Rola ryzosfery w żywieniu roślin

Ryzosfera to strefa gleby znajdująca się w bezpośrednim sąsiedztwie systemu korzeniowego roślin. Zazwyczaj obejmuje obszar o promieniu zaledwie kilku milimetrów wokół korzeni. Mimo niewielkich rozmiarów jest to jedno z najbardziej aktywnych biologicznie miejsc w glebie. Zasiedlające ją mikroorganizmy działają jak biologiczne przedłużenie systemu korzeniowego. Dzięki ich aktywności rośliny mogą efektywniej wykorzystywać składniki pokarmowe i wodę obecne w glebie.

Zachodzące w niej procesy bezpośrednio decydują o pobieraniu składników odżywczych i wody, funkcjonowaniu całego ekosystemu oraz o ogólnym wzroście, produktywności i odporności roślin na stresy abiotyczne oraz choroby.

Ryzosferę można podzielić na trzy główne strefy:

• Endoryzosferę – wewnętrzną część obejmującą endodermę i korę tkanki korzenia, gdzie mikroorganizmy kolonizują jego wnętrze
• Ryzoplanę – powierzchnia korzenia wraz z przylegającym śluzem i strefą bezpośredniego kontaktu mikroorganizmów z epidermą korzenia
• Ektoryzosferę – glebę na zewnątrz, otaczającą korzeń, która zawiera wydzieliny korzeniowe obejmującą strefę wymiany sygnałów chemicznych ze społecznościami mikroorganizmów glebowych.

Środowisko ryzosfery znacząco różni się od pozostałej masy gleby pod względem właściwości fizycznych i chemicznych. Składa się z cząstek roślinnych, żywych mikroorganizmów, wydzielin polimerowych, kwasów organicznych, cukrów, gazów oraz wysięków rozpuszczalnych w wodzie. Cechuje się bardzo wysokim stężeniem wydzielin korzeniowych (bogatych głównie w węgiel), które stanowią doskonałe źródło pokarmu dla mikroorganizmów.

Efekt ryzosferowy

Efekt ryzosferowy to wzrost aktywności oraz zmiana składu mikroorganizmów w glebie zachodzące pod bezpośrednim wpływem korzeni roślin. Zjawisko to wynika przede wszystkim z obecności wydzielin korzeniowych. Rośliny uwalniają do gleby związki bogate w węgiel, takie jak cukry, aminokwasy i kwasy organiczne. Substancje te tworzą swoisty gradient chemiczny, który przyciąga pożyteczne mikroorganizmy, w tym przede wszystkim diazotrofy – bakterie zdolne do wiązania azotu atmosferycznego.

Liczebność bakterii w ryzosferze może dochodzić nawet do 2 miliardów (2 × 10⁹) komórek w 1 g gleby. Oznacza to, że jest ona nawet 100-krotnie większa niż w glebie znajdującej się poza strefą oddziaływania korzeni. Skład mikroflory ryzosferowej zależy również od gatunku rośliny. Każdy gatunek wydziela bowiem inny zestaw związków organicznych, które wpływają na rozwój określonych grup mikroorganizmów.

Potwierdzają to wyniki badań laboratoryjnych. W glebie bezpośrednio przylegającej do korzeni żyta liczebność bakterii wynosi około 58 × 10⁶ jtk/g, natomiast w przypadku ziemniaka około 47 × 10⁶ jtk/g. Dla porównania, poza strefą ryzosfery liczebność bakterii szacuje się średnio na zaledwie 6 × 10⁶ jtk/g.

Bakterie ryzosferowe w wiązaniu azotu atmosferycznego

W ryzosferze zachodzą dynamiczne zmiany odczynu pH oraz stężenia dwutlenku węgla (CO₂) i tlenu (O₂). Dzięki temu strefa ta charakteryzuje się wyjątkowo wysoką aktywnością biologiczną i chemiczną. Tworzy ona specyficzne środowisko sprzyjające rozwojowi wielu grup organizmów.

Ryzosferę zasiedlają bakterie promujące wzrost roślin (PGPR), grzyby mikoryzowe, bakterie brodawkowe (Rhizobium) oraz nicienie – zarówno pożyteczne, jak i pasożytnicze. Szczególnie intensywnie rozwijają się tutaj bakterie rozkładające materię organiczną, w tym mikroorganizmy celulolityczne i proteolityczne. Licznie występują również drobnoustroje uczestniczące w obiegu azotu, takie jak Azotobacter, Arthrobacter oraz bakterie symbiotyczne z rodzaju Rhizobium.

