анотація

Це дослідження зосереджене на механізмах оновлення та ітерації старих чайних дерев у взаємодії з їхніми ґрунтовими мікробними спільнотами. Метою є з’ясування впливу віку посадки чайних дерев на структуру та функції ґрунтових мікробних спільнот, а також того, як ці впливи пов’язані з формуванням якості чаю. Порівняльний аналіз проводився для ґрунтів, взятих з-під чайних дерев віком від 30 до 200 років, щоб виявити значні кореляції між віком посадки чайних дерев і різноманіттям та функціями ґрунтових мікробів.

Результати показали, що зі збільшенням віку посадки чайних дерев відбуваються значні зміни у рівні pH ґрунту та його вмісті поживних речовин. Одночасно змінюється склад хімічних компонентів чайного листя. Найбільш помітні зміни спостерігаються, коли вік посадки чайних дерев досягає приблизно 120 років, тоді різноманіття ґрунтової мікробної спільноти досягає переломного моменту. Ключовий аналіз мікробних спільнот виявив зміни у домінуючих мікробних популяціях у ґрунті на різних етапах віку посадки чайних дерев, зокрема такі таксони, як Hygrocybe Mycena, Humicola, Bradyrhizobium і Candidatus Solibacter. Ці зміни в мікробних спільнотах тісно пов’язані з динамікою поживних речовин у ґрунті та стадіями розвитку чайних дерев.

Ці результати не лише надають наукові рекомендації для управління чайними садами, вирощування чайних дерев і виробництва чаю, але також відкривають нові перспективи щодо впливу взаємодії між чайними деревами, ґрунтом і мікроорганізмами на якість чаю, що має важливе значення для її покращення.

Вступ

Стародавні чайні дерева провінції Юньнань займають важливе місце на міжнародному чайному ринку завдяки своєму унікальному смаку та глибокій культурній спадщині. Ці древні чайні дерева є не лише живими викопними чайної культури, але й ключовими ресурсами для дослідження механізмів росту, розвитку та формування якості чайних дерев. Вік стародавніх чайних дерев Юньнаню, як правило, перевищує століття, причому деякі з них досягають тисячоліття.

У процесі тривалого природного відбору та штучного культивування вони сформували унікальне середовище зростання і симбіотичну систему з мікроорганізмами. Вивчення того, як ці древні чайні дерева здійснюють оновлення з віком, має велике наукове значення та практичну цінність для розуміння механізмів росту, формування якості та взаємодії між чайними деревами і навколишнім середовищем.

Оновлення та ітерація (повторення, циклічність; мається на увазі систематично повторювана взаємодія з навколишньою середою) рослин є ключовими етапами їхнього життєвого циклу, що включають серію складних процесів, таких як ріст, розмноження, старіння та регенерація. Рослини підтримують довгострокову життєздатність завдяки стратегіям, таким як активність камбію (тканина, завдяки якій відбувається потовщення стебла) ріст та регенерація коренів. На молекулярному рівні такі рослинні гормони, як ауксини, цитокініни та етилен, відіграють центральну роль у регулюванні росту, диференціації та старіння рослин.

Останніми роками дослідники також почали зосереджуватися на тому, як рослини коригують метаболічні шляхи та системи антиоксидантного захисту, щоб адаптуватися до змін навколишнього середовища, тим самим підтримуючи життєздатність. У міру старіння рослини повинні адаптуватися до змін середовища, щоб зберігати життєздатність і продуктивність.

У цьому процесі взаємодія між корінням рослини та ґрунтовими мікроорганізмами є особливо важливою. Ґрунтові мікробні спільноти не лише беруть участь у кругообігу поживних речовин і сприяють їх поглинанню рослинами, але й впливають на синтез рослинних гормонів і покращення структури ґрунту, що, у свою чергу, впливає на здоров’я та ріст рослин. З часом рослини забезпечують багатий вуглецевий ресурс для ґрунтових мікроорганізмів через виділення кореневих ексудатів (рідина, що виділяється корінням), опадання листя та коріння, що формує структуру та функцію мікробних спільнот ризосфери (вузька зона ґрунту, що безпосередньо оточує корінь; тут мешкає багато бактерій, які живляться омертвілими рослинними клітинами, білками і цукром, що виділяється корінням), а також змінює вторинні метаболіти рослин.

