Integrierte Krankheitsmanagementstrategie zur Verbesserung der Mikrogrünproduktion in regenerativen organischen Systemen

Arash Ghalehgolabbehbahani, Ph.D.¹, Jean Bertrand Contina, Ph.D.², Madhav Dhakal, Ph.D.¹, Andrew Smith, Ph.D.¹ & Dinesh Panday, Ph.D.^{3, *}

¹Rodale Institute, Kutztown, PA, 19530
²Rodale Institute Midwest Organic Center, Marion, IA, 52302
³Rodale Institute- Pocono Organic Center, Blakeslee, PA, 18610
^*Korrespondierender Autor: dinesh.panday@rodaleinstitute.org

Arash Ghalehgolabbehbahani und Dinesh Panday haben gleichermaßen zu dieser Arbeit beigetragen.

Abstrakt

Um die Wirkung des Biofungizids RootShield zu bewerten, wurde eine Gewächshausstudie durchgeführt⁺ und ultraviolettes Licht-C (UV-C) auf Ertrag und physiologische Wachstumsparameter von Brokkoli (Brassica oleracea var. Italica) Microgreens. Die Behandlungen wurden anhand eines randomisierten vollständigen Blockdesigns mit vier Wiederholungen angeordnet. Der wichtigste bodenbürtige Krankheitserreger wurde durch Tests infizierter Pflanzen, die zum Stamm der Zygomyceten gehören, nachgewiesen. Während die getesteten antipathogenen Pilze einen signifikanten Einfluss auf den Microgreen-Ertrag hatten, hatte die UV-C-Anwendung keinen Einfluss auf den Erreger. Trichoderma Mit Erde behandelte Pflanzen erzielten den größten Ertrag. UV-C kann ein wesentlicher Bestandteil der Schädlingsbekämpfung in der ökologischen Mikrogrünproduktion sein und erfordert detaillierte physiologische Untersuchungen.

Stichwort: Brokkoli; mikrogrün; regeneratives organisches System; bodenbürtiger Krankheitserreger; UV-C

Einleitung

Microgreens sind unreife Gemüsesprossen, die 7 bis 21 Tage nach der Keimung geerntet werden, sobald sich die Keimblattblätter mit einem Satz echter Blätter entwickelt haben (Galieni et al., 2020; Zhang et al., 2021). Diese jungen Grünsorten sind für ihre Textur und ihren konzentrierten Geschmack bekannt, was sie zu einer beliebten Ergänzung zu Salaten, Sandwiches und anderen Gerichten macht (Turner et al., 2020). Microgreens können aufgrund ihres reichhaltigen Nährstoffgehalts und ihres intensiveren Aromas und Geschmacks als besserer Ersatz für Sprossen angesehen werden. Darüber hinaus sind Microgreens reich an Vitaminen (z. B. Vitamin C), Mineralien (z. B. Cu und Zn) und sekundären Pflanzenstoffen, einschließlich Carotinoiden und Phenolverbindungen, die im menschlichen Körper als Antioxidantien wirken (Yadav et al., 2019; Zhang et al., 2021). Butkutė et al. (2018) beobachteten einen bis zu 3.2-mal höheren Zn-Gehalt in Microgreens als in rohen und gekeimten Samen kleiner Hülsenfrüchte. Microgreens wiesen einen Gesamtchlorophyllgehalt im Bereich von 12.35 bis 112.62 mg pro 100 g auf^-1, reicher als Sprossen (de la Fuente et al., 2019). Chlorophyll und Carotinoide sind wichtige photosynthetische Farbpigmente, die sich auf die Wahl der Microgreens durch die Kunden und ihren wirtschaftlichen Wert auswirken (Žnidarčič et al., 2011).

