Published May 28, 2020
| Version v1
Publication
Open
Soil Sickness in Aged Tea Plantation Is Associated With a Shift in Microbial Communities as a Result of Plant Polyphenol Accumulation in the Tea Gardens
Creators
- 1. Fujian Agriculture and Forestry University
- 2. The University of Agriculture, Peshawar
Description
In conventional tea plantations, a large amount of pruned material returns to the soil surface, putting a high quantity of polyphenols into the soil. The accumulation of active allelochemicals in the tea rhizosphere and subsequent shift in beneficial microbes may be the cause of acidification, soil sickness, and regeneration problem, which may be attributed to hindrance of plant growth, development, and low yield in long-term monoculture tea plantation. However, the role of pruning leaf litter in soil sickness under consecutive tea monoculture is unclear. Here, we investigated soil samples taken from conventional tea gardens of different ages (2, 15, and 30 years) and under the effect of regular pruning. Different approaches including liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) analysis of the leaf litter, metagenomic study of root-associated bacterial communities, and in vitro interaction of polyphenols with selected bacteria were applied to understand the effect of leaf litter-derived polyphenols on the composition and structure of the tea rhizosphere microbial community. Our results indicated that each pruning practice returns a large amount of leaf litter to each tea garden. LC-MS results showed that leaf litter leads to the accumulation of various allelochemicals in the tea rhizosphere, including epigallocatechin gallate, epigallocatechin, epicatechin gallate, catechin, and epicatechin with increasing age of the tea plantation. Meanwhile, in the tea garden grown consecutively for 30 years (30-Y), the phenol oxidase and peroxidase activities increased significantly. Pyrosequencing identified Burkholderia and Pseudomonas as the dominant genera, while plant growth-promoting bacteria, especially Bacillus, Prevotella, and Sphingomonas, were significantly reduced in the long-term tea plantation. The qPCR results of 30-Y soil confirmed that the copy numbers of bacterial genes per gram of the rhizosphere soil were significantly reduced, while that of Pseudomonas increased significantly. In vitro study showed that the growth of catechin-degrading bacteria (e.g., Pseudomonas) increased and plant-promoting bacteria (e.g., Bacillus) decreased significantly with increasing concentration of these allelochemicals. Furthermore, in vitro interaction showed a 0.36-fold decrease in the pH of the broth after 72 h with the catechin degradation. In summary, the increase of Pseudomonas and Burkholderia in the 30-Y garden was found to be associated with the accumulation of catechin substrates. In response to the long-term monoculture of tea, the variable soil pH along with the litter distribution negatively affect the population of plant growth-promoting bacteria (e.g., Sphingomonas, Bacillus, and Prevotella). Current research suggests that the removal of pruned branches from tea gardens can prevent soil sickness and may lead to sustainable tea production.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
