Microbiome Characterization of Rhizobacteria under different agricultural practices of Thung Kula Rong Hai, and their abilities in promoting growth, salt tolerance and aromatic compound of KDML 105 aromatic rice

การจําแนกลักษณะไมโครไบโอมของไรโซเเบคทีเรีย ภายใต้การปฏิบัติการเกษตรที่ต่างกันของทุ่งกุลาร้องให้ และความสามารถของเชื้อในการส่งเสริม การเจริญเติบโต ทนเค็ม และ สารประกอบอะโรมาติกของข้าวหอมมะลิ 105

Name: Kawiporn Chinachanta

LCSH: Rice – Thailand, Northeastern

LCSH: Thung Kula Rong Hai

LCSH: Soils

LCSH: Salts in, Rhizobacteria

LCSH: Soil microbiology

LCSH: Biofertilizers

Abstract: Khao Dawk Mali 105 (KDML105) is a premium aromatic rice variety and is widely grown in salt-affected inland areas of Thung Kula Rong Hai (TKR), northeast Thailand. Due to its unique aroma, KDML105 from the TKR area is registered as one of the geographical indications (GI) products. However, excessive salinity and low nutrient status have been identified as significant constraints for KDML105 aromatic rice production in the TKR region. Furthermore, recently, climate change and high agrochemical inputs has magnified the severity of salinity stress and negatively affects yield and the level of main aroma compound (2-acetyl-1-pyrroline: 2AP) in KDML105 rice. Therefore, in the first experiment, the influence of organic and conventional rice farming (ORF and CRF, respectively) in TKR farmers’ paddy fields on soil properties and their relationship with 2AP in KDML105 rice grains was investigated. The results indicated that, the ORF system had a strong positive effect on major soil quality indicators and the 2AP content in the rice grains. The soil organic matter (SOM) was approximately twice as much in the ORF than in the CRF system, thus leading to much higher total nitrogen (TN), humic acid (HA) and microbial populations in the ORF system. The higher SOM in the ORF system not only enhanced the soil quality indicators but also contributed to approximately 3.5 times higher 2AP than in the CRF system. Principle component analysis indicated a close correlation among SOM, TN, HA, and microbial population under the ORF system ; these variables exhibited strong correlations with the 2AP contents in KDML105 rice grains. Agricultural practice might also influence microbial diversity and abundance, therefore, in the second experiment, metagenomic analysis of 16S rRNA gene of soil rhizosphere bacteria were performed using 16S rRNA gene next generation sequences. The results indicated that the phylum Proteobacteria was the most relative abundance both in the ORF and CRF accounting for around 30%, and similar proportion of other phyla was also observed. However, the phylum Planctomycetes values of the ORF system were significantly higher than those obtained from the CRF system. The species richness indices showed that the ORF system had the highest species diversity values. The ORF system provided significantly higher species richness than the CRF system (P < 0.0001). Surprisingly, the Pearson correlation matrix revealed that the species richness not only had a significant positive correlation with major soil properties (SOM, r = 0.82*** ; HA, r = 0.59** ; and TN, r = 0.76***), but also with the 2AP concentration in rice grains (r = 0.93**).

