I substrati di coltivazione minerali e organici hanno struttura comunitaria, stabilità e funzionalità distinte nei sistemi di coltura fuori suolo

Scientific Reports volume 6, numero articolo: 18837 (2016) Citare questo articolo

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La scelta del substrato colturale fuori suolo per la nutrizione, la crescita e il sostegno delle piante è fondamentale per migliorare l’ecosostenibilità della produzione nei sistemi orticoli. Poiché la nostra attuale comprensione delle comunità microbiche funzionali che popolano questo ecosistema è ancora limitata, abbiamo esaminato lo sviluppo della comunità microbica dei due più importanti substrati di coltivazione (organico e minerale) utilizzati nei sistemi orticoli aperti fuori suolo. L'obiettivo era identificare i fattori che influenzano la composizione della comunità nel tempo e confrontare la distribuzione dei singoli taxa nei substrati di coltivazione e la loro potenziale funzionalità. L'analisi di sequenziamento ad alto rendimento ha rivelato una comunità microbica distintiva e stabile nel terreno di coltura organico. Umidità, pH, nitrato-N, ammonio-N e conduttività sono stati scoperti come i principali fattori associati alle comunità batteriche residenti. L'ammonio-N è stato correlato con l'abbondanza delle Rhizobiaceae, mentre sono state suggerite potenziali interazioni competitive sia tra Methylophilaceae che tra Actinobacteridae e Rhizobiaceae. I nostri risultati hanno rivelato che i substrati di coltivazione fuori suolo sono nicchie uniche per diverse comunità batteriche con stabilità funzionale temporale, che potrebbe avere un impatto sulla resistenza alle forze esterne. Queste differenze nelle comunità possono essere utilizzate per sviluppare strategie per passare a un’orticoltura sostenibile con maggiore produttività e qualità.

Negli Stati Uniti, in Canada e in Europa, il 95% degli ortaggi in serra, in particolare i pomodori, sono prodotti in sistemi di coltivazione di piante in serra fuori suolo utilizzando substrati di coltivazione orticola1. I sistemi orticoli aperti fuori suolo presentano vantaggi rispetto ai sistemi tradizionali in quanto i nutrienti, l’ossigeno e l’acqua necessari per una crescita sana delle piante sono controllati2 e gli agenti patogeni presenti nel suolo possono essere aggirati3,4. Nell’Europa occidentale, quasi tutti i pomodori coltivati ​​in serra vengono prodotti su terreno di coltura minerale costituito da fibre sintetiche inorganiche5. I substrati di coltivazione minerali sono prodotti da diabase, calcare e coke, che vengono fusi insieme a 1500 °C e filati in fibre6. Al contrario, torba e cocco sono i componenti di derivazione biologica più utilizzati nei substrati di coltivazione prodotti nell’UE7. Mentre il terreno di coltura minerale ha un pH neutro, un elevato contenuto di aria e una bassa densità, il terreno di coltura organico è caratterizzato da un elevato contenuto di materia organica e dalla capacità di scambio cationico con la soluzione acquosa che irriga il terreno di coltura. Nonostante queste differenze, la resa e il numero di frutti di pomodoro (Solanum lycopersicum) erano comparabili tra le piante coltivate su substrati minerali o organici per diversi anni consecutivi8.

La sostenibilità dei sistemi di serre fuori suolo dipende fortemente dall’aumento dei rendimenti e dall’efficacia generale del processo di coltivazione4. Nella serra vengono adottate misure di disinfezione per garantire la resa e la qualità finali4. Tuttavia, ciò comporta l’eliminazione non solo di microrganismi deleteri ma anche di taxa microbici potenzialmente benefici per la pianta. Ciò potrebbe in definitiva impedire alla comunità di raggiungere l’equilibrio e la stabilità, rendendo questi sistemi di coltivazione fuori suolo a rischio di invasione di agenti patogeni4. La biodiversità protegge gli ecosistemi dal declino della loro funzionalità, come conseguenza della ridondanza funzionale dovuta alla coesistenza di più specie9,10. Ciò può anche portare ad un aumento della produttività11, grazie all’impatto positivo sulla respirazione batterica, sulla produzione di biomassa microbica e sullo stoccaggio dei nutrienti delle piante. Inoltre, sono stati segnalati un aumento della stabilità funzionale temporale e della resistenza alle forze esterne, come perturbazioni dei nutrienti e specie invasive10,12.

La complessa comunità microbica associata alle piante, definita anche il "secondo genoma della pianta", è fondamentale per la salute, la crescita e lo sviluppo delle piante13. Il lavoro precedente che studiava le comunità microbiche associate ai substrati di coltivazione si era concentrato principalmente sull'assenza di batteri e funghi patogeni14. Esiste una comprensione limitata dei fattori che influenzano la composizione della comunità nel tempo, la distribuzione dei singoli taxa nei substrati di coltivazione e la loro potenziale funzionalità. La mancanza di strategie di controllo efficaci volte a migliorare la produttività15 aumenta la nostra necessità di monitorare da vicino la rizosfera, il terreno di coltura e le sue popolazioni microbiche.