في مزارع الشاي التقليدية، تعود كمية كبيرة من المواد المشذبة إلى سطح التربة، مما يضع كمية عالية من البوليفينول في التربة. قد يكون تراكم المواد الكيميائية الأليلية النشطة في جذمور الشاي والتحول اللاحق في الميكروبات المفيدة سببًا في التحمض وأمراض التربة ومشكلة التجديد، والتي قد تعزى إلى إعاقة نمو النبات وتطوره وانخفاض العائد في مزارع الشاي أحادية الزراعة على المدى الطويل. ومع ذلك، فإن دور تقليم فضلات الأوراق في مرض التربة في ظل زراعة الشاي الأحادية المتتالية غير واضح. هنا، قمنا بالتحقيق في عينات التربة المأخوذة من حدائق الشاي التقليدية من مختلف الأعمار (2 و 15 و 30 عامًا) وتحت تأثير التقليم المنتظم. تم تطبيق مناهج مختلفة بما في ذلك التحليل اللوني السائل - قياس الطيف الكتلي (LC - MS) للقمامة الورقية، والدراسة الميتاجينية للمجتمعات البكتيرية المرتبطة بالجذر، والتفاعل المختبري للبوليفينول مع البكتيريا المختارة لفهم تأثير البوليفينول المشتق من أوراق الشجر على تكوين وبنية المجتمع الميكروبي لجذمور الشاي. أشارت نتائجنا إلى أن كل ممارسة تقليم تعيد كمية كبيرة من فضلات الأوراق إلى كل حديقة شاي. أظهرت نتائج LC - MS أن فضلات الأوراق تؤدي إلى تراكم العديد من المواد الكيميائية الأليلية في جذمور الشاي، بما في ذلك epigallocatechin gallate و epigallocatechin و epicatechin gallate و catechin و epicatechin مع زيادة عمر مزرعة الشاي. وفي الوقت نفسه، في حديقة الشاي التي نمت على التوالي لمدة 30 عامًا (30 عامًا)، زادت أنشطة الفينول أوكسيديز والبيروكسيديز بشكل كبير. حدد التسلسل الحراري البوركهولدريا والزائفة على أنها الأجناس السائدة، في حين انخفضت البكتيريا المعززة لنمو النبات، وخاصة العصوية والبريفوتيلا والسفينغوموناس، بشكل كبير في مزارع الشاي طويلة الأجل. أكدت نتائج qPCR للتربة التي تبلغ 30 عامًا أن أعداد نسخ الجينات البكتيرية لكل جرام من تربة الجذور قد انخفضت بشكل كبير، في حين زادت أعداد الزائفة بشكل كبير. أظهرت الدراسة المختبرية أن نمو البكتيريا المهينة للكاتشين (على سبيل المثال، الزائفة) زاد وأن البكتيريا المعززة للنبات (على سبيل المثال، العصوية) انخفضت بشكل كبير مع زيادة تركيز هذه المواد الكيميائية الأليلية. علاوة على ذلك، أظهر التفاعل في المختبر انخفاضًا بمقدار 0.36 ضعفًا في درجة الحموضة في المرق بعد 72 ساعة مع تدهور الكاتيكين. باختصار، تبين أن زيادة الزائفة والبوركهولدريا في الحديقة التي تبلغ مدتها 30 عامًا مرتبطة بتراكم ركائز الكاتشين. استجابة للزراعة الأحادية طويلة الأجل للشاي، يؤثر الرقم الهيدروجيني المتغير للتربة جنبًا إلى جنب مع توزيع القمامة سلبًا على عدد البكتيريا المعززة لنمو النبات (على سبيل المثال، Sphingomonas و Bacillus و Prevotella). تشير الأبحاث الحالية إلى أن إزالة الفروع المشذبة من حدائق الشاي يمكن أن تمنع مرض التربة وقد تؤدي إلى إنتاج الشاي المستدام.Translated Description (French)
Dans les plantations de thé conventionnelles, une grande quantité de matériau taillé retourne à la surface du sol, mettant une grande quantité de polyphénols dans le sol. L'accumulation d'allélochimiques actifs dans la rhizosphère du thé et le déplacement ultérieur des microbes bénéfiques peuvent être la cause de l'acidification, du mal des sols et du problème de régénération, qui peuvent être attribués à l'entrave à la croissance, au développement et au faible rendement des plantes dans les plantations de thé en monoculture à long terme. Cependant, le rôle de la litière de feuilles d'élagage dans la maladie du sol dans la monoculture consécutive du thé n'est pas clair. Ici, nous avons étudié des échantillons de sol prélevés dans des jardins de thé conventionnels de différents âges (2, 15 et 30 ans) et sous l'effet d'une taille régulière. Différentes approches, y compris l'analyse par chromatographie liquide et spectrométrie de masse (LC-MS) de la litière de feuilles, l'étude métagénomique des communautés bactériennes associées aux racines et l'interaction in vitro des polyphénols avec des bactéries sélectionnées, ont été appliquées pour comprendre l'effet des polyphénols dérivés de la litière de feuilles sur la composition et la structure de la communauté microbienne de la rhizosphère du thé. Nos résultats ont indiqué que chaque pratique de taille renvoie une grande quantité de litière de feuilles à chaque jardin de thé. Les résultats LC-MS ont montré que la litière de feuilles conduit à l'accumulation de divers composés allélochimiques dans la rhizosphère du thé, y compris le gallate d'épigallocatéchine, l'épigallocatéchine, le gallate d'épicatéchine, la catéchine et l'épicatéchine avec l'âge croissant de la plantation de thé. Pendant ce temps, dans le