Вторинні метаболіти відіграють вирішальну роль у процесі оновлення та ітерації рослин, особливо в умовах екологічного стресу та атак патогенів. У чайних дерев вторинні метаболіти, такі як чайні поліфеноли, катехіни та теанін, не лише визначають смак і якість чайного листя, але й тісно пов’язані з адаптивністю та станом росту рослин. Дослідження показали, що вміст азоту, фосфору та калію в листі чайного дерева є важливими показниками, які відображають поживний статус і життєздатність рослин.

Вміст азоту в листі чайного дерева тісно пов’язаний зі швидкістю росту та інтенсивністю фотосинтезу, тоді як фосфор і калій впливають на стійкість до стресу та розвиток кореневої системи. Наприклад, дослідження давніх чайних дерев у провінції Юньнань показало, що зі збільшенням віку дерева вміст азоту в листі зменшується, тоді як вміст калію збільшується, що може бути пов’язано з адаптацією стратегії поглинання та розподілу поживних речовин у рослинах. Крім того, вміст азоту, фосфору та калію в чайних деревах також пов’язаний зі складом кореневих ексудатів, які можуть впливати на склад і активність мікроорганізмів ризосфери, а отже, на поглинання поживних речовин і ріст чайних дерев.

Ґрунтові мікробні спільноти тісно пов’язані з кругообігом поживних речовин у ґрунті та мають значний вплив на оновлення, ітерацію та ріст чайних дерев. Ґрунтові мікроорганізми розкладають органічну речовину, вивільняючи поживні речовини, і беруть участь у процесах трансформації та кругообігу азоту, фосфору, калію та інших елементів у ґрунті, впливаючи таким чином на стан чайних дерев.

У галузі мікробіології ґрунтів чайних садів дослідження показали, що мікробні спільноти ризосфери відіграють важливу роль у здоров’ї та рості чайних рослин. Типові бактерії ризосфери включають Pseudomonas, Rhizobium та Bacillus, тоді як поширені гриби представлені арбускулярними мікоризними грибами (гриби, що утворюють симбіоз з корінням, з проникненням в клітини кореня) та ектомікоризними грибами (симбіотичні гриби, які співіснують з коренем, але без проникнення в клітини). Ці мікроорганізми беруть участь у кругообігу поживних речовин у ґрунті, синтезі рослинних гормонів та покращенні структури ґрунту, впливаючи таким чином на ріст чайних рослин та якість чайного листя.

Це дослідження має на меті вивчити, як структура та функція ґрунтових мікробних спільнот у давніх чайних садах Юньнані змінюються з підвищенням віку посадки чайних дерев і як ці зміни пов’язані з поживним статусом ґрунту та оновленням і ітерацією чайних дерев. Вивчаючи аналіз складу ґрунтових мікробів, вмісту поживних речовин та стану росту чайних дерев, це дослідження виявляє, як ґрунтові мікроби та поживні речовини спільно впливають на процес оновлення та ітерації чайних дерев. Це дослідження надає нову перспективу для майбутніх досліджень взаємодії між ростом чайних дерев та ґрунтовими мікроорганізмами, поглиблюючи наше розуміння механізмів взаємодії між чайними деревами, ґрунтом і мікроорганізмами.

Матеріали рослин та ґрунту

Це дослідження було проведено в чайному саду, що знаходиться на дослідній базі Юньнанського сільськогосподарського університету в провінції Юньнань, Китай. Плантації знаходяться в стародавньому чайному саду Ганьлунтань, район Наньхуа, провінція Юньнань (24°45′54′′ N 100°50′54′′ E – 24°45′54′′ N 100°50′55′′ E), з середнім нахилом 5°. Ґрунт є типовим жовтим ґрунтом, сад розташований на південному сході, а плантації укладені відповідно до контурних ліній, із чергуванням чайних дерев різного віку для максимального використання ґрунту та сонячного освітлення. Відстань між чайними деревами різного віку становить приблизно 200 м. Вибірка була проведена вранці 13 квітня 2024 року о 10:00 за допомогою методу відбору з одного дерева п’ятиточковим методом. Усі відібрані чайні рослини були ідентифіковані як Camellia sinensis var. assamica (J. W. Mast.) Kitam.

