Biodynamické preparáty, půdní mikrobiom a rostliny

Zvýšení obsahu mikrobiomu, který by podporoval růst rostlin je zemědělsky velmi zajímavé. Existují půdní bakterie a houby, které v případě růstového stresu, způsobeného například suchem nebo mokrem, zlepšují resilienci rostlin. V článku najdete shrnutí dosavadního výzkumu, který ukazje, že biodynamické postřikové preparáty mohou zvyšovat výskyt právě těchto bakterií a hub v půdě.

Význam mikrobiomu

Výzkum půdního mikrobiomu, konkrétně bakterií a houbových organismů, v posledních letech pokročil díky genové sekvenaci. Při analýze 5 až 10 g půdy z našich půdních vzorků jsme tak určili cca 1000 kmenů bakterií a 900 kmenů hub včetně jejich procentuálního podílu ve vzorku.

Agrotechnicky obzvlášť zajímavá je skupina mikroorganismů „potenciálně podporujících růst rostlin“ (anglicky „plant growth promoting microorganisms“, PGPM).

Do této skupiny patří například bakterie a houby, které dokáží produkovat fytohormony auxiny, cytokininy a gibereliny, jež mají pozitivní vliv na růst rostlin. Jiné bakterie a houby produkují látky, které rostlinám pomáhají zvládat stres způsobený například horkem, suchem nebo mokrem. Pomocí těchto mikroorganismů lze zvýšit resilienci rostlin vůči stresu. Bakterie a houby tak například vytvářejí exopolysacharidy (EPS), což jsou polymery, které v půdě napomáhají tvorbě stabilní drobtovité struktury a prostřednictvím biologického filmu tak chrání kořeny rostlin před stresem ze sucha.

Z výzkumů provedených vědeckými týmy Ortiz-Alvarez et al. (2021), Radha & Rao (2014), Spaccini et al. (2012) a Giannattasio et al. (2013) vyplývá, že biodynamické postřikové preparáty ovlivňují mikrobiom v půdě. V předkládaných pokusech jsme ověřovali hypotézu, že používání biodynamických postřikových preparátů by mohlo vést ke zvýšení přítomnosti právě PGPM bakterií a hub v půdě.

Copyright: J. Fritz et.al

Materiál a metodika

Vzorky preparátu roháčku (500) byly získány od producentů v Darmstadtu (DE), Cluny (FR), Bad Vilbel (DE) a Zülpichu (DE). Vzorky preparátu roháčku 500P (roháček s kompostovými preparáty) pocházely z Biodynamie Services v Cluny. Vzorky preparátu křemenáčku (501) byly získány z Darmstadtu, Cluny, Bad Vilbel a Veldenu (viz tabulku 1). Ve čtyřech různých polních pokusech byly odebrány půdní vzorky v hloubce 13 cm. Jednalo se o tyto projekty:

1. dlouhodobý pokus s obilninami ve Frankenhausenu (školní statek Univerzity v Kasselu), 4 různé osevní postupy, 4 opakování vždy bez aplikace a s aplikací preparátů (4× roháček + 2× křemenáček; 16 párových srovnání);
2. dlouhodobý pokus s révou vinnou při vysoké škole v Geisenheimu, 4 opakování vždy bez aplikace a s aplikací preparátů (3× roháček + 3× křemenáček; 4 párová srovnání);
3. polního pokus s obilninami a 4 různými předplodinami v Darmstadtu, který byl založen výzkumným ústavem Forschungsring a Univerzitou v Bonnu, 4 opakování (intenzifikační pokus: vždy 3× roháček a křemenáček oproti 1× roháček a křemenáček; 16 párových srovnání);
4. 21 polních stanovišť v zemědělské praxi po celé Francii vždy s biodynamickými postřikovými preparáty a bez nich (jednonásobná až vícenásobná aplikace roháčku a křemenáčku). Jednalo se o značné rozpětí půdních druhů a typů a různé polní osevní postupy nebo vinohrady.

Kromě toho byly na dvou stanovištích (dlouhodobý pokus s obilninami ve Frankenhausenu a tři stanoviště ve vinařských podnicích ve Francii) sestaveny časové řady, vždy se sedmi odběry vzorků v průběhu vegetačního období v intervalu dvou týdnů.

Copyright: J. Fritz et.al

Všechny vzorky byly zaslány do laboratoře Biome Makers ve Valladolidu (ESP) k extrakci a analýze DNA. Vyhodnocení vzorků preparátů je vyjádřeno jako procentuální podíl jednotlivých skupin mikroorganismů podporujících růst rostlin vůči celkovému mikrobiomu. Pro vyhodnocení půdních vzorků udala laboratoř takzvaný „BeCrop index“, který je měřítkem abundance (počtu) mikroorganismů, jež mohou potenciálně převzít například funkci produkce giberelinů nebo cytokininů (více informací k postupu viz Milke et al. 2024).