jardin de thé cultivé consécutivement pendant 30 ans (30-Y), les activités phénol oxydase et peroxydase ont augmenté de manière significative. Le pyroséquençage a identifié Burkholderia et Pseudomonas comme les genres dominants, tandis que les bactéries favorisant la croissance des plantes, en particulier Bacillus, Prevotella et Sphingomonas, ont été significativement réduites dans la plantation de thé à long terme. Les résultats de la qPCR du sol 30-Y ont confirmé que le nombre de copies de gènes bactériens par gramme de sol de la rhizosphère était significativement réduit, tandis que celui de Pseudomonas augmentait significativement. Une étude in vitro a montré que la croissance des bactéries dégradant la catéchine (par exemple, Pseudomonas) augmentait et que les bactéries favorisant les plantes (par exemple, Bacillus) diminuaient de manière significative avec l'augmentation de la concentration de ces substances allélochimiques. De plus, l'interaction in vitro a montré une diminution de 0,36fois du pH du bouillon après 72 h avec la dégradation de la catéchine. En résumé, l'augmentation de Pseudomonas et de Burkholderia dans le jardin de 30 ans a été associée à l'accumulation de substrats de catéchine. En réponse à la monoculture à long terme du thé, le pH variable du sol ainsi que la répartition de la litière affectent négativement la population de bactéries favorisant la croissance des plantes (par exemple, Sphingomonas, Bacillus et Prevotella). Les recherches actuelles suggèrent que le retrait des branches taillées des jardins de thé peut prévenir le mal du sol et peut conduire à une production de thé durable.Translated Description (Spanish)
En las plantaciones de té convencionales, una gran cantidad de material podado vuelve a la superficie del suelo, poniendo una gran cantidad de polifenoles en el suelo. La acumulación de aleloquímicos activos en la rizosfera del té y el posterior cambio en los microbios beneficiosos pueden ser la causa de la acidificación, la enfermedad del suelo y el problema de regeneración, que puede atribuirse al impedimento del crecimiento y desarrollo de las plantas y al bajo rendimiento en las plantaciones de té de monocultivo a largo plazo. Sin embargo, el papel de la poda de hojarasca en la enfermedad del suelo en monocultivos consecutivos de té no está claro. Aquí, investigamos muestras de suelo tomadas de jardines de té convencionales de diferentes edades (2, 15 y 30 años) y bajo el efecto de la poda regular. Se aplicaron diferentes enfoques, incluido el análisis de cromatografía líquida-espectrometría de masas (LC-MS) de la hojarasca, el estudio metagenómico de las comunidades bacterianas asociadas a las raíces y la interacción in vitro de polifenoles con bacterias seleccionadas, para comprender el efecto de los polifenoles derivados de la hojarasca en la composición y estructura de la comunidad microbiana de la rizosfera del té. Nuestros resultados indicaron que cada práctica de poda devuelve una gran cantidad de hojarasca a cada jardín de té. Los resultados de LC-MS mostraron que la hojarasca conduce a la acumulación de varios aleloquímicos en la rizosfera del té, incluyendo galato de epigalocatequina, epigalocatequina, galato de epicatequina, catequina y epicatequina con el aumento de la edad de la plantación de té. Mientras tanto, en el jardín de té cultivado consecutivamente durante 30 años (30-Y), las actividades de fenol oxidasa y peroxidasa aumentaron significativamente. La pirosecuenciación identificó a Burkholderia y Pseudomonas como los géneros dominantes, mientras que las bacterias promotoras del crecimiento de las plantas, especialmente Bacillus, Prevotella y Sphingomonas, se redujeron significativamente en la plantación de té a largo plazo. Los resultados de qPCR del suelo 