Методология микробиологических исследований почвы в рамках проекта “Микробиом России” | Почвенный институт им. В.В. Докучаева

Методология микробиологических исследований почвы в рамках проекта “Микробиом России”

Т. И. Чернов, В. А. Холодов, Б. М. Когут, А. Л. Иванов

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

Рассматриваются методологические направления развития отечественной почвенной биологии при изучении микробиома почв. Приоритетными являются междисциплинарные исследования растительно-микробных взаимодействий, роли микробиома в формировании почвенного плодородия и круговороте углерода. Для наиболее полного раскрытия экологических и сервисных функций почвенного микробиома предлагается сочетать методы метагеномики (для оценки филогенетического разнообразия микроорганизмов), анализа биомаркеров (для определения функционального разнообразия) и измерение ферментативной активности (для оценки актуальной функциональности почв). Исследование связи структурной иерархии почв (от агрегатов и микролокусов до почвенных ареалов) с уровнями организации микробных сообществ (от непосредственно микробных популяций до биогеографических закономерностей) позволит лучше понять пространственное распределение и общие основы взаимодействия системы почва–микроорганизмы. Помимо пространственной организации предлагается изучать динамику почвенных микробиомов на разных временных отрезках: краткосрочные изменения (на полевых мониторинговых площадках), трансформация в процессе почвообразования (на “хронорядах” почв разного возраста) и в геологическом масштабе времени (на примерах погребенных почв). Рассматривается важность изучения разнообразия почвенных микроорганизмов как источника супрессирующей активности почв, крупнейшего депозитария генетической информации, важного агента эмиссии и фиксации атмосферного углерода. Сравнительный анализ микробного разнообразия целинных и нарушенных почв и оценка различных внешних воздействий на почвенный микробиом представляются необходимыми для сохранения биоразнообразия почв как ценного экологического и биотехнологического ресурса.

Ключевые слова: метагеном, молекулярные маркеры, ферментативная активность, супрессивность почв, экология микроорганизмов.

Doi10.19047/0136-1694-2017-87-100-113

Ссылки для цитирования: Чернов Т.И., Холодов В.А., Когут Б.М., Иванов А.Л. Методология микробиологических исследований почвы в рамках проекта «микробиом России» // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2017. Вып. 87. С. 100-113. doi: 10.19047/0136-1694-2017-87-100-113

Chernov T.I.,  Kholodov V.A., Kogut B.M.,  Ivanov A.L. The Method of Microbiological Soil Investigations within the Framework of the Project “Microbiome of Russia”, Byulleten Pochvennogo instituta im. V.V. Dokuchaeva, 2017, Vol. 87, pp. 100-113. doi: 10.19047/0136-1694-2017-87-100-113


THE METHOD OF MICROBIOLOGICAL SOIL INVESTIGATIONS WITHIN THE FRAMEWORK OF THE PROJECT “MICROBIOME OF RUSSIA”

T. I. Chernov, V. A. Kholodov, B. M. Kogut, A. L. Ivanov

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

The methods of Russian soil biology for the purposes of the investigations of soils microbiome were studied. The most important methods are cross-disciplinary investigations of plant and microbial interactions, the role of microbiome in the forming of soil fertility and carbon cycle. For the purposes of the most complete description of soil microbiome functions we suggest to combine the methods of metagenomics (for the purposes of the assessment of the phylogenic diversity of the microorganisms), biomarkers analysis (for the purposes of determination of the functional diversity) and the changes in the enzyme activity (for the purposes of the assessment of the actual functioning of soils). The investigation of correlation of the structural soil hierarchy (from aggregates and microloci to the soil areas) and levels of microbial community organization (from microbial populations to bio-geographic regularities) will allow us to understand better the distribution and common specificities of soil and microorganisms interactions. Along with the investigation of spatial organization we suggest to study the dynamics of the soil microbiomes on different time lines: short-term changes (on the field monitoring areas), transformation during the soil forming process (on the “chronosequences” of the soil of a different age) and at the geologic time scale (on the example of buried soils). In this paper we consider the importance of the investigation of the diversity of the soil microorganisms as a source of the suppressing activity of soils as the largest depository of genetic information, important agent of the emission and fixation of atmospheric carbon. The comparative analysis of microbial diversity of disturbed and undisturbed soils and the assessment of outer impact on the soil microbiome is necessary for the preservation of soil biodiversity as one of the most valuable ecologic and biotechnologic resource.