Вік чайних дерев був класифікований за наступними етапами: приблизно 30 років (GA), приблизно 60 років (GB), приблизно 90 років (GC), приблизно 120 років (GD), приблизно 180 років (GE) та приблизно 200 років (GF) (Малюнок 1). Вибірка проводилася за допомогою п’ятиточкового методу відбору для збору свіжого листя чайного дерева, що складається з однієї бруньки та двох листків, з дерев різного віку; на кожну вибірку збиралося приблизно 200 грамів. Одночасно п’ятиточковий метод застосовувався для збору 200 грамів ґрунту з ризосфери чайного дерева поблизу коренів, де відбувається процес змішування та обробки повітрям.

Додатково, в межах проекції крони рослини ми обережно викопали ґрунт навколо коренів чайного дерева за допомогою маленької лопатки, зібравши приблизно 20 грамів ґрунту з ризосфери на глибині близько 20 см, швидко заморозили його в рідкому азоті, а потім зберігали при температурі −80°C. Свіжі листки були оброблені в мікрохвильовій печі на середньо-високій потужності протягом 70 секунд, щоб деактивувати ферменти та зупинити окислення. Після обробки в мікрохвильовій печі листки були поміщені в піч і висушені при 80°C до повного висихання для отримання зразків листя чаю.

Результати

Зміни фізико-хімічних властивостей ґрунту для вирощування чайних дерев з різним віком посадки

Хімічні властивості ґрунту ризосфери чайних дерев зазнали значних змін зі збільшенням віку посадки чайних дерев. Як показано на малюнку 2, pH ґрунту показував зниження від етапу GA (приблизно 30 років) до етапу GD (приблизно 120 років), а потім спостерігався зростаючий тренд, і pH повернувся до рівнів, близьких до етапу GA на етапі GF (приблизно 200 років). Крім того, вміст загального калію та доступного фосфору у ґрунті був значно нижчим на етапі GE (приблизно 180 років) порівняно з етапом GA, але спостерігалося значне відновлення від етапу GE до етапу GF. Вміст доступного азоту суттєво зріс на етапі GD, тоді як вміст загального азоту значно збільшився на етапах GC (приблизно 90 років) та GE. Вміст загального калію та доступного калію у ґрунті також показав подібну тенденцію: спочатку зниження, а потім збільшення, з точкою перелому на етапі GD. Вміст органічних речовин грунту слідував подібній схемі, спочатку зменшуючись, а потім збільшуючись, з переломною точкою на етапі GD. Ці результати свідчать, що етап GD є критичним періодом у процесі росту чайних дерев, коли зміни хімічних властивостей ґрунту можуть значно впливати на ріст дерев і якість чаю.

Зміни хімічного складу чайного листя в залежності від віку посадки

Дослідження виявило тісний зв’язок між змінами вмісту N (азоту), P (фосфору) та K (калію) у листі чайних дерев і динамікою компонентів якості чаю, які є важливими показниками умов росту чайних дерев. На малюнку 3 показано, що вміст водних екстрактів (WE) значно зріс на етапі GB (приблизно 60 років), а потім суттєво знизився на етапі GE (приблизно 180 років); вміст чайних поліфенолів (TP) значно збільшився від етапу GA (приблизно 30 років) до етапу GB, але показав тенденцію до зниження від етапу GB до GD, а після етапу GD (приблизно 120 років) знову почав зростати; вміст вільних амінокислот (AA) значно зріс на етапі GC (приблизно 90 років), що стало перехідною точкою для змін у компонентах якості. Вміст N, P та K у листі показав тенденцію до зниження від етапу GA до GB, а потім поступово відновився на етапі GD і прагнув до стабілізації з етапу GE до GF (приблизно 200 років), особливо з помітним збільшенням P та K на етапі GF, тоді як вміст азоту показав протилежну тенденцію. Ці спостереження свідчать, що етап GD є критичним періодом у процесі росту чайних дерев для змін хімічного складу чайного листя.

