Introduction - Growth enhancers at the root zone
אזור בית השורשים מושפע ממערכת השורשים של
צמחים, והוא שונה במובהק מקרקע ללא שורשים בתכונותיו הפיזיקליות, הכימית
והביולוגיות. שפע של מרכיבים אורגניים משתחררים על ידי שורשי צמח לאזור בית השורשים וכתוצאה מכך,
אזור זה מהווה מחד נישה עשירה ומזינה למגוון מיקרואורגניזמים ומאידך סביבה תחרותית
השונה מיתר נפח הקרקע. כמו כן, ההרכב הכימי, התכונות הפיזיקליות של האזור המידי של השורש (הריזוספירה) וגנוטיפ
הצמח משפיעים על מיקרו-פלורת הקרקע (Buée et al., 2009).
בהתאם, באזור בית השורשים מתקיימות
אינטראקציות מזיקות ואינטראקציות מועילות בין הצמח לבין מיקרואורגניזמים ובין אלו
לכימיקלים המיושמים בקרקע. לפיכך, ישנה חשיבות גדולה למחקר ולפיתוח של טכנולוגיות
המנצלות אינטראקציות שורש-מיקרואורגניזמים מועילות מחד, ועצירת אינטראקציות מזיקות
מאידך. מידע זה יתרום רבות לשיפור המצב הפיזיולוגי של הצמח, להגברה ולהגדלת היבול
ולפיתוח הענף החקלאי והטכנולוגי הנלווה לו. הנחת המחקר הבסיסית הינה שהבנה מעמיקה
של התנהגות כימית, פיזיקלית וביולוגית בתוך בית השורשים תשמש בסיס לשיפור הפוריות
החקלאית.
חומרי הדברה שונים וחומרים משפרי גידול, מיושמים באופן קבוע דרך מערך ההשקיה. אולם רוב החומרים המשווקים וכן רוב המאמרים העוסקים בנושא מתמקדים בחומר ספציפי ובתנאים מוגבלים ולכן אינם מספקים ידע ובסיס נתונים מספק להבנת תהליכים שיאפשרו פיתוח טכנולוגיה לשיפור יישום של חומרים קיימים (Wang et al., 2009). הדבר אף מועצם בהקשר של איכות מי השקיה משתנה. השקיה בקולחים או במי רשת הכוללים מים מותפלים מעמידים אתגר חדש המחייב שיפור טכנולוגי או שיפור טכניקת יישום של חומרים כימיים שונים. רוב ההמלצות ליישום אינן מתחשבות באיכות מי ההשקיה ואף לעיתים לא מתייחסות לתכונות הקרקע. כדי לאמוד את יעילות יישומם של משפרי גידול ביולוגים או כימיים לבית השורשים עם מי ההשקיה, יש לבחון באופן כמותי את גורלם בקרקע. תכונות הקרקע אשר משפיעות על גורלם של מיקרואורגניזמים בבית השורשים כוללות: התפלגות גודל חלקיקים, מרקם הקרקע, הרכב המינרלים, תכולת חומר אורגני, והמטען הקבוע ו/או המשתנה בשטח הפנים. המאפיינים ההידראוליים של הקרקע (תאחיזת מים ומוליכות הידראולית) מכתיבים בין היתר את זמן המגע בין המיקרואורגניזמים לשטח הפנים של הקרקע, כתלות בממשק ההשקיה (מנה ותדירות). קיימת גם חשיבות למאפייני מי ההשקיה ו/או תמיסת הקרקע כגון: ערך הגבה, החוזק היוני והרכב המומסים. סוג ועצמת האינטראקציה בין שטחי הפנים של הקרקע (או השורשים) יקבע בהתאם לתכונות המיקרואורגניזמים כגון: שלב בהתפתחות, גודל, מטען וסוג המולקולות המצויות בשטח הפנים. לבסוף, גנוטיפ הצמח משפיע אף הוא על המיקרואורגניזמים שבריזוספירה. הפרשות השורש, מכתיבות זמינות תרכובות אלה ואחרים ומשפיעות על תכונות כימיות ופיזיקליות של הקרקע ובכך על הרכב המיקרוביום הנמצא בסמוך לשורש. הרכב זה ניתן לפיענוח בעזרת שיטות מתקדמות ביותר המשלבות ריצוף DNA המופק שמחיידקי ריזוספירה /קרקע עם שיטות ביואינפורמטיות חזקות (Ofek-Lazar et al., 2014). נושא זה זוכה לתאוצה אדירה בשנים האחרונות הודות לפוטנציאל הגבוה שלו לשפר גידול הצמח באופן מותאם לתנאיי הסביבה ולגנוטיפ שלו.