Keywords: metagenome, molecular markers, enzyme activity, soil suppressivity, ecology of microorganisms.


Список литературы

1.    Андронов Е.Е., Иванова Е.А., Першина Е.В., Орлова О.В., Круглов Ю.В., Белимов А.А., Тихонович И.А. Анализ показателей почвенного микробиома в процессах, связанных с почвообразованием, трансформацией органического вещества и тонкой регуляции вегетационных процессов // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2015. № 80. С. 83–94.

2.   Ваксман З.А. Антибиотики, их природа, получение и применение. Лекции, читанные в Академии наук Союза ССР 8–12 августа 1946 г. М.: Изд-во АН СССР, 1946. 112 с.

3.   Ваксман С.А. Гумус. Происхождение, химический состав и значение его в природе. М.: Огиз-Сельхозгиз, 1937. 471 с.

4.   Иванов А.Л. Почвенный покров России: состояние, информационный ресурс, исследовательские задачи и прикладные проблемы (к 100-летию академика Г.В. Добровольского) // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2016. № 82. С. 139–155. doi: 10.19047/0136-1694-82-139-155

5.   Корвиго И.О., Першина Е.В., Иванова Е.А., Матюк Н.С., Савоськина О.А., Чирак Е.Л., Проворов Н.А., Андронов Е.Е.Оценка длительного воздействия агротехнических приемов и сельскохозяйственных культур на почвенные микробные сообщества // Микробиология. 2016. Т. 85. №. 2. С. 199–210.  doi: 10.7868/s0026365616020117

6.   Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия. Пер. с англ. М.: Прогресс, 1992.

7.   ООН. Парижское соглашение. 2015. 32 с. http://unfccc.int/files/essential_background/convention/application/pdf/russian_paris_agreement.pdf

8.   Почвоведение. Ч. 2. Типы почв, их география и использование / Под ред. Ковды В.А., Розанова Б.Г. М.: Высш. шк., 1988. 368 с.

9.   Семенов А.М., Соколов М.С. Концепция здоровья почвы: фундаментально-прикладные аспекты обоснования критериев оценки // Агрохимия. 2016. № 1. С. 3–16.

10. Цыганов В.Е., Андронов Е.Е., Долгих Е.А., Тихонович И.А. От “ультра” до “мета”: современные технологии в биологических исследованиях // Нанотехнологии. Экология. Производство. 2013. № 3. С 37.

11. Чернов Т.И., Тхакахова А.К., Иванова Е.А., Кутовая О.В., Турусов В.И. Сезонная динамика почвенного микробиома многолетнего агрохимического опыта на черноземах Каменной Степи // Почвоведение. 2015. № 12. С. 1483–1488. doi: 10.7868/S0032180X15120059

12. Burns R.G., DeForest J.L, Marxsen J., Sinsabaugh R.L., Stromberger M.E., Wallenstein M.D., Weintraub M.N., Zoppini A. Soil enzymes in a changing environment: Current knowledge and future directions // Soil Biol. Biochem. 2013. V. 58. P. 216–234. http://dx.doi.org/10.1016/j.soilbio.2012.11.009

13. Daniel R. The metagenomics of soil // Nature Reviews Microbiology. 2005. V. 3. P. 470–478.

14. Derenne S., Quenea K. Analytical pyrolysis as a tool to probe soil organic matter // J. Analytical Appl. Pyrolysis. 2015. V. 111. P. 108–120. http://dx.doi.org/10.1016/j.jaap.2014.12.001

15. Doran J.W., Sarrantonio M., Liebig M.A. Soil Health and Sustainability // Advances in Agronomy. San Diego: Academic Press, 1996. V. 56. P. 1–54.

16. Eilers K.G., Debenport S., Anderson S., Fierer N. Digging deeper to find unique microbial communities: The strong effect of depth on the structure of bacterial and archaeal communities in soil // Soil Biol. Biochem. 2012. V. 50. P. 58–65. http://dx.doi.org/10.1016/j.soilbio.2012.03.011

17. Fierer N., Leff J.W., Adams B.J., Nielsen U.N., Bates S.T., Lauber C.L., Owens S., Gilberte J. A., Wall D.H., Caporaso J.G. Cross-biome metagenomic analyses of soil microbial communities and their functional attributes // PNAS. 2012. V. 109. No. 52. P. 21390–21395. http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1215210110