Вплив віку посадки чайних дерев на різноманіття мікробіоти ґрунту

Аналіз альфа-різноманіття показав значний вплив віку посадки чайних дерев на ґрунтові грибкові спільноти. Різноманіття грибкових спільнот значно варіювало між етапами GB (приблизно 60 років), GC (приблизно 90 років) і GD (приблизно 120 років) (p < 0.05), що вказує на те, що збільшення віку посадки чайних дерев сприяє зростанню різноманіття грибкових спільнот. Додатково, аналіз головних координат (PCoA) підтвердив це, показавши чітке розділення грибкових спільнот ґрунту, що асоціюються з чайними деревами різного віку посадки, особливо на етапах GB, GC і GD. Для ґрунтових бактеріальних спільнот аналіз альфа-різноманіття також показав значне збільшення різноманіття бактеріальних спільнот із збільшенням віку посадки чайних дерев.

Різноманіття бактеріальних спільнот на шести різних етапах росту показало значні відмінності, що підкреслює суттєвий вплив віку посадки чайних дерев на структуру бактеріальних спільнот ґрунту. Аналіз PCoA показав, що бактеріальні спільноти на етапах GB і GD були більш схожими, що можливо відображає специфіку взаємодії між чайними деревами, ґрунтом і мікроорганізмами під час цих фаз. Дендрограма, побудована за допомогою методу Unweighted Pair Group Method with Arithmetic Mean (UPGMA), виявила зв’язки кластеризації серед грибкових та бактеріальних спільнот ґрунту на різних етапах росту.

Мікробні спільноти на етапах GB (приблизно 60 років) та GD (приблизно 120 років) були згруповані разом, що вказує на високу схожість у складі мікробних спільнот ґрунту під час цих фаз. У той же час, зразки з етапів GA (приблизно 30 років) та GF (приблизно 200 років) утворювали окремі кластери, що вказує на спільні характеристики в структурі мікробних спільнот на цих етапах. Особливо слід відзначити, що зразок на етапі GE (приблизно 180 років) утворював ізольований кластер на дендрограмі, що свідчить про значні відмінності в структурі мікробних спільнот порівняно з іншими етапами.

Аналіз ключових мікробних спільнот у ґрунті чайного саду з різним віком посадки

Зі збільшенням віку посадки чайних дерев відбулися значні зміни у складі мікробних спільнот у ґрунті чайного саду. Зокрема, серед ґрунтових грибів Ascomycota та Basidiomycota були домінуючими філами грибів, з їхньою кількісною часткою, яка тісно пов’язана з віком посадки чайних дерев. Пропорція Ascomycota на шести етапах росту становила 85,47%, 65,05%, 56,24%, 80,52%, 56,16% і 76,77% відповідно. Ця тенденція показала початкове зниження, яке потім змінилося збільшенням, при цьому етап GD (приблизно 120 років) став поворотним моментом, після якого кількісна частка Ascomycota поступово повернулася до рівнів, близьких до тих, що були на етапі GA (приблизно 30 років).

На відміну від цього, пропорції Basidiomycota становили 5,45%, 27,94%, 20,66%, 8,10%, 27,80% і 9,54% на шести етапах відповідно, з їхньою кількісною часткою, яка спочатку збільшувалася, а потім зменшувалася, також досягаючи піку на етапі GD. Ці результати вказують на те, що вік посадки чайних дерев суттєво впливає на кількісну частку і склад домінуючих грибкових популяцій у ґрунті, при цьому етап GD є критичним періодом для змін у структурі мікробної спільноти.

