Анализ показателей почвенного микробиома в процессах, связанных с почвообразованием, трансформацией органического вещества и тонкой регуляции вегетационных процессов | Почвенный институт им. В.В. Докучаева

Анализ показателей почвенного микробиома в процессах, связанных с почвообразованием, трансформацией органического вещества и тонкой регуляции вегетационных процессов

Е. Е. Андронов1, Е. А. Иванова2, Е. В. Першина1, О. В. Орлова 1, Ю. В. Круглов1, А. А. Белимов1, И. А. Тихонович1

Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии, 196608, Россия, Санкт-Петербург, Пушкин, 8, шоссе Подбельского, 3

2 Почвенный институт им. В.В. Докучаева, 119017, Россия, Москва, Пыжевский пер., 7, стр. 2

На современном этапе развития почвенной микробиологии стало возможным изучение всего комплекса населяющих почву микроорганизмов, что дает возможность обнаружить наиболее оптимальное сочетание факторов, приводящих не только к образованию плодородной почвы, но и к развитию на ней полноценного, устойчивого к стрессам фитоценоза. Метагеном почвы – крупнейший генетический депозитарий для всех целей, начиная от процессов почвообразования – превращения безжизненной породы в субстрат для роста и развития растений, и кончая временными адаптациями в краткосрочных интересах растений. Именно на раскрытие этого потенциала и его мобилизация являются целями данного проекта. Исследования подобного рода должны носить комплексный характер и включать решение актуальных задач: 1) изучение механизмов почвообразования и анализ связи эволюции почвенного метагенома с особенностями педогенеза; 2) исследование участия микробиома в разложении органических остатков и эффективной трансформации органического вещества в почве; 3) поиск ассоциативных микроорганизмов, обеспечивающих защиту растений и стимуляцию их роста. В качестве модели для анализа эволюционного потенциала микробиома в процессе почвообразования могут выступать техногенные отвалы, образующиеся в результате добычи полезных ископаемых, представляющие собой хроноряды почв различного возраста. Интересным объектом в эволюционном аспекте анализа почвенного метагенома являются также образцы палеопочв. В результате проекта предполагается установить группы почвенных микроорганизмов, которые принимают наиболее активное участие в формировании почвенного плодородия и эффективно выполняют рост-стимулирующие и защитные функции для растения. Полученные данные могут представлять ценность как для фундаментальной науки, так и служить основой для конструирования экологически безопасных высокопродуктивных фитоценозов, основанных на использовании адаптивного потенциала почвенной микробиоты.

Ключевые слова: почвенный метагеном, высокопроизводительное секвенирование, генетический потенциал, эволюция.


ANALYSIS OF SOIL MICROBIOME INDICATOR IN PROCESSES OF SOIL FORMATION, ORGANIC MATTER TRANSFORMATION AND PROCESSES INVOLVED WITH FINE REGULATION OF VEGETATIVE PROCESSES

E. E. Andronov1, E. A. Ivanova2, E. V. Pershina1, O. V. Orlova1, Yu. V. Kruglov1, A. A. Belimov1, I. A. Tikhonovich1

1All-Russian research institute for agricultural microbiology, 196608, Russia, St. Petersburg, Pushkin, 8, highway Podbelskogo, 3

2V.V. Dokuchaev Soil Science Institute, 119017 Russia, Moscow, Pyzhevskii 7, bld. 2

At the current stage of soil microbiology development the study of the entire complex of microorganisms inhabiting the soil became possible, which helps finding the optimal combination of factors resulting in the formation of soil fertility as well as the development of stable and stress resistant phytocenosis. Soil metagenome is the largest genetic depository for all purposes, from the soil formation processes – transformation of barren rock into a substrate for plant growth and development, to the temporary adaptations in the short-term interests of the plant. The investigation of genetic potential of soil metagenome and its mobilization are the main goals of this project. Such studies should be comprehensive and solve actual issues: 1) the study of the mechanisms of soil-forming processes and the analysis of the evolution of metagenomes due to the special features of pedogenesis; 2) investigation of microbiome participation in organic residues decomposition and efficient transformation of soil organic matter; 3) screening of the associative plant-protective and growth promoting microorganisms. The object for the analysis of microbiome evolutionary potential in the process of soil formation may be the technogenic dumps resulting from mining operations, which are chronosequences of soils of different ages. Samples of paleosols are also of particular interest in the evolutionary aspect of the analysis of the soil metagenome. The project is expected to reveal a group of soil microorganisms, which take the most active part in the formation of soil fertility and effectively implement growth-stimulating and protective functions for the plant. The data may be of value for both fundamental science and serve as a base for the design of environmentally friendly high-productive phytocenoses based on the use of the adaptive potential of soil microbiota.