Výsledky a diskuse

Nejprve jsme ověřili, zda se v samotných postřikových preparátech zvyšuje přítomnost PGPM mikroorganismů (pokusný cíl 1). Podíl PGPM na celkovém sekvenovaném mikrobiomu se měřil v devíti různých roháčcích a pěti různých křemenáčcích, a sice z hlediska tvorby rostlinných hormonů auxinu, cytokininu a giberelinu a také z hlediska mechanismů adaptace na stres ve formě inhibice tvorby etylenu, ve formě tvorby exopolysacharidů, redukce zátěže těžkými kovy, tolerance k solím a uvolňování železotvorných sideroforů (tabulka 1). U mikroorganismů potenciálně vytvářejících kyselinu abscisovou a salicylovou nebylo zjištěno zvýšení jejich přítomnosti, jejich podíl byl výrazně nižší než 1 % (viz žluté šipky v tabulce 1).

tabulka 1) Procentuální podíl PGPM bakterií a hub (dle databáze BeCrop). Různá místa výroby preparátů jsou vyznačena názvy těchto míst. Tabulka upravena podle Milke et al. (2024).

Dochází aplikací biodynamických postřikových preparátů k inokulaci (naočkování) půdy PGPM mikroorganismy?

Druhým pokusným cílem bylo zjistit, zda vysoký obsah PGPM mikroorganismů v roháčku a křemenáčku zvyšuje po aplikaci preparátů přítomnost těchto mikroorganismů v půdě. V pokusu s obilninami ve Frankenhausenu se podíl PGPM v půdě při použití roháčku a křemenáčku u všech tří skupin mikroorganismů potenciálně tvořících fytohormony průkazně zvýšil, stejně tak u všech pěti skupin PGPM zprostředkujících adaptaci na stres. Přítomnost těch mikroorganismů byla zvýšená také samotných postřikových preparátech. Podobný výsledek byl zjištěn i na 21 stanovištích na farmách ve Francii.

obrázek 1) Působení biodynamických preparátů na půdní mikrobiom. Srovnání varianty bez (bioorganická) a s (biodynamická) aplikací preparátů. Analýza potenciálních schopností (funkcí) mikrobiálních společenstev v půdě podporovat růst rostlin. Četnost funkcí je reprezentována indexem BeCrop od společnosti Biome Makers a pohybuje se od 1 do 6. Mikrobiální funkce podporující růst rostlin jsou rozděleny do dvou kategorií: produkce hormonů a adaptace na stres. Jednotlivé funkce jsou znázorněny světlými barvami, funkční kategorie tmavými barvami. Chybové úsečky představují standardní chyby. Symboly nad sloupci označují statistickou významnost: T = P-hodnota < 0,1, ∗ = P-hodnota < 0,05, ∗∗ = P-hodnota < 0,01. Graf z Milke et al. (2024). Žlutými šipkami jsou vyznačeny funkce produkce kys. abscisové a salicylové.

Zvýší efekt častější aplikace preparátů, než je základní použití vyžadované směrnicemi Demeter?

Z pokusu v Darmstadtu, kde srovnávali jednu aplikaci roháčku a křemenáčku s trojí aplikací obou preparátů vyplývá, že u dvou skupin mikroorganismů potenciálně tvořících fytohormony a pěti skupin mikroorganismů zprostředkujících adaptaci na stres skutečně vedlo zvýšení četnosti aplikace k průkazně vyššímu podílu PGPM na celkovém sekvenovaném mikrobiomu (obr. 1).

Zároveň se ale, na rozdíl od všech ostatních lokalit, při pokusu v Geisenheimu neukázaly žádné průkazné rozdíly mezi organickou a biodynaickou variantou. Dokonce zde vedlo použití biodynamických postřikových preparátů ke snížení podílu PGPM v půdě u všech deseti skupin sledovaných parametrů mikrobiomu. Oproti většině ostatních pokusů srovnávajících produkční systémy jsou obě zde ověřované ekologické varianty v důsledku dobře zapojeného ozelenění bohatého na leguminózy zásobeny dusíkem dokonce lépe než srovnávaná integrovaná varianta (Meissner et al. 2019): Je možné, že vysoká hladina N zde způsobila méně výrazné interakce mezi rostlinami a mikroorganismy. Ovšem i stanoviště Frankenhausen se vyznačuje vysokým přísunem dusíku. Další faktor, který může mít na výsledek vliv je voda. V roce 2021 nebyla voda pro růst rostlin limitujícím faktorem.

V dalších výzkumech je třeba objasnit,  za jakých podmínek vede zvýšení přítomnosti PGPM v postřikových preparátech také ke zvýšení jejich přítomnosti v ošetřované půdě.

