Peltomaan mikrobiston tuntemus on tärkeää, koska mikrobit toimivat monissa maaperän biokemiallisissa prosesseissa vaikuttaen muun muassa kasvien ravinteiden saatavuuteen. Tutkimuksista luonnonkasviyhteisöillä tiedetään kasvien muokkaavan maaperän mikrobiyhteisöjä, mutta vaikutuksia peltomailla ei tunneta kattavasti.
Kasvi- ja mikrobiyhteisöt vaikuttavat toisiinsa
Peltomaan kasviyhteisöt eroavat huomattavasti luonnollisista kasviyhteisöistä ollen tyypillisesti niitä vähälajisempia ja käyden läpi viljelykiertoon liittyviä toimenpiteitä. Jotta kasvi-mikrobi-vuorovaikutuksia peltomailla voidaan kattavasti selvittää, on huomioitava sekä viljelykasvityyppi että oheiskasvit (rikkakasvit), joiden lajirikkaus ja biomassa peltomailla voivat olla huomattavia. Mikrobimonimuotoisuuden lisäksi, on tärkeää selvittää viljelyn kannalta tärkeiden mikrobien toiminnallisten ryhmien koostumusta. Tällaisia ovat muun muassa typen ja fosforin kierrossa toimivat mikrobit sekä kasvien ravinteiden ja vedensaantia edistävät sienijuuria muodostavat keräsienet.
Halusimme selvittää kuinka viljelykasvityyppi, kasvimonimuotoisuus sekä tuotantotapa vaikuttavat maaperän mikrobiyhteisöihin. Tutkimuksessa oli mukana 73 Etelä-Suomessa sijaitsevaa peltolohkoa, joille oli tehty kasvillisuuskartoitus. Varsinaisia viljelykasvityyppejä oli mukana seitsemän: laidunnurmi, nurmi, kaura, ruis, härkäpapu, öljykasvi ja kaali, ja näiden lisäksi tutkimuksissa oli mukana monimuotoisena vertailukohtana pitkäaikainen kesanto.
Tilat jakautuivat luomu- ja tavanomaisiin tiloihin, joka mahdollisti tuotantotavan vaikutusten arvioinnin. Lisäksi peltojen muut viljelytoimet, kuten maanmuokkaus ja lannoitus huomioitiin. Maaperän bakteerien ja sienten yhteisörakenne määritettiin DNA menetelmin sekvensoimalla 16S ja ITS2 alueet ja mikrobien toiminnallinen koostumus selvitettiin tietokanta-analyyseillä. Maanäytteenotto ja kasvillisuusanalyysit tehtiin kesä- ja heinäkuun aikana vuonna 2020.
Mikrobiyhteisöt erosivat eniten kesannon ja kaalin välillä; mikrobimonimuotoisuus vaihteli, mutta selittyi pääosin peltomaan kemiallisilla ominaisuuksilla
Viljelykasvityyppi vaikutti tilastollisesti merkittävästi sekä bakteeri- että sieniyhteisörakenteisiin kaalin ja kesannon mikrobiyhteisöjen poiketessa eniten muista viljelykasvityypeistä (Kuva 1). Lisäksi kasvimonimuotoisuus, sekä sienten tapauksessa myös kasvipeitteisyys, muokkasivat mikrobiyhteisöjä. Tuloksemme osoittivat, että kasviyhteisö on merkittävä tekijä peltomaan mikrobiyhteisön muokkaajana.
Mikrobimonimuotoisuus vaihteli kasvilajityyppien välillä, mutta erot selittyivät pääosin peltomaan kemiallisilla ominaisuuksilla. Yllättävää oli, että korkeimman kasvimonimuotoisuuden kesannossa ei ollutkaan korkein mikrobimonimuotoisuus niin kuin olimme odottaneet, sillä luonnonkasviyhteisöillä kasvi- ja mikrobimonimuotoisuus ovat usein linkittyneet. Sen sijaan peltomaan korkea hiili-typpi-suhde kasvatti bakteerien monimuotoisuutta, kun taas matala pH kasvatti sienten monimuotoisuutta.