Abstract: ข้าวหอมมะลิ 105 (KDML 105) เป็นพันธุ์ข้าวหอมคุณภาพดีพิเศษ ที่ปลูกกันอย่างกว้างขวางในพื้นที่ดินเค็มนอกพื้นที่ชายทะเลของทุ่งกุลาร้องไห้ (Thung Kula Rong Hai: TKR) ในภาคตะวันออกเฉียงเหนือของประเทศไทย ด้วยความหอมที่เป็นเอกลักษณ์ของพันธุ์ข้าว KDML105 จากพื้นที่ TKR จึงได้รับการลงทะเบียนเป็นหนึ่งในผลิตภัณฑ์สิ่งบ่งชี้ทางภูมิศาสตร์ (GI) อย่างไรก็ตามข้อจำกัดที่สำคัญยิ่งในการผลิตข้าวหอมมะลิ 105 ในเขตทุ่งกุลาร้องไห้ คือ ความเค็มที่สูงเกินไป และสถานะ ธาตุอาหารที่ต่ำ นอกจากนี้ เมื่อไม่นานมานี้ การเปลี่ยนเปลงภูมิอากาศ และ การใส่ปัจจัยการผลิตเคมีเกษตรในปริมาณสูง ได้ขยายความรุนแรงของความเครียดจากความเค็ม และส่งผลกระทบด้านลบต่อผลผลิต และปริมาณสารประกอบให้ความหอมหลัก (2-acety1-1-pyrroline: 2AP) ในข้าวหอมมะลิ 105 ด้วยเหตุนี้ ในการทดลองที่ จึงได้ศึกษาอิทธิพลของ การปลูกข้าวแบบเกษตรอินทรีย์และแบบแผนใหม่ (organic and conventional rice farming: ORF และ CRF ตามลำดับ) ในแปลงข้าวของเกษตรกรทุ่งกุลาร้องไห้ ต่อสมบัติดิน และ ความสัมพันธ์กับ 2AP ในเมล็ดข้าวหอมมะลิ 105 ผลการทดลองชี้ให้เห็นว่า ระบบ ORF ส่งผลเชิงบวกอย่างสูง ต่อดัชนีชี้วัดคุณภาพดินที่สำคัญ และปริมาณ 2AP ในเมล็ดข้าว อินทรียวัตถุในดิน (soil organic matter: SOM) ของระบบ ORF มีปริมาณสูงกว่าของระบบ CRF ประมาณสองเท่า ซึ่ง ได้ส่งผลให้มีไนโตรเจนทั้งหมด (total nitrogen: TN) กรดฮิวมิค (humic acid: HA) และ ประชากรจุลินทรีย์ ในระบบ ORF สูงกว่าระบบ CRF ปริมาณ SOM ในระบบ ORF ที่สูงกว่า ไม่เพียงแต่จะส่งเสริมดัชนีชี้วัดคุณภาพดินเท่านั้น แต่ยังช่วยเพิ่มปริมาณ 2AP ให้สูงกว่าระบบ CRF ถึงประมาณ 3.5 เท่าอีกด้วย ผลการวิเคราะห์องค์ประกอบหลักชี้ให้เห็นถึงความสัมพันธ์ที่ใกล้ชิดกันภายในกลุ่มของ SOM, IN, HA และประชากรจุลินทรีย์ ภายใต้ระบบ ORF และตัวแปรทั้งหมดนี้ก็มีความสัมพันธ์อย่างสูงกับปริมาณ 2AP ในเมล็ดข้าวอีกด้วย การปฏิบัติทางการเกษตร อาจส่งผลต่อความหลากหลาย และความดาษดื่นของจุลินทริย์ด้วย ดังนั้นในการทดลองที่ 2 จึงได้ทำการวิเคราะห์เมตาจีโนมของยีนส์ 16S rRNA ของไรโซแบคทีเรียในดิน โดยใช้วิธีการ 16S rRNA gene next generation sequences ผลการทดลองชี้ให้เห็นว่าไฟลัม (phylum) Proteobacteria มีความชุกชุมสัมพัทธ์ (relative abundance) สูงที่สุดทั้งในระบบ ORF และ CRF โดยมีค่าประมาณ 30% ส่วน phylum อื่นๆ พบว่ามีสัดส่วนใกล้เคียงกัน อย่างไรก็ตามค่าของ phylum Planctomycetes ของระบบ ORF สูงกว่าค่าที่ได้จากระบบ CRF อย่างมีนัยสำคัญ สำหรับดัชนีความมากชนิดของสปีชีส์ (species richness indices) ก็ชี้ให้เห็นว่าระบบ ORF มิค่าความหลากหลายทางสปีชีส์สูงที่สุด และมีค่า species richness indices สูงกว่า ระบบ CRE อย่างมีนัยสำคัญ (P < 0.0001) ผลที่น่าประหลาดใจก็คือ การใช้ Pearson correlation matrix แสดงให้เห็นว่า species richness ไม่เพียงแต่มีความสัมพันธ์เชิงบวกกับสมบัติหลักของดิน (SOM, r=0.82*** ; HA, r=0.59** ; and TN, r=0.76***) แต่ยังมีความสัมพันธ์นี้กับความเข้มข้นของ 2AP ในเมล็ดด้วย (r =0.93**). สถานภาพของธาตุอาหารพืชที่ต่ำ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ฟอสฟอรัส (P) และ โพแทสเซียม (K) ก็เป็นข้อจำกัดที่สำคัญอย่างหนึ่งสำหรับการผลิตข้าวหอมมะลิ KDML105 ของทุ่งกุลาร้องไห้ด้วยจุลธาตุโดยเฉพาะอย่างยิ่งธาตุเหล็ก (Fe) ก็ถือว่าเป็นธาตุที่ขาดแคลนอย่างมากในข้าวเช่นกัน การใช้ไรโซแบคทีเรียที่ช่วยส่งเสริมการเจริญเติบโตของพืช (PGPR) สามารถเป็นทางเลือกที่ปลอดภัยแทนปุ๋ยเคมีสังเคราะห์ได้ในภูมิภาคนี้ ดังนั้นในการทดลองที่สาม จึงได้ทำการแยกไรโซแบคทีเรีย จากข้าว KDML105 และประเมินศักยภาพของเชื้อที่แยกได้ ในการละลายฟอสฟอรัส และ โพแทสเซียม รวมถึงการสร้างไซเดอโรฟอร์ด้วย ผลการทดลองชี้ให้เห็นว่า 52.0, 21.5, 17.9, และ 21.1% ของ 629 ไอโซเลท ที่ใช้ทดสอบ สามารถละลายฟอสฟอรัส (P) โพแทสเซียมไมกา (K-mica) โพแทสเซียมเฟลด์สปาร์ (K-feldspar) และผลิตไซเดอโรฟอร์ ได้ตามลำดับ โดยที่ในบรรดาไรโซแบคทีเรียที่คัดเลือกมาจำนวน 9 ไอโซเลท พบว่าที่ 0% NaC1 ไอโซเลท ORF4-13, 0RF 15-23 และ CRF16-3 สามารถละลาย P (35.6 mg L), K (49.5 mg L), และ ไซเคอโรฟอร์ชนิดไฮดรอกซาเมต (618.3 ug L"), ได้สูงที่สุดตามลำดับภายใต้ความเครียดจากเกลือพบว่า ปริมาณการละลายฟอสฟอรัสของเกือบทุกไอโซเลท ได้เพิ่มขึ้นตามความเข้มข้นของเกลือที่เพิ่มขึ้นจนถึงความเข้มข้น 0.5% NaC1 และลดลงหลังจากความเข้มข้นสูงขึ้นกว่านี้เมื่อเปรียบเทียบกับชุดควบคุม ในทางตรงกันข้าม ปริมาณของการละลายโพแทสเซียมลดลงเป็นลำดับ ตามความเข้มข้นของ Nac1 ที่เพิ่มขึ้น โดยเฉลี่ยแล้ว ORF15-23แสดงความสามารถที่ดีทีเดียวในการละลายฟอสฟอรัส และโพแทสเซียมภายใต้ความเครียดของเกลือ การสังเคราะห์ฮอร์โมนพืชชนิดกรดอินโดลอะซีติก (Indole-3-acetic acid: IAA) เป็นความสามารถที่พบอย่างกว้างขวางคู่กับแบคทีเรียบริเวณรากซึ่งช่วยส่งเสริมและสนับสนุนการเจริญเติบโตของพืช ดังนั้น ไอโซเลทเดียวกันที่ใช้ทดสอบในการทดลองที่ 3 (629 ไอโซเลท) ได้นำมาใช้เพื่อคัดกรองกิจกรรม IAA ของเชื้อดังกล่าวนี้ในการทดลองที่ 4 ผลการวิจัยพบว่า ORF ให้เปอร์เซ็นต์การผลิต IAA (95.8%) สูงกว่า CRF (69.9%) อย่างมีนัยสำคัญ ค่า IAA เฉลี่ยของไอโซเลท ORF นั้นสูงกว่าประมาณสองเท่า ของค่าที่ได้จากไอโซเลท CRF ทั้งในการไม่ใส่ แอล-ทริปโตเฟน (L-Trp) (12.8 และ 5.8 ug IAA mL ตามลำดับ) และ การใส่ L-Trp (35.2 และ 17.2 ug IAA mL ตามลำดับ) การวิเคราะห์ลำดับยีน 16S rRNA ของ 23 ไอโซเลทที่เลือกมาทดสอบ ระบุว่าไอโซเลทที่ทดสอบนี้อยู่ใน 8 สกุลที่แตกต่างกัน ได้แก่ Sinomonas, Micrococcus, Microbacterium, Ficibacillus, Bacillus, Burkholderia, Leclercia และ Enterobacter ผลที่น่าสนใจก็คือ มีเพียง 3 ไอโซเลทที่แยกได้จาก ORF เท่านั้น ที่มีความสามารถในการผลิต IAA สูงโดยไม่มี L-Trp ได้แก่ ORF15-20 (Micrococcus), ORF15-21 (Sinomonas) and ORF15-23 (Sinomonas) (128.5, 160.8 และ 174.7 ug IAA mL-1 ตามลำดับ) ในขณะเดียวกัน พบว่าการผลิต IAA ลดลงเล็กน้อยเมื่อเพิ่ม L-Trp ซึ่งบ่งชี้ถึงการสังเคราะห์ IAA ในวิถีทางที่ไม่ขึ้นอยู่กับ L-Trp ของไอโซเลทเหล่านี้ การแช่เมล็ดด้วยจุลินทรีย์ (seed biopriming) โดยใช้ไรโซแบคทีเรีย 9 สายพันธุ์ ที่คัดเลือกได้ในการทดลองที่ 3 พบว่าช่วยเพิ่มเปอร์เซ็นต์การงอกของเมล็ดข้าว KDML 105 อย่างมีนัยสำคัญเมื่อเปรียบเทียบกับชุดควบคุม ไรโซแบคทีเรียที่ส่งเสริมการเจริญเติบโตของพืชและทนเค็ม (ST-PGPR) อาจมีบทบาทสำคัญ ในการรักษาทั้งผลผลิต และคุณภาพข้าวภายใต้สภาวะความเครียดจากเกลือในพื้นที่ทุ่งกุลาร้องไห้ ดังนั้น ในการทดลองที่ห้านี้ จึงได้ใช้ไรโซแบคทีเรียที่คัดเลือกเช่นเดียวกับการทดลองที่สาม (9 ไอโซเลท) ในการทดลองนี้ ได้ทำการประเมินกลไกการทนเค็ม โดยตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงการผลิต IAA กิจกรรมของสารต้านอนุมูลอิสระ และการดูดซึมโพแทสเซียม ของไรโซแบคทีเรีย 9 สายพันธุ์นี้ภายใต้ความเครียดจากเกลือ (0-3.0% NaC1) ผลการทดลองพบว่า ในระยะแรกการผลิต IAA ของไรโซแบคทีเรียทุกสายพันธุ์เพิ่มขึ้นตามความเข้มข้นของ NaC1 ที่เพิ่มขึ้น จนกระทั่งถึงระดับ Nac1 ที่เป็นขีดจำกัด (NaC1 threshold) แล้วจึงลดลงหลังจากนั้น การผลิต IAA สูงสุดพบใน ORF15-23 (182.44 ug mL-1) ที่ 0.5% NaC1 ตามด้วย ORF 15-19 (179.56 ug mL-1) ที่ 0.75% NaC1 ในบรรดาสายพันธุ์ทั้ง พบว่าการผลิต IAA ลดลงมากที่สุดที่ 3.0% NaC1 โดยเฉลี่ยแล้ว สายพันธุ์ ORF 15-19 และ ORF 15-23 ที่ผลิต IAA ได้สูงนั้น มีประชากรมากที่สุดและอยู่รอดได้สูงที่สุดสายพันธุ์ส่วนใหญ่ผลิตสารต้านอนุมูลอิสระ ได้สูงสุดที่ 1.0% Nac1 ซึ่งลดลงหลังจากนี้เมื่อความเข้มข้นของ NaC1 เพิ่มขึ้น ปริมาณ โพแทสเซียมในเซลล์ (Kpc) ของสายพันร์ไรโซแบคทีเรียเพิ่มขึ้น เมื่อความเข้มข้นของ Nac1 เพิ่มขึ้นจนกระทั่งถึง NaC1 treshold (~1.5%) หลังจากนั้น Kpc จะลดลงโดยพบว่า ORF 15-23 มีปริมาณ Kpe ที่สูงที่สุด (2.66 g K g-1 dry cells) ผลการทดลองนี้ชี้ให้เห็นว่า NaC1 threshold ขึ้นอยู่กับทั้ง ชนิดของกลไกการทนทาน และสายพันธุ์ ST-PGPR ที่แตกต่างกันด้วยในการทดลองที่หก ST-PGPR ที่ผลิต IAA จำนวน 9 สายพันธุ์ ตามที่ประเมินไว้ในการทดลองที่ห้า ได้นำมาปลูกถ่ายให้กับต้นกล้าข้าว KDML 105 ภายใต้ความเข้มข้นของ NaCI ที่ต่างกัน (0, 50, 100 และ 150 mM) ผลการทดลองพบว่า การใช้สายพันธุ์ ST-PGPR นี้มีผลในเชิงบวกอย่างมีนัยสำคัญต่อพารามิเตอร์การเจริญเติบโต