Микробиом – совокупность микроорганизмов, обитающих в окружающей среде (почва, воздух, вода) или населяющих высшие организмы (растения, животные).
Мы изучаем образцы из различных экологических ниш и проводим экстракцию ДНК, которые затем подлежат секвенированию, и с помощью выделения 16S rRNA определяем вид организма.
16S rRNA определяют создание белка в организме, без него выжить невозможно. И по составу этой РНК можно различать виды (Рис. 1).
С помощью секвенирования из ДНК 16S rRNA мы надеемся открыть новые гены, которые можно потом использовать, в том числе и для сельскохозяйственного производства. Естественно, необходим определенный контроль, чтобы не создать таким образом какие-то нежелательные комбинации, которые будут иметь не очень благоприятные последствия для окружающей среды.
Но я считаю, что риск здесь не так велик, а выгоды, которые можно получить, используя эти методы анализа для неизвестного нам генетического материала, гораздо больше.
Те обрывки ДНК, которые мы в почве находим, когда-то составляли цельный геном, и нам желательно его восстановить. Восстановление полного генома происходит с помощью суперкомпьютера.
Из таблицы мы замечаем, что эти микроорганизмы являются симбионтами, они присутствуют в теле «хозяина». И тогда становится понятно, почему они не культивируются, потому что они находятся в среде, которую им обеспечивает «хозяин», и произвести эту среду на чашках Петри невозможно.
Одним из важных явлений является образование неких микробных сообществ. Выживание сообщества обеспечивается за счет химической связи, которая определяет возможность формирования этого самого сообщества.
Изучая различные сообщества, исследователи пришли к выводу о том, что не так важно, какие микроорганизмы населяют данную экологическую нишу: для того, чтобы понять формирование микробиома, необходимо иметь соответствующий набор генов – это главное, ради чего создается это сообщество. То есть каждый обитатель вносит туда определенный вклад и тогда получает право занять место в сообществе и поддерживать его жизнеспособность за счет его каких-то определенных генов.
Количество генов в геномах почвенных бактерий варьируется в пределах от 3 до 10 тысяч. В отличие от растений, у бактерий к неизменной части генома относится лишь часть генома (40% у некоторых бактерий), остальная часть генома является «дополнительной» и содержит гены, ответственные за широкий круг адаптации.
Генетическое и функциональное разнообразие почвенного микробиома – огромно. В 1 г почвы находится несколько млрд живых микроорганизмов, относящихся ко многим тысячам видов. Совокупный генетический материал 1 г почвы превышает миллион человеческих геномов.
Важность сохранения микробно-растительных систем трудно преуменьшить. Растения, попадая в те или иные условия существования, начинают пользоваться теми возможностями, которые им предоставляют микроорганизмы в смысле повышения адаптации. Закономерности умирания растения определяет гормон этилен. Но бактерии могут сделать то, что позволит успокоить растения, они перехватывают предшественников этилена и не дают им выработать достаточное количество этилена, таким образом, условия стресса сглаживаются и растение успокаивается.
Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский говорил: «Количество генов не может быть равным сотням тысяч или миллионам, десятки тысяч – это то, что нам нужно. Кажется, что… эволюционный прогресс связан не со специализацией и специализированными адаптациями к специфическим условиям, как кажется многим ботаникам и зоологам, но, наоборот, морфофизиологическая дифференцировка связана с максимумом омнипотентности, т.е. в определенной степени с отсутствием специальных приспособлений…»
Поэтому мы делим микроорганизмы на две части: микроорганизмы со стабильным геномом (голубая линия) и с нестабильным геномом (красная линия). То есть, когда вы секвенируете по-следовательность этих генов из разных штаммов, вы не находите новых генов, то есть геном стабильный, закрытый геном. И красная линия – при секвенировании различных штаммов будете находить все больше и больше генов.
Общие положения об адаптационном потенциале заключаются в следующем: если у нас имеется две ниши А и Б, и в них поселились разные организмы, то для того, чтобы выжить в нише А, у них должен быть общий набор важных генов (синий цвет), гены адаптивные (красный цвет) и какое-то небольшое количество генов, которые не особо важны для выживания в нише А. Но в нише Б другая ситуация: общие гены (синий цвет) остались в прежнем количестве, количество генов адаптивных сильно упало (красный цвет), но при этом сильно возросло количество зеленых генов.
Таким образом, напрашивается вывод о том, что для выживания сообщества важны не виды, а те гены, которые вносят виды в общее сообщество.
Принцип дополнительности в микробно-растительных системах.
Стабильный и ограниченный по объему информации эукариотический геном дополняется изменчивым метагеномом, обладатели которого расширяют адаптацию к конкретным условиям среды для всей надвидовой системы в целом (симбиогеном).
Реализация этого принципа на практике зависит от наличия промышленных технологий производства и применения микробиологических препаратов, которые представляют собой мощный рычаг оптимизации микробиома.
Микробное сообщество почвы является функциональным «интерфейсом» между почвой и растениями. В силу громадного разнообразия и исключительно высокого адаптивного потенциала микробиома все экологические ниши заполнены.
Несомненно, что структура почвенного микробиома отражает особенности как почвы, так и растительного сообщества, что делает возможным выполнение обратной задачи – анализа агроэкологического статуса почв по данным метагеномного анализа. Расшифровка природы и деталей этих соотношения – одна из основных целей проекта.
Еще в 2012 году журнал «The Economist» писал о том, что организм человека складывается из 23000 генов собственно человека и 3 млн генов микроорганизмов, которые населяют, например, такие системы, как ЖКТ и другие.
Типы межорганизменных отношений:
- мутуализм – организмы живут в непосредственном обоюдовыгодном контакте
- паразитизм или антагонизм – организмы живут в непосредственном контакте, а один из них развивается, причиняя ущерб другому
- нейтрализм – организмы живут в непосредственном контакте, не оказывая явного влияния друг на друга.
Рост-стимулирующие ризобактерии: непрямое действие на растение.
Рост-стимулирующие ризобактерии: прямое действие на растение.
Основные микробно-растительные взаимодействия.
Биологическая фиксация азота – модель использования потенциала прокариот для повышения жизнеспособности высших организмов.
Симбиотиче ский фенотип составляют признаки, которыми не обладали партнеры вне взаимодействия.
Оптимизация микробиома – научно обоснованный, экологически сбалансированный и дешевый способ повышения урожая, экономии энергоресурсов и сохранения плодородия почв.
Эффективность симбиотической азотфиксации у различных бобовых.
Приобретение новых метаболических функций при симбиозе.
Дмитрием Николаевичем Прянишниковым в 1964 году было высказано несколько положений:
- нельзя сказать, чтобы азотистые удобрения на эти (бобовые) растения совершенно не действовали…обильное снабжения бобовых нитратами… может даже действовать неблагоприятно.
- замечено, что после того, как произошло заражение корней какой-либо расой клубеньковых бактерий, проникновение в них других бактерий затрудняется. Следовательно, если в почве имеются малоактивные…бактерии, то первоначальное заражение ими может тормозить деятельность более активных рас, хотя бы они и были в почве.
Действительно, растения и микробы – это единый организм.
Задачи по конструированию новых симбиотических систем включают:
- редактирование структуры рецепторов
- включение новых структур в геномы сортов
- выделение новых генов
- введение новых генов в коммерческие штаммы
- сигналы, комплементарные рецепторам хозяина
- новые МРС с комплексом полезных свойств