במערכת דינמית כגון בית השורשים של גידול חקלאי, הנתון למחזורי הרטבה וייבוש יחד עם שינויים עונתיים באיכות מי ההשקיה, יתכנו תהליכי תמותה וגידול לסירוגין או ספיחה ושחרור של מיקרואורגניזמים מפני הקרקע. במקרים בהם מיושם חומר אורגני לקרקע - כקומפוסט או קולחים, יש להפריד בין ספיחה המתרחשת בשטח הפנים ובין החומר האורגני המומס. בעוד שהספיחה לחומר האורגני המוצק תעכב את תנועתם של המיקרואורגניזמים בקרקע, הספיחה (אינטראקציה עם קבוצות פונקציונליות) לחומר האורגני המומס, עשויה להאיץ את תנועתם, אל מחוץ לבית השורשים. האמור לעיל נכון גם עבור משפרי גידול כימיים, אך בעוד שההתייחסות לאחרונים היא בד"כ כמומסים ההתייחסות למשפרי גידול ביולוגיים היא אל חלקיקים בלתי מסיסים במים. יחד עם זאת, הפרשות ע"י מיקרואורגניזמים ו\או השורשים (המושפעים מגנוטיפ הצמח) עשויות לשנות את מאפייני שטח הפנים שלהם או סביבתם הקרובה, וכפועל יוצא את תנועתם וספיחתם לשטחי הפנים של הקרקע והשורשים. יישומם המשולב של משפרי גידול כימיים וביולוגים דרך מערכת ההשקיה עשוי להוות גורם מגביל לפעילותם (רעילות) של משפרי הגידול הביולוגיים, ועל כן יש לבחון את השילוב האופטימלי של שיטת היישום והתזמון עם מי ההשקיה.
יישום משפרי הגידול דרך שלוחות הטפטוף נראה כאפשרות האופטימלית בהשוואה לשיטות השקיה כגון המטרה או הצפה. יחד עם זאת, יש לתת את הדעת על יעילות הפיזור בשדה. ירידה במהירות הזרימה לאורך שלוחת הטפטוף תכתיב זמן מגע הולך וקטן עם המרחק ממקור המים. באופן זה תתכן ספיחה בשיעור משתנה לדפנות השלוחות – בהתאם למאפייני שטח הפנים (היווצרות ביופילם, חספוס וכדומה). חשוב לזכור כי מערך השקיה בטפטוף הינו מקובל ונפוץ מאוד בישראל, אבל מהווה רק כ- 5% מכלל יישומי ההשקיה בעולם. על מנת להרחיב את השימוש בטפטוף יש צורך להרחיב את השימוש בטכנולוגיה הזו, לא רק כספקית מים ודשנים, אלא גם כספקית של חומרים מעודדי גידול. התמיכה הנוספת בתעשייה הישראלית בפרויקט זה הינה מכיוון יצרניות חומרי ההדברה אשר יוכלו לפתח חומרים המיושמים דרך מערך הטפטוף.
מגוון האינטראקציות כפי שתוארו לעיל, יקבע את גורלם של משפרי הגידול הכימיים והביולוגיים במערכת אספקת המים ובבית השורשים, וכפועל יוצא, את יעילות יישומם ופעולתם בקרקע. אי לכך, יש לבחון את יחסי הגומלין בין הקרקע, תמיסת הקרקע ומשפרי הגידול הכימיים והביולוגיים. באופן זה, עבור משפר גידול כימי או ביולוגי נתון, ניתן יהיה לאמוד באופן כמותי האם יאצר/יספח סמוך לנקודת היישום (טפטפת) או לחילופין, האם ינוע במהירות אל מעבר לבית השורשים יחד עם מי ההשקיה. לימוד כמותי של יחסי הגומלין לעיל, יאפשר לקבוע ממשק השקיה (כמות, איכות ומועד היישום) אופטימלי, להשאת יעילות פעילותם של משפרי גידול כימיים וביולוגיים בבית השורשים.
