Microbial consortia as inoculants for improvedcrop performance

Abstract

The use of microbial consortia products (MCP) based on combinations of different strains of plant growth-promoting microorganisms (PGPM) and frequently also on non-microbial bio-stimulants (BS) with complementary beneficial properties, is discussed as a strategy to increase the efficiency and the flexibility of BS-based crop production strategies under variable environmental conditions. Moreover, MCP application aims at the restoration of plant-beneficial, soil biological processes disturbed by soil degradation and intensive use of agro-chemicals. This PhD thesis was initiated to characterize the modes of action and the potential advantages of a representative commercial MCP formulation over selected single strain PGPM inoculants, with documented effects on plant growth promotion and pathogen suppression. In total, nine pot and field experiments were conducted with three crops (maize, spring wheat, tomato) on seven different soils with three organic and inorganic fertilization regimes. Only in one out of nine experiments conducted in this thesis, clear evidence for superior MCP performance was detectable in a drip-irrigated tomato field experiment conducted under the challenging environmental conditions of the Negev desert in Israel (Bradáčová et al., 2019c). This finding demonstrates that MCP inoculants can exhibit an advantage over single strain inoculants but not as a general feature. Selective interactions with the type and dosage of the selected fertilizers, as well as avoidance of inhibitory effects on root growth during MCP rhizosphere establishment, have been identified as critical factors. A further characterization of the conditions, promoting beneficial plant-MCP interactions is mandatory for a more targeted and reproducible MCP application.

Die Nutzung mikrobieller Konsortien (MCP) auf Basis unterschiedlicher Stämme pflanzenwachstums-stimulierender Mikroorganismen (PGPMs), oft auch in Verbindung mit nichtmikrobiellen Biostimulanzien (BS), mit komplementären, nützlichen Eigenschaften wird als Ansatz diskutiert, die Effizienz BS-unterstützter Produktionssysteme im Nutzpflanzenanbau unter variablen Umweltbedingungen zu verbessern. Darüber hinaus soll die Anwendung von MCPs zur Regeneration gestörter bodenbiologischer Prozesse beitragen, die durch Bodendegradation und intensive Nutzung von Agrochemikalien hervorgerufen werden können. Die vorliegende Arbeit hatte das Ziel die Wirkmechanismen und die potenziellen Vorteile einer repräsentativen, kommerziellen MCP Formulierung, gegenüber Einzelstamm-Inokulanzien mit nachgewiesener pflanzenwachstums-stimulierender und pathogen-suppressiver Wirkung zu charakterisieren. Insgesamt wurden 9 Topf-, und Feldversuche mit 3 Kulturpflanzenarten (Mais, Sommerweizen, Tomate) auf 7 unterschiedlichen Böden und 3 organischen und mineralischen Düngungsregimes durchgeführt. Nur in einem von neun Versuchen der vorliegenden Studie gab es eindeutige Hinweise auf eine verstärkte Ausprägung von Wachstums-, und Ertragseffekten durch MCP Inokulation beim Feldanbau von Tomaten mit Tröpfchenbewässerung unter den verhältnismäßig ungünstigen Umweltbedingungen in der Negev-Wüste in Israel (Bradáčová et al., 2019c). Diese Beobachtung zeigt, dass eine generell verbesserte Wirksamkeit von MCP Formulierungen gegenüber Einzelstamm-Inokulanzien nicht gegeben ist. Selektive Interaktionen mit der Art und der Menge der eingesetzten Düngemittel und die Vermeidung von Stresswirkungen mit hemmendem Einfluss auf die Wurzelentwicklung während der Etablierungsphase wurden als kritische Faktoren identifiziert. Eine umfassendere Charakterisierung der Bedingungen, die eine erfolgreiche MCP-Interaktion mit der Wirtspflanze begünstigen ist daher unumgänglich für zielgerichtete und reproduzierbare MCP-Anwendungen in der Praxis.