Viele Microgreen-Anbauer haben Schwierigkeiten, die mit Temperatur und Luftfeuchtigkeit verbundenen Klimafaktoren zu kontrollieren und zu optimieren. Luftfeuchtigkeitswerte über 75 % sind mit der Vermehrung von Bakterien und Pilzen auf grünem Gewebe verbunden, was zu Ertragsverlusten führt (Hamilton et al., 2023). Zu den weiteren agronomischen Herausforderungen, mit denen Landwirte konfrontiert sind, gehören schlechte Keimungsraten in Verbindung mit schlechter Samenqualität, ungünstiger Qualität und Quantität des Lichts sowie mangelnder Feuchtigkeit für die Keimung und das Wachstum der Pflanzen (Hernandez-Adasme et al., 2023; Senevirathne et al., 2019). . Microgreen-Erzeuger stehen vor zusätzlichen Herausforderungen im Zusammenhang mit der Sicherheit, Regulierung und Zertifizierung von Microgreen-Lebensmitteln. Etwa 13 % der lebensmittelbedingten Ausbrüche in den USA standen im Zusammenhang mit frischen Produkten (Carstens et al., 2019). Es ist allgemein bekannt, dass frische Produkte aus Microgreens verschiedenen Kontaminationsquellen aus dem Boden und dem Bewässerungswasser ausgesetzt sind (Alegbeleye et al., 2018). Microgreens sind Blatt- und Bodenpathogenen ausgesetzt, die ihr Wachstum und ihre Entwicklung beeinträchtigen. Die Pathogenese ist durch eine offene Wirt-Pathogen-Interaktion gekennzeichnet, die zur Vermehrung infektiöser mikrobieller Einheiten im gesamten Wurzel- oder Blattgewebe des Wirts führt und gleichzeitig deren Funktionen beeinträchtigt. Die Intensität und Ausbreitung der Krankheit hängt vom Grad der Pflanzenanfälligkeit, der Infektiosität und Virulenz der Krankheitserreger sowie der Umweltverträglichkeit ab (Agrios, 2005). Daher könnte eine Kombination aus geringer Resistenz der Pflanze, einem virulenten Krankheitserreger und einer feuchten Umgebung einen massiven Krankheitserregerbefall auslösen, der zu einem vollständigen Ernteverlust führen würde. Gemüse und Microgreens reagieren empfindlich auf Wurzelfäule, was zur Verrottung der Sämlinge führen kann Pythium spp., Fusarium spp., oder Rhizoctonia spp. (Martins et al., 2022; McGehee et al., 2018; Riaz et al., 2021).

Verschiedene Strategien aus dem Werkzeugkasten der Landwirte können zur Vorbeugung, Linderung oder Bekämpfung von Krankheiten eingesetzt werden. Eine der Strategien zur Bekämpfung von Pflanzenkrankheiten ist der Einsatz biologischer Ansätze, die direkt auf die Krankheitserreger abzielen. Biologische Ansätze zur Krankheitsbekämpfung umfassen ein Arsenal pflanzlicher Produkte, mikrobieller Metaboliten und mikrobieller Wirkstoffe. Die Gattung Trichoderma, ein kosmopolitischer, im Boden vorkommender Fadenpilz, ist weithin bekannt und wird für seine inhärenten antagonistischen Fähigkeiten zur Bekämpfung von Pflanzenpathogenen untersucht und wird häufig als Biokontrollmittel eingesetzt (Contina et al., 2017; Harman et al., 2004; Druzhinina et al., 2011). Trichoderma spp. verwendeten vielschichtige Mechanismen zur Bekämpfung bodenbürtiger Krankheitserreger und umfassen (Harman et al., 2004): (1) direkten Parasitismus der Krankheitserreger; (2) Produktion hydrolytischer Enzyme; (3) Wettbewerb um Raum und Ressourcen; (4) Wurzelbesiedlung; (5) Förderung des Pflanzenwachstums; und (6) Induktion einer systemischen Resistenz im Wirt. Abwechslungsreiche Arten von Trichoderma Es wurde gezeigt, dass sie Nematoden deutlich kontrollieren (Contina et al., 2017; Sahebani und Hadavi, 2008). Fusarium spp. (Erazo et al., 2021), Phytophthora spp., Pythium spp. (McGehee et al., 2018), Rhizoctonia spp. und Insekten (Poveda, 2021).