30-Y confirmaron que el número de copias de genes bacterianos por gramo del suelo de la rizosfera se redujo significativamente, mientras que el de Pseudomonas aumentó significativamente. El estudio in vitro mostró que el crecimiento de bacterias degradantes de catequinas (por ejemplo, Pseudomonas) aumentó y las bacterias promotoras de plantas (por ejemplo, Bacillus) disminuyeron significativamente con el aumento de la concentración de estos aleloquímicos. Además, la interacción in vitro mostró una disminución de 0.36veces en el pH del caldo después de 72 h con la degradación de la catequina. En resumen, se encontró que el aumento de Pseudomonas y Burkholderia en el jardín 30-Y estaba asociado con la acumulación de sustratos de catequina. En respuesta al monocultivo a largo plazo del té, el pH variable del suelo junto con la distribución de la basura afectan negativamente a la población de bacterias promotoras del crecimiento de las plantas (por ejemplo, Sphingomonas, Bacillus y Prevotella). La investigación actual sugiere que la eliminación de las ramas podadas de los jardines de té puede prevenir la enfermedad del suelo y puede conducir a una producción sostenible de té.Files
pdf.pdf
Files
(2.7 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:9b09182cc0660074df89a6e3c63400f8
|
2.7 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- يرتبط مرض التربة في مزارع الشاي القديمة بتحول في المجتمعات الميكروبية نتيجة لتراكم البوليفينول النباتي في حدائق الشاي
- Translated title (French)
- La maladie du sol dans les plantations de thé vieillissantes est associée à un changement dans les communautés microbiennes en raison de l'accumulation de polyphénols végétaux dans les jardins de thé
- Translated title (Spanish)
- La enfermedad del suelo en las plantaciones de té envejecidas se asocia con un cambio en las comunidades microbianas como resultado de la acumulación de polifenoles vegetales en los jardines de té
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3031926896
- DOI
- 10.3389/fpls.2020.00601
References
- https://openalex.org/W1581224696
- https://openalex.org/W1835674312
- https://openalex.org/W1975551382
- https://openalex.org/W1986136285
- https://openalex.org/W2006637480
- https://openalex.org/W2009623994
- https://openalex.org/W2015225675
- https://openalex.org/W2017387862
- https://openalex.org/W2018424327
- https://openalex.org/W2027699239
- https://openalex.org/W2032532258
- https://openalex.org/W2041119993
- https://openalex.org/W2047546743
- https://openalex.org/W2047977838
- https://openalex.org/W2053001676
- https://openalex.org/W2054600557
- https://openalex.org/W2056594014
- https://openalex.org/W2072970694
- https://openalex.org/W2075955833
- https://openalex.org/W2080245285
- https://openalex.org/W2080805987
- https://openalex.org/W2086865963
- https://openalex.org/W2088833470
- https://openalex.org/W2101120467
- https://openalex.org/W2105601706
- https://openalex.org/W2115455593
- https://openalex.org/W2117592421
- https://openalex.org/W2118983568
- https://openalex.org/W2136879569
- https://openalex.org/W2143210178
- https://openalex.org/W2147832162
- https://openalex.org/W2151344213
- https://openalex.org/W2151516010
- https://openalex.org/W2152405429
- https://openalex.org/W2157107905
- https://openalex.org/W2159859050
- https://openalex.org/W2160947363
- https://openalex.org/W2162295676
- https://openalex.org/W2235673402
- https://openalex.org/W2286054605
- https://openalex.org/W2309934773
- https://openalex.org/W2402999047
- https://openalex.org/W2404313906
- https://openalex.org/W2549335110
- https://openalex.org/W258992054
- https://openalex.org/W2745063417
- https://openalex.org/W2755861588
- https://openalex.org/W2939429624
- https://openalex.org/W2969899847
- https://openalex.org/W3085933803