Що стосується ґрунтових бактерій чайного саду, то домінуючими бактеріальними філами були Proteobacteria, Acidobacteriota, Actinobacteriota, Chloroflexi та Bacteroidota. Відносна кількісна частка Proteobacteria на шести етапах росту становила 34,88%, 21,79%, 28,35%, 25,71%, 28,10% і 30,32% відповідно. Ця тенденція показала початкове зниження, яке потім змінилося збільшенням, при цьому етап GD став поворотним моментом, після якого кількісна частка Proteobacteria поступово повернулася до рівнів, близьких до тих, що були на етапі GA. Відносна кількісна частка Acidobacteriota на шести етапах становила 16,02%, 23,58%, 27,17%, 28,81%, 26,20% і 18,06% відповідно, з її тенденцією, що спочатку збільшувалася, а потім зменшувалася, також досягаючи піку на етапі GD. Особливо, з етапу GA до GF (приблизно 200 років), кількісна частка Actinobacteriota та Chloroflexi демонструвала коливні тенденції, в той час як кількісна частка Bacteroidota залишалася відносно стабільною на етапах від GA до GF. Ці зміни свідчать про те, що вік посадки чайних дерев значно впливає на різноманіття і склад бактеріальних спільнот ґрунту, при цьому етап GD є критичним періодом для змін у структурі бактеріальної спільноти.

Аналіз LEfSe був проведений для глибшого розуміння конкретного впливу віку посадки чайного дерева на мікробні спільноти ґрунту. Цей аналіз виявив зміни в кількісній частці характерних мікробів (на рівні роду) у ґрунті чайного саду на різних етапах посадки та створив відповідні еволюційні кладограми. У бактеріальній спільноті Gemmatimonas значно сприяв мікробним спільнотам на етапі GA (приблизно 30 років); некласифіковані Acidobacteriales, некультивовані бактерії лісового ґрунту та некласифіковані Chloroflexi значно сприяли етапу GB; некласифіковані Gemmataceae, Candidatus Solibacter та некласифіковані Xanthobacteraceae значно сприяли етапу GC (приблизно 90 років); некультивований бактерій Acidobacteria, Catenulispora та некультивований еубактерій WD298 значно сприяли етапу GD (приблизно 120 років); некласифіковані Vicinamibacterales значно сприяли етапу GE (приблизно 200 років); а Sphingomonas значно сприяв етапу GF (приблизно 180 років).

У грибковій спільноті роди такі як Lecanicillium, Parasarocladium та Myrmecridium значно впливали на структуру мікробної спільноти на етапі GA; Leptobacillium, некласифіковані Helotiales, Clitopilus, некласифіковані Clavariaceae, некласифіковані Russulaceae, Roridomyces та Russula значно впливали на етап GB; Archaeorhizomyces, Keithomyces та Hygrocybe значно впливали на етап GC; Glutinoglossum, Leohumicola, некласифіковані Leotiomycetes, Psilocybe та Ramicadela ber значно впливали на етап GD; Inacqualispora, Thermothielavioides, некласифіковані Orbiliomycetes, Leucoagaricus, некласифіковані Chaetomiaceae, Mycena та Trechispora значно впливали на етап GE; а Cyphellophora, Exophiala, Knufia, некласифіковані Chaetothyriales, Monocillium, Schizothecium та Selenodriella значно впливали на етап GF.

Функціональний аналіз основних мікробних спільнот у ґрунті чайного саду з різним віком посадки

Використовуючи базу даних FUNGuild, був проведений функціональний прогноз ґрунтових грибкових спільнот. Результати показали, що деревні сапротрофи були найбільш поширені на етапах GA (приблизно 30 років) (23,08%) та GE (приблизно 180 років) (27,75%), з помітним зниженням у проміжних етапах. Рослинні патогени були відносно більш поширені на етапах GC (приблизно 90 років), GE та GF (приблизно 200 років), складаючи 12,48%, 17,79% та 20,79% відповідно. Гільдія симбіозу була найбільш виражена на етапі GB (приблизно 60 років), складаючи 28,49%, і була менш ніж 1% на всіх інших етапах. Листяні сапротрофи досягли піку на етапі GE, складаючи 10,47% спільноти.

Використовуючи базу даних Functional Annotation of Prokaryotic Taxa (FAPROTAX), були функціонально анотовані ґрунтові бактерії. Десять основних функцій бактерій були представлені, п’ять з яких пов’язані з циклом поживних речовин у ґрунті, включаючи аеробний хемоавтотрофізм, фіксацію азоту, уреоліз, фотоавтотрофізм і целюлозолітичну активність. Аеробний хемоавтотрофізм був найбільш представленою функцією серед десяти основних, займаючи понад 30% від GA до GD (приблизно 120 років), після чого показав тенденцію до зниження. Фіксація азоту збільшувалася від GA до GD, досягнувши максимального рівня (9,44%) на етапі GD, після чого знизилася. Уреоліз почав знижуватися з етапу GB і відновився до рівнів етапу GA до етапу GF.