Ultraviolettes Licht wird auch zur Desinfektion mikrobieller Verunreinigungen eingesetzt, indem es deren Wachstum hemmt. Unter den verschiedenen Arten von UV-Strahlung weist UV-C (200–280 nm) die stärkste keimtötende Wirkung auf. Die Einwirkung von UV-Licht führt auch zu einer verzögerten Sporenkeimung und einer erhöhten Resistenz gegen Pflanzenpathogene, indem es die Anreicherung antimikrobieller Substanzen wie Terpenoide erleichtert (Cornell Chronicle, 2019). Eine bahnbrechende Entdeckung, die die Wirksamkeit der nächtlichen Anwendung von UV-Licht zur Pilzbekämpfung hervorhebt, hat Forscher dazu inspiriert, diese Methode zur Bekämpfung verschiedener Pilzkrankheiten in Gartenbaukulturen einzusetzen (Suthaparan et al., 2012).

Als Reaktion auf die begrenzten Informationen und Techniken zur Bekämpfung von Krankheiten in der regenerativen Bio-Mikrogrünproduktion wurde eine Studie durchgeführt, um einen integrierten Ansatz zu entwickeln, der die Anwendung antipathogener Pilze als biologische Bekämpfung und die Nutzung von ultraviolettem Licht als physikalische Methode zur Krankheitsbekämpfung kombiniert. Brokkoli (Brassica oleracea) wurde aufgrund seiner hohen Anfälligkeit für bodenbürtige mikrobielle Krankheiten als Fallstudie ausgewählt. Die Beobachtungen dieser Studie werden als Grundlage für die Gestaltung eines umfassenden Forschungsprojekts dienen, um die Auswirkungen verschiedener mikrobieller Krankheiten in bodenbasierten Mikrogrün-Produktionssystemen abzuschwächen. In dieser Studie haben wir die indirekten Auswirkungen von antipathogenen Pilzen und UV-C-Bestrahlung auf den mikrobiellen Befall untersucht, indem wir den Ertrag und andere physiologische Wachstumsparameter (wie Stammlänge und Wurzellänge) von Microgreens gemessen haben. Zukünftig werden Untersuchungen zur Auswirkung von Behandlungen auf bodenbürtige Krankheitserreger durchgeführt.

Materialen und Methoden

Gewächshausbedingungen 

Diese Forschung wurde in einem Gewächshaus in Blakeslee, Pennsylvania (USDA-Pflanzenhärtezone 5b (-26.1 °C bis -23.3 °C)) durchgeführt. Die Temperatur im Gewächshaus wurde während des gesamten Untersuchungszeitraums bei 24.4 °C und die Luftfeuchtigkeit bei 45 % gehalten. Die Pflanzen wurden unter einer 12-Stunden-12-Stunden-Licht-Dunkel-Photoperiode gehalten und je nach Bedarf bis zu dreimal täglich mit der Bodenschalen-Füllmethode bewässert. Eine faktorielle Anordnung (2×2), die auf einem randomisierten vollständigen Blockdesign basierte, wurde verwendet, um den Einfluss von ultraviolettem (UV) Licht und einer Kombination von zwei Isolaten antipathogener Pilze auf den Ertrag von aus Brokkolisamen hergestellten Microgreens zu bewerten. Der Versuch wurde von Dezember 2022 bis März 2023 dreimal wiederholt. Außerdem wurden Proben gesammelt und an ein Labor der Plant Disease Clinic, Penn State University, University Park, PA, geschickt, um die Quelle des Pflanzenbefalls zu identifizieren. Die Ergebnisse pathologischer Tests an geschädigten Pflanzen, die in Kontrolleinheiten gesammelt wurden, zeigten das Vorhandensein eines Krankheitserregers, der zum Zygomyceten gehört (Rhizopus or Mucor) Stamm.

Pflanzenmaterial 

Brokkolisamen wurden von Johnny's Seeds, Fairfield, ME (82 % Keimfähigkeit) erworben. Da Brokkolisamen und Microgreens im Vergleich zu vielen anderen Nutzpflanzen besonders anfällig für mikrobiellen Befall sind, konzentriert sich diese Forschung darauf, sie als Fallstudie zu verwenden. Für den Anbau von Brokkoli-Microgreens wurden Setzlingsschalen mit 3.4 kg organischer Blumenerde gefüllt und 18 Gramm Brokkolisamen gleichmäßig auf der Erdoberfläche verteilt. Nach dem Pflanzen wurden die Samen sofort bewässert und die Schalen dann in eine dunkle Kammer gestellt, um die Keimung zu erleichtern. Nach einer Keimzeit von 72 Stunden wurden die gekeimten Pflanzen für eine Wachstumsdauer von 7 bis 10 Tagen aus der dunklen Kammer auf Gewächshausbänke überführt. Die Ertragsbewertung wurde mithilfe destruktiver Probenahmemethoden durchgeführt.

