Использование микробных препаратов в сельском хозяйстве обусловлено тем, что в 21 веке произошли существенные изменения в способах анализов почвенного микробиома, которые привели к таким же радикальным изменениям представления о том, какие микроорганизмы живут в почве, к каким видам они относятся, какие функции они выполняют, поэтому иметь представление, соответствующее новой реальности, которую мы знаем, довольно полезно в тех случаях, когда вы используете микробные препараты в сельском хозяйстве.
Факт существования многочисленных почвенных микроорганизмов и их функции в почве были известны уже 150 лет назад: расположение органических остатков, формирование гумуса, круговорот основных элементов, питание растений и пр. Но оказалось, что до самого последнего времени исследователи не представляли себе, сколько микроорганизмов находится в почве.
Причиной этому было следующее обстоятельство: в течение более чем 100 лет микробные сообщества изучали при посеве почвенных суспензий на питательные среды. Численность микробов в 1 г почвы все это время считали равной 106-107, а количество видов исчисляли десятками. Основным способом определять, к какому виду относится микроорганизм – был анализ морфологических, физиологических и биохимических признаков, сумма всех этих признаков позволяла отнести данный вид микроорганизмов к конкретному виду.
Однако в конце 20-го века на смену традиционным способам анализа микроорганизмов пришли молекулярные методы, а чуть позднее – высокопроизводительное секвенирование генетического материала, выделенного из различных сред, или «метагенома». Изменился сам принцип детекции микроорганизмов.
Для того, чтобы узнать, к какому виду относится микроорганизм, используют таксономические маркеры, то есть секвенируют не весь метагеном, а один из видов генов, универсальный для любого микроорганизма, например, рибосому.
После секвенирования гена получаем последовательность РНК, которую необходимо сравнить с базой данных RDP.
И получаем графическое представление результатов анализа.
Разными цветами обозначены различные таксоны различных микроорганизмов. В большинстве своем на уровне рода.
Молекулярные данные свидетельствуют о том, что население почвы существенно превосходит то представление, о котором раньше догадывались по методам, связанным с посевом почвенных суспензий.
В любом анализе почвенной биоты вы найдете по крайней мере половину трудно идентифицируемых последовательностей.
Новая наука – почвенная метагеномика
Задачи:
1) Описание разнообразия и систематизация почвенных микробиомов
2) Понимание функций почвенных микробиомов в эволюции почвы
3) Понимание функций почвенных микробиомов в осуществлении экологических функций (субстратная/ агрохимическая функ-ция, круговорот веществ и энергии, самоочищающая функция и др.)
4) Пониманий функций почвенных микробиомов в обеспечении экосистемных услуг (в т.ч. сельскохозяйственной деятельности)
5) Детальный анализ функций, связанных с растительномикробными взаимодействиями.
Первая и очень важная задача – описание разнообразия почвенных микробиомов. Почва является, вероятно, одним из самых громадных микробных резервуаров на Земле, аккумулирующих микробное разнообразие. Это – весьма необычный природный ресурс, которым никто не обделен, а выгоды от его познания получают не те страны, в которых почвы больше, а те, которые уделяют исследованиям больше внимания, так как даже в 1 г почвы содержится, вероятно, вполне универсальное таксономическое и функциональное разнообразие, достаточное для разработки множества практических приложений.
Один из крупнейших международных проектов по исследованию микробиома Земли иллюстрирует большой интерес к метагеному окружающей среды. На сегодняшний день в рамках ЕМР проанализировано 70 000 образцов, представляющих микробиомы человека, животных, растений, водной среды и почвы. Россия в данном проекте является самой малопредставительной территорией – всего 4 образца вечной мерзлоты.
Одна из главных особенностей почв России – громадное разнообразие, демонстрирующее ярко выраженную зональность, изучение которой позволило В.В. Докучаеву сформулировать основные принципы почвенного генезиса, а современному исследователю дает уникальный доступ к глобальному разнообразию почвенных микробиомов на территории страны.
Микробиом России
ГНУ ВНИИСХМ и Почвенным институтом им. Докучаева начата работа по формированию и анализу коллекции почв России, насчитывающей на сегодняшний день около 500 образцов почвы, хранящихся при -70 °С.
Был идентифицирован коровый таксономический компонент основных типов почв России. Кроме того, был проанализирован кор отдельных типов почв.
Была изучена динамика почвенного микробиома первичных карбонатных почв по данным сравнения микробиомов различных почвенных горизонтов и различных возрастов. Была проанализирована связь динамики почвенного микробиома с основными физико-химическими факторами.
Анализ динамики таксономической структуры почвенного микробиома в спонтанном почвообразовании. А – таксономическая структура на уровне фил и родов. Б – анализ β-разнообразия.
Примечательным результатом отслеживания изменений в микробиоте формирующейся почвы на сроках 2,26, 70 и 200 лет было то, что почти все таксоны, характерные для 200-летнего возраста, уже присутствовали на самом раннем этапе (2 года), что свидетельствует о том, что на самом раннем этапе формирования почв минеральный субстрат «засевается» полным микробиомом с соседних развитых почв, поэтому процесс формирования почв в условиях рекультивации и реабилитации существенно отличается от процессов формирования новых почв.
Проведен сравнительный анализ микробиомов обычного и органического земледелия. Различия между ними были сопоставимы с исходной лесной почвой. Продемонстрированы изменения микробиомов, вызванные введением почвы в сельскохозяйственный оборот и изменения, связанные с различными типами агротехники.
По данным анализа полного метагенома были изучены функциональные основы разложения растительныз остатков в почве. Идентифицированы гены целлюлаз, относящихся к десяткам семейств. Проанализирована их специфичность по отношению к различным типам целлюлозосодержащих субстратов.
Сети в составе микробиома, выделенные по данным анализа целлюлозолитических сообществ, демонстрируют важную особенность работы почвенных микробиомов: многие функции выполняются не одним видом микроорганизмов, а их сложными ансамблями.
Микробное сообщество почвы является функциональным «интерфейсом» между почвой и растениями. В силу громадного разнообразия и исключительно высокого адаптивного потенциала микробиома все экологические ниши заполнены.
Анализ микробиомов почв позволяет оценить значение важнейших почвенных параметров, таких как тип почвы или ее агрохимические и агрофизические характеристики.