Ryzosfera ma szczególne znaczenie dla wolnożyjących bakterii wiążących azot atmosferyczny. W strefie poza ryzosferą proces ten polega na wykorzystywaniu przez te bakterie do swojego intensywnego rozmnażania węgla pozyskiwanego w procesie rozkładu materii organicznej oraz azotu atmosferycznego. W konsekwencji po obumarciu komórek bakteryjnych, inne mikroorganizmy przetwarzają je w dostępny dla roślin azot. Układ ten wyjasniany niekiedy hipotezą tzw „czarnej królowej” zakłada, że w społecznościach mikroorganizmów tylko nieliczni pomocnicy (diazotrofy) wykonują tę pracę, wspierając resztę „beneficjentów”. Natomiast w strefie ryzosfery proces ten może przebiegać szczególnie intensywnie i jest określany jako „eksudacja pasywna”. W bezpośrednim sąsiedztwie korzeni nadmiar węgla pochodzącego z wydzielin korzeniowych stwarza doskonałe warunki do intensywnego namnażania bakterii wiążących azot atmosferyczny. W efekcie może zwiększać się pula azotu dostępnego dla roślin. Zjawisko to jest określane mianem eksudacji pasywnej.

Aby w pełni wykorzystać ten mechanizm, preparaty mikrobiologiczne, takie jak BACTIM® NUTRI N+, powinny być aplikowane w sposób zapewniający równomierne rozmieszczenie bakterii w glebie. Zwiększa to prawdopodobieństwo, że mikroorganizmy znajdą się w bezpośrednim sąsiedztwie systemu korzeniowego, gdzie warunki do ich rozwoju i aktywności są najbardziej sprzyjające. Dzięki temu można skuteczniej wykorzystać efekt eksudacji pasywnej i zwiększyć efektywność biologicznego wiązania azotu.

Inokulacja nasion i bakterie symbiotyczne Rhizobium

Aby mieć pewność, że pożądane mikroorganizmy znajdą się w ryzosferze, można je regularnie dostarczać do gleby np. zaprawiając nasiona preparatem PRIMSEED^® BIOM ZBOŻA. Inokulacja przy siewie jest szczególnie istotna, ponieważ zapewnia kolonizację strefy przykorzeniowej od samego początku wzrostu, zwłaszcza na stanowiskach ubogich biologicznie.

W ryzosferze dochodzi do zasiedlania korzeni roślin bobowatych przez bakterie symbiotyczne Rhizobium i Bradyrhizobium stosowane powszechnie do zaprawiania tych roślin jak np. zaprawy mikrobiologiczne z serii PRIMSEED BIOM. Należy przy tym pamiętać, że aktywność nitrogenazy zależy m.in. od zaopatrzenia mikroorganizmów w energię oraz dostępności pierwiastków budujących kofaktory enzymów, zwłaszcza żelaza i molibdenu, a u części diazotrofów także wanadu. Te niezbędne składniki możemy dodatkowo dostarczyć stosując dolistnie nawóz PLONVIT® MOTYLKOWE. Proces wiązania azotu przez bakterie symbiotyczne ogranicza z kolei stosowanie wysokich dawek azotu mineralnego i jego efektywność jest również ściśle limitowana przez odpowiednie pH gleby.

Solubilizacja fosforu: Rozwiązywanie problemu blokady P

Warstwa ryzosfery ma również bardzo istotne znaczenie dla dostępności fosforu. W rolnictwie regularnie można spotykać się z sytuacją, kiedy to całkowita zawartość P w glebie jest wysoka, lecz tylko niewielka jego część staje się bezpośrednio dostępna dla roślin. Pozostała jest zazwyczaj zablokowana w formie fosforanów wapnia (gleby zasadowe), glinu lub żelaza (gleby kwaśne). Ponadto stosowanie nawozów azotowych stymuluje intensywny wzrost roślin i zwiększa tempo fotosyntezy. W konsekwencji czego gwałtowny przyrost biomasy pociąga za sobą znacznie większe zapotrzebowanie na inne składniki odżywcze.

Fosfor staje się często głównym czynnikiem ograniczającym dalszą produktywność roślin. Dzieje się tak zwłaszcza podczas intensywnego nawożenia azotem, które pobudza szybki wzrost biomasy i zwiększa zapotrzebowanie roślin na fosfor. W efekcie zapasy tego pierwiastka zgromadzone w starszych tkankach ulegają wyczerpaniu. Roślina zaczyna przemieszczać fosfor do młodych, intensywnie rozwijających się organów.

Nawożenie azotowe początkowo stymuluje również aktywność mikroorganizmów glebowych oraz produkcję fosfataz – enzymów uwalniających fosfor z materii organicznej. Z czasem może jednak dojść do zjawiska czasowej immobilizacji fosforu. Oznacza to, że mikroorganizmy naturalnie występujące w glebie wykorzystują dostępny fosfor do budowy własnej biomasy, przez co staje się on okresowo mniej dostępny dla roślin. W konsekwencji między roślinami a mikroorganizmami pojawia się konkurencja o ten składnik pokarmowy. Ma to szczególne znaczenie w przypadku gleb o małej aktywności mikrobiologicznej i małej ilości materii organicznej.