RDA було використано для дослідження зв’язку між ґрунтовими мікробними спільнотами та екологічними факторами. Результати показали, що в грибковій спільноті ґрунту загальний фосфор, органічні речовини грунту, загальний азот і загальний калій мали сильні кореляції зі структурою ґрунтової грибкової мікробної спільноти, особливо в зразках на етапі GA. Для етапів GB, GC, GD і GE мікробні спільноти здебільшого піддавалися впливу Hygrocybe, Mycena, Leptobacillium та Mortierella, тоді як на етапі GF найбільший вплив мав Cladosporium. Крім того, Humicola та Penicillium були тісно пов’язані з утворенням компонентів ґрунтових поживних речовин. У бактеріальній спільноті pH, доступний азот, органічні речовини грунту і загальний фосфор показали сильні кореляції зі структурою ґрунтової бактеріальної мікробної спільноти, при цьому зразки на етапі GA знову показали найбільші кореляції. Bradyrhizobium і Candidatus Solibacter мали сильні кореляції з бактеріальними спільнотами на етапах GB, GC, GD і GE, в той час як некласифіковані Gemmatimonadaceae мали найбільший вплив на етапі GF. Bryobacter та Sphingomonas були тісно пов’язані з утворенням ґрунтових поживних речовин, ймовірно, через їхню роль у розкладі органічної речовини ґрунту та циклічному обміні поживних речовин.

Обговорення

Ґрунт служить середовищем для росту чайного дерева, і його родючість безпосередньо впливає на врожай і якість чаю. Наше дослідження показало, що з підвищенням віку посадки чайних дерев pH ґрунту знижувався від етапу GA (приблизно 30 років) до етапу GD (приблизно 120 років), що узгоджується з попередніми дослідженнями. Це зниження pH пояснюється накопиченням органічних кислот, таких як щавлева, лимонна та яблучна кислоти, що виділяються з коренів чайних дерев. Однак з етапу GD до етапу GF (приблизно 200 років) pH ґрунту знову почав зростати, що може бути пов’язано з підвищенням різноманіття мікроорганізмів у ризосфері. Крім того, з підвищенням віку чайного саду вміст загального калію, органічних речовин грунту, доступного фосфору, доступного азоту і доступного калію в ґрунті спочатку знижувався, а потім почав відновлюватися на етапі GC (приблизно 90 років) або GD.

Це явище може бути пов’язане з природним механізмом відновлення родючості ґрунту. Накопичення елементів для живлення та хімічних компонентів змінюється зі старінням чайних дерев, що особливо впливає на метаболізм фенольних сполук і амінокислот у листі чаю. У нашому дослідженні вміст загального фосфору, амінокислот, азоту, фосфору і калію у листі чаю показав значні варіації з тенденцією до початкового збільшення, потім зниження та знову збільшення, що тісно пов’язано зі змінами активності ґрунтових мікроорганізмів. Це вказує на те, що ґрунтові мікроорганізми відіграють важливу роль у циклі живлення чайних дерев і формуванні якості чаю.

Ґрунтові гриби відіграють важливу роль у циклі поживних речовин ґрунту чайного дерева, особливо в циклах вуглецю, азоту та фосфору. Вони не лише сприяють розкладу органічних речовин, забезпечуючи поживні елементи для чайних дерев, але й покращують структуру ґрунту, підвищують аерацію ґрунту та зберігають воду. Результати нашого дослідження показали, що з підвищенням віку посадки чайних дерев індекс Шеннона вказує на те, що різноманіття грибкових спільнот також збільшується; з підвищенням віку посадки чайних дерев відбуваються значні зміни у різноманітті грибків ґрунту. Зокрема, на етапі GA різноманіття грибів, разом зі стандартним відхиленням, охоплює всі інші значення різноманіття, що може бути пов’язано зі змінами фізико-хімічних властивостей ґрунту, взаємодіями рослина–мікроби, стресами навколишнього середовища та адаптацією.