Impfung

RootShield Plus (RS+), ein OMRI-gelistetes Fungizid, das für den ökologischen Landbau zugelassen ist, wurde in den Boden eingearbeitet, um eine Quelle für zwei Isolate bereitzustellen Trichoderma (Trichoderma harzianum Stamm T-22 und Trichoderma Viren Stamm G-41). 5.8 Gramm RS+ wurden vor der Aussaat für jede damit behandelte Schale mit 3.4 kg Blumenerde gemischt Trichoderma.

Belichtung mit ultraviolettem Licht

Bei jeder Wiederholung wurden drei Schalen mit gepflanztem Brokkoli einer UV-C-Bestrahlung (200–280 nm) bei 150 JM ausgesetzt^-2 (in einem Abstand von 3 Zoll von der Lichtquelle) für eine Dauer von fünf Sekunden mit dem keimtötenden HVAC-Kit der ECO-Serie (American Ultraviolet, Lebanon, IN). Die UV-C-Expositionsdauer wurde basierend auf der Lichtquelle und dem Expositionsabstand ausgewählt, um eine mikrobielle Reduzierung zu erreichen, ohne die Zusammensetzung und Qualität der Lebensmittel zu beeinträchtigen.

Bewertung des Pflanzenwachstums

Nach einem Zeitraum von 10 bis 12 Tagen nach der Aussaat wurden die Microgreens manuell geerntet und der Ertrag an frischen Produkten sorgfältig gemessen und über die verschiedenen Behandlungen hinweg verglichen. Einen Tag vor der Ernte wurde der Anteil der grünen Baumkronenbedeckung (%FGCC) als Index für das Wachstum grüner Blätter gemessen. Um %FGCC zu bewerten, wurden Fotos des Laubs mit einer Smartphone-Kamera aufgenommen und mit der Canopeo-Anwendung analysiert. Mit dem Programm wurden grüne Pixel gezählt, um das Verhältnis von grünen Blättern zu nacktem Boden zu ermitteln und in einen Prozentsatz der Baumkronenbedeckung umzuwandeln. Die direkte Wirkung der Behandlungen wurde durch Vergleich der Ausbeute und des FGCC-Anteils in behandelten Schalen mit unbehandelten Kontrolleinheiten bewertet.

Statistische Analysen

Die Datenanalyse wurde mit der Statistiksoftware R durchgeführt. Ein linear transformiertes Modell wurde verwendet, um die Wirkung von RootShield und der UV-Lichtexposition auf das Wachstum und die Entwicklung von Brokkoli zu bewerten. Außerdem wurde eine Zwei-Wege-Varianzanalyse (ANOVA) durchgeführt, um die Wechselwirkung zwischen verschiedenen Behandlungsgruppen zu untersuchen α < 0.05. Darüber hinaus wurde ein Korrelationsmodell entwickelt, um den Zusammenhang zwischen der Überdachung (%FGCC) und dem Ernteertrag zu untersuchen. Dieses Korrelationsmodell erleichterte das Verständnis, wie sich Unterschiede in der Überdachung auf den Endertrag der Brokkoli-Microgreens auswirkten, und lieferte wertvolle Erkenntnisse für zukünftige landwirtschaftliche Praktiken. Außerdem wurde eine einfaktorielle ANOVA mit anschließendem Tukey-Test durchgeführt, um die Mittelwerte der gemessenen Parameter zwischen den Behandlungen zu vergleichen.