עד כה השיטות העיקריות לדישון ולהדברת מחלות בקרקע מתבססות על שימוש בחומרים כימיים. שיטות אלה הגדילו בצורה משמעותית את היבול והועילו רבות לחקלאים ולצרכנים. אולם, ההתפתחות של פתוגנים אלימים יותר, הסיכונים הבריאותיים והסביבתיים הטמונים בשימוש בחומרי הדברה ודישון, חוסר הספציפיות שלהם, דרישת הצרכנים במוצרים "ירוקים" יותר והכרח חקלאות בת-קיימא מחייבים פיתוח אמצעים יעילים וידידותיים לסביבה ולאדם כאחד. הדברה ודישון ביולוגיים באמצעות חיידקים מועילים היא חלופה חשובה היכולה לצמצם משמעותית את הנזק הנגרם לסביבה משימוש בחומרי הדברה כימיים. חיידקים מועילים יכולים לשפר צימוח על ידי מנגנונים ישירים ועקיפים. מנגנונים ישירים כוללים המסת זרחן, קיבוע חנקן, פירוק מזהמים סביבתיים, ייצור הורמונים, השפעה על המאזן ההורמונלי של הצמח או פגיעה במזיקים. מנגנונים עקיפים כוללים עירור מערכת ההגנה של הצמח והדברה/דיכוי של פתוגנים באמצעות תחרות על משאבים כגון ברזל, חומצות אמינו וסוכרים, כמו גם על ידי ייצור אנטיביוטיקה או אנזימים מפרקים. שיפור גידול כולל הגברת היכולת של הצמח להתמודד עם עקות סביבתיות המתבטאות בתנודות בתנאים האביוטיים והביוטיים, כולל פתוגנים ועקות הנובעות מהפרקטיקה החקלאית. למשל, מעבר השתיל מחממת גידול משפיעה על גידול הצמח. מעבר זה עלול לגרום לתופעות שליליות כגון אי-פריסת שורשים הנשארים כלואים במצע הגידול.
אנחנו מציעים לטפל בצמח משלבי התפתחות השתיל עד התבססותו בשדה, תוך כדי עידוד גידולו והגנתו מפני מחלות. על כן, אנחנו מציעים לשלב את הניסיון הרב שנצבר בגידול מיקרואורגניזמים מעודדי גידול עם היכולת המוכחת לעקוב ולאפיין את כלל אוכלוסיות חיידקי קרקע וריזוספרה המשקפים על הצמח. בחרנו בכמה מערכות בעלות פוטנציאל גבוה על מנת לפתח את הרעיון ולהביא אותו לכלל מימוש:
I. מערכת המעודדת גידול באופן ישיר ע"י חיידקי Azospirillum brasilense. אלה חיידקי ריזוספירה בעלי יכולת עידוד צמיחה (plant growth promoting rhizobacteria, PGPR) והגברת יבולים במגוון רחב של גידולים חקלאיים, הכוללים דגנים, קטניות וצמחים אחרים (Dobbelaere et al, 2001; Fibach et al, 2012). הם מיושמים בתכשירים לעידוד גידול בשטחים חקלאים ברחבי העולם. חיידקים אלו מאכלסים שורשי צמחים ביעילות ומגדילים את מערכת השורשים, כך שהצמח גדל טוב יותר בשלבי גידול הראשוניים. עידוד הגידול, המתבטא בצימוח מהיר יותר ובהגדלת יבול נובע מהפרשת פיטוהורמונים ע"י החיידק.