Key words: soil metagenome, high-throughput sequencing, genetic potential, evolution.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Абакумов Е.В., Гагарина Э.И., Лисицына О.В. Восстановление почв и рекультивация земель в районе Кингисеппского месторождения фосфоритов // Почвоведение. 2005. № 6. С. 731–740.
  2. Белимов А.А., Сафронова В.И. АЦК-деаминаза и растительно-микробные взаимодействия // Сельскохозяйственная биология. 2011. № 3. C. 23–28.
  3. Корнилов И.А., Новых Л.Л., Корнилов А.Г. Геоэкологическая ситуация в промышленной зоне Белгородской области // Геология, география и глобальная энергия. 2012. № 2. Вып. 45. С. 221–227.
  4. Орлов Д.С., Бирюкова О.Н., Суханова Н.И. Органическое вещество почв Российской Федерации. М.: Наука, 1996. 253 с.
  5. Федотов Г.Н., Лысак Л.В. О возможной роли микроорганизмов в образовании гумусовых веществ в почвах // Докл. РАН. 2014. Т. 455. № 1. C. 114–117.
  6. Шапошников А.И., Белимов А.А., Кравченко Л.В., Виванко Д.М. Взаимодействие ризосферных бактерий с растениями: механизмы образования и факторы эффективности ассоциативных симбиозов // Сельскохозяйственная биология. 2011. № 3. C. 16–22.
  7. Яброва Ю.И., Швабенланд И.С. Роль почвенной биоты на первичное почвообразование отвалов вскрышных пород Восточно-Бейского угольного разреза республики Хакасия // Вестник Волжского ун-та им. В.Н. Татищева. 2012. Вып. № 3.
  8. Balamurugan A., Jayanthi R., Nepolean P., Pallavi R.V., Premkumar R. Studies on cellulose degrading bacteria in tea garden soils // African J. Plant Sci. 2011. Vol. 5(1). P. 22–27.
  9. Belimov A.A., Hontzeas N., Safronova V.I. et al. Cadmium-tolerant plant growth-promoting bacteria associated with the roots of Indian mustard (Brassica juncea L. Czern.) // Soil Biol. Biochem. 2005. V. 37. P. 241–250.
  10. Czarny J.C., Grichko V.P., Glick B.R. Genetic modulation of ethylene biosynthesis and signaling in plants // Biotechnol. Adv. 2006. V. 24. P. 410–419.
  11. Condron L., Stark C., O’Callaghan M., Clinton P., Huang Z. The Role of Microbial Communities in the Formation and Decomposition of Soil Organic Matter // Soil Microbiology and Sustainable Crop Production. Springer Science+Business Media B.V., 2010. P. 81–117.
  12. Eichorst S.A., Kuske C.R. Identification of Cellulose-Responsive Bacterial and Fungal Communities in Geographically and Edaphically Different Soils by Using Stable Isotope Probing // Appl. Environ. Microbiol. 2012. V. 78. № 7. P. 2316–2327.
  13. Frankenberger W.T. Arshad M. Phytohormones in soils: production and function. Marcel Dekker, Inc. N.Y., 1995, 503 p.
  14. Gomes R.C., Mangrich A.S., Coelho R.R., Linhares L.F., Gomes R.S. Elemental, functional-group and infrared spectroscopic analysis of actinomycete melanins from Brazilian soils // Biol. Fert. Soils. 1996. V. 21(1–2). P. 84–88.
  15. Nascimento F.X., Rossi R.M.J., Soares C.R.F.S., McConkey B.J., Glick B.R. New Insights into 1-Aminocyclopropane-1-Carboxylate (ACC) Deaminase Phylogeny, Evolution and Ecological Significance // PLoS ONE. 2014. Vol. 9(6). doi:10.1371/journal.pone.0099168.
  16. Schulz S., Brankatschk R., Dumig A., Kogel-Knabner I., Schloter M., Zeyer J. The role of microorganisms at different stages of ecosystem development for soil formation // Biogeosciences. 2013. V. 10. P. 3983–3996.