Resultate und Diskussion

Während die getesteten antipathogenen Pilze den Microgreen-Ertrag deutlich beeinflussten, verursachte die UV-C-Lichtexposition keine signifikante Veränderung dieses gemessenen Parameters (Tabelle 1). Versuchseinheiten werden ausschließlich mit behandelt Trichoderma zeigten mit durchschnittlich 25.8 Gramm frischer Mikrogrünproduktion einen höheren Ertrag (Abb. 1). Dieser Menge folgten 21.5 Gramm Microgreen-Produktion in Schalen, die mit einer Kombination aus behandelt wurden Trichoderma und UV-C-Licht. Der beobachtete Ertragsunterschied kann auf die antagonistische Beziehung zwischen der Anwendung von UV-C-Licht und antipathogenen Pilzen zurückgeführt werden. Smaetz-Baron et al. (1997) berichteten über eine erhebliche Einschränkung der Keimungsrate von Trichoderma wenn es UV-C-Licht ausgesetzt wird. Der Effekt der UV-C-Anwendung erwies sich jedoch als nicht signifikant; Mit UV-C behandelte Schalen erbrachten nur einen geringfügig höheren Ertrag als die unbehandelten Kontrolleinheiten.

Die Varianzanalyse ergab für alle gemessenen Parameter eine nicht signifikante Wechselwirkung zwischen den getesteten Behandlungen (Tabelle 1). Es wurde auch ein bemerkenswerter Einfluss der antipathogenen Pilze auf die Stammlänge und den FGCC-Anteil beobachtet. Die mit UV-C und UV-C behandelten Tabletts Trichoderma wies mit einer durchschnittlichen Länge von 59.6 mm die längsten Stiele auf. Im Gegensatz dazu hatten die Kontrolleinheiten die kürzesten Brokkoli-Microgreens mit einer durchschnittlichen Stiellänge von 50.86 mm (Tabelle 2).

Dagegen zeigte die Wurzellänge keine signifikanten Unterschiede zwischen den Behandlungen und lag zwischen 22.41 und 24.96 mm. Trotz der nicht signifikanten Wirkung von Trichoderma Über die Länge der Microgreens konnten wir in mit antipathogenen Pilzen behandelten Schalen ein gut entwickeltes und robustes Hilfswurzelsystem beobachten (Abb. 2). Am Ende des Experiments wurde die Gesamtwurzellänge des Mikrogrüns gemessen, wobei sich die Wurzellänge bei den damit behandelten Mikrogrünsamen um das Vierfache erhöhte Trichoderma (Durchschnitt = 4 cm) im Vergleich zu keinem Trichoderma (Durchschnitt = 1 cm). Auch die Anwendung von antipathogenen Pilzen führte zu einem durchschnittlich 26 % höheren FGCC-Anteil als bei den nicht behandelten Einheiten (Tabelle 2). Der erhöhte FGCC-Anteil deutete auf eine größere Anzahl entwickelter Chlorophyllzellen hin, was zu einer schnelleren Wachstumsrate, einer größeren Abdeckung des Blätterdachs und einem höheren Ertrag führte. Diese Beziehung wurde durch eine signifikante positive Korrelation zwischen dem aufgezeichneten %FGCC und dem geernteten Ertrag gestützt (Abb. 3).

Brokkoli beimpft mit Trichoderma erzielte ein höheres Wachstum und eine höhere Entwicklung als mit nicht verändertem Boden. Das hat unser Experiment gezeigt Trichoderma Impfmittel wirkten als Biostimulans zur Verbesserung des Pflanzenwachstums und als Biokontrollmittel zum Schutz der Pflanze vor Krankheitserregern. Ähnliche Studien haben das gezeigt Trichoderma spp. kann die Wurzelepidermis besiedeln und die Fähigkeit der Pflanze erhöhen, die Nährstoffaufnahme zu steigern und ihr Wachstum deutlich zu steigern (Harman, 2006). Die Förderung des Pflanzenwachstums wurde mit der Fähigkeit in Verbindung gebracht Trichoderma spp. um Siderophore abzusondern und freizusetzen, die dazu dienen, andere Metalle wie Mangan, Nickel und Zink zu chelatisieren und sie für die Pflanzenabsorption verfügbar zu machen (Saha et al., 2013). Andere Studien haben herausgefunden, dass einige Trichoderma Arten verfügen über die Fähigkeit, Phosphate zu lösen, hormonähnliche Verbindungen, die die Nährstoffaufnahme der Pflanze verbessern können (Lopez-Bucio et al., 2015; Rudresh et al., 2005).