II. מספר מערכות מעודדת גידול באופן עקיף על ידי מדבירים ביולוגיים.
1. Paenibacillus dendritiformisהוא חיידק גרם חיובי. יישומו בגידול תפו"א בחממה ובשדה מראה כי הוא בעל יכולת של עידוד צימוח והפחתת משמעותית של מחלת הריקבון הרך הנגרמת ע"י חיידקי Pectobacterium sp.ו-sp.DickeyaLapidot et al, 2014)). גידול תפוחי אדמה למאכל מדורג בין עשרת הגידולים החשובים בעולם וכך גם בישראל. מחלות הנגרמות ע"י חיידקים מסוג Pectobacterium ו- Dickeyaנישאות בפקעות הזריעה. חיידקים אלו מסבים נזקים כלכליים קשים במערב אירופה והם נחשבים בין הגורמים העיקריים בפגיעה ביצור זרעי תפו"א. 2. חיידקים טורפי חיידקים. חיידקי בדווליבריו ודומיהם (Bdellovibrio and like organisms-BALOs). ה-BALO הם חיידקים טורפי חיידקים אובליגטוריים המכלים ביעילות חיידקים גרם שליליים כגון חיידקי Dikeya, Pectobacterium ו-R. solanacearum. מקורם במגוון סביבות כולל קרקע והם מאכלסים את מערכת השורשים (Rotem and Jurkevitch, 2014). BALO יכולים לטרוף חיידקים פתוגנים בבע"ח, בצמחים ואפילו בגידול פטריות.
3. הגדלת פוטנציאל ההדברה. פתוגנים שונים עלולים לתקוף צמחים בשלבי הגידול הראשוניים ובעת התבססותם בשדה. אנחנו נתמקד ביישום טכנולוגיות הדברה ביולוגית כנגד גורמי מחלות נפוצים כגון Sclerotium rolfsii, Fusarium oxysporumו- Macrophomina phaseolina. על אף שכבר ידועים חיידקים בעלי יכולת דיכוי של חלק מגורמי המחלות, אנו מציעים לשלב תבדידים (בודדים או בצירופים שונים) פעילים כנגד לפחות שניים משלושת הפתוגנים. חיידקים אלה בודדו מקרקעות שונות מאזורים שונים בישראל ויעילותם הוכחה במעבדה ובניסויי חממה.
III. איפיון הפשעת גנוטיפ הצמח, ומאפייני קרקע על חיידקי ריזוספירה. שיטות מולקולריות וביואינפרמטיות חדשניות ייושמו על מנת לקשור בין גנוטיפ הצמח ותנאיי קרקע (המאופיינים בחלקים א' וב' של ההצעה, בהתאמה) לבין מבנה אוכולוסיות חיידקי הריזוספרה והקרקע ותפקודם. פוטנציאל החדשנות והיישום של חלק זה גבוה ביותר בזיהוי תכונות צמח וקרקע המשפיעים החיידקי הריזוספירה בעלי תכונות המשפיעות על גידול/בריאות הצמח.
במערכת דינמית כגון בית השורשים של גידול חקלאי, הנתון למחזורי הרטבה וייבוש יחד עם שינויים עונתיים באיכות מי ההשקיה, יתכנו תהליכי תמותה וגידול לסירוגין או ספיחה ושחרור של מיקרואורגניזמים מפני הקרקע. במקרים בהם מיושם חומר אורגני לקרקע - כקומפוסט או קולחים, יש להפריד בין ספיחה המתרחשת בשטח הפנים ובין החומר האורגני המומס. בעוד שהספיחה לחומר האורגני המוצק תעכב את תנועתם של המיקרואורגניזמים בקרקע, הספיחה (אינטראקציה עם קבוצות פונקציונליות) לחומר האורגני המומס, עשויה להאיץ את תנועתם, אל מחוץ לבית השורשים. האמור לעיל נכון גם עבור משפרי גידול כימיים, אך בעוד שההתייחסות לאחרונים היא בד"כ כמומסים ההתייחסות למשפרי גידול ביולוגיים היא אל חלקיקים בלתי מסיסים במים. יחד עם זאת, הפרשות ע"י מיקרואורגניזמים ו\או השורשים (המושפעים מגנוטיפ הצמח) עשויות לשנות את מאפייני שטח הפנים שלהם או סביבתם הקרובה, וכפועל יוצא את תנועתם וספיחתם לשטחי הפנים של הקרקע והשורשים. יישומם המשולב של משפרי גידול כימיים וביולוגים דרך מערכת ההשקיה עשוי להוות גורם מגביל לפעילותם (רעילות) של משפרי הגידול הביולוגיים, ועל כן יש לבחון את השילוב האופטימלי של שיטת היישום והתזמון עם מי ההשקיה.