18. Handelsman J. Rondon M. R., Brady S. F., Clardy J., Goodman R. M. Molecular biological access to the chemistry of unknown soil microbes: a new frontier for natural products // Chemistry Biology. 1998. V. 5. I. 10. P. 245–249. http://dx.doi.org/10.1016/S1074-5521(98)90108-9

19. Hungate B.A., Mau R.L., Schwartz E., Caporaso J.G., Dijkstra P., van Gestel N., Koch B.J., Liu C.M., McHugh T.A., Marks J. C., Morrissey E., Price L.B. Quantitative microbial ecology through stable isotope probing // Appl. Environ. Microbiology. 2015. V. 81 (21). P. 7570–7581. doi: 10.1128/АЕМ.02280-15

20. Lauber C.L., Hamady M., Knight R., Fierer N. Pyrosequencing-based assessment of soil pH as a predictor of soil bacterial community structure at the continental scale // Appl. Environ. Microbiology. 2009. V. 75. No. 15. P. 5111–5120.doi: 10.1128/AEM.00487-09

21. Loegering W.Q. Current concepts in interorganismal genetics // Annual Review of Phytopathology. 1978. Т. 16. № 1. P. 309–320 http://dx.doi.org/10.1146/annurev.py.16.090178.001521

22. Lopez-Dias V., Borrego A. G., Blanco C. G., Arboleya M., Lopez-Saez J.A., López-Merino L. Biomarkers in a peat deposit in Northern Spain (Huelga de Bayas, Asturias) as proxy for climate variation // J. Chromatography A. 2010. V. 1217. P. 3538–3546.http://dx.doi.org/10.1016/j.chroma.2010.03.038

23. Mazzola M. Mechanisms of natural soil suppressiveness to soilborne diseases // Antonie van Leeuwenhoek. 2002. V. 81. P. 557–564. doi: 10.1023/A:1020557523557

24. Myrold D.D., Zeglin L.H., Jansson J.K. The potential of metagenomic approaches for understanding soil microbial processes // Soil Sci. Soc. Am. J. 2014. V. 78. №. 1. P. 3–10. doi:10.2136/sssaj2013.07.0287dgs

25. Pershina E.V., Andronov E.E., Pinaev A.G., Provorov N.A. Recent advances and perspectives in metagenomic studies of soil microbial communities // Management of Microbial Resources in the Environment. Springer, 2013. P. 141–166. doi: 10.1007/978-94-007-5931-2_7

26. Santana G.S., Knicker H., Gonzalez-Vila F.J., Gonzalez-Perez J.A., Dick D.P. The impact of exotic forest plantations on the chemical composition of soil organic matter in Southern Brazil as assessed by Py–GC/MS and lipid extracts study // Geoderma Regional. 2015. V. 4. P. 11–19. http://dx.doi.org/10.1016/j.geodrs.2014.11.004

27. Sobeih K.L., Baron M., Gonzalez-Rodriguez J. Recent trends and developments in pyrolysis–gas chromatography // J. Chromatography A. 2008. V. 1186 (1–2). P. 51–66.

28. Stone A.G., Scheuerell S.J., Darby H.M. Suppression of Soilborne Diseases in Field Agricultural Systems: Organic Matter Management, Cover Cropping, and Other Cultural Practices // Soil Organic Matter in Sustainable Agriculture. Ed. Magdoff F., Weil Raton R.R. et al. CRC PRESS, 2004. P. 131–178.

29. Stulberg E., Fravel D., Proctor L. M., Murray D. M., LoTempio J., Chrisey L., Garland J., Goodwin K., Graber J., Harris M. C., Jackson S., Mishkind M., Porterfield D. M., Records A. An assessment of US microbiome research // Nature Microbiology. 2016. V. 1. P. 15015. doi:10.1038/nmicrobiol.2015.15

30. Swenson T.L., Jenkins S., Bowen B.P., Northen T.R. Untargeted soil metabolomics methods for analysis of extractable organic matter // Soil Biol. Biochem. 2015. V. 80. P. 189–198. http://dx.doi.org/10.1016/j.soilbio.2014.10.007

31. Torsvik V., Øvreås L. Microbial diversity and function in soil: from genes to ecosystems // Current Opinion in Microbiology. 2002. V. 5. I. 3. P. 240–245. http://dx.doi.org/10.1016/S1369-5274(02)00324-7

32. Wardle D.A. Communities and Ecosystems: Linking the Aboveground and Belowground Components. Princeton, New Jersey, USA: Princeton University Press, 2002. 408 p.