ปริมาณคลอโรฟิลล์ ปริมาณธาตุอาหารที่พืชดูดขึ้นมาใช้ประไยชน์ (N, P, K, Ca และ Mg) ฤทธิ์ต้านอนุมูลอิสระ การสะสมโพรลิน และระดับความหอม (2AP) ของต้นกล้าข้าวทั้งภายใต้สภาวะปกติและความเค็ม เมื่อเปรียบเทียบกับตำรับควบคุม นอกจากนี้ อัตราส่วนK+/Na ของต้นกล้าข้าวที่ได้รับการปลูกถ่ายเชื้อนั้นสูงกว่าชุดควบคุม ซึ่งบ่งชี้ว่าเชื้อมีความทนทานต่อความเค็มที่สูงมากขึ้นด้วย ผลที่น่าสนใจก็คือ สายพันธุ์ที่ทนต่อความเค็มมากที่สุดซึ่งมีการผลิต IAA และ 2AP สูงสุดด้วย คือ ORF15-23 (Sinomonas) ให้ค่าสูงสุดของทุกพารามิเตอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ระดับ 50 mM NaC1 เปอร์เซ็นต์การเพิ่มขึ้นของพารามิเตอร์เหล่านี้สูงกว่าชุดควบคุม ประมาณ >90 ถึง 306% การใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด ได้ยืนยันการเข้าอยู่อาศัยของ ORF 15-23 ในรากของต้นกล้าที่ปลูกภายใต้ความเครียดจากความเค็ม ดังนั้น สายพันธ์ ORF15-23 จึงถือเป็น ST-PGPR ที่มีสามารถที่ดีทีเดียว ในการที่จะนำมาช่วยเพิ่มการเจริญเติบโต ความทนเค็ม และระดับความหอมของข้าวพันธุ์ KDML105 ผลการวิจัยโดยรวม แสดงให้เห็นว่าสายพันธุ์ ST-PGPR ที่ได้รับจากการศึกษาทั้งหมดนี้สามารถที่จะนำไปใช้ประโยชน์ในการพัฒนาปุ๋ยชีวภาพเพื่อเพิ่มความทนทานต่อความเครียด และส่งเสริมทั้งผลผลิต และระดับ 2AP ของข้ว KDML105 ในพื้นที่ของทุ่งกุลาร้องไห้ ที่ซึ่งได้รับผลกระทบจากความเค็ม นอกจากนี้ เทคโนโลยีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม โดยเฉพาะอย่างยิ่งหัวเชื้อชีวภาพ ST-PGPR สามารถสนับสนุนความยั่งยืนของความเป็นผลิตภัณฑ์บ่งชี้ทางภูมิศาสตว์ (GI) ของข้าว KDML105 ซึ่งมีชื่อเสียงระดับโลกได้ อย่างไรก็ตาม ไอโซเลทที่แสดงความสามารถได้ดีในการศึกษานี้ ควรนำไปทำการทคสอบในสภาพแปลงปลูกข้าวของทุ่งกุลาร้องไห้ เพื่อศึกษาผลกระทบของเชื้อดังกล่าวนี้ ต่อปริมาณการดูดใช้ธาตุอาหาร และการเจริญเติบโตของต้นข้าว รวมถึงระดับความหอมด้วย ก่อนนำไปพัฒนาเป็นปุ๋ยชีวภาพ

Chiang Mai University. Library

Address: CHIANG MAI

Email: cmulibref@cmu.ac.th

Name: Arawan Shutsrirung

Role: Advisor

Name: Sakda Jongkaewwattana

Role: Advisor

Name: Choochad Santasup

Role: Advisor

Name: Lesueur

Role: Advisor

Name: Laetitia Herrmann

Role: Advisor

Created: 2021

Modified: 2024-08-24

Issued: 2024-08-24

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

eng

DegreeName: Doctor of Philosophy

Level: Doctoral Degree

Descipline: Environmental Soil Science

Grantor: Chiang Mai University

©copyrights Chiang Mai University

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	610851013-ok.pdf	35.85 MB

ใช้เวลา

0.044045 วินาที