יישום משפרי הגידול דרך שלוחות הטפטוף נראה כאפשרות האופטימלית בהשוואה לשיטות השקיה כגון המטרה או הצפה. יחד עם זאת, יש לתת את הדעת על יעילות הפיזור בשדה. ירידה במהירות הזרימה לאורך שלוחת הטפטוף תכתיב זמן מגע הולך וקטן עם המרחק ממקור המים. באופן זה תתכן ספיחה בשיעור משתנה לדפנות השלוחות – בהתאם למאפייני שטח הפנים (היווצרות ביופילם, חספוס וכדומה). חשוב לזכור כי מערך השקיה בטפטוף הינו מקובל ונפוץ מאוד בישראל, אבל מהווה רק כ- 5% מכלל יישומי ההשקיה בעולם. על מנת להרחיב את השימוש בטפטוף יש צורך להרחיב את השימוש בטכנולוגיה הזו, לא רק כספקית מים ודשנים, אלא גם כספקית של חומרים מעודדי גידול. התמיכה הנוספת בתעשייה הישראלית בפרויקט זה הינה מכיוון יצרניות חומרי ההדברה אשר יוכלו לפתח חומרים המיושמים דרך מערך הטפטוף.
מגוון האינטראקציות כפי שתוארו לעיל, יקבע את גורלם של משפרי הגידול הכימיים והביולוגיים במערכת אספקת המים ובבית השורשים, וכפועל יוצא, את יעילות יישומם ופעולתם בקרקע. אי לכך, יש לבחון את יחסי הגומלין בין הקרקע, תמיסת הקרקע ומשפרי הגידול הכימיים והביולוגיים. באופן זה, עבור משפר גידול כימי או ביולוגי נתון, ניתן יהיה לאמוד באופן כמותי האם יאצר/יספח סמוך לנקודת היישום (טפטפת) או לחילופין, האם ינוע במהירות אל מעבר לבית השורשים יחד עם מי ההשקיה. לימוד כמותי של יחסי הגומלין לעיל, יאפשר לקבוע ממשק השקיה (כמות, איכות ומועד היישום) אופטימלי, להשאת יעילות פעילותם של משפרי גידול כימיים וביולוגיים בבית השורשים.
עד כה השיטות העיקריות לדישון ולהדברת מחלות בקרקע מתבססות על שימוש בחומרים כימיים. שיטות אלה הגדילו בצורה משמעותית את היבול והועילו רבות לחקלאים ולצרכנים. אולם, ההתפתחות של פתוגנים אלימים יותר, הסיכונים הבריאותיים והסביבתיים הטמונים בשימוש בחומרי הדברה ודישון, חוסר הספציפיות שלהם, דרישת הצרכנים במוצרים "ירוקים" יותר והכרח חקלאות בת-קיימא מחייבים פיתוח אמצעים יעילים וידידותיים לסביבה ולאדם כאחד. הדברה ודישון ביולוגיים באמצעות חיידקים מועילים היא חלופה חשובה היכולה לצמצם משמעותית את הנזק הנגרם לסביבה משימוש בחומרי הדברה כימיים. חיידקים מועילים יכולים לשפר צימוח על ידי מנגנונים ישירים ועקיפים. מנגנונים ישירים כוללים המסת זרחן, קיבוע חנקן, פירוק מזהמים סביבתיים, ייצור הורמונים, השפעה על המאזן ההורמונלי של הצמח או פגיעה במזיקים. מנגנונים עקיפים כוללים עירור מערכת ההגנה של הצמח והדברה/דיכוי של פתוגנים באמצעות תחרות על משאבים כגון ברזל, חומצות אמינו וסוכרים, כמו גם על ידי ייצור אנטיביוטיקה או אנזימים מפרקים. שיפור גידול כולל הגברת היכולת של הצמח להתמודד עם עקות סביבתיות המתבטאות בתנודות בתנאים האביוטיים והביוטיים, כולל פתוגנים ועקות הנובעות מהפרקטיקה החקלאית. למשל, מעבר השתיל מחממת גידול משפיעה על גידול הצמח. מעבר זה עלול לגרום לתופעות שליליות כגון אי-פריסת שורשים הנשארים כלואים במצע הגידול.