* srovnání různé intenzity aplikace preparátů ✔ hypotéza potvrzena ✘ hypotéza nepotvrzena

Třetí otázkou, na kterou jsme hledali v rámci výzkumu odpověď, bylo, zda se struktura funkčních skupin PGPM mikroorganismů v biodynamických preparátech shoduje s jejich strukturou v ošetřované půdě. Data ukazují, že právě u obou skupin PGPM, jejichž obsah v preparátech není vyšší (mikroorganismy vytvářející kyseliny salicylovou a abscisovou), nedošlo ani u ošetřené půdy při použití preparátů v žádném ze čtyř pokusů k průkaznému zvýšení (tabulka 1 a obrázek 1, žluté šipky).

Typickým znakem úspěšného naočkování půdy je skutečnost, že v časové řadě efekt naočkování postupně roste,  dosáhne vrcholu, a poté  začne klesat. V předkládaných pokusech jsem proto na čtyřech stanovištích provedli časová řada. Na obrázku 2 je znázorněn rozdíl mezi kontrolou bez ošetření (odpovídá ose s hodnotou 0.0) a vzorky, kde byly aplikovány preparáty (žluté sloupcec na obrázku 2).

Ze všech měřených skupin je vyjádřen průměr PGPM.  Před postřikem v týdnu 0 leží hodnota s aplikací preparátů těsně nad nulou. Po aplikaci preparátů hodnota postupně roste až do 8. týdne od aplikace, načež až do 15. týdne opět klesá. Časový průběh změny abundance PGPM po aplikaci preparátů tedy odpovídá očekávané časové řadě při naočkování půdy.

obrázek 2) Analýza časového průběhu. Znázorněn je rozdíl BeCrop indexu mezi biodynamickou a organickou variantou. Kontrola bez aplikace preparátů leží na ose s hodnotou 0.0. Svislé čáry udávají standardní odchylku. Podle: Milke et al. (2024)

Další indicií, že došlo k naočkování půdy mikroorganismy je kolonizace ošetřené půdy mikroorganismy, jejichž přítomnost je zároveň zvýšená  v preparátech. Ověřovali jsme také, zda kmeny mikroorganismů, které se s velkou četností vyskytovaly v preparátech (> 0,5 %), se v porovnání s kontrolou také s větší četností vyskytují v půdě ošetřené preparáty.

Výsledky prokazatelně potvrzují, že došlo ke kolonizaci ošetřené půdy, kterou indukovaly použité preparáty.

Také v časové řadě se u bakterií ukázal nárůst kolonizace, a to až do 8. týdne, poté nastal opět pokles do 15. týdne (podrobnosti viz Milke et al. 2024). Olimi et al. (2022) zjišťovali pomocí specializovaného softwaru (Source tracker) původ mikroorganismů resp. hub v pokusných půdách. Výsledky byly v souladu s našimi výsledky, že po ošetření preparátem roháčkem byly v kořenové sféře půdy nalezeny bakterie a houby pocházející z roháčku. Zároveň byl podíl nalezených bakterií a hub pocházejících z roháčku 1 měsíc po ošetření vyšší než 4 měsíce po ošetření.

Vybavení na dynamizaci (ohřev vody a měděná nádoba na míchání) a aplikaci (měděný zádový postříkovač) biodynamických postřikovýc preparátů. Copyright: J.Fritz et al.

Závěr

Výsledky výzkumů podporují hypotézu, že použití biodynamických preparátů roháčku a křemenáčku způsobuje (vedle možných dalších účinků) naočkování půdy mikroorganismy potenciálně podporujícími růst rostlin.

Biodynamickými preparáty lze zvýšit resilienci rostlin vůči růstovému stresu způsobenému horkem, suchem, mokrem atd.

Tento výsledek je v souladu s výzkumy, při nichž bylo zvýšení výnosů po aplikaci biodynamických postřikových preparátů zaznamenáno zvláště za nepříznivých růstových podmínek (Raupp & König 1996). Které faktory prostředí a managementu podporují nebo omezují zvýšení přítomnosti PGPM v ošetřené půdě a zda resp. za jakých okolností zvýšený půdní potenciál skutečně vyústí ve vyšší resilienci rostlin, je předmětem dalšího výzkumu.

Autoři: Dr. Jürgen Fritz (foto), Univerzita Kassel, j.fritz@uni-kassel.de; Dr. Heberto Rodas-Gaitan, Dr. Georg Meissner, Vincent Masson, Meike Oltmanns, Dr. Yvette Wohlfahrt, prof. Dr. Miriam Athmann

Článek vyšel v časopise Lebendige Erde č. 6/2024, www.lebendigeerde.de