Bakterie solubilizujące fosfor – naturalny sposób na zwiększenie dostępności P

Ryzosfera jest miejscem występowania wysokiego stężenia bakterii solubilizujących fosfor (PSB), które mogą być selekcjonowane i wykorzystywane w preparatach mikrobiologicznych. Zazwyczaj są to wyspecjalizowane gatunki należące do rodzajów Bacillus oraz Pseudomonas. Duży potencjał wykazują również szczepy z rodzajów Acinetobacter, Enterobacter czy Azotobacter. Ich stosowanie opiera się na trzech podstawowych mechanizmach:

• Zakwaszaniu środowiska: Wydzielanie szerokiego spektrum kwasów organicznych (glukonowy, cytrynowy, bursztynowy, mlekowy, szczawiowy, propionowy), co obniża lokalne pH.
• Chelatacji: Kwasy te kompleksują jony Ca²⁺, Al³⁺ i Fe³⁺ i uwalniają przyswajalne jony ortofosforanowe ( H₂PO₄^–,  HPO₄^2- ). W niektórych badaniach wykazano, że komercyjna inokulacja PSB zwiększa zawartość dostępnego P o  4,4–5,3 mg/100g gleby. Stymuluje on rozwój korzeni i poprawia wigor roślin np. w niskich temperaturach, gdy mobilność fosforu naturalnie zanika.
• Produkcji enzymów (mineralizacja): Wydzielają niespecyficzne fosfatazy oraz fitazy, które pozwalają na rozkład (mineralizację) fosforu organicznego zawartego np. w resztkach pożniwnych.

Stosowanie biopreparatów solubilizujących fosfor jest szczególnie opłacalne na stanowiskach z dużą pulą „zablokowanego” (uwstecznionego) fosforu oraz w systemach, w których dba się o stały dopływ materii organicznej do gleby. Ważne również, aby odpowiednie gatunki znalazły się w produktach do rozkładu słomy jak w przypadku preparatu BACTIM® SŁOMA z technologią SAFE NPK. Należy je traktować jako doskonałe uzupełnienie zrównoważonej strategii fosforowej.

Biokontrola i stymulacja wzrostu (PGPR)

W strefie ryzosfery mikroorganizmy z grupy PGPR działają również jako pierwsza linia obrony przed stresowymi czynnikami biologicznymi i jako stymulatory wzrostu. Ich mechanizmy dzielimy na:

Bezpośrednie:

• Produkcja fitohormonów: auksyn (rozwój korzeni), cytokinin i giberelin.
• Wytwarzanie deaminazy ACC : enzymu redukującego poziom „etylenu stresowego”. Zapobiega przedwczesnemu starzeniu się roślin np. w warunkach suszy czy niskiej temperatury.

Pośrednie

• Antybioza:  Produkcja antybiotyków i enzymów niszczących ściany patogenów
• Konkurencja: Wytwarzanie syderoforów (np. piowerdyna, bacillobaktyna), które chelatują żelazo, czyniąc je niedostępnym dla patogenów.
• Indukowana Odporność Systemiczna (ISR): Aktywacja genów obronnych rośliny, działająca jak „szczepionka” doglebowa.

Stosowanie preparatów mikrobiologicznych opartych na pożytecznych mikroorganizmach glebowych, wspierających funkcjonowanie ryzosfery, zyskuje coraz większe znaczenie we współczesnym rolnictwie. Wynika to z rosnącej potrzeby poprawy efektywności wykorzystania składników pokarmowych oraz ograniczania negatywnego wpływu stresów środowiskowych na rośliny.

Warto jednak pamiętać, że skuteczność tego typu rozwiązań zależy przede wszystkim od właściwego rozpoznania problemu, który mają rozwiązać. Równie istotne są odpowiedni dobór szczepów mikroorganizmów, jakość formulacji preparatu oraz warunki jego stosowania. Dopiero połączenie tych elementów pozwala w pełni wykorzystać potencjał mikroorganizmów glebowych.

Rozwój technologii mikrobiologicznych sprawia, że preparaty wspierające ryzosferę będą odgrywać coraz większą rolę w nowoczesnym i zrównoważonym żywieniu roślin. Rozwój nowoczesnych technologii mikrobiologicznych sprawia, że preparaty oparte na pożytecznych mikroorganizmach będą odgrywać coraz większą rolę w nowoczesnym rolnictwie. Będą wspierać efektywność nawożenia, poprawę żyzności gleby oraz uzyskiwanie stabilnych i wysokich plonów.