Комбінований вплив цих факторів може призвести до відмінностей у різноманітті грибків у ризосферному ґрунті чайних дерев на різних вікових етапах. Крім того, хоча значення різноманіття на етапі GA статистично перевищують значення інших етапів, це не виключає можливості того, що чайні дерева на інших вікових етапах можуть демонструвати унікальні структури мікробних спільнот за певних умов навколишнього середовища. Тому наше дослідження підкреслює важливість проведення поглиблених досліджень ризосферних мікробних спільнот чайних дерев на різних вікових етапах.

Серед цих грибків Archaeorhizomyces — це рід, який був ізольований з кореневих кінчиків рослин, а Russula, що широко поширена географічно та екологічно, формує симбіотичні зв’язки з різними рослинами, сприяючи поглинанню поживних речовин з ґрунту. Види Leptobacillium є важливими розкладачами в ґрунті; вони розкладають залишки рослин, тваринні рештки та інші органічні речовини, беручи участь у циклі живлення ґрунту. Деякі види Leptobacillium можуть фіксувати атмосферний азот, перетворюючи його на форму, яку можуть використовувати рослини, що є важливим для росту рослин. Види Mortierella можуть розкладати олії та ліпіди в ґрунті, сприяючи очищенню ґрунту та циклу живлення. Деякі види Mortierella можуть гальмувати ріст патогенів рослин у ґрунті, підвищуючи стійкість рослин до хвороб

Результати RDA показують, що на етапах GB (приблизно 60 років), GC, GD і GE (приблизно 180 років) роди, такі як Hygrocybe, Mycena, Humicola та Penicillium, можуть розкладати органічні речовини в ґрунті, перетворюючи їх на поживні елементи, які можуть поглинати рослини, тим самим сприяючи циклу поживних речовин у ґрунті. Вони також покращують структуру ґрунту; їхній гіфальний ріст сприяє покращенню аерації ґрунту та збереженню води. Виді Humicola допомагають рослинам поглинати фосфор та азот із ґрунту. Деякі види Humicola можуть розкладати токсичні речовини в ґрунті, такі як важкі метали та органічні забруднювачі, сприяючи відновленню ґрунту. На етапі GF види Cladosporium є важливими розкладачами в ґрунті; вони можуть розкладати залишки рослин, мертві гілки та інші органічні речовини, перетворюючи органічні речовини на форму, яку рослини можуть поглинати, сприяючи циклу поживних речовин у ґрунті. Їхній ріст і розширення гіф покращують структуру ґрунту, збільшуючи аерацію ґрунту та збереження води, позитивно впливаючи на фізичні властивості ґрунту.

Різноманіття ґрунтових бактеріальних спільнот впливає на біогеохімічний цикл поживних речовин ґрунту і відіграє ключову роль у підтримці сталого сільського господарства. Тому в цьому дослідженні використовували методи високопродуктивного секвенування для дослідження динамічних змін бактеріальних спільнот у ризосфері чайних дерев різного віку. Аналіз мікробного різноманіття показав значні відмінності в складі ґрунтових бактеріальних спільнот протягом часу в чайному саду, що узгоджується з результатами попередніх досліджень. Подальший аналіз ґрунтової бактеріальної спільноти показав, що з підвищенням віку посадки збільшувалася кількість філумів Acidobacteriota та Proteobacteria, включаючи роди, такі як Candidatus Solibacter, Catenulispora та Sphingomonas, які беруть участь у розкладі органічних речовин. Крім того, показано, що Sphingomonas виробляє речовини, що регулюють ріст рослин, такі як гормони рослин, сприяючи росту рослин і беручи участь у трансформації та циклування ґрунтових поживних речовин, таких як азот і фосфор.

Деякі види Sphingomonas мають фосфору розчинювальні властивості, допомагаючи рослинам поглинати фосфор з ґрунту. Gemmatimonadaceae в основному підтримують родючість ґрунту, розкладаючи органічні речовини та вивільняючи поживні елементи, утворюючи симбіотичні зв’язки з коренями рослин, сприяючи росту рослин. Bradyrhizobium є ключовим бактеріальним родом ґрунту, який утворює симбіотичні зв’язки з бобовими рослинами, покращуючи доступність азоту для рослин через фіксацію азоту та сприяючи росту рослин.