Ravinteiden saatavuuteen liittyvät mikrobit olivat koholla kesannossa sekä korkean kasvimonimuotoisuuden pelloilla
Ravinteiden saatavuuden kannalta hyödyllisten mikrobiryhmien osuudet vaihtelivat viljelykasvityyppien välillä ja korreloivat positiivisesti pellon kasvimonimuotoisuuden kanssa. Kesannoissa olivat koholla sekä typensidonnassa ja epäorgaanisen fosforin liuotuksessa toimivat geenit, että keräsienet (Kuva 3).
Keräsienten osuus vaihteli suuresti myös muiden viljelykasvityyppien mukaan eikä peltomaan kemiallisilla ominaisuuksilla löydetty vaikutusta, joka indikoi erityisestä kasvivaikutuksesta. Monivuotiset kasvityypit (laidunnurmi ja nurmi) edistivät maan keräsieniyhteisöjä suhteessa yksivuotisiin kasvityyppeihin kauran ollen poikkeus lähes samansuuruisella keräsieniosuudella. Ristikukkaisiin kasveihin kuuluvalla kaalilla oli erittäin matala keräsieniosuus. Vaikka ristikukkaiset kasvit tunnetusti eivät muodosta sienijuurta keräsienien kanssa, toisella tutkitulla ristikukkaisella kasvityypillä, öljykasvilla, oli korkeahko keräsieniosuus.
Näyttäisi siltä, että monimuotoisempi viljelykierto ylläpitää keräsieniyhteisöjä myös ristikukkaiskasvipelloilla, sillä tutkituilla tiloilla öljykasvit olivat osa keskimääräisesti monimuotoisempaa viljelykiertoa kuin kaalit (4 vs. 2 viljelykasvityyppiä kierrossa).
Tutkimuksessa ainoana typensitojakasvina mukana ollut härkäpapu ei kasvattanut maan typensidonnassa toimivien geenien osuutta suhteessa muihin viljelykasveihin eikä varsinaisten viljelykasvien välillä muutenkaan löydetty eroja. Symbionttisten typensitojabakteerien lisäksi vapaana elävien typensitojabakteerien on osoitettu lisäävän kasvien typensaantia peltomailla. Koska typensidonnassa toimivat bakteerigeenit korreloivat positiivisesti kasvilajirikkauden kanssa näyttäisi, että kasvimonimuotoisuuden vaaliminen peltomaalla voi edesauttaa typensidontaa. Kasvimonimuotoisuudella voidaan edistää myös epäorgaanisen fosforin mineralisaatiossa toimivien bakteerien ja keräsienten määriä, jotka myös korreloivat positiivisesti kasvilajirikkauden kanssa.
Luomupelloilla oli suurempi osuus typensitojabakteereita ja keräsieniä kuin tavanomaisilla pelloilla
Viljelytoimista ainoastaan tuotantotapa (luomu vs. tavanomainen viljely) vaikutti sieniyhteisörakenteeseen ja sienimonimuotoisuuteen. Bakteerimonimuotoisuuteen viljelymenetelmillä ei löydetty vaikutusta. Kuitenkin sekä keräsienten että typensidonnassa toimivien bakteerigeenien osuus oli korkeampi luomu- kuin tavanomaisilla pelloilla. Tämä voi osin selittyä luomupeltojen korkeammalla kasvimonimuotoisuudella tai orgaanisella lannoituksella, jotka voivat edistää näitä mikrobiryhmiä. Tilastomallit kuitenkin osoittivat, että nimenomaan tuotantotapa selitti eroja parhaiten. Luomuviljely, ennemmin kuin mikään yksittäinen viljelytoimi, siis lisäsi näiden kasvien ravinteiden- ja vedensaantia parantavien mikrobiryhmien osuutta tutkituilla peltomailla.
Huomionarvoista tuloksissa oli, että korkea mikrobimonimuotoisuus ei korreloinut hyödyllisten mikrobitoimintojen esiintyvyyden kanssa. Kesannossa oli matalampi bakteeri- ja sienimonimuotoisuus kuin useassa muussa viljelykasvityypissä, mutta kuitenkin suurempi osuus peltomaan toiminnan kannalta tärkeitä mikrobiryhmiä. Tutkimuksemme täten herättelee tarkastelemaan peltomaan mikrobimonimuotoisuuden lisäksi mikrobien toiminnallisuutta.
Kirjoittaja Laura Häkkinen, Helsingin yliopisto