Obwohl in dieser Studie der Biokontrollprozess nicht direkt bewertet wurde, änderte sich das Fehlen einer Krankheitsentwicklung im Boden Trichoderma weist darauf hin, dass die Biokontrollpilze dem Infektionsgericht eine Schutzschicht bildeten. Frühere Studien haben den Prozess der Krankheitsbekämpfung aufgeklärt Trichoderma und umfasste die Produktion bioaktiver Verbindungen, zellwandabbauender Enzyme und sekundärer Metaboliten (Contreras-Cornejo et al., 2016; Harman, 2006). Andere Studien haben das herausgefunden Trichoderma kann die Krankheitserreger durch Hyphenbesiedlung, Konkurrenz um Ressourcen und Induktion systemischer Resistenz in der Wirtspflanze direkt parasitieren (Contina et al., 2017; Harman et al., 2004; Van Loon, 2007).

Die agrarökologischen Dienstleistungen von Trichoderma spp. werden oft durch die Bodenumweltfaktoren – abiotische Elemente – und den Einfluss des trophischen Netzes des Bodens – biotische Elemente – begrenzt. Das haben Studien herausgefunden Trichoderma Die Verbreitung im Medium hing hauptsächlich von der Bodentemperatur und den Feuchtigkeitsbedingungen ab (Eastburn und Butler, 1987; Widden und Abitbol, ​​1980). Es wurde festgestellt, dass mehrere biotische Faktoren eng damit zusammenhängen T. harzianum Verteilung im Boden, einschließlich einer positiven Assoziation mit Bakterienpopulationen (Hadar et al., 1984). In einer aktuellen Studie T. virens und T. asperellum wurden ultraviolettem Licht ausgesetzt und erfuhren Veränderungen in ihrer genetischen Struktur, und die erhaltenen Mutanten konnten Pflanzenpathogene erfolgreicher bekämpfen als die Wildtypen (Alfiky, 2019). In unserer Studie wurde jedoch die Exposition von T. virens und T. harzianum steigerten ihre Biokontrollaktivitäten oder biostimulierenden Kapazitäten im Vergleich zu einer nicht exponierten Behandlung nicht. Diese Unklarheiten könnten dadurch erklärt werden, dass nur bestimmte Trichoderma Wenn diese Stämme UV-Licht ausgesetzt werden, können sie ihre biostimulierenden und biokontrollierenden Aktivitäten verstärken.

Zukünftige Forschung sollte sich auf die Aufklärung von Mutageneseereignissen konzentrieren, die auftreten könnten, wenn Microgreens, T. virens und T. harzianum werden UV-Licht ausgesetzt und um die Auswirkungen auf Pflanzenwachstum und -entwicklung sowie die Fähigkeit von zu bestimmen Trichoderma spp. um sich im Boden zu vermehren und als Biostimulanzien und Biokontrollmittel zu wirken. Die Kartierung der genetischen Struktur, in der Mutationen auftreten könnten, würde dabei helfen, spezifische Gene zu identifizieren, die mit der Verbesserung der vorteilhaften Eigenschaften von Mutationen verbunden sind Trichoderma spp. und würde möglicherweise die Mutagenese zum Werkzeugkasten zur Bekämpfung von Pflanzenkrankheiten und zur Steigerung des Pflanzenwachstums hinzufügen. Wir beabsichtigen, unsere Forschungsrichtung fortzusetzen und sie zu erweitern, um spezifische Wechselwirkungen zwischen der Wirtspflanze, den Krankheitserregern, den Biokontrollmitteln und der Umwelt zu untersuchen.

Danksagungen: Die Autoren danken Jennifer Salazar und dem gesamten Team von Pocono Organics in Blakeslee, PA, für ihre unschätzbare Unterstützung während der Studie. Darüber hinaus möchten die Autoren John Siepel von American Ultraviolet in Lebanon, IN, für die großzügige Bereitstellung von UV-Lampen und technischer Unterstützung danken.

Finanzierung: Dieses Projekt wurde von Pocono Organics finanziert und teilweise vom National Institute of Food and Agriculture des US-Landwirtschaftsministeriums durch das Northeast Sustainable Agriculture Research and Education-Programm unter der Unterpreisnummer [ONE22-413] unterstützt.

Interessenkonflikt: Die Autoren erklären, dass kein Interessenkonflikt besteht.