אנחנו מציעים לטפל בצמח משלבי התפתחות השתיל עד התבססותו בשדה, תוך כדי עידוד גידולו והגנתו מפני מחלות. על כן, אנחנו מציעים לשלב את הניסיון הרב שנצבר בגידול מיקרואורגניזמים מעודדי גידול עם היכולת המוכחת לעקוב ולאפיין את כלל אוכלוסיות חיידקי קרקע וריזוספרה המשקפים על הצמח. בחרנו בכמה מערכות בעלות פוטנציאל גבוה על מנת לפתח את הרעיון ולהביא אותו לכלל מימוש:
I. מערכת המעודדת גידול באופן ישיר ע"י חיידקי Azospirillum brasilense. אלה חיידקי ריזוספירה בעלי יכולת עידוד צמיחה (plant growth promoting rhizobacteria, PGPR) והגברת יבולים במגוון רחב של גידולים חקלאיים, הכוללים דגנים, קטניות וצמחים אחרים (Dobbelaere et al, 2001; Fibach et al, 2012). הם מיושמים בתכשירים לעידוד גידול בשטחים חקלאים ברחבי העולם. חיידקים אלו מאכלסים שורשי צמחים ביעילות ומגדילים את מערכת השורשים, כך שהצמח גדל טוב יותר בשלבי גידול הראשוניים. עידוד הגידול, המתבטא בצימוח מהיר יותר ובהגדלת יבול נובע מהפרשת פיטוהורמונים ע"י החיידק.
II. מספר מערכות מעודדת גידול באופן עקיף על ידי מדבירים ביולוגיים.
1. Paenibacillus dendritiformisהוא חיידק גרם חיובי. יישומו בגידול תפו"א בחממה ובשדה מראה כי הוא בעל יכולת של עידוד צימוח והפחתת משמעותית של מחלת הריקבון הרך הנגרמת ע"י חיידקי Pectobacterium sp.ו-sp.DickeyaLapidot et al, 2014)). גידול תפוחי אדמה למאכל מדורג בין עשרת הגידולים החשובים בעולם וכך גם בישראל. מחלות הנגרמות ע"י חיידקים מסוג Pectobacterium ו- Dickeyaנישאות בפקעות הזריעה. חיידקים אלו מסבים נזקים כלכליים קשים במערב אירופה והם נחשבים בין הגורמים העיקריים בפגיעה ביצור זרעי תפו"א. 2. חיידקים טורפי חיידקים. חיידקי בדווליבריו ודומיהם (Bdellovibrio and like organisms-BALOs). ה-BALO הם חיידקים טורפי חיידקים אובליגטוריים המכלים ביעילות חיידקים גרם שליליים כגון חיידקי Dikeya, Pectobacterium ו-R. solanacearum. מקורם במגוון סביבות כולל קרקע והם מאכלסים את מערכת השורשים (Rotem and Jurkevitch, 2014). BALO יכולים לטרוף חיידקים פתוגנים בבע"ח, בצמחים ואפילו בגידול פטריות.
3. הגדלת פוטנציאל ההדברה. פתוגנים שונים עלולים לתקוף צמחים בשלבי הגידול הראשוניים ובעת התבססותם בשדה. אנחנו נתמקד ביישום טכנולוגיות הדברה ביולוגית כנגד גורמי מחלות נפוצים כגון Sclerotium rolfsii, Fusarium oxysporumו- Macrophomina phaseolina. על אף שכבר ידועים חיידקים בעלי יכולת דיכוי של חלק מגורמי המחלות, אנו מציעים לשלב תבדידים (בודדים או בצירופים שונים) פעילים כנגד לפחות שניים משלושת הפתוגנים. חיידקים אלה בודדו מקרקעות שונות מאזורים שונים בישראל ויעילותם הוכחה במעבדה ובניסויי חממה.
III. איפיון הפשעת גנוטיפ הצמח, ומאפייני קרקע על חיידקי ריזוספירה. שיטות מולקולריות וביואינפרמטיות חדשניות ייושמו על מנת לקשור בין גנוטיפ הצמח ותנאיי קרקע (המאופיינים בחלקים א' וב' של ההצעה, בהתאמה) לבין מבנה אוכולוסיות חיידקי הריזוספרה והקרקע ותפקודם. פוטנציאל החדשנות והיישום של חלק זה גבוה ביותר בזיהוי תכונות צמח וקרקע המשפיעים החיידקי הריזוספירה בעלי תכונות המשפיעות על גידול/בריאות הצמח.