Він також допомагає в утилізації фосфору в ґрунті, покращує структуру ґрунту, підвищує родючість ґрунту та гальмує розвиток хвороб рослин, адаптуючись до різних ґрунтових середовищ, бере участь у процесах біоремедіації ґрунту та підтримує екосистемні послуги та біорізноманіття. Екологічні функції Bryobacter важливі для регулювання ґрунтових мікробних спільнот, поліпшення якості ґрунту та підвищення врожайності культур. Наше дослідження показало, що починаючи з етапу GC, кількість патогенів значно зросла, що може мати значний вплив на склад і функції ґрунтової мікробіоми. Це явище може бути пов’язане зі змінами в ґрунтових поживних речовинах, варіаціями у ексудатах коренів рослин та відповідями рослин на стреси навколишнього середовища.

Вік посадки чайних дерев значно впливає на якість чаю, і цей вплив тісно пов’язаний зі структурою та функцією ґрунтових мікробних спільнот. Наше дослідження показало, що з підвищенням віку посадки чайних дерев зміни в різноманітті ґрунтових мікробів та ключових мікробних популяціях можуть безпосередньо впливати на хімічний склад і сенсорну якість чаю. Зміни в кількості певних грибів і бактерій можуть бути пов’язані з патернами накопичення компонентів, що впливають на якість, таких як фенольні сполуки, амінокислоти та чайні поліфеноли в листі чаю. Крім того, мікробні спільноти опосередковано регулюють формування якості чаю, беручи участь у циклі накопичення та переробки ґрунтових поживних речовин, впливаючи на родючість ґрунту та харчовий статус рослин. Ці результати дають нові уявлення про вплив взаємодій чайного дерева, ґрунту та мікробів на якість чаю.

Висновки дослідження “Взаємозв’язок віку чайного дерева, мікробіому ґрунту та якості чаю“

Це дослідження аналізує вплив віку посадки чайних дерев на структуру та функцію ґрунтових мікробних спільнот і їхній подальший вплив на якість чаю. Результати виявляють значні зміни в хімічних властивостях ґрунту, таких як pH, загальний і доступний фосфор, доступний азот, загальний азот, загальний і доступний калій та органічні речовини грунту, із збільшенням віку посадки чайних дерев. Особливо важливим є період близько 120 років, коли ці хімічні властивості ґрунту досягають критичної точки повороту, що вказує на цей етап як на ключовий для змін родючості ґрунту в процесі росту чайних дерев.

Крім того, вміст водних екстрактів, чайних поліфенолів, амінокислот та рівні азоту, фосфору і калію у листі чаю також демонструють варіації зі збільшенням віку посадки чайних дерев. Збільшення віку посадки чайних дерев сприяє зростанню різноманіття грибкових і бактеріальних спільнот, а аналіз ключових мікробних спільнот підкреслює зміни в домінуючих мікробних популяціях у ґрунті на різних етапах росту.

Роди, такі як Hygrocybe, Mycena, Humicola, Penicillium (гриби), Bradyrhizobium, Candidatus Solibacter, Sphingomonas і Gemmatimonadaceae (бактерії), відіграють важливу роль у циклічності ґрунтових поживних речовин і рості рослин, наприклад, сприяючи розкладу органічних речовин, покращуючи ріст рослин і беручи участь у трансформації та циклічності таких ґрунтових поживних речовин, як азот і фосфор, що значно впливає на поживний стан і ріст чайних дерев.

Крім того, з збільшенням віку посадки чайних дерев кількість бактерій, які беруть участь у аеробному хемогетеротрофному процесі та азотфіксації, поступово зменшується. Це дослідження підкреслює непряме регулювання формування якості чаю через вплив віку посадки чайних дерев на структуру та функцію ґрунтових мікробних спільнот, надаючи нові уявлення про вплив взаємодій чайного дерева, ґрунту та мікробів на якість чаю.